盧小青

（常州格林電力機(jī)械制造有限公司，江蘇 常州 213119）

1 液壓阻尼器靜態(tài)性能參數(shù)分析

液壓阻尼器靜態(tài)性能參數(shù)如下：1）靜態(tài)性能，是指在持續(xù)額定載荷下的阻尼器性能。2）額定載荷Fn，是指在規(guī)定的正常運(yùn)行工況下的設(shè)計(jì)承受能力。3）低速行走阻尼f低，當(dāng)活塞在低于閉鎖速度運(yùn)動(dòng)時(shí)所受的阻力，阻尼器的低速摩擦阻力f低應(yīng)不大于0.02Fn或300N中的較大值。4）閉鎖速度V閉，是指使阻尼閥關(guān)閉所需的臨界活塞移動(dòng)速度，阻尼器的閉鎖速度V閉應(yīng)在120mm/min～360mm/min范圍內(nèi)（包括邊界值）。5）閉鎖后速度V閉后，是指阻尼閥關(guān)閉后，活塞在額定載荷下的移動(dòng)速度，在室溫及額定載荷Fn下，其活塞的移動(dòng)速度應(yīng)為0mm/min～120mm/min[1]。

2 阻尼器測(cè)試技術(shù)分析

2.1 額定載荷

阻尼器的設(shè)計(jì)最大額定載荷為8500kN，測(cè)試阻尼器臺(tái)架的載荷按照1.5倍額定載荷設(shè)計(jì)輸入，即12750kN圓整后設(shè)計(jì)輸入為12800kN。

2.2 低速行走阻尼

阻尼器的低速最小為20mm/min，測(cè)試阻尼器的驅(qū)動(dòng)油缸最小速度按照0.75倍低速值設(shè)計(jì)輸入，即15mm/min?？紤]特殊工況，設(shè)計(jì)輸入低速為10mm/min，其驅(qū)動(dòng)油缸不得出現(xiàn)爬行狀態(tài)。

2.3 閉鎖速度

阻尼器的閉鎖速度V閉最大速度為360mm/min，測(cè)試阻尼器的驅(qū)動(dòng)油缸速度大于V閉最大速度，考慮最大和最小速度的兼容性，油缸驅(qū)動(dòng)持續(xù)速度為400mm/min。

2.4 閉鎖后速度

阻尼閥關(guān)閉后，阻尼器最小速度理論值應(yīng)為0mm/min。設(shè)計(jì)阻尼器時(shí)，阻尼器的閉鎖后速度接近于0，測(cè)試阻尼器的驅(qū)動(dòng)油缸的設(shè)計(jì)目的是要解決發(fā)熱和爬行問(wèn)題。

3 液壓阻尼器測(cè)試臺(tái)系統(tǒng)構(gòu)成

3.1 液壓阻尼器靜態(tài)性能測(cè)試臺(tái)的結(jié)構(gòu)和原理

液壓阻尼器靜態(tài)性能測(cè)試臺(tái)的結(jié)構(gòu)和原理如圖1所示。

圖1 液壓阻尼器靜態(tài)性能測(cè)試臺(tái)的結(jié)構(gòu)和原理框圖

在工控計(jì)算機(jī)和專用測(cè)試軟件的控制下，靜態(tài)性能測(cè)試臺(tái)輸出載荷、位移、速度，以滿足阻尼器試驗(yàn)的特定要求，顯示載荷-位移-速度-時(shí)間曲線參數(shù)，對(duì)大型液壓阻尼器產(chǎn)品的靜態(tài)性能進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試臺(tái)由液壓動(dòng)力系統(tǒng)、電器控制系統(tǒng)、低摩阻力測(cè)試統(tǒng)閉鎖特性測(cè)試系統(tǒng)以及工控操作系統(tǒng)組成。

第一，液壓動(dòng)力系統(tǒng)：包括油箱、油泵電機(jī)和液壓閥組等。其中控制系統(tǒng)輸出壓力的是比例溢流閥，該閥接收工控軟件輸出的0V～10V電壓信號(hào)，對(duì)應(yīng)輸出0MPa～30MPa的油壓，從而獲得相應(yīng)的試驗(yàn)載荷?？刂葡到y(tǒng)輸出流量的是比例換向閥，該閥接收工控軟件輸出的±0V～10V電壓信號(hào)，對(duì)應(yīng)輸出0L/min～185L/min油液，從而獲得相應(yīng)的試驗(yàn)速度。

第二，電氣控制系統(tǒng)：主要包括電控柜、交流接觸器、按鈕、穩(wěn)壓電源以及UPS后備電源等。執(zhí)行油泵電機(jī)啟動(dòng)、停止指令。系統(tǒng)帶有一組功率為500W的不間斷電源，為工控機(jī)系統(tǒng)供電，以防止意外停電造成系統(tǒng)損壞和試驗(yàn)數(shù)據(jù)丟失。

第三，低摩阻力測(cè)試統(tǒng)：該系統(tǒng)用于被測(cè)產(chǎn)品低速摩擦阻力測(cè)試。主要包括機(jī)架、動(dòng)力油缸、載荷、速度和位移傳感器等。動(dòng)力油缸接受控制系統(tǒng)動(dòng)作指令后輸出相應(yīng)載荷、速度，并通過(guò)傳感器將試驗(yàn)數(shù)據(jù)反饋到工控系統(tǒng)。

第四，閉鎖特性測(cè)試系統(tǒng)：該系統(tǒng)用于被測(cè)產(chǎn)品閉鎖特性測(cè)試。同樣包括機(jī)架、動(dòng)力油缸、載荷、速度和位移傳感器等。動(dòng)力油缸接受控制系統(tǒng)動(dòng)作指令后輸出相應(yīng)載荷、速度，并通過(guò)傳感器將試驗(yàn)數(shù)據(jù)反饋到工控系統(tǒng)。由于該系統(tǒng)的最大試驗(yàn)載荷為12800kN，因此機(jī)架被設(shè)計(jì)成四柱臥式結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了充分的強(qiáng)度計(jì)算。

第五，工控操作系統(tǒng)：測(cè)試臺(tái)的操作控制中心，由工控機(jī)、阻尼器試驗(yàn)專用控制軟件和數(shù)據(jù)采集卡等組成，對(duì)測(cè)試臺(tái)其他系統(tǒng)發(fā)出各項(xiàng)試驗(yàn)參數(shù)指令，如試驗(yàn)載荷、試驗(yàn)速度等。還對(duì)試驗(yàn)中獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣、分析、顯示并生成試驗(yàn)報(bào)告，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行自動(dòng)判定。系統(tǒng)可以進(jìn)行人機(jī)對(duì)話，除允許設(shè)置被測(cè)產(chǎn)品名稱、型號(hào)、工程代號(hào)等相關(guān)信息外，還允許設(shè)置執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)（各項(xiàng)指標(biāo)合格范圍）。另外系統(tǒng)還設(shè)有載荷超限、行程超限自動(dòng)保護(hù)功能。

3.2 液壓阻尼器測(cè)試臺(tái)主要參數(shù)

液壓阻尼器測(cè)試臺(tái)主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 液壓阻尼器測(cè)試臺(tái)主要參數(shù)表

3.3 關(guān)鍵性能指標(biāo)

關(guān)鍵性能指標(biāo)具體如下。1）低速摩擦阻力測(cè)試要求。測(cè)試臺(tái)能夠提供0.2mm/s～2mm/s范圍內(nèi)的勻低速拉、壓運(yùn)動(dòng)，測(cè)試過(guò)程中動(dòng)力油缸無(wú)低速爬行現(xiàn)象[2]。能進(jìn)行大阻尼器在設(shè)定速度下的低速摩擦阻力測(cè)試，測(cè)試中能夠生成速度-摩擦阻力-時(shí)間的關(guān)系曲線，測(cè)試后自動(dòng)判斷產(chǎn)品是否合格。測(cè)試臺(tái)能夠提供的額定低速摩擦阻力測(cè)試載荷≤100kN，測(cè)試位移為250mm。2） 閉鎖速度測(cè)試要求。測(cè)試臺(tái)能夠提供最高400mm/min的測(cè)試速度，并可以調(diào)節(jié)0mm/min～400mm/min的加速時(shí)間。在該測(cè)試狀態(tài)下，在阻尼器閉鎖前測(cè)試臺(tái)僅需要提供略大于低速摩擦阻力的動(dòng)力。測(cè)試中確保大阻尼器閉鎖速度值測(cè)試的精確性[3]。3）閉鎖后速度測(cè)試。在被測(cè)阻尼器閉鎖后，測(cè)試臺(tái)能夠提供≥8500kN的拉、壓雙向測(cè)試載荷，并可以根據(jù)被測(cè)試產(chǎn)品的額定載荷自動(dòng)調(diào)節(jié)測(cè)試載荷。測(cè)試中系統(tǒng)能夠生成載荷-速度-時(shí)間的關(guān)系曲線，系統(tǒng)允許設(shè)置測(cè)試時(shí)間和坐標(biāo)值。測(cè)試后能自動(dòng)判斷產(chǎn)品是否合格。油缸測(cè)試位移為250mm。4）超載測(cè)試（1.25倍額定載荷）。測(cè)試臺(tái)能夠提供≥10625kN的拉、壓雙向測(cè)試載荷，其他測(cè)試要求與額定載荷下的閉鎖后速度測(cè)試相同。被測(cè)試阻尼器銷-銷中心距為1.0m～1.8m，機(jī)身長(zhǎng)向可根據(jù)使用需要適當(dāng)加長(zhǎng)。銷-銷中心距根據(jù)通過(guò)接口工裝調(diào)節(jié)，以滿足阻尼器安裝要求。

測(cè)試臺(tái)外形尺寸為6250mm×2000mm×1600mm。液壓系統(tǒng)壓力和方向控制采用比例控制。數(shù)采系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)全數(shù)字閉環(huán)控制，控制通道為2個(gè)，以后可擴(kuò)充到16個(gè)以上。每個(gè)通道包括試驗(yàn)力和位移閉環(huán)控制回路。測(cè)試臺(tái)具有整機(jī)保護(hù)功能、油源故障報(bào)警和自動(dòng)保護(hù)功能；具有測(cè)控系統(tǒng)自診斷功能；完善的軟件自檢功能，可提示故障原因，維修方便；試驗(yàn)狀態(tài)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示功能；具有16通道數(shù)據(jù)采集功能，可采集實(shí)時(shí)力、位移、速度以及試件溫度信號(hào)，采樣頻率為10Hz～1000Hz，數(shù)采通道（可擴(kuò)展）[4]。

4 測(cè)試臺(tái)總體設(shè)計(jì)方案和參數(shù)計(jì)算

12800kN液壓阻尼器靜態(tài)測(cè)試臺(tái)的載荷測(cè)試范圍為4500kN～12800kN。整套測(cè)試設(shè)備可滿足測(cè)試阻尼器的4個(gè)性能指標(biāo)要求，由一套計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行操作控制[5]。

液壓阻尼器由低速摩擦阻力、閉鎖速度、閉鎖后速度以及超載測(cè)試臺(tái)組成，包括機(jī)架、測(cè)試油缸、液壓系統(tǒng)（包括過(guò)濾系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)）、速度傳感器、位移傳感器、壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、工控機(jī)和控制臺(tái)等。速度傳感器和位移傳感器具有自校準(zhǔn)功能。上述主要系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、原理及配置描述如下。

4.1 機(jī)架系統(tǒng)

機(jī)架系統(tǒng)采用臥式四（方）柱結(jié)構(gòu)，柱截面尺寸為300mm×300mm，兩端板厚度為300mm。機(jī)架外形尺寸為～4190mm×2000mm×1800mm。機(jī)架系統(tǒng)用于承受結(jié)構(gòu)載荷。阻尼器安裝連接銷座通過(guò)“T”形頭與動(dòng)力油缸活塞桿連接，接連可靠且易于更換。

根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸和選用的材質(zhì)，采用ANSYS軟件對(duì)框架組件和銷頭組件建立三維模型并進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析，分析結(jié)果滿足載荷要求。

4.2 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)包括泵組、電機(jī)、動(dòng)力油缸、閥組以及管路。根據(jù)關(guān)于大阻尼器閉鎖速度、閉鎖后速度和超載測(cè)試要求，其主要性能指標(biāo)如下：最大測(cè)試速度為400mm/min，最大測(cè)試載荷為12800kN。系統(tǒng)配套的液壓泵、驅(qū)動(dòng)油缸、控制閥、傳感器的型號(hào)參數(shù)和相關(guān)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 系統(tǒng)配套部件型號(hào)和技術(shù)參數(shù)

表2中的注解如下。注①：理論最大輸出流量Q=qN×2。其中Q為理論最大輸出流量，單位mL/min；q為公稱排量，單位mL/r；N為電機(jī)轉(zhuǎn)速，單位r/min；2為泵組數(shù)。注②：電機(jī)功率Pw閉=2×P×Q/1000。其中Pw閉為阻尼器閉鎖時(shí)電機(jī)所需要的功率，單位kW；P為設(shè)定壓力，單位MPa；Q為最大輸出流量，單位L/min。注③：液壓系統(tǒng)理論工作壓力P=F/A/106。其中P為液壓系統(tǒng)理論工作壓力，單位MPa；F為最大設(shè)計(jì)測(cè)試載荷，單位N；A為測(cè)試油缸有效工作截面積，單位m2。注④：液壓缸有效工作截面積A=πR2-πr2。其中A為液壓缸有效工作截面積，單位cm2；R為油缸半徑，單位cm；r為活塞桿半徑，單位cm。注⑤：理論最大輸出載荷F=PA×10-1。其中F為理論最大輸出載荷，單位kN；P為液壓系統(tǒng)設(shè)定壓力，單位MPa；A為液壓缸有效工作截面積，單位cm2。注⑥：理論最大輸出速度V=Q/A。其中V為理論最大輸出速度，單位cm/min；Q為理論最大輸出流量，單位mL/min；A為液壓缸有效工作截面積，單位cm2。

4.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

全數(shù)字控制系統(tǒng)是靜態(tài)性能測(cè)試臺(tái)的核心控制部分，作用是通過(guò)計(jì)算機(jī)和專用控制軟件對(duì)測(cè)試臺(tái)發(fā)出啟動(dòng)、停止、加載、數(shù)據(jù)采樣、處理、判定、存貯、報(bào)告生成以及打印等指令，以完成全部測(cè)試動(dòng)作[6]。液壓阻尼器靜態(tài)性能測(cè)試臺(tái)的低速摩擦阻力測(cè)試和閉鎖速度、閉鎖后速度及超載測(cè)試臺(tái)共用一套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、工控機(jī)和控制臺(tái)，測(cè)試報(bào)告一體輸出，形成完整的大阻尼器靜態(tài)測(cè)試報(bào)告。

該系統(tǒng)由工控計(jì)算機(jī)、專用程序、數(shù)據(jù)采集卡以及控制電纜組成。各組成部分的主要配置和性能要求如下。

4.3.1 工控機(jī)及其相關(guān)配置

系統(tǒng)選用具備在工業(yè)環(huán)境下運(yùn)行的工控計(jì)算機(jī)，具有良好的防塵、防振、防靜電和抗電磁干擾能力。其性能配置見(jiàn)表3。

表3 工控機(jī)性能配置

4.3.2 專用控制程序

測(cè)試系統(tǒng)專用控制軟件采用通用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言進(jìn)行編譯，能在Windows 2000及以上操作系統(tǒng)界面可靠運(yùn)行，具備通用文件管理功能和專用控制功能。軟件的測(cè)控精度穩(wěn)定，不受Windows其他運(yùn)行程序的影響，測(cè)量硬件的數(shù)模轉(zhuǎn)換精度為16位以上。測(cè)量頻率不小于200Hz，實(shí)時(shí)控制頻率不小于1kHz，操作界面清晰、友好。專用控制程序的主要功能如下：設(shè)定系統(tǒng)控制參數(shù)，滿足阻尼器靜態(tài)性能測(cè)試要求；設(shè)定傳感器的零位和增益，進(jìn)行傳感器標(biāo)定；對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣、分析、判定和存貯；能自動(dòng)生成測(cè)試報(bào)告，并可預(yù)覽、打?。痪邆鋽?shù)據(jù)庫(kù)用戶編輯、數(shù)據(jù)分類搜索功能；系統(tǒng)控制方式為載荷或位移閉環(huán)控制，并具備超限安全保護(hù)功能；系統(tǒng)自診斷，即可在試驗(yàn)開(kāi)始前檢測(cè)系統(tǒng)的各類硬件故障并報(bào)警[7]。

4.3.3 數(shù)據(jù)采集卡

數(shù)據(jù)采集卡是測(cè)試系統(tǒng)中試驗(yàn)數(shù)據(jù)（載荷、位移和頻率）和控制數(shù)據(jù)（電壓、電流）的輸入/輸出核心部件，其采樣精度、采樣頻率和自身噪聲對(duì)測(cè)試結(jié)果有重大影響。該文為動(dòng)態(tài)性能測(cè)試臺(tái)選配的數(shù)據(jù)采集卡為美國(guó)NI公司生產(chǎn)的NI-系列產(chǎn)品，其型號(hào)和主要性能指標(biāo)見(jiàn)表4。

表4 數(shù)據(jù)采集卡型號(hào)和主要性能指標(biāo)

5 力學(xué)計(jì)算

5.1 “U”形頭組件

活塞軸截取一段（包括“T”形頭）與“U”形頭一起計(jì)算。模型總質(zhì)量為2234.9kg。根據(jù)幾何造型自動(dòng)劃分網(wǎng)格，如圖2所示?？偣?jié)點(diǎn)數(shù)為25225，總塊體單元數(shù)為12594。所有材料均為鋼材（泊松比為0.3，彈性模量為2.1×105MPa）。除2個(gè)M56-1螺栓與活塞軸的“T”形頭部分為固接外，其余各零件間均為滑動(dòng)摩擦接觸，摩擦系數(shù)取0.1。邊界條件和載荷如圖2所示，圖2中最左邊截面是固定的，對(duì)最右邊截面施加1280t拉伸載荷。計(jì)算結(jié)果如下：總的最大應(yīng)力為1100.7MPa，發(fā)生在右邊拉力頭；總的最大變形為3.4mm，發(fā)生在右邊拉力頭。計(jì)算結(jié)果滿足設(shè)計(jì)需要。

圖2 “U”形頭組件模型

5.2 框架靜力分析

考察機(jī)架抗拉壓強(qiáng)度。模型總質(zhì)量為30901kg，根據(jù)幾何造型自動(dòng)劃分網(wǎng)格，如圖3所示?？偣?jié)點(diǎn)數(shù)為27723，總塊體單元數(shù)為11023。所有材料均為鋼材（泊松比為0.3，彈性模量為2.1×105MPa）。除8個(gè)M240螺栓、4根框架梁與2個(gè)墻板間為滑動(dòng)摩擦接觸外，其余均為固接，摩擦系數(shù)取0.1。邊界條件和載荷如圖3所示，圖3中左、右墻板上的孔作用一對(duì)大小相等、方向相反的力，幅值1280t。計(jì)算結(jié)果如下：拉伸最大應(yīng)力為286MPa，發(fā)生在墻板作用載荷處。拉伸總的最大變形為2.1mm，發(fā)生在墻板作用載荷處。壓縮最大應(yīng)力為274MPa，發(fā)生在墻板作用載荷處。壓縮最大變形為2.4mm，發(fā)生在框架梁中部。計(jì)算結(jié)果滿足設(shè)計(jì)需要。

圖3 框架模型

6 結(jié)語(yǔ)

液壓阻尼器靜態(tài)性能測(cè)試臺(tái)采用液壓系統(tǒng)為試驗(yàn)動(dòng)力，通過(guò)編譯的專用測(cè)試軟件自動(dòng)控制系統(tǒng)的載荷、位移、速度、頻率和時(shí)間等測(cè)試參數(shù)，并通過(guò)高精度傳感器獲得相關(guān)參數(shù)后形成測(cè)試曲線和試驗(yàn)報(bào)告。

液壓阻尼器性能測(cè)試臺(tái)成果是液壓阻尼器性能驗(yàn)證的關(guān)鍵設(shè)備，可為核電站主設(shè)備用液壓阻尼器性能參數(shù)提供數(shù)據(jù)，為液壓阻尼器國(guó)產(chǎn)化提供保障，同時(shí)也用于大型結(jié)構(gòu)件承載試驗(yàn)和測(cè)試其他（如建筑、橋梁和艦船用）阻尼器的超載、應(yīng)變/應(yīng)力關(guān)系、靜態(tài)剛度等性能指標(biāo)。