模拟加载系统性能分析及在加载试验台上的应用

胡　松,刘彦峰,刘　达,薛少青(长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室,陕西西安　710064)

模拟加载系统性能分析及在加载试验台上的应用

胡松,刘彦峰,刘达,薛少青
(长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室,陕西西安710064)

摘要:对现有各类常用的测功机工作原理、性能及优缺点进行比对分析,选择磁粉制动器为摊铺机试验台的模拟加载设备,并对摊铺机试验台螺旋布料器的模拟加载设备进行设计选型。经理论分析计算,磁粉制动器能较好满足摊铺机加载试验台的各项加载需要。

关键词:测功机;工作原理;磁粉制动器;摊铺机试验台;加载设备选型

以静态条件为前提,即假定机器在平稳状况下运行一直是测定工程机械动态牵引性能最传统的方法。在工程机械实际作业情况下,由于工作环境的复杂多变,机器不可能在完全平稳的工况下作业,因此由传统方法测定出来的动态牵引性能并不可靠。为了真实测定出机器的动态牵引性能,国内一些学者提出了现场、台架以及负荷车等试验方法［1]。

1　动态牵引性能测试方法

现场试验方法就是通过机器现场作业来测量各项动态牵引指标。这种试验方法真实可靠、操作简单并且易于实现,不需要各种模拟加载测功机,所需费用也较少。但是野外作业工况环境复杂多变,会出现同一台机器多次测量结果重复性较差、不同机器测量结果间可比性也较差等问题。台架模拟试验是在实验室中模拟机器所受到的负荷,通过转鼓或者履带式台架作为依托,在台架链轮的输出轴端安装各种模拟加载机,从而进行载荷模拟和测功。这种试验方法可以人为调整负荷工况或保持负荷不变,对不同机器进行测试后,对试验结果进行比对。但是台架试验无法反映出工程车辆与地面的真实附着情况,需要试制出转鼓或者履带台架并且需要投入费用购买相应的测功机,测试成本较大。负荷车试验是在标准的试验土槽中进行的,能很好的解决台架试验中无法反映机器与地面真实附着情况这一缺点,借助模拟负荷车提供机器在工作过程中所受到的变化负荷［2]。负荷车试验不仅保持了野外试验的真实性,又具备台架试验结果的可对比性。但是进行负荷车模拟试验,同样需要试制出相应的负荷车模型,前期投入费用依然较高。

在这3种测试方法中,台架模拟试验占据着核心位置。相比于野外试验,台架试验的试验结果更具对比性,并且极大改善了试验条件。相比负荷车试验,试验过程不需要专门的标准土槽以及昂贵的负荷车装置。虽然台架试验无法反映出车辆与地面的真实附着情况,但是差别并不大,否则台架模拟试验将失去测试意义。

2　模拟加载系统性能分析

在台架试验中,各类模拟加载测功机占据着核心位置。测功机大概分为以下几类:水力、电涡流、电力、液压、空气、机械、磁粉等。国内一些学者曾对汽车底盘测功机及其配套惯性系统进行深入研究［3]。虽然关于测功机性能的研究很多,但是将各种测功机的工作原理及其性能比对的研究不多。本文对各类测功机的工作原理及其性能优缺点进行分析对比。

水力测功机的工作原理是将水注入测功机空腔,转子浸入水中,被测试机械带动测功机转子旋转,在离心力的作用下,水在空腔内形成涡流状。随着转子在水中旋转,转子将扭矩传递给水,而水涡流的旋转受到了测功机外壳的阻碍,这相当于给水涡流施加了制动力矩,也相当于给转子施加了制动力矩。当水力测功机处于平衡状态时,输出轴上的转子将扭矩通过水传递到外壳上,这样水涡流就受到了外壳的制动力矩,根据作用力与反作用力的关系,外壳受到了一个与制动力距大小相等方向相反的力矩,外壳在该力矩的作用下旋转一定角度,通过压力传感器即可测得这一力矩,该力矩即为输出轴的扭矩。通过调节进入测功机空腔内的水流量,即可调节输出轴上的模拟负荷(变水量水力测功机)。水力测功机构造简单、价格便宜并且易于操作,但是由于其控制方法并不先进、动态响应性较差、不能反拖和双向加载、工作时转动惯量较大、无法实现能量回收以及低速扭矩小等缺点,限制了其推广应用［4]。

电涡流测功机主要包括旋转和摆动两部分。旋转部分主要包括感应子,摆动部分主要包括电枢体、励磁绕组和涡流环［5]。其工作原理是当励磁绕组通入直流电后,会产生穿过旋转部分和摆动部分的磁场。感应子在该磁场中被磁化,由于感应子的特殊结构(类似圆柱形齿轮),当被测试机械带动感应子旋转时,靠近感应子的涡流环表面上因为磁密周期变化而产生涡流。该涡流产生的磁场与被磁化的感应子产生的磁场相互作用,从而形成对感应子的制动力矩。根据作用力与反作用力原理,此时涡流环上产生一个与制动力矩大小相等、方向相反的力矩,由于涡流环与电枢体固定在一起,因此会使安装在底座轴承上的电枢体摆动,进而可以测定制动力距。通过改变励磁电流,就可以调整制动力矩的大小。电涡流测功机结构简单、自动化控制程度较高且便于操作、可以实现双向加载,并且测量精度高、性能稳定［6],但是其转动惯量较大、不能反拖且吸收的能量也无法回收利用、存在磁滞现象并且需要专门的冷却设备。

直流电力测功机主要通过直流电机实现加载和反拖功能。电机的转子通过轴承安装在定子壳中,而定子与电机底座也是通过轴承进行安装,因此定子可以摆动一定的角度。当定子的励磁绕组通入直流电时产生磁场,被测试机械带动直流电机的转子进行旋转时,转子切割磁力线而产生感应电动势,从而产生感应电流,磁场与感应电流的相互作用会产生阻碍转子旋转的制动力矩,从而起到提供负荷的目的。根据作用力与反作用力原理,定子外壳受到等值反向的力矩而摆动一定角度,从而可测得该制动力矩。由上述工作原理可知,当直流电机工作在发电机状态时才起到测功机的作用。当电力测功机工作在电动机状态时,能驱动被测试机械,并且实现冷磨和测量机械损耗的作用［7]。直流电力测功机结构形式简单,方便自动控制,并且可以实现双向加载和反拖运行。直流电力测功机可以实现电能的回收利用,是其他测功机无法企及的［8]。但是直流电力测功机的电枢体旋转惯量大、响应速度慢并且由于换向器的存在限制了它的高速运转。

交流电力测功机可分为异步和同步测功。因同步转速对异步测功有很多局限,所以多采用同步测功［9]。同步测功是利用同步电机工作在发电机状态下进行测功。当给同步电机转子通入直流励磁电流时,被测试机械带动转子旋转,其周围产生旋转磁场。定子三相绕组切割磁力线而产生感应电动势及感应电流,由该感应电流产生的旋转磁场与原来的旋转磁场相互作用,形成了对转子的制动力矩。交流电力测功机具备直流电力测功机测量精度高、可双向加载、反拖运行以及电能回收利用等特点,同时不存在换向器,可实现高速运转。但是交流电力测功机价格较高,结构以及控制较为复杂。

液压测功机在某些工程机械的加载试验中应用较为广泛［10]。被测试机械通过自身的转动来驱动液压泵,加载液压泵将原动机的机械能转换为自身的压力能,并通过调节节流阀的开口来调整输出油压,进而调整施加的制动力距。由于输出油压和吸收扭矩间存在某些特定联系,因此只要测出转速,即可求出吸收的功率［11]。液压测功机惯性小,响应迅速,并且与其他测功机不同的是,液压测功机无需固定,可以随加载需要随时进行倾斜和移动。但是液压测功机的自动控制性较差、能量无法回收并且液压油路或多或少会存在泄漏问题,因此导致其测量精度不高。

空气测功机过去大多用于涡轮的测试［12]。空气测功机的原理与水力测功机大致相似。被测试机械带动压气机叶轮旋转,此时在压气机入口处通入压缩空气,压缩空气在叶轮的带动下进行旋转流通并受到压气机内壁的摩擦,相当于对压气机叶轮施加了制动力矩。通过调节进出口的压缩空气量,进而可以调整施加的制动力矩。

机械摩擦式测功机主要是被测试机械带动测功机转子旋转,通过摩擦阻力施加制动力矩。随着科技进步,这两类测功机因测量精度低、响应缓慢、无法可靠工作,已逐步被淘汰。

磁粉制动器主要由定子、转子、励磁线圈和磁粉组成。当励磁线圈不通电时,被测试机械带动转子旋转,由于离心力的作用,磁粉会被甩到靠近定子内臂的位置。当励磁线圈通电后形成磁场,这些磁粉会沿着磁力线连接成链状。由于磁粉与磁粉之间以及磁粉与转子之间存在吸引力,所以转子旋转需克服这些阻力,相当于给转子施加了一个制动力矩。通过改变励磁电流,即可改变加载力矩［13]。磁粉制动器结构最简单、响应快、运转平稳、方便使用和维修并且占地面积小、价格较便宜,此外,还具有恒扭矩特性以及过载打滑保护性［14],但是磁粉制动器的控制精度不及电力测功机,并且能量无法回收利用。

各种测功机性能对比见表1。

3　摊铺机试验台模拟加载系统方案的确定与选型

3.1加载系统方案

针对某国产摊铺机生产厂家的某一型号摊铺机设计跑合加载试验台。测试的摊铺机具有低速大扭矩的特性,综合考虑各模拟加载系统的优缺点,针对摊铺机试验样机的螺旋布料器系统,最终确定其加载系统采用磁粉制动器加载。

摊铺机螺旋布料器以及自动调平控制系统对混合料布料有着至关重要的作用［15－16]。螺旋布料器传动过程为:发动机经分动箱驱动液压泵,液压泵驱动液压马达,经减速机,传动链条带动螺旋布料器旋转轴旋转。

某国产全液压摊铺机螺旋布料器系统选用液压马达型号为OMTS200,减速机型号为RR810MS,具体参数见表2。

表2　液压马达OMTS200的参数

根据已知条件,液压马达OMTS200的最大瞬时转矩取为710 N·m,最大瞬时转速取为750 r/min。减速机RR810MS的速比为5.47,最大输出转矩为790 N·m,最大输入转速为3 000 r/min。链条速比为0. 94。则螺旋布料器旋转轴处转速n =145.9 r/min,转矩T =3 650.7 N·m。

根据上述参数选择某国产磁粉制动器CZ系列CZ－500,其主要参数如表3所示。

表3　CZ－500磁粉制动器主要参数

CZ－500磁粉制动器特性: 1)激磁电流－力矩特性。激磁电流与转矩基本成线性关系,通过调节激磁电流可以控制力矩的大小,其特性如图1所示。2)转速－力矩特性。力矩与转速无关,保持定值。静力矩和动力矩没有差别,其特性如图2所示。3)负载特性。在散热条件一定时,磁粉制动器的滑差功率是定值。因此滑动功率确定后,力矩与转速可以相互补偿。如:转速高,则允许力矩减小,其特性如图3所示。但最高转速一般不高于额定状态下转速的2倍。

图1　激磁电流－力矩特性　

图2　转速－力矩特性

图3　负载特性

3.2磁粉制动器运动学参数校核

实际滑差功率P的计算公式为:

式中: M为实际工作转矩,N·m; F为张力,N; n为滑差转速,r/min; v为线速度,m/s。

CZ－500磁粉制动器的额定转矩MN=5 000 N·m,滑差功率P =40 kW,则额定转速nN=76.4 r/min。若实际滑差转速nR=145.9 r/min,则许用转矩MP=2 618.23 N·m。

在散热条件一定时,磁粉制动器的滑差功率是定值,因此实际工作转矩与转速可以相互补偿,即滑差转速提高时,则许用转矩将下降,但是最高转速不得高于许用转速。螺旋布料器旋转轴转速为0～145.9 r/min,扭矩为0～3 650.7 N·m,在最高转速下,磁粉制动器可提供的扭矩为2 618.32 N·m,且最大转速小于磁粉制动器的许用转速,基本满足加载参数。

4　结语

本文系统分析了常见的各类测功机的工作原理、性能及优缺点。通过对比分析得出磁粉制动器的总体性能优于其他测功机,并且能满足所测试摊铺机低速大扭矩的特性,因此选用磁粉制动器为试验台加载设备。并对摊铺机螺旋布料器加载系统进行了计算选型,为后续各种加载试验选择测功机提供了理论依据。

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(责任编辑:郎伟锋)

Performance Analysis of Load Simulation System and Its Application in Load Test Bench

HU Song,LIU Yanfeng,LIU Da,XUE Shaoqing
(Key Laboratory for Highway Construction Technology and
Equipment of Ministry of Education,Chang'an University,Xi'an 710064,China)

Abstract:In this paper,the working principle,performance,merits and faults of dynamometers which are usually used are analyzed and compared.By contrast,a magnetic powder brake is chosen as load simulation equipment of paver test bench and the selection process of spiral-feeder's load simulation equipment is analyzed concretely.With theoretical analysis and calculation,it is found that the magnetic powder brake is able to satisfy requirements.

Key words:dynamometer; working principle; magnetic powder brake; paver test bench; load equipment selection

作者简介:胡松(1990—),男,河南信阳人,硕士研究生,主要研究方向为机械设计及理论.

收稿日期:2015－12－01

DOI:10.3969/j.issn.1672－0032.2015.03.015

文章编号:1672－0032(2015)03－0073－05

文献标志码:A

中图分类号:U415.521