臂架疲劳试验台系统研究与仿真

2015-04-25张戚饶玉章范福林

机床与液压 2015年8期

张戚，饶玉章，范福林

(1. 北汽福田汽车股份有限公司，北京101400;2. 北京华力创通科技股份有限公司，北京100094)

臂架是混凝土泵车主要构成部件之一，其性能是衡量混凝土泵车重要性能指标之一，其中臂架的疲劳寿命指标是否满足设计要求尤为重要，不仅涉及泵车的工作可靠性及寿命，也事关施工人员的安全。泵车臂架结构复杂、巨大，工作时受载也有其特殊性，传统的疲劳试验台难以满足臂架的台架疲劳试验要求，以前一般只能在客户的实际使用过程中验证臂架疲劳寿命，文中提供一种能满足泵车臂架试验的疲劳试验台系统。

1 臂架疲劳试验台系统

1.1 系统组成

该臂架疲劳试验台是一个集液压、机械、计算机控制及传感器技术于一体的复杂系统，主要由机械系统、液压系统及控制台等组成。图1 所示为臂架疲劳试验台的机械系统部分。

1.2 工作过程

在泵车实际工况下实时测量臂架受载情况，通过分析臂架的载荷谱，疲劳试验的当量试验载荷输入形式可以综合为一定幅值的正弦循环载荷。图2 所示为泵车臂架实测载荷曲线。

图2 泵车臂架实测载荷曲线

以泵车臂架3、臂架4 为试验对象，现说明其台架疲劳试验工作过程如下:首先需要把臂架3、臂架4，通过固定长度的系杆1、系杆2 装配在疲劳试验台的基座上，在臂架的相应位置粘贴应变片，在臂架的合适位置配挂一定的配载，通过应变片测量值来判断模拟试验臂架是否处于其工况下静态载荷时的平衡位置。臂架4 的末端与试验台龙门架上的加载油缸相链接，加载油缸上装有油缸行程位移传感器，加载油缸在液压系统驱动下，对固定在基座上的、处于悬臂状态下的臂架3、臂架4 的装配体末端，施加一定幅值及频率的正弦位移循环载荷。试验台龙门架可以在地轨上移动并锁定，以适应不同长度的臂架疲劳试验。龙门架的高度也可以通过不同长度的加接柱以调整合适的龙门高度。图3 所示为臂架疲劳试验台的机械台架实物图。

图3 疲劳试验台的机械台架实物图

1.3 试验台液压系统

该试验台外形大，安装加载油缸的龙门架也必须能随试验臂架的长短移动调整，液压油源离加载油缸距离远，所以设计了独立的液压站，通过高压软管与加载油缸连接。图4 所示为臂架疲劳试验台液压系统原理图。

图4 臂架疲劳试验台液压系统原理图

系统液压泵站采用A11VO190 变量泵供油，恒功率、比例排量控制，系统压力切断值设置为21 MPa，而系统的安全压力由插装溢流阀设定为25 MPa，根据不同臂架试验对加载油缸运动速度要求的不同，对系统流量做相应的比例控制调节，整个系统绿色节能。图5 所示为疲劳试验台液压站实物图。系统中采用伺服阀对加载油缸精确供油控制，加载油缸上带位移传感器实时反馈油缸行程的位置信息，通过控制器构成加载油缸精确的闭环行程位置控制。管路上安装有蓄能器，以减小系统压力波动。高压油路上串联高压滤油器，以确保电液伺服阀工作油液的清洁度。原理图中截止阀用于液压系统加载油缸部分维修时卸载使用。液压系统管路上还串接了风冷器以恒定液压系统运行的温度区间。

图5 疲劳试验台液压站实物图

2 试验台液压系统的AMESim 仿真分析

2.1 疲劳试验台液压系统的AMESim 模型

AMESim 软件是法国Imagine 公司推出的基于键合图的液压、机械及电气系统的建模、仿真及动力学分析软件，在工业领域得到了广泛的应用。

在该试验台液压系统回路中，油箱、伺服阀、加载油缸等元件可以从AMESim 的液压元件库中直接选取。A11VO190 液压油泵，因在臂架疲劳试验对象一定且不变的整个试验过程中，其比例控制的排量固定，这里简化为定量泵处理。插装单向阀、风冷器及过滤器等元件由于对系统动态性能影响极其小而简化了，加载油缸上承受有一定的单向臂架载荷。

具体建立的AMESim 模型如图6 所示。

图6 试验台液压系统AMESim 仿真模型

2.2 动态仿真结果及分析

为了能使臂架疲劳试验机能在正弦位移循环载荷形式下，以一定的幅值及频率往复周期工作，现拟通过控制器对伺服阀输入一定幅值及频率的正弦周期信号，期望加载油缸在伺服阀的控制下，其活塞杆通过铰接点，向臂架悬臂装配体末端输出一定幅值及频率的正弦位移循环载荷，加载油缸上带位移传感器实时检测加载油缸活塞杆的位移信息并反馈给控制器，形成完整的闭环控制。

图7 是臂架疲劳试验台系统伺服阀在正弦信号的输入下，其加载油缸活塞杆运动位移输出的计算机仿真曲线。

图7 试验台输入信号及油缸位移曲线

从臂架疲劳试验台系统仿真曲线可知:系统通过控制器对输入伺服阀的信号进行PID 调节控制，结合加载油缸位移传感器实时信号的闭环反馈作用，加载油缸能精确输出所需求的一定幅值及频率的正弦位移曲线;系统加载油缸输出正弦位移曲线，与控制器输入电液伺服阀的正弦信号比较，有少许的滞后现象，是由于系统有一定的响应时间及惯性的原因。