CN108278245B - 一种大型油气悬挂缸动态性能测试方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大型油气悬挂缸动态性能测试方法及系统。该方法包括:对油气悬挂缸进行多组高频小幅值往复加载试验以及多组低频大幅值往复加载试验，获取油气悬挂缸的试验数据，试验数据包括油气悬挂缸的压缩行程、压缩速度以及试验输出力；根据气体状态方程、流体力学以及热力学原理建立油气悬挂缸数学模型；根据试验数据对油气悬挂缸数学模型进行修正，得到修正后的数学模型；根据当前油气悬挂缸的压缩行程变化曲线，以及修正后的数学模型，得到压缩行程—输出力以及压缩速度—输出力的曲线。本发明能够降低现有油气悬挂缸动态性能测试方法对加载系统加速度的要求，可大大减低试验台的装机功率，同时可保证悬挂缸动态性能数据的准确性。

Description

一种大型油气悬挂缸动态性能测试方法及系统

技术领域

本发明涉及车辆油气悬挂领域，特别是涉及一种大型油气悬挂缸动态性能测试方法及系统。

背景技术

油气悬挂缸是车辆悬挂系统的重要组成部分。与传统悬挂相比，油气悬挂具有良好的非线性刚度特性和非线性阻尼特性，现已广泛应用于重型运输车辆与特种工业车辆。油气悬挂缸的刚度特性和阻尼特性与充装气体压力、阻尼油特性和内部结构有关，直接影响车辆操控性能和减震性能，因此油气悬挂缸需要在出厂前进行动态性能测试和调整，使油气悬挂缸在某些特定工作环境下提供所需的减震性能。

油气悬挂缸的动态性能一般通过两个指标进行评价，即压缩行程—输出力以及压缩速度—输出力曲线。目前油气悬挂缸动态性能的测试是通过加载系统对被试悬挂缸进行高频大幅值位移正弦激励测试，进而获得油气悬挂缸输出力与压缩行程和压缩速度的关系。大型油气悬挂缸的极限载重可达几百吨，针对大型油气悬挂缸性能测试的液压加载系统为实现数兆牛顿的加载力，需使用大缸径液压缸作为激励元件。若使用现有的动态性能测试方法，进行高频大幅值位移正弦激励测试，液压加载系统需要在工作压力下实现数倍于常规值的流量变化率，加载系统电机扭矩是限制流量变化率的关键因素，而电机扭矩直接影响试验系统的装机容量与成本。实际液压加载系统受限于成本、装机容量、能耗和零件强度等因素，无法提供试验所需的加速度，因此实际加载系统存在动态响应差等问题，无法在使用大缸径液压缸的情况下实现现有油气悬挂缸动态性能测试方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种大型油气悬挂缸动态性能测试方法及系统，以解决上述现有方法存在的问题，降低现有油气悬挂缸动态性能测试方法对加载系统加速度的要求，降低试验台的装机功率，同时保证悬挂缸动态性能数据的准确性。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种大型油气悬挂缸动态性能测试方法，所述方法包括:

对油气悬挂缸进行多组高频小幅值往复加载试验以及多组低频大幅值往复加载试验，获取油气悬挂缸的试验数据，所述试验数据包括油气悬挂缸的压缩行程、压缩速度以及试验输出力；

根据气体状态方程、流体力学以及热力学原理建立油气悬挂缸数学模型；

根据所述试验数据对所述油气悬挂缸数学模型进行修正，得到修正后的数学模型；

根据当前油气悬挂缸的压缩行程变化曲线，以及所述修正后的数学模型，得到压缩行程—输出力以及压缩速度—输出力的曲线。

可选的，所述根据所述试验数据对所述油气悬挂缸数学模型进行修正，得到修正后的数学模型，具体包括：

对所述试验数据进行初步处理，得到处理后的数据；

根据所述处理后的数据修正所述油气悬挂缸数学模型的参数，得到待判断的数学模型；

根据所述压缩行程、所述压缩速度以及所述待判断的数学模型，得到仿真输出力；

判断所述仿真输出力与所述试验输出力的误差是否在阈值范围内；

若否，继续根据所述处理后的试验数据，修正所述待判断数学模型的参数，直至所述仿真输出力与所述试验输出力的误差是否在阈值范围内，得到修正后的数学模型。

本发明还提供了一种大型油气悬挂缸动态性能测试系统，所述系统包括：

试验模块，用于对油气悬挂缸进行多组高频小幅值往复加载试验以及多组低频大幅值往复加载试验，获取油气悬挂缸的试验数据，所述试验数据包括油气悬挂缸的压缩行程、压缩速度以及试验输出力；

建模模块，用于根据气体状态方程、流体力学以及热力学原理建立油气悬挂缸数学模型；

修正模块，用于根据所述试验数据对所述油气悬挂缸数学模型进行修正，得到修正后的数学模型；

计算模块，用于根据当前油气悬挂缸的压缩行程变化曲线，以及所述修正后的数学模型，得到压缩行程—输出力以及压缩速度—输出力的曲线。

可选的，所述修正模块包括：

处理单元，用于对所述试验数据进行初步处理，得到处理后的数据；

修正单元，用于根据所述处理后的数据修正所述油气悬挂缸数学模型的参数，得到待判断的数学模型；

仿真单元，用于根据所述压缩行程、所述压缩速度以及所述待判断的数学模型，得到仿真输出力；

判断单元，用于判断所述仿真输出力与所述试验输出力的误差是否在阈值范围内；若否，继续根据所述处理后的试验数据，修正所述待判断数学模型的参数，直至所述仿真输出力与所述试验输出力的误差是否在阈值范围内，得到修正后的数学模型。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明通过对大型油气悬挂缸进行多组高频小幅值和多组低频大幅值的往复加载试验，根据试验数据修正油气悬挂缸数学模型，根据修正后的数学模型仿真特定激励下油气悬挂缸的输出力，获得油气悬挂缸的动态性能评价指标，即压缩行程—输出力以及压缩速度—输出力曲线族。由于实际加载系统无法提供现有性能测试方法应用于大型油气悬挂缸时所需的加速度，本动态性能测试方法中，改用高频小幅值往复加载试验与低频大幅值往复加载试验获取试验数据，降低了现有油气悬挂缸动态性能测试方法对加载系统加速度的要求，大大降低了试验台的装机功率。由于在试验台加载能力范围内，油气悬挂缸的数学模型已被试验数据验证和修正，而试验台加载能力范围作为油气悬挂缸有效工作区域的主要部分，因此可以保证悬挂缸动态性能数据的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种大型油气悬挂缸动态性能测试方法的流程图；

图2为本发明实施例中液压加载试验系统的结构图；

图3为本发明实施例提供的修正油气悬挂缸数学模型的方法流程图；

图4为本发明实施例提供的一种大型油气悬挂缸动态性能测试系统的结构框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种大型油气悬挂缸动态性能测试方法及系统，以解决上述现有方法存在的问题，降低现有油气悬挂缸动态性能测试方法对加载系统加速度的要求，降低试验台的装机功率，同时保证悬挂缸动态性能数据的准确性。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，一种大型油气悬挂缸动态性能测试方法包括以下步骤：

步骤101：对油气悬挂缸进行多组高频小幅值往复加载试验以及多组低频大幅值往复加载试验，获取油气悬挂缸的试验数据，所述试验数据包括油气悬挂缸的压缩行程、压缩速度以及试验输出力。

具体的，通过如图2所示的液压加载试验系统对油气悬挂缸行高频小幅值往复加载试验以及低频大幅值往复加载试验。液压加载试验系统包括：液压加载系统和测控系统；

所述加载系统包括：伺服电机驱动器1，伺服电机2，液压泵/马达3，安全阀4，液压缸6，被试悬挂缸10，试验台架11。所述伺服电机驱动器1连接至供电电网，并与所述伺服电机2电连接。所述液压泵/马达3与所述伺服电机2通过联轴器机械连接，所述液压泵/马达3的入口连接至油箱。所述液压缸6的无杆腔油口与所述液压泵/马达3的出口连接，同时连接至所述安全阀4 的入油口。所述液压缸6的活塞杆与所述被试悬挂缸10通过连接头9对顶机械连接。所述液压缸6与所述被试悬挂缸10固定于所述试验台架11。

所述测控系统包括：控制单元5，位移传感器7，力传感器8。所述力传感器8安装于所述被试悬挂缸10的活塞杆与所述液压缸6的活塞杆之间，用于测试所述被试悬挂缸10的输出力。所述位移传感器7安装于所述液压缸6，用于测试所述液压缸6与所述被试悬挂缸10的行程变化。所述控制单元5与所述位移传感器7和所述力传感器8电连接，并电连接至所述伺服电机驱动器 1。

加载试验时，所述控制单元5通过所述位移传感器7与所述力传感器8 获取并记录被试悬挂缸10的压缩行程变化与输出力变化，根据试验要求生成控制信号发送至所述伺服电机驱动器1。压缩过程中，所述伺服电机驱动器1 按照所述控制单元5的命令驱动所述伺服电机2带动所述液压泵/马达3正转，所述液压缸6活塞杆伸出压缩所述被试悬挂缸10的活塞杆，通过控制所述伺服电机2的运行可实现对所述液压缸6的无节流运动控制。所述被试悬挂缸 10回弹伸展时，推动所述液压缸6驱动所述液压泵/马达3反转，所述控制单元5通过所述伺服电机驱动器1控制所述伺服电机2的扭矩可实现对所述液压缸6活塞杆的运动控制。通过所述控制单元5的控制，使所述液压缸6的活塞杆以正弦变化规律带动所述被试悬挂缸10的活塞杆，实现对所述被试悬挂缸 10的正弦加载激励。

在本实施例中，为完成油气悬挂缸密封性能试验，试验台液压加载部分需要实现4兆牛顿的最大静加载力，使用了缸径为380mm的单活塞杆液压缸6 作为激励元件，无杆腔横截面积S＝0.1134m²，液压泵/马达3的排量为200mL/r。

若考察某压缩行程处在幅值A＝10mm、频率f＝1Hz的外界激励下被测悬挂缸的动态性能，如果采用现有的动态性能测试方法，需要液压缸6的活塞杆按幅值A＝10mm、频率f＝1Hz的正弦运动对被测悬挂缸进行往复加载。此试验过程中液压系统的最大流量出现在位移平衡位置处，为 Q_max＝2πfAS＝428L/min，对应电机转速最大值为2138rpm；最大流量变化率出现在位移波峰波谷处，为Q_max＝(2πf)²AS＝0.045m³/s²，对应电机转速变化率为224r/s²,此时电机转速接近0，结合伺服电机2转动惯量为2.33kg·m²，则电机转子需要提供3277N·m的扭矩用于自身加速。若此压缩行程附近被试悬挂缸的输出力约为2兆牛，则电机转子需要始终提供约575N·m的扭矩以平衡被试悬挂缸的输出力。所选用的伺服电机虽可在转速为2138rpm时产生575N·m的扭矩，但无法在转速为0附近时产生3277N·m+575N·m＝3852N·m的扭矩，即无法满足现有动态性能测试方法直接应用于大型油气悬挂缸所需的加速度。因此，本性能试验方法改用多次高频小幅值和低频大幅值的往复加载试验获取悬挂缸动态性能数据。

具体地，对油气悬挂缸进行多次高频小幅值的往复加载试验，在测试点附近选取多个平衡位置，以全行程的3％-6％为幅值，以试验台加载系统能力范围内的最高频率，进行多组高频小幅值的往复加载试验，记录压缩行程、压缩速度与油气悬挂缸的输出力。本实施例中的多组高频小幅值的往复加载试验，在该压缩行程附近选取多个平衡位置，对被试悬挂缸进行多组幅值A＝5mm、频率f＝1Hz的正弦往复加载。此试验过程中液压系统的最大流量出现在位移平衡位置处，为Q_max＝2πfAS＝214L/min，对应电机转速最大值为1069rpm；最大流量变化率出现在位移波峰波谷处，为Q_max＝(2πf)²AS＝0.023m³/s²，此时马达转速接近0，对应电机转速变化率为112r/s²,结合伺服电机的转动惯量，电机转子需要提供1638N·m的扭矩用于自身加速。若此压缩行程处附近被试悬挂缸的输出力约为2兆牛，则电机转子需要始终提供约575N·m的扭矩以平衡被试悬挂缸的输出力。所选用的伺服电机可在转速为1069rpm时提供575N·m的扭矩，也可以在转速接近0时短时提供1638N·m+575N·m＝2213N·m的扭矩。高频小幅值的往复加载试验运动幅值小，因而减小了试验过程对试验加载系统加速度的要求。

具体地，对油气悬挂缸进行多次低频大幅值往复加载试验，在测试点附近选取多个平衡位置，以全行程的6％-20％为幅值，在试验台加载系统能力范围内，进行多次低频大幅值的往复加载试验，记录压缩行程、压缩速度与油气悬挂缸输出力。本实施例中的多组低频大幅值的往复加载试验，需要在该压缩行程附近选取多个平衡位置，对被试悬挂缸进行多组幅值A＝20mm、频率f＝0.5Hz 的正弦往复加载。此试验过程中液压系统的最大流量出现在位移平衡位置处，为Q_max＝2πfAS＝428L/min，对应电机转速最大值为2138rpm；最大流量变化率出现在位移波峰波谷处，为Q_max＝(2πf)²AS＝0.023m³/s²，对应电机转速变化率为112r/s²,此时马达转速接近0，结合伺服电机转动惯量，电机转子需要提供 1638N·m的扭矩用于自身加速。若此压缩行程处附近被试悬挂缸的输出力约为 2兆牛，则电机转子需要始终提供约575N·m的扭矩以平衡被试悬挂缸输出力。所选用的伺服电机可在2135rpm处提供575N·m的扭矩，也可在转速接近0时短时提供1638N·m+575N·m＝2213N·m的扭矩。低频大幅值的往复加载试验循环周期长，加载系统有足够的时间加速到最大速度，同样减小了试验过程对试验加载系统加速度的要求。

本实施例通过计算说明了现有动态性能测试方法无法直接应用于大型油气悬挂缸的主要原因是加载系统无法提供现有方法所需的加速度。因此本动态性能测试方法中，改用高频小幅值往复加载试验与低频大幅值往复加载试验获取试验数据，降低了现有油气悬挂缸动态性能测试方法对试验加载系统加速度的要求，大大降低了试验台的装机功率。

步骤102：根据气体状态方程、流体力学以及热力学原理建立油气悬挂缸数学模型。

具体的，根据实际结构尺寸分析各腔室容积与压缩行程的关系，对活塞杆进行受力分解。本实施例中以单气室油气混合式油气悬挂缸为例，悬挂缸内部可分为气室、压缩腔和复原腔；气室压强作用于活塞杆表现为气体弹力；复原腔容积变化，油液流经小孔由于节流效果产生压强差作用于活塞杆，表现为阻尼力；根据实际气体状态方程、流体力学和热力学原理等建立油气悬挂缸数学模型，其输入为压缩行程和压缩速度，输出为活塞杆输出力，输出力可分解为气体弹力、阻尼力、摩擦力和惯性力；需要说明的是，该数学模型中部分参数如节流系数等可参照之前同型号悬挂缸的测试结果。

步骤103：根据所述试验数据对所述油气悬挂缸数学模型进行修正，得到修正后的数学模型。

具体的，如图3所示，包括以下步骤：

步骤1031：对所述试验数据进行初步处理，得到处理后的数据。

根据运动部件的质量与运动加速度，去除惯性力的影响；在本实施例中，由压缩速度与采样时间间隔可得每个采样点处的运动加速度，运动部件为活塞杆及杆内的油液，结合运动部件的质量去除悬挂缸试验输出力中的惯性力。

滑动摩擦力方向与相对运动方向有关，因此在高频小幅值往复加载试验中，运动方向改变时，压缩速度接近零，阻尼力接近零；压缩行程基本不变，因而气体弹力基本不变，因此去除惯性力后的悬挂缸试验输出力在压缩速度为 0附近的突变值为当前行程处滑动摩擦力的2倍，进而得到该处的滑动摩擦力。

需要说明的是，在不同压缩行程处，气体被压缩导致悬挂缸内部压强不同，致使密封件与活动部件的接触面积和作用力改变，因而不同行程处的滑动摩擦力并非恒值。虽然不同压缩速度也会产生内部腔室压强变化，但该变化相对前者影响较小，故将不同压缩速度导致的摩擦力的变化量归为阻尼力与气体弹力，便于后续处理。因此，实际滑动摩擦力表现为与压缩行程相关。

结合实际摩擦力与行程的关系，获得阻尼力与气体弹力的合力同压缩行程和压缩速度的关系。理论上阻尼力仅与压缩速度有关。气体弹力主要与压缩行程有关，但压缩速度影响气体状态的变化过程，因此气体弹力与压缩速度也有关系。阻尼力与气体弹力无法直接分离，但并不影响后续参数修正。

步骤1032：根据所述处理后的数据修正所述油气悬挂缸数学模型的参数，得到待判断的数学模型。

步骤1033：根据所述压缩行程、所述压缩速度以及所述待判断的数学模型，得到仿真输出力。

步骤1034：判断所述仿真输出力与所述试验输出力的误差是否在阈值范围内；若否，继续根据所述处理后的试验数据，修正所述待判断数学模型的参数，直至所述仿真输出力与所述试验输出力的误差是否在阈值范围内。

步骤1035：得到修正后的数学模型。

本实施例中所建立的油气悬挂缸数学模型中，气体弹力和阻尼力的合力共受16个参数影响，其中4个为悬挂缸内部的基本尺寸参数，其余12个参数通过预设值或经验值得出，与实际值可能存在误差。在本实施例中，使用粒子群算法对这12个参数一起进行修正，评价指标为油气悬挂缸输出力仿真值与试验输出力的均方根误差，并且通过油气悬挂缸输出力试验值与仿真值的比较，可利用工程经验对特定参数的进化方向进行微调，提高模型修正效率。在设置粒子数为8，寻找次数为10的情况下，算法最终寻得的最优值进行的仿真与实际值的均方根误差可小于实际值的2％。

步骤104：根据当前油气悬挂缸的压缩行程变化曲线，以及所述修正后的数学模型，得到压缩行程—输出力以及压缩速度—输出力的曲线。

由于在试验台加载能力范围内，油气悬挂缸的数学模型已被试验数据验证和修正，而试验台加载能力范围作为油气悬挂缸有效工作区域的主要部分，因此可以保证悬挂缸动态性能数据的准确性。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明通过对大型油气悬挂缸进行多组高频小幅值和多组低频大幅值的往复加载试验，根据试验数据修正油气悬挂缸数学模型，根据修正后的数学模型仿真特定激励下油气悬挂缸的输出力，获得油气悬挂缸的动态性能评价指标，即压缩行程—输出力以及压缩速度—输出力曲线族。由于实际加载系统无法提供现有性能测试方法应用于大型油气悬挂缸时所需的加速度，本动态性能测试方法中，改用高频小幅值往复加载试验与低频大幅值往复加载试验获取试验数据，降低了现有油气悬挂缸动态性能测试方法对加载系统加速度的要求，大大降低了试验台的装机功率。由于在试验台加载能力范围内，油气悬挂缸的数学模型已被试验数据验证和修正，而试验台加载能力范围作为油气悬挂缸有效工作区域的主要部分，因此可以保证悬挂缸动态性能数据的准确性。

如图4所示，本发明还提供了一种大型油气悬挂缸动态性能测试系统，所述系统包括：

试验模块401，用于对油气悬挂缸进行多组高频小幅值往复加载试验以及多组低频大幅值往复加载试验，获取油气悬挂缸的试验数据，所述试验数据包括油气悬挂缸的压缩行程、压缩速度以及试验输出力；

建模模块402，用于根据气体状态方程、流体力学以及热力学原理建立油气悬挂缸数学模型；

修正模块403，用于根据所述试验数据对所述油气悬挂缸数学模型进行修正，得到修正后的数学模型；

计算模块404，用于根据当前油气悬挂缸的压缩行程变化曲线，以及所述修正后的数学模型，得到压缩行程—输出力以及压缩速度—输出力的曲线。

可选的，所述修正模块403包括：

处理单元，用于对所述试验数据进行初步处理，得到处理后的数据；

修正单元，用于根据所述处理后的数据修正所述油气悬挂缸数学模型的参数，得到待判断的数学模型；

仿真单元，用于根据所述压缩行程、所述压缩速度以及所述待判断的数学模型，得到仿真输出力；

判断单元，用于判断所述仿真输出力与所述试验输出力的误差是否在阈值范围内；若否，继续根据所述处理后的试验数据，修正所述待判断数学模型的参数，直至所述仿真输出力与所述试验输出力的误差是否在阈值范围内，得到修正后的数学模型。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种大型油气悬挂缸动态性能测试方法，其特征在于，所述方法包括:

对油气悬挂缸进行多组高频小幅值往复加载试验以及多组低频大幅值往复加载试验，获取油气悬挂缸的试验数据，所述试验数据包括油气悬挂缸的压缩行程、压缩速度以及试验输出力；

根据气体状态方程、流体力学以及热力学原理建立油气悬挂缸数学模型；

根据所述试验数据对所述油气悬挂缸数学模型进行修正，得到修正后的数学模型；

根据当前油气悬挂缸的压缩行程变化曲线，以及所述修正后的数学模型，得到压缩行程—输出力以及压缩速度—输出力的曲线。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述试验数据对所述油气悬挂缸数学模型进行修正，得到修正后的数学模型，具体包括：

对所述试验数据进行初步处理，得到处理后的数据；

根据所述处理后的数据修正所述油气悬挂缸数学模型的参数，得到待判断的数学模型；

根据所述压缩行程、所述压缩速度以及所述待判断的数学模型，得到仿真输出力；

判断所述仿真输出力与所述试验输出力的误差是否在阈值范围内；

若否，继续根据所述处理后的试验数据，修正所述待判断数学模型的参数，直至所述仿真输出力与所述试验输出力的误差在阈值范围内，得到修正后的数学模型。

3.一种大型油气悬挂缸动态性能测试系统，其特征在于，所述系统包括：

试验模块，用于对油气悬挂缸进行多组高频小幅值往复加载试验以及多组低频大幅值往复加载试验，获取油气悬挂缸的试验数据，所述试验数据包括油气悬挂缸的压缩行程、压缩速度以及试验输出力；

建模模块，用于根据气体状态方程、流体力学以及热力学原理建立油气悬挂缸数学模型；

修正模块，用于根据所述试验数据对所述油气悬挂缸数学模型进行修正，得到修正后的数学模型；

计算模块，用于根据当前油气悬挂缸的压缩行程变化曲线，以及所述修正后的数学模型，得到压缩行程—输出力以及压缩速度—输出力的曲线。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述修正模块包括：

处理单元，用于对所述试验数据进行初步处理，得到处理后的数据；

修正单元，用于根据所述处理后的数据修正所述油气悬挂缸数学模型的参数，得到待判断的数学模型；

仿真单元，用于根据所述压缩行程、所述压缩速度以及所述待判断的数学模型，得到仿真输出力；

判断单元，用于判断所述仿真输出力与所述试验输出力的误差是否在阈值范围内；若否，继续根据所述处理后的试验数据，修正所述待判断数学模型的参数，直至所述仿真输出力与所述试验输出力的误差在阈值范围内，得到修正后的数学模型。