扭杆系统二维复合加载疲劳试验机的设计

曹建平， 梁有志， 颜猛

（株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007）

1 扭杆系统受力分析

扭杆系统产品在轨道车辆二系悬挂中得到了广泛应用，其主要结构如图1所示。

扭杆系统由扭杆（1件）、扭臂（2件）、连杆（2件）、支撑座（2件）、球铰（4件）等组成。扭杆的两端装有扭臂，连杆的两端通过球铰分别与扭臂和车体底架铰接，扭杆通过支撑座固定在车体上。

图1 扭杆系统组成

扭杆系统在实际运行工况中受力情况如图2所示，二侧连杆受到车体z向力（垂向力）F1、F2，F1与 F2大小相等、方向相反；扭杆受到车体y向力（横向力）F3；垂向力与横向力同时同相位施加在扭杆系统上。

耐久性实验是评判扭杆系统寿命的非常重要的实验，研制的疲劳试验机必须满足不同规格与结构的扭杆系统二维复合加载试验要求。

图2 扭杆系统受力情况

2 试验机设计方案

根据扭杆系统疲劳试验次数多、试验周期短、不同规格产品多、载荷变化范围大等特点，研制一台扭杆系统疲劳试验专机很有必要。

本文设计的这台扭杆系统疲劳试验专机采用机械式，机构原理如图3所示。

图3 试验机机构原理图

垂向加载：由电动机通过V带传动带动曲柄摇杆机构，再经杠杆机构，实现扭杆系统两头的同时加载。扭杆系统扭杆的扭转幅值由曲柄机构无级调节垂向连杆的位移来实现，扭杆系统垂向载荷大小通过杠杆下的二个力传感器经触摸屏显示，从而间接对扭杆系统的载荷进行控制，扭转频率通过PLC控制变频器输出来实现。

横向加载：由电动机带动曲柄滑块机构，实现工作台的往复运动。扭杆系统安装在工作台上，随工作台一起运动。往复运动位移幅值由曲柄机构无级调节横向连杆的位移来实现，往复运动频率也通过PLC控制变频器输出来实现。

同步控制：通过原点（平衡点）设置，由PLC通过PRFOBUS网络向两个变频器同时发出频率信号，来达到垂向与横向加载二台电动机完全同步的目的。

3 主要部件结构介绍

试验机由垂向加载机构、横向加载机构、机架、杠杆机构、工作台以及控制部分等组成，其结构如图4所示。

3.1 垂向加载机构

图4 试验机整机示意图

垂向加载机构包括减速电机、V带传动、上支撑装置、曲柄摇杆机构等。减速电机采用德国SEW公司制造的自带降温风扇的硬齿面标准斜齿轮-伞齿轮减速电机，电机带制动器，具有性能优越、能耗低、振动小、噪音低与效率高的特点。减速电机输出轴上安装有皮带轮，通过普通V带传动，带动上支撑装置轴转动。上支撑装置一端装皮带轮，通过带传动把电动机原动力传至上支撑轴；另一端装有曲柄摇杆装置，通过连杆与杠杆机构相连。通过调节曲柄摇杆机构曲柄长度改变杠杆机构杠杆的摆动幅度。

3.2 横向加载机构

横向加载机构包括减速电机、曲柄滑块机构等。减速电机采用德国SEW公司制造的自带降温风扇的硬齿面标准斜齿轮减速电机，电机也带制动器；减速电机安装在直线导轨副上，便于调整与移动。曲柄滑块机构的曲柄盘安装在减速电机输出轴上，连杆与工作台相连，扭杆系统安装在工作台上。

3.3 机架

整个机架为前、中、后三部分：前部安装横向加载机构、工作台与扭杆系统；中部上面安装垂向加载机构，前面安装杠杆机构；后部安装垂向加载用减速电机。机架采用焊接箱形结构，具有足够的强度与刚性。机架通过地脚螺栓安装在坚固平整的地面上。

3.4 杠杆机构

杠杆机构包括杠杆、导向装置、支撑装置等。杠杆采用中空箱形梁结构，具有足够的强度与刚性，顶面与垂向加载装置的连杆相连，底面开T形槽，这样便于不同长度的扭杆安装。杠杆背面装有导向装置，可以承受扭杆系统连杆施加的横向力，保证整个杠杆不横向摆动。杠杆由支撑装置安装在机架上，绕中部铰孔上下摆动。

3.5 工作台

工作台成“工”字型，其顶面开有T型槽，便于不同规格扭杆安装；底面安装在直线导轨副上，便于调整与移动。工作台左右各一，由丝杆连接，并用螺母锁紧，两个工作台中心距离可以无级调节，便于不同规格扭杆安装。

3.6 控制部分

控制部分采用德国西门子的S7-300 PLC，完成试验机计数、保护、操作等控制。带有1个输入模块与2个输出模块。变频器采用二台西门子的MM440来无级调节试验机加载频率，通过触摸屏完成人机对话。PLC通过PROFIBUS网络控制二个变频器输出信号达到垂向与横向加载电机原点同步、运动同步与同步停止的目的。

4 关键设计技术分析

4.1 真实模拟扭杆系统的二维复合加载

图5 扭杆常态及工况条件下形变图

在实际运行工况中，轨道车辆中扭杆系统受到垂向加载的同时，横向会产生一定的移动；目前进行的疲劳试验只考虑垂向加载，不能完全真实模拟扭杆系统运行状态。

在如图5所示的空间坐标系xyz中，ABCDEF 为常态下扭杆系统，A1B1C1D1E1F1为工况下扭杆系统。扭杆除了产生扭转形变α外，还在y轴方向上产生位移b。本文设计的疲劳试验机就真实地模拟了扭杆系统这种受力情况，垂向加载机构施加的载荷通过杠杆机构传到扭杆连杆上，产生连杆垂向位移c，进而产生扭杆扭转变形α；横向加载机构施加的载荷通过工作台作用在扭杆上，产生位移b。

4.2 适用不同规格扭杆的柔性设计

轨道车辆用扭杆系统品种多，其扭杆长度、扭转臂长度与连杆长度尺寸变化大，因此要求设计的试验机定位装夹机构具有良好的柔性，以满足各种扭杆的试验要求。

本文设计的试验机，在z向根据连杆长度的不同，采用在工作台上添加调整垫块来实现；工作台上开有T型槽，可满足x向不同长度扭转臂的扭杆系统安装；工作台安装在直线导轨副上，两边工作台的距离可以在y向无级调整，以满足不同长度扭杆的安装要求。这样，试验机就可以满足多品种、多系列扭杆系统的安装需要。

4.3 曲柄长度的无级调节

扭杆系统扭杆的最大扭转角与横向位移变化大，且要求连续可调，本文设计的试验机采用曲柄长度无级调节机构，通过旋转调整螺杆，可以调节曲柄销的位置，即无级调节曲柄的长度。垂向曲柄大小对应扭杆的最大扭转角，横向曲柄大小对应扭杆横向最大位移。因此无级调节曲柄长度就能实现扭转角与横向位移的连续调节。

4.4 二维复合加载的同步控制

扭杆系统垂向与横向分别采用两台电机进行加载，且要求同步。本试验机同步方案设计如下：

（1）原点同步：在两个加载方向上分别设置原点位置，通过PLC控制变频器，使两套加载机构同时到达原点。

（2）运动同步：（a）同步启动，PLC 通过 PROFIBUS网络向两个变频器同时发出启动信号，使之同时启动；（b）运行同步，两套加载机构的运转频率分别设为f1和f2，两套加载机构的减速比分别设为n1和n2，则变频器输出的频率分别为：F1=f1·n1；F2=f2·n2，f1=F1/n1，f2=F2/n2，根据设计要求 f1=f2，即：F1/n1=F2/n2，因为减速比n1和n2是确定的，因此总能找到F1和F2的值满足以上条件。通过PLC的匹配计算确定两台变频器运行中频率，通过PROFIBUS网络向两个变频器同时发出频率信号；（c）同步停止，PLC通过PROFIBUS网络向两个变频器同时发出停止号，使之同时停止。

5 试验机技术参数与主要功能

5.1 试验机主要技术参数

扭杆系统疲劳试验机主要技术参数如表1所示。

表1 试验机主要技术参数

以上参数覆盖了不同规格扭杆的各种工况要求。

5.2 试验机主要功能

这台试验机主要是为了满足扭杆系统的疲劳试验要求，可以真实模拟扭杆系统实际运行工况，采用位移控制无级调节，二维协调复合加载，加载频率可调，达到既经济又快速完成扭杆系统可靠性试验的目的。

另外由于连杆上端增加了力传感器，且通过位移无级调节可以精确实现载荷的控制，因此可以对扭杆进行刚度等静态性能指标的检测。

最后改变装夹件可以对其它产品进行一维、二维疲劳与静态性能检测。

6 结语

本文设计的试验机为国内首台扭杆系统二维复合加载专用疲劳试验机，其真实地模拟了扭杆系统的实际运行工况，采用覆盖多品种、多规格扭杆的柔性设计，引入曲柄长度无级调节装置与二维实时同步控制系统，可高效率、低成本地完成扭杆系统的耐久性试验与静态试验；并可在一定条件下完成其它产品的一维、二维的静态与疲劳性能测试。

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