高速列车润滑油减震器综合性能测试试验台的研制

高速列车润滑油减震器综合性能测试试验台的研制

0减震器综合性能测试试验弹簧减压器是列车衰减的重要部件之一。特别是在我国铁路实行全面提速以后,列车的安全性和舒适性要求成为提速的一大难题。针对高速列车的需求我国正在研发各种高速油压减震器,但是由于现有实验设备和试验方法的限制,不能进行高速减震器的综合性能测试,从而限制了减震器的进一步开发和性能指标的把握。如目前我国普遍使用的J95型试验台采用机械式驱动装置,由于运动机构的限制,机械式试验台只能进行低频简谐振动测试,无法满足高速减震器的性能测试要求。高速列车减震器的国产化进程必须依靠先进可靠的减震器性能测试设备,为此西南交通大学新型驱动技术中心与株洲联诚集团有限责任公司联合研制了EHHD-37-H-10型高速列车油压减震器综合性能测试试验台。在该高速列车油压减震器综合性能测试试验台的研制中,我们采用了线性电液式驱动和计算机控制技术。由于线性电液系统具有响应速度快、负荷刚度大、控制功率大等优点,减震器试验台的测试频率为0.01～10Hz,测试速度为0.005～0.4m/s,达到了预期的效果。1测试平台的主要技术2试验台的分析比较为了达到上述性能指标,并满足性能价格比的合理匹配,通过对目前国内外各种试验台的分析比较,我们采用了响应频率高、噪声小、控制精度高、抗污染性能强的线性高速电液比例阀及低摩擦系数的作动器。试验台总体构成及原理如图1所示。2.1高频振动试验本电液系统由伺服放大器、电液高速线性比例阀、作动器、液压泵站、垂向/横向测试机架等部分组成。试验台电液伺服系统的原理如图2所示,本试验台通过垂向和横向作动器的运动来模拟列车的振动状态。位移传感器通过模数转换卡把作动器的振动信号输入到计算机,根据一定的控制策略,计算机计算出数字控制电压信号,并通过数模转换卡输出相应的模拟控制电压信号;模拟控制电压信号经过伺服放大器进行功率放大,在控制信号的作用下垂向或横向作动器可以实现任意波形的振动,并可以模拟轨道谱振动。电液系统能否实现高频振动关键在于高性能的电磁阀,即取决于电磁阀的动态响应特性。该试验台采用了日本YUKEN生产的LSVG-03-60-10型高速线性比例阀,该电磁阀的响应频率高达450Hz,流量为60L/min。高速线性比例阀的控制信号为±5I(V)的直流或交流电压,对应于阀芯的正负开口,因此通过改变控制信号的大小和符号可以改变振动速度和方向,实现减震器的压缩和拉伸模拟。2.2控制体系的组成和原理2.2.1a/d,d/a转换卡的检测能力该部分包括计算机主机,显示器,A/D数据采集卡,D/A转换卡,接线板,力传感器,位移传感器以及各种连接线。在线测控离不开各种传感器,传感器是检测各种输出信号的标尺。传感器的精度、响应频率及量程决定了试验台的精度。该试验台采用了两个位移传感器和两个力传感器,分别检测垂向、横向减震器的位移及阻尼力信号。另外A/D,D/A转换卡是连接液压系统和计算机系统的桥梁。与位移传感器的量程(10V电压对应300mm的位移)相结合,转换卡的分辨率为2×10212=0.0048(V)2×10212=0.0048(V)时位移分辨率可达0.144mm,足以满足系统设计要求,所以在该试验台设计中选择了分辨率分别为12位和14位的转换卡,转换频率为10kHz。2.2.2数字pid控制试验高速列车油压减震器综合性能测试试验台的测控是由软件来实现。系统软件是用VisualBasic编写人机交互界面和后台数据处理程序,并调用数据采集卡的DLL进行数据的实时采集,用OLE技术建立ACCESS数据库,在Win2000操作系统上运行。测控软件的解决方案如图3所示。整个软件的编写充分吸收虚拟仪器技术思想,建立了直观又简洁的操作界面。其主要功能模块有系统设置模块、数据采集及处理模块、数字控制器模块和数据分析模块。控制系统包括启动密码输入,初始状态检测,数字滤波,曲线平滑,数字信号发生器,A/D数据采集卡与D/A转换卡的设置,数字控制器(PID控制),实时状态显示,数据分析及保存,示功图绘制与保存,测试报表的打印等部分。试验台的控制采用了双闭环控制,大闭环控制是通过软件来实现,而电液比例阀的内闭环由伺服放大器来完成,其原理如图5所示。参考速度v0(k)与第k次减震器的速度信号v(k)之间的偏差值e(k),经过控制器得到控制信号u(k),该控制量改变电液比例阀阀芯开度,使减震器按规定的速度和位移运动。计算机控制是对一个离散连续系统的测试与控制过程,因此采样频率愈高离散信号愈接近模拟输入信号。如果采样频率过高会增加计算机的负担,所以不仅要满足采样定理,还要综合考虑控制品质、执行机构、计算机成本、精度要求等方面的因素。本试验台控制中我们选择了400Hz的采样频率。传统的PID控制器在实际试验中其微分作用并不理想,特别是系统具有高频扰动时,如果微分作用响应过于灵敏会容易引起控制过程振荡,因此本试验台控制系统中对理想PID控制进行了一些改进,在原来控制器后面增加了一阶惯性环节G(s)=1/(Tfs+1),其表达式为Δu(k)=aΔu(k−1)+(1−a)Δu¯(k)Δu(k)=aΔu(k-1)+(1-a)Δu¯(k)式中:a=Tf/(T0+Tf);Δu¯(k)=Kp{Δe(k)+T0Tie(k)+TdT0[Δe(k)−Δe(k−1)]}Δu¯(k)=Κp{Δe(k)+Τ0Τie(k)+ΤdΤ0[Δe(k)-Δe(k-1)]};Kp为理想控制器比例系数;Ti为理想控制器积分系数;Td为理想控制器微分系数;Tf为一阶微分系数;T0为采样周期。3koni减震器综合性能测试测试过程中经常存在噪声等干扰信号,影响正常的控制和分析,因此控制过程中还采用了硬件滤波和数字滤波。对采样信号的实时数字滤波,有效消除了外部干扰,提高了信号的有效性。滤波前后的速度曲线如图6所示。高速列车的振动经常近似看作是简谐运动,所以一般用测试速度按正弦规律变化时的振动信号检测减震器综合性能。为了模拟振动环境,计算机输出对应于速度的电压信号v0=vmsin(2πfkT0),其中k表示第k次采样,vm表示速度最大值,f表示激振频率,T0表示采样周期。当控制器系数Kp=1.3、Ti=0.24、Td=1.25、Tf=2.25时,对KONI减震器进行综合性能测试,名义速度vm=0.51m/s,名义位移sm=16mm,激振频率f=0.51Hz,测试结果如图7所示。测试结果表明测试速度曲线与参考速度曲线基本上重合,其跟踪效果达到预期指标。另外我们分别用德国萨克斯油压减震器试验台和该高速列车用油压减震器试验台对KONI877型油压减震器进行了测试,实验表明用两种试验台测试的位移-阻尼力示功图(图8)和速度-阻尼力示功图(图9)完全吻合,证明了该试验台符合设计精度等技术指标。4采用pid开发型算法,方便实现高效性和稳定性,