单轴振动台振动质量的改进

2014-12-17张博，姚烈

中国测试 2014年1期

张博，姚烈

（上海汽车股份有限公司乘用车分公司技术中心，上海 201804）

0 引言

垂向振动对于大多数车身内外饰零部件来说是车辆行驶在道路上的主要振动能量来源，垂向振动台就是模拟道路垂向振动输入的试验设备，具有结构简单、成本低、易于控制等优点，得到了广泛应用。

目前，应用较多的垂向振动台为电磁振动台。电磁振动台振动频带较宽，一般为5～1000Hz，有的甚至更高，出力较小，且控制器方式简单，只能设置功率谱做随机振动，无法进行迭代实时路谱试验。另一种应用较普遍的振动台原理是液压，多为多自由度控制，控制复杂可进行道路模拟试验，振动台振动频带较低（0.5～50Hz），出力较高。随着静液压轴承作动缸的出现，液压作动缸的频带可以高达200Hz甚至500Hz，如果以静压轴承作动缸为振动源集成为单轴垂向振动台，既可以兼顾低频振动又可以进行迭代实时路谱道路模拟试验，对零部件的试验认证有很大的帮助。针对此，本文设计了一个单轴垂向振动台。

图1 单轴振动台

图2 控制原理图

图3 验收关键信号反馈图

1 系统构成及原理

单轴垂向振动台结构示意图如图1所示，其控制原理[1-3]如图2所示。

2 项目验收问题

试验台验收做道路模拟试验比较顺利，做2.5g（5～20Hz）扫频试验时，发现实际调试中台面加速度反馈信号不能接受，如图3所示。

可以看出，台面加速度在波峰和波谷中有巨大的波动，且不平滑。前期分析的故障可能和伺服阀的非线性、气弹簧系数以及作动缸内的库伦摩擦力有关。

3 系统工作机理及仿真模型的建立

振动源双杆活塞式液压缸，结构如图4所示。活塞两侧都装有活塞杆，由于两腔的有效面积相等，故活塞往返的作用力和运动速度相等，其运动数学关系[4]如下式所示：

式中作动缸出力为左右腔室的压差乘以有效面积A，P1为左侧腔室压力，P2为右侧腔室压力，有效面积A为活塞面积减柱塞面积。

假设液压油不可压缩，柱塞的运动速度就是流入作动缸的总流量除以有效面积，如式（2）所示。那么对柱塞速度微分就得到了柱塞的加速度。由于作动缸的柱塞和振动台面是刚性连接，柱塞的加速度就是振动台面的加速度，如下式所示：

图4 液压振动工作原理图

图5 仿真模型原理图

伺服阀的控制电流与流量成正比，速度的微分为加速度，阻塞面积一定，可以找到伺服阀控制电流与台面加速度的数学关系[5-6]，从而达到有效控制的目的，进而可以构建模型构架图[7-8]，如图5所示。

模拟模型主要包括伺服阀模型、作动缸模型和控制器。作动缸模型还包括作动缸动态模型和作动缸安装底座的动态模型，气囊也是要考虑的，也包含非线性因素的伺服阀，伺服阀性能曲线在伺服阀性能试验机上获得，该设备应用的相同伺服阀性能曲线如图6所示。X-Y轴没有单位，这就需要在仿真模型中调节刻度。根据仿真模型，控制器为常规比例控制，事实上控制器的结构只会对以上问题有微小的影响。

4 仿真试验及结果

针对可能引起该验收问题的原因，设计了4个仿真试验，利用模型检测这些参数对最后试验结果的影响。

1）考虑伺服阀的非线性因素，分别输入线性的和非线性的伺服阀曲线，观察最后加速度反馈结果。

2）逐渐增加气弹簧的系数，观察最后加速度反馈结果。

3）逐渐增加气弹簧的系数库伦摩擦力，观察最后加速度反馈结果。

4）逐渐增加弹簧载荷，观察最后加速度反馈结果。

4.1 伺服阀非线性因素影响

当不考虑伺服阀的非线性时，加速度的信号如图7所示，信号很完美。但是，由于图6中伺服阀的非线性，虽然控制参数锁定了，但是伺服阀流量变成非线性。当非线性发生在零点附近时，作动缸的两个腔室的压力会下降，从而影响伺服阀的控制流量导致波动，从而加速度会随着流量的波动而波动，如图8所示。这说明伺服阀的非线性确实是加速度反馈不稳的一个原因。