【文章內(nèi)容簡介】 段、車輛廠以及檢驗單位對減振器的檢驗檢驗帶來許多問題。特別是最近出臺的減振器新鐵標TB/T14912021《機車車輛油壓減振器技術(shù)條件》中規(guī)定對于減振器的阻尼力測試時應去除彈性節(jié)點，而做耐久測試時又必須附帶彈性節(jié)點。這樣對工裝夾具就有更高的要求，如何設計出更加方便快捷的夾緊裝置，對提高測試精度和測試效率起到重要作用。 上海工程技術(shù)大學畢業(yè)設計（論文） 電液比例控制軌道車輛液壓減振器實驗臺設計 21 2） 安裝距離調(diào)整的便捷性 現(xiàn)在我國國內(nèi)所使用的機車車輛車型很多，減振器的類別和尺寸之間有很大差異，因此具有方便快捷的安 裝距離調(diào)整對于提高減振器檢驗效率起到舉足輕重的作用。在這方面，液壓伺服試驗臺具有較強的優(yōu)勢。 3） 試驗臺試驗速度、試驗振幅和試驗頻率調(diào)整的便捷化和隨機化 生產(chǎn)廠家所給出減振器性能參數(shù)基本上都是基于某一速度點下的阻尼值， 而減振器實際的阻尼性能并不是完全線性的，特別是生產(chǎn)過程控制不嚴時其性能與設計要求存在更大的差異。為了更好的檢測減振器的性能， 需要檢測減振器在不同速度、不同振幅、不同頻率下的阻尼特性，因此需要試驗臺調(diào)整的便捷化；減振器實際在裝車使用時其振動形式并非頻率和幅值均固定的簡諧振動，而是隨機振動。 為使試驗臺仿真效果更加逼真，需要試驗臺的隨機化。 4） 試驗 臺 應該 能 夠檢測減 振器的 動態(tài) 性能 減振器的阻尼特性有靜態(tài)阻尼特性和動態(tài)阻尼特性之分。所謂靜態(tài)阻尼特性是不計減振器結(jié)構(gòu)和液體剛度產(chǎn)生的動態(tài)影響，力和速度之間沒有相位變化時的特性，它是建立在減振器做大振幅和低頻運動的基礎上的阻尼特性。動態(tài)阻尼特性是考慮減振器結(jié)構(gòu)（如兩端彈性節(jié)點、儲油缸具有空氣囊等）和液體剛度影響時的阻尼特性，它使減振器的力、速度和位移之間具有一定的相位差。 現(xiàn)今所使用的減振器試驗臺一般只能夠通過載荷和位移傳感器測定出 FS 曲線、 FV 曲 線，而不能夠精確的測定力、速度和位移之間的相位關系。不能夠給出減振器的動態(tài)阻尼特性。隨著機車車輛的運行速度的日上海工程技術(shù)大學畢業(yè)設計（論文） 電液比例控制軌道車輛液壓減振器實驗臺設計 22 益提高，列車振動劇烈，起到減振作用的油壓減振器基本上工作在高頻狀態(tài)，從而這種建立在低頻運動基礎上的靜態(tài)阻尼特性參數(shù)對整個走行部分設計已經(jīng)不太適合。因此能夠反映減振器實際狀態(tài)的動態(tài)阻尼性能參數(shù)對整個走行部分的設計起到指導性意義。 5） 試驗 步 驟 的程序化、自 動 化 為了使減振器試驗臺具有更好的操作性和更高的效率，應該使減振器試驗臺能夠提前設定所需要的試驗參數(shù)，如測試振幅、頻率、速度、測試開始時間和測試結(jié)束 時間等，并能夠在測試過程中適時通過死循環(huán)回饋進行檢測測試數(shù)據(jù)，與設定值進行比較并進行相應的調(diào)整。 6） 試驗 臺 應 能 夠測 定 減 振器高低 溫狀態(tài)下 的性能 油壓減振器依靠液壓油在減振器拉壓過程中通過小孔產(chǎn)生的阻尼力來工作，因此溫度對減振器的性能有很大的影響，而我國的實際條件決定我國的列車運行過程中所經(jīng)歷的溫差變化很大。要全面衡量減振器的性能，需要進行高低溫方面的測試和研究。 3 電液比例控制技術(shù)概述 電液比例控制技術(shù)基本概念 在液壓傳動與控制中，能夠接受模擬式或數(shù)字式信號，使輸出的流量或壓力連續(xù)成比例地受到 控制，都可以被稱為電液比例控制系統(tǒng)。例如數(shù)字控制系統(tǒng)、脈寬調(diào)節(jié)（ PWM）控制系統(tǒng)以及一般意義上的電液比例控制系統(tǒng)。從廣義上講，在應用液壓傳動與控制和氣壓傳動與控制的工程系統(tǒng)中，凡是系統(tǒng)的輸出量，如壓力、流量、位移、轉(zhuǎn)速、速度、加速度、上海工程技術(shù)大學畢業(yè)設計（論文） 電液比例控制軌道車輛液壓減振器實驗臺設計 23 力、力矩等，能隨輸入控制信號連續(xù)成比例地得到控制的，都可稱為比例控制系統(tǒng)。 雖然比例控制與伺服控制都可以用于開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)。但就目前來說，前者主要用于開環(huán)控制，而后者主要用于閉環(huán)控制。理解伺服裝置與比例控制裝置的差別是有意義的。伺服控制裝置總是帶有內(nèi)反饋，任何檢測到的誤差都會引 起系統(tǒng)狀態(tài)改變，而這種改變正是強迫這個誤差為零。誤差為零時伺服系統(tǒng)會處于平衡狀態(tài)，直到新的誤差被檢測出來。比例控制裝置是一種有確定增益的轉(zhuǎn)換器。例如，比例閥可以把一個線性運動（手動或電磁鐵驅(qū)動）轉(zhuǎn)換成比例的油流量或壓力，轉(zhuǎn)換常數(shù)取決于閥的幾何尺寸及它的制造精度。閉環(huán)比例閥也可以用于外部反饋閉環(huán)系統(tǒng)。在伺服控制系統(tǒng)中，平衡狀態(tài)控制信號（誤差）理論上為零，而比例控制系統(tǒng)卻永遠不會為零。電液伺服系統(tǒng)是較早主要在軍事工程領域發(fā)展起來的電液控制技術(shù)，而電液比例控制技術(shù)，是針對伺服控制存在的諸如功率損失大、對油液過濾要 求苛刻、制造維修費用高等，而它提供的快速性在一般工業(yè)設備中又往往用不著的情況，在近 30 年迅速發(fā)展起來介于普通控制與伺服控制之間的新型電液控制技術(shù)分支。 在比例控制系統(tǒng)中，主控制元件可以有無限種狀態(tài)，分別對應于受控對象的無限種運動。與比例控制對應的還有開關控制。由于開關控制中控制元件只有兩種狀態(tài)，即開啟或關閉。因此要實現(xiàn)高質(zhì)量的復雜控制時，必須有足夠大量的元件，把各個元件調(diào)整成某一特殊的狀態(tài)，從而實現(xiàn)使受控對象按預定的順序和要求動作。比例控制和開關控制都可以是手動或按程序自動進行。不同的是在比例控制中，比例元 件根據(jù)接受到的控制信上海工程技術(shù)大學畢業(yè)設計（論文） 電液比例控制軌道車輛液壓減振器實驗臺設計 24 號，自動轉(zhuǎn)換狀態(tài)，因而使系統(tǒng)大為簡化。在工程實際應用中，由于大多數(shù)被控對象僅需要有限的幾種狀態(tài)。因而開關控制也有可取之處。開關元件通常簡單可靠，不存在系統(tǒng)不穩(wěn)定的情況。 電液比例控制技術(shù)發(fā)展概況 17 世紀帕斯卡提出著名的帕斯卡定律，奠定了液壓傳動的理論基礎。流體傳動已經(jīng)歷了很長的發(fā)展歷史，然而，作為現(xiàn)代電液控制技術(shù)的發(fā)展卻只需追溯到二次大戰(zhàn)時期。當時出于軍事需要，對武器和飛行器的自動控制系統(tǒng)的研究已取得了很大的進展。戰(zhàn)爭后期，噴氣技術(shù)取得了突破性進展。由于噴氣式飛行器速度很高，因 此對控制系統(tǒng)的快速性、動態(tài)精度、功率和重量都提出了更高的要求。工程需要是現(xiàn)代電液控制技術(shù)發(fā)展的推動力。 1940 年底在飛機上首先出現(xiàn)了電液伺服系統(tǒng)，其滑閥由伺服電機拖動，伺服電機慣量很大，成了限制系統(tǒng)動態(tài)特性的主要環(huán)節(jié)。直到 50年代初才出現(xiàn)了高速響應的永磁式力矩馬達。 50 年代后期又出現(xiàn)了以噴嘴擋板閥作為先導級的電液伺服閥，使電液伺服系統(tǒng)成為當時響應最快，控制精度最高的伺服系統(tǒng)。 1958 年美國學者勃萊克布恩等公布了他們在麻省理工學院的研究工作，為現(xiàn)代電液伺服系統(tǒng)的理論和實踐奠定了基礎。 60 年代各種結(jié)構(gòu)的電液伺服 閥相繼問世，特別是以摩格為代表的采用干式力矩馬達和級間力反饋的電液伺服閥的出現(xiàn)和各類電反饋技術(shù)的應用，進一步提高了電液伺服閥的性能，電液伺服技術(shù)業(yè)已成熟。電液伺服系統(tǒng)已逐漸成為武器和航空、航天自動控制以及一部分民用工業(yè)設備自動控制的重要組成部分。 60 年代后期由于人們對各類工藝過程進行了深入研究，對其精確數(shù)學模型有了比較深入的了解，因而對工藝過程控制提上海工程技術(shù)大學畢業(yè)設計（論文） 電液比例控制軌道車輛液壓減振器實驗臺設計 25 出了更高的要求?，F(xiàn)代電子技術(shù)特別是微電子集成技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，為工程控制系統(tǒng)提供了充分而且廉價的現(xiàn)代化電子裝置。于是，各類民用工程對電液控制技術(shù)的需求就顯 得更加迫切和廣泛 [1]。 但人們很快發(fā)現(xiàn)，由于電液伺服器件的價格過于昂貴，對油質(zhì)要求十分嚴格，控制損失（閥壓降）較大。使伺服技術(shù)難以為更廣泛的工業(yè)應用所接受。在很多工業(yè)場合，要求有一般的高質(zhì)量的控制手段，卻并不要求太高的控制精度或響應性?，F(xiàn)代工業(yè)的迅猛發(fā)展，要求開發(fā)一種廉價、節(jié)能、維護方便、控制精度和響應特性均能滿足工業(yè)控制系統(tǒng)實際需要的電液控制技術(shù)。而現(xiàn)代電子技術(shù)和測試技術(shù)的發(fā)展為工程界提供了可靠而廉價的檢測、校正技術(shù)。這些為電液比例技術(shù)的發(fā)展提供了有利的條件。自60 年代以來，為降低比例技術(shù)成本。一方面是 在高性能的伺服閥的基礎上發(fā)展了工業(yè)伺服技術(shù)。其特點是適當簡化伺服閥的結(jié)構(gòu)，降低它的制造精度，增大電 — 機械轉(zhuǎn)換器的輸出功率水平和改善閥的抗污染性能。這雖然降低了制造成本，但因其結(jié)構(gòu)復雜，價格仍然十分可觀，使它的應用仍然受到限制。另一方面在普通的液壓閥的基礎上，采用廉價而可靠的比例電磁鐵作為電 — 機械轉(zhuǎn)換元件，取代原來閥內(nèi)的手動調(diào)節(jié)器或普通開關式電磁鐵。并相應地改進了閥內(nèi)的設計和引入各種內(nèi)反饋控制，從而出現(xiàn)了一種價廉的耐污染與一般工業(yè)閥相同，性能又能滿足大部分工業(yè)控制要求的比例元件 [2]。 比例技術(shù)的發(fā)展大致可以 劃分為三個階段 [1,35]： 從 1967 年瑞士 Beringer 公司生產(chǎn) KL 比例復合閥起，到 70 年代初日本油研公司申請了壓力和流量比例閥兩項專利為止，是比例技術(shù)的誕生時上海工程技術(shù)大學畢業(yè)設計（論文） 電液比例控制軌道車輛液壓減振器實驗臺設計 26 期。這一階段的比例閥，僅僅是將比例型的電 — 機械轉(zhuǎn)換器（如比例電磁鐵）用于工業(yè)液壓閥，以代替開關電磁鐵或調(diào)節(jié)手柄，閥的結(jié)構(gòu)原理和設計準則幾乎沒有變化，大多不含受控參數(shù)的反饋閉環(huán)，其工作頻寬僅在1~5Hz 之間，穩(wěn)態(tài)滯環(huán)在 4~7%之間，多用于開環(huán)控制。 1975 年至 1980 年間可以認為比例技術(shù)的發(fā)展進入了第二階段。各種內(nèi)反饋原理的比例元件大量問世， 耐高壓比例電磁鐵和比例放大器在技術(shù)上日趨成熟，比例元件工作頻寬已經(jīng)達到 5~15Hz，穩(wěn)態(tài)滯環(huán)亦減少到 3%左右。其應用領域日漸擴大，不僅用于開環(huán)控制，也被應用于閉環(huán)控制。 80 年代，比例技術(shù)的發(fā)展進入了第三階段。比例元件的設計原理進一步完善，采用了壓力、流量、位移內(nèi)反饋和動壓反饋及電校正手段，使閥的穩(wěn)態(tài)精度、動態(tài)響應和穩(wěn)定性都有了進一步提高。除了因制造成本所限，比例閥在中位仍保留死區(qū)以外，它的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性均已和工業(yè)伺服閥無異。另一項重大進展是，比例技術(shù)開始和插裝閥相結(jié)合，已開發(fā)出各種不同功能和規(guī)格的二通、三 通型比例插裝閥，形成了 80 年代電液比例插裝技術(shù)。同時，由于傳感器和電子器件的小型化，還出現(xiàn)了電液一體化的電液元件，電液比例技術(shù)逐步形成了 80 年代的集成化趨勢。特別是電液比例容積元件，各類比例控制泵和執(zhí)行元件相繼出現(xiàn)，為大功率工程控制系統(tǒng)的節(jié)能提供了技術(shù)基礎。除了模擬式的電液比例元件外，人們也注重開發(fā)出各種數(shù)字式液壓元件，數(shù)字式液壓元件也是今后比例技術(shù)發(fā)展的一個重要分支。現(xiàn)在比例閥已有些是把傳感器、測量放大器、控制放大器和閥復合在一起的機電一體化的元件，使得結(jié)構(gòu)更加緊湊，性能進一步提高。這種結(jié)構(gòu)有許多優(yōu)于其它 系統(tǒng)的優(yōu)點。由于電子裝置直接裝在閥體上，上海工程技術(shù)大學畢業(yè)設計（論文） 電液比例控制軌道車輛液壓減振器實驗臺設計 27 減少了插件和導線，從整體上看更簡潔，對使用者的要求也更簡單。未來的閥可能帶有儲存器和具有智能，具有自動檢測和報警功能。只要接受簡單的指令，閥就能完成一系列的工作。 電液比例控制技術(shù)的工作原理及組成 液壓開關控制與比例控制比較 [3] 如圖 31 所示為一個采用開關控制的液壓傳動系統(tǒng)，它是一個常見的進口節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)。當 1DT 通電時液壓油經(jīng)換向閥左位進入液壓缸的無桿腔，其速度決定于被選中的調(diào)速閥的開口面積。這是個兩級調(diào)速系統(tǒng)，選中的調(diào)速閥由 3DT 和 4DT 是 否通電來決定。速度通過調(diào)節(jié)節(jié)流口的面積來預置。速度的換向利用行程開關發(fā)出信號進行轉(zhuǎn)換。反向時 2DT 通電，液壓缸快速返回。該回路只能實現(xiàn)正向的有級調(diào)速。 2DT 1DT 3DT 4DT 圖 31 開關控制液壓系統(tǒng) 上海工程技術(shù)大學畢業(yè)設計（論文） 電液比例控制軌道車輛液壓減振器實驗臺設計 28 一個能實現(xiàn)正反向無級調(diào)速的開環(huán)比例調(diào)速系統(tǒng)如圖 32 所示。比例調(diào)速閥的輸出流量與給定輸入電壓成正比。方向則取決于 1DT 或 2DT 中哪一只電磁鐵通電。通過改變給定信號的大小可以方便地實現(xiàn)無級調(diào)速。與前面的開關控制比較，系統(tǒng)功能增加了，性能也更好。但結(jié)構(gòu)卻大為簡化。由圖可見，系統(tǒng)容易實現(xiàn)雙向無級調(diào)速，且可以擴展到對多個執(zhí)行器分別進行調(diào)速控制。如采用比例方向閥進行調(diào)速，如圖 33 所示，則系統(tǒng)可以更簡化。 圖 33 所示為閉環(huán)比例調(diào)速系統(tǒng)。它是在開環(huán)控制基 .礎上增加了速度反饋元件而構(gòu)成的。速度傳感器產(chǎn)生與速度成正比的電信號，經(jīng)過匹配放大器放大后，與給定控制信號比較，得出偏差信號。偏差信號經(jīng)過功率放大后用于控制比例電磁鐵 A 或 B，從而控制閥的開口量及方向，達到速度調(diào)節(jié)目的。 比較上述三個系統(tǒng)。圖 32 的系統(tǒng)，由于不對被控量進行檢測和反饋，因而當出現(xiàn)被控量與期望值的偏差時無法進行修正，稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。這類系統(tǒng)一般控制精度不高。但與開關式 液壓控制相比，控制質(zhì)量和方式都有改進和簡化。它可使被控量復現(xiàn)控制信號的變化規(guī)律。這類開環(huán)系統(tǒng)由于不存在信號和能量的反饋，因而系統(tǒng)穩(wěn)定性好，容易設計。是目前最常見的比例控制系統(tǒng)。 上海工程技術(shù)大學畢業(yè)設計（論文） 電液比例控制軌道車輛液壓減振器實驗臺設計 29 2D