自行车疲劳强度测试中的气动力闭环技术研究.pdf

机械制造 李耀东， 等 自行车疲劳强度测试中的气动力闭环技术研究 自行 车疲劳强度测试 中的气动 力闭环技术研 究 李耀东 ， 秦紫明 ， 唐冬梅 ， 王志明。 1 ． 上海市质量监督检验技术研究院， 上海 2 0 0 2 3 3 ； 2 ． 上海市计量测试技术研究院， 上海 2 0 1 2 0 3 ； 3 ． 上海大学机 电工程与 自动化学院 ， 上海 2 0 0 0 7 2 摘要 介 绍 了在 自行车疲劳测试 中的 气动力 闭环技术 ， 通过 对现行 主要 标 准与 目前测试设备 中存在 问题 的分析 。 引入 了气动伺服力 闭环技术 ， 介 绍 了其组成、 关键技 术、 及 满足 自行 车疲劳 测试 的气动伺服 力闭环 系统的要 求。以一个试验 论证 了分析的结果 。该技 术具有先进性 与广 阔的应 用前景 。 关键词 自行车 ； 疲 劳强度 ； 气动力 闭环 中图分类号 T H1 1 4 文献标 志码 B 文章 编号 1 6 7 l 一 5 2 7 6 2 0 1 3 0 2 0 0 4 5 0 3 Re s e a r c h o i l P n e u ma ti c F o r c e C l o s e d - l o o p C o n t r o l T e c h n o l o g y i n B i c y d e F a t i g u e S t r e n g t h T e s t L I Y a o d o n g ，Q I N Z h i mi n g ， T A N G D o n g me i ， WA N G Z h i mi n g 1 ．S h a n g h a i I n s t it u t e o f Qu a l i t y I n s p e c t i o n a n d Te c h n ic a l Re s e a r c h，s h a n g h a i 2 0 0 2 3 3 ，c h i n a； 2 ．Sh a n g h a i I n s t it u t e o f Me a s u r e me n t a n d T e s t i n g T e c h n o l o g y，s h a n g h a i 2 0 1 2 0 3，c h in a； 3 ． S c h o o l o f Me c h a t r o n i c E n g i n e e r i n g a n d A u t o ma t i o n ，S h a n g h a i u n i v e r s it y ，s h a n g h a i 2 0 0 0 7 2 ， c h i n a Ab s t r a c t P n e u ma t i c f o r c e c lo s e d - lo o p c o n t r o l t e c h n o lo g y in b ic y c le f a t i g u e s t r e n g t h t e s t is d e s c r i b e d i n t h i s a r t i c le ． B a s e d o n t h e a n aly s i s o f a l l r ele v a nt t es t i n g s t an d ar d s an d p r ob l e ms o f ex it in g t e s t e qu ipmen t ，pn e u ma t ic s e r v o f or c e clo s e d lo op c o n t r ol t e c h n olo gy i s i n t r od u c e d in t o i t ． This a r t ic l e als o i n t r o d u c e s t h e k e y t ec h n olo gy o f it s c o mp o s it ion，wh i c h mee t s t h e r e qu i r e men t s o f t he pn e u ma t i c s e r v o c lo se d loo p s y s t e m i n t he b i c y c l e f a t igu e s t r en g t h t es t ．Fi n a l ly，t h e an a l y s is r es u lt s i s p r o ve d b y t h e t e s t ．It s t ec h n o l o g y is a d- v a n ce d a n d ex is t s i n t h e wide a p pli c a t i o n pr o s p ec t s ． ke y wo r ds b i c y c le；f a t igu e s t r e n g t h；p n eu ma t ic c los ed l o o p 0 前言 疲 劳性 能是 自行 车最 重要 的安 全功 能项 目之一 。虽 然现代 自行车已不仅是交通工具 ， 但从安全角度出发， 疲 劳性能优劣关系到骑行者的安全。因为 自行车在骑行过 程中， 路面凹凸不平， 引起前后轮冲击与振动， 这些冲击与 振动通过轮轴传到前叉等零部件， 再传到骑行者。如果 自 行车的零部件的疲劳测试有问题 ， 将直接造成人身伤害。 因此这 是一 项十分重要 的试验 项 目。本文 对 自行 车疲 劳 性能试验中采用的气动力闭环技术进行探讨。 a 国内外主要标准中关于自行车疲劳试验的内容 在自行车测试中， 标准上规定做疲劳试验的自行车零 部件主要有前叉、 车架／ 前叉组件等。这些标准主要涉及 到 G B 3 5 6 5 2 0 0 5 ， E N1 4 7 6 6 ， E N 1 4 7 6 5 。 E N 1 4 7 6 4 ， E N 1 4 7 8 1 ， I S O 4 2 1 0 ， J I S D 9 3 0 1 等。在这些标准中， 对各零部件或组件 的测试方法基本一致， 但测试参数的大小有可能不同。从 中可以看出各国对 自行车疲劳的测试的重视。因为疲劳 测试能有效地反应出在结构的参数的合理性与安全性。 下面是对上述提及的各国自行车标准中涉及的自行 车疲劳试验的的内容进行简单的归纳总结。 在 E N I 4 7 6 6 ／ 4 91 ／ 4 9 6 ． E N1 4 7 8 1 ／ 48 6 ． E N1 4 7 6 5 ／ 4 1 0 2， EN1 4 7 6 4 ／ 4 9 6． GB3 5 6 5 ／ 2 7 3． I S O 4 2 1 0 ／ 2 7 3中， 均有前叉弯曲疲劳测试 ， 测试参数如 下 对 于铁类 施加的力为4 0 0 N G B 3 5 6 5 I S O 4 2 1 0 E N1 4 7 6 5 ， 4 5 0 N E N 1 4 7 6 4 ， 6 5 0 N E N 1 4 7 6 6 ， 6 2 0 N E N1 4 7 8 1 ， 对 于 非铁 材料 类 或带 有废 铁 材 料构 件 6 0 0 N， 测试周 期 5 0 0 0 0 G B 3 5 6 5 I S O 4 2 1 0 ， 1 0 0 0 0 0 频率 2 5 H z 。在 E N 1 4 7 64／ 4 9- 7 3 ， E N 1 4 7 6 6 ／ 4 9 1 ／ 4 9 7 2 ， E N 1 4 7 8 1 ／ 4 8 7 3中 ， 均有对碟 刹毂刹 刹车力疲劳测试 ， 测试参数如下 施加的力为 6 0 0 N 0 5 ％ E N1 4 7 6 6 ， 1 3 0 N E N1 4 7 64 。 6 5 0 N E N 1 4 7 6 6 ， 6 2 0 N E N1 4 7 8 1 I S O 4 2 1 0 ， 测试周期 2 0 0 0 0 。频 率 J I S D 9 3 0 1 ， 测试周期 5 0 0 0 0 ， 频率 2 5 H z 。在 G B 3 5 6 5 ／ 2 6 4 3 、 EN1 4 7 6 6 ／ 4 7 ／ 4 7 2 、 E N1 4 7 8 1 ／ 4 6 7 4 等标准中， 均有对座杆疲劳测试， 测试参数为 对于铁类施 加的力为 心 8 5 0 N 6 5 0 N G B 3 5 6 5 I S 0 4 2 1 0 E N1 4 7 8 1 J I S D 9 3 0 1 ， F I 2 0 0 N E N 1 4 7 6 6 F1 0 0 0 N E N 1 4 7 64 ， 测 试 周 期 5 0 0 0 0 G B 3 5 6 5 I S O 4 2 1 0 作者简介 李耀东 1 9 8 4 一 ， 男 ， 上海人 ， 主要从事童车 、 箱包等产品的机械物理项 目检测分析与研究 。 Ma c h i n e Bu i l d in g Au to ma t i o n ， _t u n 2 0 1 3 ， J 2 4 5 ～ 4 7 ， 6 7 4 5 机械制造 李耀东， 等 自行车疲劳强度测试中的气动力闭环技术研究 J I S D 9 3 0 1 ， 频率 2 5 H z 。在车把手 同向耐久测试 、 车手 把反 向 异向 耐久 测试 、 车架 脚踏 力疲 劳测试 中均 涉及 相关 内容 。 b 当前设备中存在的问题 在当前 自行车疲劳测试 中， 除了少数采用油压伺服 外 ， 大多采用气动疲劳测试 系统 。据不完 全统计 ， 在 当今 测试设备中有三类气动疲劳设备， 第一类为双气缸控制不 带传感器的， 第二类双气缸带传感器的开环控制 ， 第三类 为双气缸带传感器的闭环控制。这三种存在的问题如表 1 所示 。 表 1 当前设备中存 在的问题 序号 优点 存在的问题 双气缸控制无传感器 控制方式简单 、 操作方便 、 成本较低 双 气 缸 带 传 感 器 的 开 环 操 作 控 制 墨 翟 鬟 大 小 测试频率较低 ， 一般在 1 ～2 Hz 、 测试力精度模糊 、 电磁阀切换 速度低 、 控制模式不合理 、 采用 P L C控制， 响应差 测试频率较低 ， 一般在 1 ～ 2 H z ， 虽有力值显示 ， 但精度无法 控制 在4 - 1 0 ％左 右 ， 电磁阀切换速度低 ， 控制模式 不合理 ， 采用 P L C控制 ， 响应差 测试频率能提高 ， 一般在 5 Hz 以下， 要提高到 6 Hz 必须进行处 双 气 缸 带 传 感 器 的 闭 环 控 制控 装 笮 嚣 嚣 ’翥 采用 P L C控制 ， 控制灵敏度低 。普通电磁阀 ， 影响切换速度。 在测试中， 力求达到标准要求的测试要求， 所以， 倾向 于采用气动力闭环控制。下面的叙述就是在现有的基础 上， 将气动力闭环技术研究结果作一下叙述。 1 气动力闭环系统的组成与结构 1 ． 1 概 述 气动力闭环伺服系统是由一个或多个电／ 气转换元 件 电／ 气比例或伺服阀和一个或多个气动执行元件、 气缸及一个或多个力传感器组成 ， 气动执行元件直接或经 过传动元件与负载相连接， 为得到气动伺服控制系统的预 期运动与力值， 电气转换元件根据力反馈制 ， 不断的来控 制气动执行元件进出口的压力或调节气体的流量。 l - 2 气 动力闭环 系统 的典型结构 在 自行车疲劳测试的力闭环系统 中 ， 硬件主要有 下面 几部分组成 气源、 三联件、 储气罐、 气缸、 电磁 阀、 力传感 器、 力变送器、 伺服阀、 故障传感器、 A V R或 D S P控制器、 P C或 L C D等组成。如图 1 所示。 图 1 典型气动力闭环控制系统的组成 关键部分功能如下 A V R ／ D S P控制器 包含 l 6位 A ／ D 与 D ／ A模块 ， 实现疲劳动作的实现、 力闭环控制的计 算 、 伺服阀的控制等功能。是伺服力闭环控制的关键器件 与关键技术所在。高速电磁阀 M A C 对控制信号进行 46 高速切换 ， 为在一 定 的频率 下提 供 的硬件 保 障。高 速缸 S MC 气动控制的较大的阻力来 自于气缸的摩擦力， 采 用高速缸 ， 可提高切换 的气缸相应 的灵敏性。伺 服阀 M A C 实现电／ 气 比例控制 ， 实现力闭环控制。 2 气动伺服力闭环控制的关键技术 在气动力闭环伺服系统中， 执行控制作用的是伺服 阀， 它能连续的根据力传感器传送 回来的力值 ， 按 比例地 控制系统的压力与流量， 实现对执行元件的位置、 力值、 速 度等控制。其中的关键技术有两项， 分别是建模问题与控 制 的实现 。 2 ． 1 建模 问题 在气动力闭环系统中， 作为传递动力的介质压缩 空气， 在 0 ． 4 0 ． 6 MP a 工作压力下 ， 其气体的弹性模量 很小 ， 因此， 气动控制具有严重的非线性。这些非线性环 节不但直接左右控制系统的性能， 而且也给分析系统的特 性带来了很大的麻烦 。 J 。 在实际处理中 ， 当系统 中的非线 性 因素较 弱时 ， 可 以 将模型简化， 或者在满足光滑函数的条件下对模型偏微线 性化， 从而可 以采用已经成熟 的控制理论。在建模问题 中， 通过研究发现 ， 下面几个非线性环节一定考虑 。 1 时间延迟环节 气动控制由于它的特性， 力值的采集与传动， 气体的采 集与传送与控制器之间总有一定的距离， 这个就是在控制中 引入了典型的延时环节 ， 容易在切换过程中造成执行元件的 自持振荡现象， 在对这个时间延迟环节进行参数识别、 建模 后， 在控制其中给以相应的处理， 可有效地消除振荡。 2 饱和环节 控制元件的非线性建模在系统的建模过程中也是要 考虑的因素， 伺服阀的电／ 气关系是非线性的。 2 ． 2 控 制的实现 在气动力闭环控制中， 主要应用两种方法 线性的方 h t t p ／ ／ Z Z I- I D． c h i n a j o u r n a 1 ． n e t ． e n E - ma i l Z Z H Dc h a i n a j 0 U l T I a 1 ． n e t ． c n 机械 制造与 自动化 机械 制造 邵 大财 ， 等 泡沫、 干粉联 用灭 火的研 究和应 用 5 ． 2 泡沫一 干粉联用灭火装置工作原理 a 联用灭火装置示意图 联用 灭火 装置示意图如图 2所示 氮气瓶组 I主集流管至减压器进口连接的金属软管为高压管路减压器出口 至罐体连接的管路为低压管路。 图2 MP F C- 7 0 0 ／ 1 5 0泡沫一 干粉联用灭火装置示意图 b 泡沫灭火装置组成和工作原理 泡沫灭火装置 由泡沫罐、 泡沫喷枪、 氮气瓶组、 减压 阀、 压力表、 手动瓶头阀和手动球阀等组成， 见图2 。 泡沫灭火装置有 3个容器为 4 0 L的氮气瓶， 气瓶组 件中下层放置的三只氮气瓶， 每只氮气瓶上装有瓶头阀， 用来释放高压氮气 ， 由手动打开， 当氮气瓶 3 、 氮气瓶 4和 氮气瓶 5的瓶头阀打开， 高压氮气经集流管 B、 高压管路、 减压阀、 进气阀、 低压管路进入泡沫罐。其工作原理是用 氮气作为驱动气体， 在设定的压力作用下泡沫液经水带流 向泡沫喷枪， 通过灭火人员进行灭火。 C 干粉灭火装置组成和工作原理 干粉灭火装置由干粉罐、 干粉喷枪、 氮气瓶组、 减压 器、 压力表、 手动瓶头阀和手动球阀等组成， 见图2 。 干粉灭火装置有 2个容积为 4 0 L的氮气瓶， 气瓶组 件中上层放置的二只氮气瓶， 每只氮气瓶上装有瓶头阀， 用来释放高压氮气 ， 由手动打开， 当氮气瓶 1和氮气瓶 2 瓶头阀打开， 高压氮气经集流管 A、 高压管路、 减压阀、 进 气阀、 低压管路进人干粉罐。其工作原理是用氮气作为驱 动气体与干粉混合并在设定 的压力作用下干粉经软管流 向干粉喷枪 ， 通过灭火人员进行灭火 。 6 小结 M P F C 一 7 0 0 ／ 1 5 0泡沫一 于粉联用灭火装置是一种配置 在挂车上的消防装备。具有泡沫、 干粉二种手段的独立作 战能力 ， 其主要功能是依靠泡沫和干粉两种手段的联合应 用， 以扑救易燃液体和气体的火灾， 尤其适用扑救野外露 天野战油库的火灾。如若单独使用干粉灭火 ， 干粉具有控 制火灾、 灭火迅速的优点， 其缺点是难以有效扑灭“ 死角” 区域的隐火而常常造成复燃 。如若单独使用泡沫灭火， 泡 沫能够流动到火场任何“ 死角” 区域内， 完成对火场的完 全覆盖， 因而可以有效地制止复燃。但对难以形成覆盖的 “ 尖、 高、 凸” 部位的泄漏火却表现软弱无力， 因而完全覆 盖所需时间较长 ， 使其灭火速度明显低于干粉的灭火速 度。显然 ， 联合使用泡沫和干粉这两种手段灭火可以相互 弥补， 扬长避短， 使灭火战斗力得到明显提高。 参考文献 [ 1 ]贺扬先． 扑救石油火灾新技术试验研究 [ J ] ． 消防科技 ， 1 9 9 0， 4 ． [ 2 ]张松鹤． 化学干粉灭火剂的技术特性 和使用方 法分析 [ J ] ． 造 船技术 ， 1 9 9 7 ， 1 0 2 1 2 ． 收稿 日期 2 0 1 2 0 51 3 上接第 4 7页 2 6 O 254 2 48 2 42 2 3 6 23 O 2 2 4 2 1 8 2 l 2 2 0 6 2 OO O 才能达到预期的目的。本文通过对气动力闭环控制系统 的建模及系统满足的条件进行分析， 通过控制算法的调 整， 在实验设备上达到了较好的效果 ， 使得控制频率在 6 Hz ， 控制力值的大小在 0 5 ％范围内波动， 实验表明该 系统具有较好的稳定性， 在质检与商检系统具有较广泛的 推广价值 。 o 0 1 ． 6 7 3 ． 3 5 5 ．0 2 6 ． 6 9 8 ． 3 6 1 0 ．0 4 1 1 ． 7 1 1 3 ． 3 8 1 5 ． 0 5 参考文献 图 6 测试图形监控峰尖放大 图 从控制曲线上可以看出， 控制的频率在 6 H z ， 控制的 波峰的波动值在 0一 5 ％范围内波动。实验 中， 监控了 1 0 0组数据， 系统具有较好的重复性。表明该系统具有较 好的稳定性 。 5 结语 气动力闭环技术作为一种低成本， 实用的新型技术， 正越来越得到广泛应用， 对于自行车疲劳测试中使用力闭 环系统 ， 由于其高频率与力控制精度的问题， 必须在控制 算法上 ， 元气件的选择及元器件的配备上作适当的调整， M a c h i n e Bu i ld in g Au t o ma t i o n， H 2 0 1 3 ，4 1 2 6 5 ～6 7 [ 1 ]许福玲 ， 陈尧 明． 液 压与 气压传 动 [ M] ． 北京 机 械 工业 出版 社 ． 1 9 9 6 ． [ 2 ]陈汉超， 盛永才， 气压传动与控制[ M] ． 北京 北京工业学院出 版社 ， 1 9 8 7 ． [ 3 ]胡万强 ， 姚 宁，吴张永． 气动伺服位 置系统 的神 经网络辨识 与控制[ J ] ． 液压与气动 ，2 0 0 7 9 5 0 5 2 ． [ 4 ]黄文梅． 气动位置控制系统的状态反馈调 节 [ J ] ， 湖南大学学 报 ， 1 9 9 0 1 l 1 1 8 ． 收稿 日期 2 0 1 20 41 2 6 7