閆志超，閆 政4，吳 娟，李鑫鑫

(1.太原理工大學(xué)機械與運載工程學(xué)院，山西太原 030024； 2.礦山流體控制國家地方聯(lián)合工程實驗室，山西太原 030024；3.山西省礦山流體控制工程技術(shù)研究中心，山西太原 030024； 4.晉中學(xué)院機械學(xué)院, 山西晉中 030600)

引言

汽車底盤測功機是在室內(nèi)模擬汽車道路試驗常用的一種整車性能試驗裝置，該裝置通過滾筒機構(gòu)和功率吸收裝置模擬汽車在路面行駛狀況[1]。利用該裝置在室內(nèi)即可完成汽車動力性能、可靠性能檢測及關(guān)于汽車傳動系統(tǒng)等的多種專項試驗與研發(fā)[2]。然而現(xiàn)有汽車底盤測功機只適用于一般用途車輛的檢測，對于礦用膠輪車這一類的特種井下輔助運輸交通工具并不能準確測量上述性能。因此，對于礦用膠輪車底盤測功機的研究具有重要價值。

馬強駿[3]針對現(xiàn)有底盤測功機存在的測量誤差大、穩(wěn)定性差等問題，提出提高汽車底盤測功機檢測數(shù)據(jù)可信度的幾個關(guān)鍵技術(shù)。劉昭度[4-6]提出適用于ASM和IG195兩種工況法的測試摩擦功率新方法，設(shè)計了針對這兩種工況法的滑行測試的指示功率技術(shù)要求以及重型底盤測功機滾筒的設(shè)計標準和計算公式。馬杰[7]通過對試驗車輛在道路和試驗臺上的受力分析對比，提出輪胎壓力、車輛載荷和測功機設(shè)定的慣量等級對阻力設(shè)定的影響。

綜上所述，底盤測功機關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)對測量精度有很大影響[8-9]，但針對礦用膠輪車底盤檢測關(guān)鍵技術(shù)研究很少。本研究通過對礦用膠輪車的胎壓與滾筒之間摩擦系數(shù)的影響[10-12]進行現(xiàn)場檢測試驗，研究適用于礦用膠輪車的滾筒噴涂材料[13]、滾筒直徑和滾筒中心距等參數(shù)[14-15]，優(yōu)化機械結(jié)構(gòu)，提高技術(shù)水平和檢測精度，不斷滿足礦用膠輪車的檢測要求。

1 汽車底盤測功機工作原理及受力分析

1.1 汽車底盤測功機工作原理

汽車底盤測功機結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要由功率吸收裝置、安全裝置、速度傳感器、慣量模擬裝置、力傳感器、滾筒等結(jié)構(gòu)組成。汽車底盤測功機利用2對滾筒模擬汽車行駛的路面，通過功率吸收裝置施加力矩，模擬汽車行駛過程中受到的風(fēng)阻和滾動阻力，汽車底盤輸出的功率和轉(zhuǎn)矩則通過力傳感器測得。當(dāng)試驗車輛帶動滾筒轉(zhuǎn)動時，加載裝置(電渦流測功器)的轉(zhuǎn)子盤在磁場中旋轉(zhuǎn)切割磁感線產(chǎn)生渦電流，渦電流形成的磁場在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生1個與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相反的力矩，該力矩經(jīng)測力傳感器測得并通過計算得到汽車底盤輸出功率和轉(zhuǎn)矩。

圖1 汽車底盤測功機結(jié)構(gòu)簡圖

1.2 汽車車輪在底盤測功機上的受力分析

試驗車輛在底盤測功機上行駛時，驅(qū)動輪不僅受到功率吸收裝置所設(shè)定的加載力，還受到與滾筒間的滾動摩擦力，假設(shè)輪胎在滾筒上未發(fā)生打滑，驅(qū)動輪受力如圖2所示。

驅(qū)動輪受力平衡方程為:

(1)

式中，F(xiàn)1，F(xiàn)2為驅(qū)動輪受到的切向阻力；N1，N2為驅(qū)動輪受到的法向支撐力；Gk為汽車驅(qū)動軸落在滾筒上的載荷；H為車橋?qū)囕喌淖饔昧Α?/p>

圖2 試驗車輛驅(qū)動輪在滾筒上的受力分析

驅(qū)動輪在滾筒上的滾動阻力為：

Ff1=f′·(N1+N2)=f′·Gk/cosα0

(2)

式中，f′為驅(qū)動輪與滾筒間的滾動摩擦阻力系數(shù)；α0為車輪在滾筒上的安置角。

2 輪胎胎壓及滾筒表面材料對摩擦系數(shù)的影響試驗

2.1 輪胎胎壓對摩擦系數(shù)的影響

汽車輪胎作為底盤調(diào)校中重要的彈性元件匹配對象，其胎壓的大小直接影響到輪胎的徑向剛度。隨著胎壓升高，車輪與滾筒接觸時輪胎變形量減小，輪胎恢復(fù)變形時的損失減少，從而使得滾動阻力系數(shù)降低，有利于整車道路行駛阻力降低。為了研究胎壓對滾動阻力系數(shù)以及滾動阻力大小的影響，選取WC20R(D)、WC12R、WC5J(D)3種不同膠輪車并分別設(shè)置不同胎壓在底盤測功機上進行無加載滑行和二次加載滑行試驗[16]。首先讓試驗車輛在底盤測功機上加速至某一速度后，切斷試驗車輛動力源讓其在輪胎滾阻和底盤測功機內(nèi)阻下滑行即無加載滑行；然后讓試驗車輛施加兩次不同的加載力讓其在輪胎滾阻、底盤測功機內(nèi)阻和加載力下滑行即二次加載滑行，根據(jù)能量守恒定律, 測得試驗結(jié)果如圖3和表1所示。

圖3 三種車輛不同胎壓下的滾阻系數(shù)

表1 不同胎壓下的臺架行駛阻力

分析圖3可知，同一試驗車輛(即相同型號輪胎)隨著胎壓的增大，輪胎與滾筒之間的摩擦系數(shù)隨之降低，胎壓每升高50 kPa滾動阻力系數(shù)降低約4.3%～7.7%；不同車型(即不同型號輪胎)的車輛在相同胎壓下的摩擦系數(shù)也不相同，然而胎型只對摩擦系數(shù)大小有影響，胎壓的增大對于摩擦系數(shù)下降這一趨勢并無影響。

分析表1可知，在相同胎壓下隨著行駛速度的增大，試驗車輛的滾動阻力隨之增大；當(dāng)行駛速度相同時，胎壓升高50 kPa，試驗車輛在臺架上的行駛阻力平均降低了8.5 N。以上分析說明，適當(dāng)增大輪胎壓力有利于降低試驗車輛在臺架上的滾動阻力，同時也減小了滾阻對檢測的影響，提高了試驗的精確性。

2.2 滾筒表面噴涂對附著系數(shù)的影響

附著系數(shù)表示底盤測功機滾筒與輪胎間的附著性能，它的大小對試驗車輛的檢測精度有重要影響。附著系數(shù)過小時會導(dǎo)致試驗車輛在滾筒上發(fā)生相對打滑，致使臺架試驗不能準確模擬真實路況，從而無法精確測量其最大牽引力或最大制動力。采用合金噴涂法不僅克服了滾筒表面易磨損的缺點，而且達到了延長滾筒使用壽命和提高滾筒表面的附著系數(shù)的目的。其工藝流程如表2所示。

表2 氧乙炔噴涂工藝流程

經(jīng)過多種噴涂材料的性能試驗，根據(jù)試驗結(jié)果選擇性能最優(yōu)的噴涂材料NiCrBSi噴涂于滾筒上, 然后進行試驗車輛在噴涂好的滾筒上進行模擬試驗測取最終的附著系數(shù)，試驗結(jié)果如表3所示。該噴涂材料及工藝流程有較高的結(jié)合強度，能夠有效避免磨損對測試的影響，而且附著系數(shù)顯著提高，滑轉(zhuǎn)率降低，汽車在滾筒上能夠平穩(wěn)運行，該材料和工藝既符合底盤測功機對滾筒表面附著系數(shù)的要求,也為底盤測功機解決滾筒表面的處理提供了理論指導(dǎo)。

表3 試驗結(jié)果

3 滾筒直徑、中心距試驗對比分析

3.1 滾筒直徑

標準JT/T445-2008中規(guī)定，額定承載能力為13 t，滾筒直徑推薦值為370～530 mm。選擇WC5J(D)、WC20R(D)礦用膠輪車分別在3種不同滾筒直徑的汽車底盤測功機上進行示值功率測試比對試驗(為了保證煤礦安全，礦用膠輪車在巷道內(nèi)的行駛速度不得高于20 km/h)，測試結(jié)果見表4。分析可知，功率測量結(jié)果隨著測試車速的增大而增大，相同車型在同一車速不同滾筒直徑下的功率測量結(jié)果相差不大，這說明滾筒直徑對汽車底盤功率影響較小。底盤測功機滾筒直徑一般要求設(shè)計偏大，然而對于礦用膠輪車限速20 km/h的檢測，為了能夠滿足功率吸收裝置的低速工作特性，要求滾筒直徑設(shè)計偏小以提高滾筒轉(zhuǎn)速從而能夠提高系統(tǒng)控制精度和測量精度。經(jīng)過試驗最終設(shè)定滾筒直徑為373 mm左右較為合適。

表4 三種滾筒直徑下示值功率檢測試驗數(shù)據(jù)

3.2 滾筒中心距

在對雙軸式滾筒的中心距進行設(shè)計時，應(yīng)符合JT/T445-2008標準。如表5所示，膠輪車的車輪安裝角和前后滾筒對車輪支撐力均隨滾筒中心距的增加而增大。根據(jù)大同塔山煤礦膠輪車型號及所能承載重量都高于5 t, 在國家標準所規(guī)定的滾筒中心距范圍內(nèi)，設(shè)定滾筒中心距為520 mm左右較為合適。

表5 雙軸式滾筒中心距(A)設(shè)計要求

注：A—— 滾筒中心距，mm；

D—— 滾筒直徑，mm。

4 動力性能檢測試驗

根據(jù)上述試驗得出的最優(yōu)設(shè)計參數(shù)搭建的礦用膠輪車底盤測功檢測系統(tǒng)如圖4所示，該系統(tǒng)采用模糊控制與自適應(yīng)PID(Proportion Integration Differentiation)控制相結(jié)合的控制器，能夠?qū)崿F(xiàn)kp,ki,kd的自動在線調(diào)整，具有響應(yīng)時間短，控制精度高，超調(diào)量小等優(yōu)點，從而加強系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，能夠適應(yīng)復(fù)雜對象的要求。利用上位機組態(tài)軟件，對汽車性能檢測工作狀態(tài)界面進行設(shè)計編寫，從而實現(xiàn)汽車性能在線檢測的人機對話和遠程數(shù)據(jù)通訊，減少操作失誤，汽車性能檢測現(xiàn)場運行狀態(tài)界面如圖5所示。該汽車在線檢測系統(tǒng)已在大同塔山煤礦膠輪車檢測線現(xiàn)場應(yīng)用。

圖4 動力性能檢測試驗

圖5 汽車性能檢測狀態(tài)界面

通過對在用的5輛礦用膠輪車進行限速20 km/h檢測，對運行過程中的底盤輸出功率數(shù)據(jù)進行在線采集，如表6所示。該數(shù)據(jù)說明經(jīng)校正后的礦用膠輪車，底盤最大輸出功率與額定扭矩功率之比均能達到50%左右，符合檢修標準。

表6 礦用膠輪車動力性檢測數(shù)據(jù)表

5 結(jié)論

(1) 適當(dāng)增大輪胎壓力能夠減小臺架滾動阻力，提高檢測精度；

(2) 滾筒表面采用噴涂硬質(zhì)合金的方法來增加粗糙度，以防止汽車在滾筒上打滑；

(3) 通過將底盤測功機滾筒直徑設(shè)計為373 mm, 滾筒中心距為520 mm，優(yōu)化了底盤測功機結(jié)構(gòu)，從而能夠更好地檢測礦用膠輪車的動力性能。