何澤夏，徐志祥，萬(wàn)振華，劉東杰

(大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連116024)

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一種受電弓動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)臺(tái)的研制

何澤夏，徐志祥，萬(wàn)振華，劉東杰

(大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連116024)

傳統(tǒng)的受電弓動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)系統(tǒng)工作頻率不高，振動(dòng)頻率往往低于20 Hz。為了在更寬的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行受電弓的動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)，搭建了受電弓振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)，利用電液式激振方法模擬正弦振動(dòng)環(huán)境。首先闡述了試驗(yàn)臺(tái)的總體方案、組成以及工作原理，并設(shè)計(jì)了雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，最后為了測(cè)試系統(tǒng)的性能，進(jìn)行了一系列的正弦定頻、掃頻試驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明系統(tǒng)激振頻率最高可達(dá)25 Hz，振幅可達(dá)8 mm，可以精確模擬弓網(wǎng)高頻振動(dòng)，對(duì)受電弓疲勞壽命及性能進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估，為受電弓動(dòng)態(tài)特性和結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究提供了試驗(yàn)依據(jù)。

受電弓 動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)臺(tái) 電液激振器 正弦振動(dòng)

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)鐵路電氣化建設(shè)迅速，高速電力機(jī)車(chē)具有速度快、功率大、低碳環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為目前鐵路線路建設(shè)的首選。受電弓是電力機(jī)車(chē)上的重要部件，它安裝在機(jī)車(chē)車(chē)頂，從接觸線上集取電流，為電力機(jī)車(chē)的運(yùn)行提供電能。高速電力機(jī)車(chē)穩(wěn)定運(yùn)行的必要條件是受電弓具有良好的動(dòng)態(tài)特性[1]。因此，對(duì)受電弓的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究具有重要價(jià)值。

弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真是研究受電弓動(dòng)態(tài)特性的重要技術(shù)。通過(guò)弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真可以模擬弓網(wǎng)振動(dòng)以及外部激振對(duì)弓網(wǎng)的影響，為優(yōu)化受電弓結(jié)構(gòu)參數(shù)提供有力手段?，F(xiàn)有的弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真手段室內(nèi)振動(dòng)試驗(yàn)仿真，它是指接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)參數(shù)通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真，受電弓動(dòng)態(tài)參數(shù)通過(guò)測(cè)試實(shí)際受電弓得到，兩者通過(guò)伺服器連接起來(lái)，采集激振器位移和激振器與受電弓的接觸力模擬接觸網(wǎng)抬升和弓網(wǎng)接觸力[2-3]。

基于室內(nèi)振動(dòng)試驗(yàn)仿真，并針對(duì)以往受電弓振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)工作頻率不高，振動(dòng)測(cè)試頻率范圍較窄的特點(diǎn)，本文搭建了新型受電弓動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)臺(tái),受電弓可以在0.5 Hz～25 Hz的頻率范圍內(nèi)的進(jìn)行正弦定頻、掃頻振動(dòng)試驗(yàn)，為受電弓傳遞函數(shù)的測(cè)算提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)。同時(shí)還可以測(cè)量接觸線抬升、弓網(wǎng)接觸力等弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能參數(shù)。

1 受電弓動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)臺(tái)總體方案

受電弓動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)臺(tái)的基本原理是由高頻響的比例伺服閥控制伺服油缸產(chǎn)生所需的運(yùn)動(dòng)形式，同時(shí)受電弓通過(guò)弓形連接器與伺服油缸活塞桿連接，跟隨伺服油缸一起運(yùn)動(dòng)。其中，弓型連接器與伺服油缸活塞桿之間安裝有力傳感器，用于測(cè)量弓網(wǎng)接觸力。該試驗(yàn)臺(tái)主要由計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)和液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成。計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)控制器采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)“一主兩從”的控制模式，即工控機(jī)作為上位控制單元，同時(shí)與運(yùn)動(dòng)控制卡和PLC通訊實(shí)現(xiàn)并行控制，可以在正弦激振試驗(yàn)的過(guò)程中實(shí)時(shí)測(cè)量受電弓的位置和弓網(wǎng)之間的接觸力。液壓加載系統(tǒng)采用高頻響應(yīng)比例伺服閥，并通過(guò)控制伺服閥的開(kāi)口大小調(diào)節(jié)液壓油的壓力與流量，使伺服油缸產(chǎn)生往復(fù)振動(dòng)。

試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示，伺服油缸安裝在水平滑動(dòng)支架上，油缸活塞桿通過(guò)弓形連接器與安裝在機(jī)械平臺(tái)上的受電弓相連，對(duì)受電弓滑板施加激振力，模擬弓網(wǎng)系統(tǒng)之間的振動(dòng)環(huán)境。試驗(yàn)時(shí)，由測(cè)量系統(tǒng)測(cè)得有關(guān)參數(shù)，如接觸網(wǎng)的位移，弓網(wǎng)接觸力等，然后進(jìn)行測(cè)算評(píng)估。作用于激振器的控制信號(hào)既可以源自實(shí)際線路的運(yùn)行試驗(yàn)記錄，也可以由計(jì)算機(jī)模擬。

圖1 弓網(wǎng)振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)實(shí)物圖

2 測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

為提高控制和數(shù)據(jù)采集的效率，測(cè)控系統(tǒng)必須有高速的運(yùn)算能力，并且有出色的穩(wěn)定性和抗干擾能力。圖2所示是試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)原理圖，由工控機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制卡、PLC、比例伺服閥、位移傳感器、壓力傳感器等組成。該測(cè)控系統(tǒng)中，選用了“凌華”公司生產(chǎn)的Matrix MXC系列工控機(jī)、PCI-8254型四軸運(yùn)動(dòng)控制板卡以及臺(tái)達(dá)公司生產(chǎn)的Dvp系列PLC。工控機(jī)主要負(fù)責(zé)振動(dòng)試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置、運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控等人機(jī)交互界面管理方面的工作，通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制卡讀取油缸活塞桿位置數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)運(yùn)算后將控制命令發(fā)送給運(yùn)動(dòng)控制卡，由運(yùn)動(dòng)控制卡根據(jù)控制命令輸出模擬量信號(hào)，比例伺服閥根據(jù)接收到的信號(hào)大小，調(diào)節(jié)閥芯位置、控制閥口開(kāi)度，使得伺服油缸活塞桿能夠以不同的方向、不同的速度帶動(dòng)負(fù)載運(yùn)動(dòng)。同時(shí)工控機(jī)與PLC通過(guò)串口通訊對(duì)比例伺服閥進(jìn)行控制，可以保證在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，切斷供電電源，控制閥芯進(jìn)入斷電安全位，以確保伺服油缸處于安全狀態(tài)。

圖2 試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)原理圖

測(cè)控系統(tǒng)中的傳感器主要包含磁致伸縮位移傳感器和壓力傳感器。其中位移傳感器用于檢測(cè)活塞桿實(shí)際位置，輸出為電壓信號(hào)，直接輸入運(yùn)動(dòng)控制卡AI通道采集；檢測(cè)弓網(wǎng)振動(dòng)壓力的壓力傳感器輸出為4～20 mA電流信號(hào)，由信號(hào)調(diào)理器轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)再送入運(yùn)動(dòng)控制卡AI通道。數(shù)據(jù)采集設(shè)備采用運(yùn)動(dòng)控制卡的多功能采集模塊，它具有4路模擬量輸入通道，分辨率為12位，采樣速率高達(dá)100 kHz，能夠方便地接入測(cè)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為使測(cè)控系統(tǒng)軟件界面簡(jiǎn)潔、易于操作、具有良好人機(jī)交互性，測(cè)控計(jì)算機(jī)軟件平臺(tái)基于Visual C++6.0編寫(xiě)，采用模塊化設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，開(kāi)機(jī)自檢后即運(yùn)行參數(shù)初始化、通訊初始化模塊，初始化完成后進(jìn)入主程序[4]。主程序中共設(shè)計(jì)了三種工作模式，包括正弦定頻振動(dòng)、正弦掃頻振動(dòng)以及隨機(jī)振動(dòng)。工作模式結(jié)束后均通過(guò)參數(shù)初始化模塊準(zhǔn)備下次工作并返回模式判斷。如圖3所示，人機(jī)界面左側(cè)是兩個(gè)示波器控件，分別用于顯示受電弓實(shí)時(shí)振動(dòng)波形以及弓網(wǎng)間的接觸壓力波形，界面右側(cè)按鈕可以控制振動(dòng)試驗(yàn)的運(yùn)行，同時(shí)對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。測(cè)控系統(tǒng)軟件可以實(shí)現(xiàn)以下功能：

1)參數(shù)設(shè)置：設(shè)置振動(dòng)試驗(yàn)振動(dòng)模式，振動(dòng)頻率以及振動(dòng)幅值等參數(shù)；

2)實(shí)時(shí)測(cè)量與顯示：實(shí)時(shí)高速數(shù)據(jù)采集，并將振動(dòng)位移、弓網(wǎng)接觸力等參數(shù)動(dòng)態(tài)顯示；

3)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與導(dǎo)出：以文件形式存儲(chǔ)所測(cè)數(shù)據(jù)；

4)導(dǎo)出打?。盒纬蓹z測(cè)報(bào)告并打印。

圖3 垂向激振系統(tǒng)人機(jī)界面

3 液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是試驗(yàn)臺(tái)的核心裝置，其性能直接影響試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)試結(jié)果。為保證系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿(mǎn)足受電弓動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)所要求的性能指標(biāo)，選用閥控缸電液伺服控制系統(tǒng)。閥控系統(tǒng)是由電液伺服閥控制輸入執(zhí)行元件流量的系統(tǒng)，由于包含的容積小，而且供油壓力為常值，因此對(duì)閥和負(fù)載的輸入響應(yīng)很快[5-6]。在受電弓的動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)中，優(yōu)先采用這種系統(tǒng)。同時(shí)為了確定閥控缸電液伺服系統(tǒng)動(dòng)力機(jī)構(gòu)最優(yōu)參數(shù)和系統(tǒng)頻寬極限，建立電液伺服激振臺(tái)的數(shù)學(xué)模型，如下：

(1)伺服液壓缸活塞力平衡方程式

(1)

F=APL

(2)

式中：m—加載裝置自身運(yùn)動(dòng)件的質(zhì)量； D—阻尼系數(shù)；KS—彈性系數(shù)；y—伺服缸活塞的位移；W—外干擾力；F—負(fù)載力；PL—負(fù)載壓力； A—伺服缸活塞有效作用面積。

(2)伺服液壓缸流量平衡方程式

(3)

式中：QL—負(fù)載流量；V—伺服缸兩個(gè)油腔和閥至缸管道的總?cè)莘e；βe—油液的容積彈性模量；Ct—總泄露系數(shù)。

(4)

按照公式(4)求解A值后，計(jì)算負(fù)載流量，再根據(jù)閥的壓降從伺服閥樣本上選擇合適的伺服閥。該系統(tǒng)伺服油缸缸徑40 mm，桿徑28 mm，行程250 mm，油缸內(nèi)壁、活塞、密封裝置之間的接觸面具有很高的光潔度，缸體散熱性能好，因而能滿(mǎn)足活塞高頻往復(fù)運(yùn)動(dòng)的要求。同時(shí)選用Atos DLKZOR系列比例伺服閥，其幅值比-3 db時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率在40 Hz-70 Hz之間，滿(mǎn)足受電弓振動(dòng)試驗(yàn)對(duì)工作頻率的要求。

試驗(yàn)臺(tái)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由動(dòng)力源、比例伺服閥、伺服油缸、溢流閥等組成(圖4)。其主要技術(shù)參數(shù)為：額定輸出載荷10 kN，伺服油缸行程250 mm，系統(tǒng)的激振頻率0.5 Hz～25 Hz，小幅值時(shí)可達(dá)30 Hz，可以完成正弦定頻試驗(yàn)、正弦掃頻試驗(yàn)以及疲勞試驗(yàn)。

4 受電弓動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)臺(tái)的控制策略

控制技術(shù)是振動(dòng)環(huán)境模擬試驗(yàn)的關(guān)鍵技術(shù),液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制性能的好壞直接影響到受電弓振動(dòng)試驗(yàn)環(huán)境模擬的真實(shí)性[7-8]。根據(jù)受電弓動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)的要求，最大激振頻率需要達(dá)到25 Hz，振幅需要達(dá)到8 mm。

為了精確模擬高頻振動(dòng)環(huán)境，設(shè)計(jì)了雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，如圖5所示。電液激振系統(tǒng)所選用的高頻響比例伺服閥和伺服油缸分別內(nèi)置了LVDT和磁致伸縮位移傳感器。內(nèi)環(huán)由集成式電子放大器、LVDT位置傳感器、比例閥構(gòu)成。外環(huán)由伺服油缸、磁致伸縮位移傳感器、工控機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制卡、信號(hào)調(diào)理模塊和內(nèi)環(huán)構(gòu)成。外環(huán)伺服控制回路根據(jù)系統(tǒng)給定的輸入指令信號(hào)、伺服油缸的位移反饋信號(hào),由運(yùn)動(dòng)控制卡輸出模擬電壓控制內(nèi)環(huán)比例伺服閥,使伺服油缸按照給定的輸入信號(hào)運(yùn)動(dòng)。

圖5 雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)

內(nèi)環(huán)基于Atos DLKZOR型高頻響比例伺服閥,電子放大器與比例閥集成，同時(shí)帶LVDT位置傳感器，采用模擬控制器實(shí)現(xiàn)閥芯位置PID控制。通過(guò)閉環(huán)控制，電子放大器對(duì)比例閥提供一合適的電流信號(hào)，以校準(zhǔn)閥的位移調(diào)整量，使之與供給電子放大器的輸入信號(hào)相對(duì)應(yīng)。內(nèi)環(huán)用來(lái)調(diào)節(jié)比例閥的閥芯位置，由閥芯控制進(jìn)入伺服油缸的液體流量和方向，從而改變活塞桿的輸出速度和運(yùn)動(dòng)方向。

外環(huán)采用PCI-8254運(yùn)動(dòng)控制卡，它是一個(gè)基于PCI總線、以DSP為核心的數(shù)字控制器，帶有4路A/D采樣通道和4路D/A輸出通道。外環(huán)用來(lái)調(diào)節(jié)伺服油缸，使得活塞桿按照給定的輸入信號(hào)運(yùn)動(dòng)。外環(huán)采用數(shù)字控制器實(shí)現(xiàn)增量式PID+前饋控制算法[9]，采樣和控制周期都設(shè)定為2 ms。外環(huán)控制算法基于Windows操作系統(tǒng)通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)，其控制算法采用下式進(jìn)行：

(5)

e(k)=Pos(k)-FbkPos(k)

(6)

式中：Kvff—速度前饋增益；Kaff—加速度前饋增益；Kp—比例增益；Ki—積分增益；Kd—微分增益；Pos(k)—第k次采樣時(shí)刻的位置命令；FbkPos(k)—第k次采樣時(shí)刻的位置反饋；Vel(k)—第k次采樣時(shí)刻的速度命令；Acc(k)—第k次采樣時(shí)刻的加速度命令；e(k)—第k次采樣時(shí)刻的誤差；u(k)—第k次采樣時(shí)刻計(jì)算機(jī)的控制量。

5 受電弓動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)臺(tái)調(diào)試結(jié)果

為驗(yàn)證試驗(yàn)臺(tái)的實(shí)際控制效果，分別進(jìn)行了正弦定頻振動(dòng)試驗(yàn)、正弦掃頻振動(dòng)試驗(yàn)。試驗(yàn)中以PID參數(shù)與系統(tǒng)性能的關(guān)系為依據(jù)，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)整定出較為理想的PID參數(shù)[10-12]。整定方案為輸入理想測(cè)試信號(hào)，觀測(cè)系統(tǒng)輸出波形。然后通過(guò)反復(fù)調(diào)節(jié)各項(xiàng)參數(shù)、尋求理想的振動(dòng)曲線。

在試驗(yàn)時(shí)，對(duì)弓網(wǎng)接觸點(diǎn)受電弓的位移進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集。該測(cè)試數(shù)據(jù)可以反映出試驗(yàn)臺(tái)所模擬振動(dòng)環(huán)境的真實(shí)性。下面選取三種工況的試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明本系統(tǒng)的運(yùn)行特性：掃頻范圍為10 Hz～11 Hz，振動(dòng)幅值為±8 mm的正弦掃頻試驗(yàn)以及振動(dòng)頻率分別為22.5 Hz和25 Hz，振動(dòng)幅值為±8 mm的正弦定頻試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同頻率下的試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，振動(dòng)位移曲線光滑，振幅指示誤差小于±10%。其中小于5 Hz的頻段，頻率指示誤差小于±20%，5 Hz到25 Hz的頻段，誤差小于1 Hz。各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到受電弓動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)的要求。

6 結(jié)論

受電弓動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)臺(tái)通過(guò)工控機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制卡以及PLC組成的控制器驅(qū)動(dòng)閥控缸系統(tǒng)，模擬正弦振動(dòng)環(huán)境。該試驗(yàn)臺(tái)可以使受電弓在更高的頻率范圍進(jìn)行幅頻特性測(cè)試和疲勞試驗(yàn)，同時(shí)實(shí)時(shí)測(cè)量接觸網(wǎng)的動(dòng)態(tài)位置以及弓網(wǎng)接觸點(diǎn)的接觸力，為受電弓可靠性試驗(yàn)體系與規(guī)范的建立提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)臺(tái)主要具有以下技術(shù)特點(diǎn)：

1)該系統(tǒng)可以精確模擬振動(dòng)頻率25 Hz，振幅8 mm的正弦振動(dòng)環(huán)境。

2)該系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)等幅掃頻振動(dòng)試驗(yàn)，掃頻范圍為0.5 Hz～25 Hz,振幅8 mm，提供了更大的試驗(yàn)頻寬，在疲勞試驗(yàn)中提高了試驗(yàn)效率。

3)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以在軟件界面上實(shí)時(shí)繪制并顯示，而且可以將試驗(yàn)結(jié)果以Excel格式文件導(dǎo)出供測(cè)

試人員分析使用；

4)試驗(yàn)系統(tǒng)人機(jī)界面友好，通過(guò)軟件設(shè)置，就可以靈活測(cè)試多種試驗(yàn)工況，滿(mǎn)足了試驗(yàn)人員的使用要求。

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Development of the dynamic characteristic test bed for pantographs

HE Zexia, XU Zhixiang, WAN Zhenhua, LIU Dongjie

The working frequency of traditional dynamic characteristic test system for pantographa is not high, often less than 20 Hz. In order to carry out the dynamic characteristic test under a wider frequency range, we built a new pantograph vibration test bed, which simulated sinusoidal vibration by the electrohydraulic vibration exciter. In this paper, we introduced the overall scheme, composition and working principle of the test bed. A double closed-loop control structure is designed for it.A series of sinusoidal vibration experiments were conducted to test the performance of the system. The results showed that the maximum vibration frequency of the system could reach up to 25 Hz, and the amplitude could reach up to 8 mm. The system could precisely simulate the high-frequency vibration of the pantograph, and could assess its fatigue life and performance, which provided experimental basis for the optimization of the dynamic characteristics and structural parameters of the pantograph.

pantograph,dynamic characteristic test bed, electrohydraulic vibration exciter,sinusoidal vibration

TP271.31

A

1002-6886(2016)05-0081-05

何澤夏(1989-)，男，安徽人，大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士生，研究方向?yàn)闄C(jī)電液一體化。

2016-03-29