轮辋强度试验机的结构设计及控制的研究

韩立秋 郑钧

（天津市产品质量监督检测技术研究院自行车研究中心 天津 300110）

1 引言

轮辋强度试验机的研发满足自行车行业对自行车轮辋强度的检测要求，以及中华人民共和国轻工行业标准对轮辋强度检测的相关规定。其结构新颖，外形美观，实现了计算机自动控制，并且应用传感器技术，使其控制精度更高，测量结果通过显示屏直接显示，直观且更准确。整个轮辋强度的测试过程简单方便，此设备适用于一般自行车轮辋的强度测试。

2 自行车检测设备的结构和控制发展趋势及概况

由于先进技术的缺乏，以及新型材料的品样不齐，我国早期的自行车检测设备均有结构复杂、操作繁琐、测量结果精度不高的缺点。随着微电子技术、传感器技术、控制技术和机械制造工艺水平的飞速发展，新型材料在检测设备中得到应用。新型自行车检测设备外形美观、结构紧凑、所占空间小，自动化程度更高，控制方式更灵活，性能更加可靠。

3 轮辋强度试验机的工作原理、结构组成与控制

轮辋强度试验机主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。其工作原理是：在计算机程序控制的条件下，采用电动推杆传动方式，来实现执行机构的相应动作；同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，位置检测装置随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定精度达到设定位置，实现对轮辋施加静负荷并且在2 min 后卸去荷重，系统控制位移传感器对结果进行测量并记录。

轮辋强度试验机包括铝型材结构机身、执行机构电动推杆、传感器技术、直线导向机构、快速压紧机构及轮辋安放机构、控制系统。

3.1 铝型材结构机身

轮辋强度试验机的机身采用铝型材结构（见图1），较之传统铸铁机身或者由钢铁连接或焊接组成的机身，具有结构美观、质量（重量）轻、用料少、装卡方便的特点。铝型材之间通过脚板、三角连接块等用螺钉进行紧固连接，拆装较为简单，且结构牢固。铝型材表面具有凹槽，通过带螺纹的滑块用螺钉与其他零部件连接。其特点是，与其他零部件更易连接，调整范围大，连接位置可调整。铝型材型式多样可供选择，其表面做氧化处理，耐腐蚀能力强，易保养。

图1 铝型材

3.2 执行机构电动推杆

电动推杆是一种新型的电动执行机构，一种主要由电机、推杆和控制装置等机构组成的新型的直线执行机构，可以实现远距离控制、集中控制。电动推杆具有如下优点：

3.2.1 能耗低：由电机直接驱动，省去了中间的能量转化环节，整机效率高，从而降低了能耗。

3.2.2 成本低，体积小：省去了油泵、油箱、空压机以及许多复杂的管路和其他辅助设施。

3.2.3 故障率低，无油液污染：由于避免采用油液或气体传动，无漏油漏气等故障现象，使污染问题得到了根本解决。

3.2.4 安装维护简单方便：只需简单地将电动推杆安装在支架上，接通电源，即可使用。正常使用时可长期免维护。

3.2.5 保护功能完善：电动推杆内部的过载保护装置经过精心设计，使整机外部无多余附件，且调整方便、安全可靠。当电动推杆运行到设定距离或过载时，能自动切断电源，不至于引起机件损坏或造成其他事故。

电动推杆可以根据标准QB 1802—1993 的荷重规定而选取一定推力值，其推力值为0～4 000 N，空载运行速度为4 mm/s～35 mm/s。电动推杆以24 V/12 V 直流永磁电机为动力源，把电机的旋转运动转化为直线往复运动。

3.3 传感器技术

轮辋强度试验机应用力值传感器和位移传感器，由计算机控制系统实现试验过程控制，通过力值传感器可实现对试验部件轮辋进行准确施力，通过位移传感器可实现对试验结果的准确测量，较之百分表其测量结果精度更高。

3.4 直线导向机构

由于测量过程需要对部件垂直施力，所测部件运动轨迹也要与所施力的方向在同一直线上，故轮辋强度试验机采用直线导向机构（见图2）。轮辋强度试验机采用直线轴承与导杆组合结构实现导向。直线轴承的结构特点是，在外圈之内装有保持器，保持器装有多个钢球，并做无限循环运动。直线轴承具备以下优点：

3.4.1 由于流动接触可使启动摩擦力及动摩擦阻力为极小。

3.4.2 两侧附加油封的轴承还适用于灰尘较多或异物容易侵入的场所。

3.4.3 互换性好，安装使用方便省时，并使机械结构具有新颖、小型、量轻的特点。

3.4.4 长期保持精度不变，机械使用寿命更长。

图2 直线导向机构

3.5 快速压紧机构及轮辋安放机构

快速压紧机构（见图3）采用快速压紧手把与支撑台连接，轮辋置于轮辋安放机构之上，通过压紧手把将轮辋压紧。轮辋安放机构适用于标准规定的一般自行车的轮辋宽度要求。

图3 快速压紧机构

3.6 控制系统

轮辋强度试验机采用计算机控制系统控制试验过程。计算机控制系统由工业控制机和软件系统两大部分组成。工业控制机硬件包括计算机、过程输入输出接口、人机接口、外部存储器等。软件系统包括系统软件跟应用软件。计算机通过测量元件、变送单元和模数转换器送来的数字信号，直接反馈到输入端与设定值进行比较，然后根据要求按偏差进行运算，所得到数字量输出信号经过数模转换器送到执行机构，对被控对象进行控制，使被控变量稳定在设定值上。由于计算机直接承担控制任务，所以要求其实时性要好、可靠性要高、适应性要强。计算机闭环控制系统见图4。

图4 计算机闭环控制系统

4 结论

轮辋强度试验机的研制应用现代技术，遵循现代自行车检测设备的发展趋势，采用铝型材机身，使其具有结构简单、外形美观新颖、安装拆放简单、结构坚固等优点。轮辋强度试验机应用计算机闭环控制系统，控制整个试验过程中的测量结果与记录。力与位移通过传感器技术的应用使试验的测量结果更加准确，测量过程更易实现。轮辋强度试验机的研发与应用使自行车轮辋在强度检测的操作、测量方面有了长足的进步，是对检测结果准确性的充分保证。