自行车疲劳强度测试中的气动力闭环技术研究

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Research oil Pneumatic Force Closed-loop Control Technology in Bicyde Fatigue Strength TestLI Yao-dong ，QIN Zhi-ming ，TANG Dong-mei ，WANG Zhi-ming(1.Shanghai Institute of Quality Inspection and Technical Research，shanghai 200233，china；2.Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology，shanghai 201203，china；3.School of Mechatronic Engineering and Automation，Shanghai university，shanghai 200072，china)Abstract：Pneumatic force closed-loop control technology in bicycle fatigue strength test is described in this article.Based on the a·nalysis of al relevant testing standards and problems of exiting test equipment，pneumatic servo force closed·loop control technologyis introduced into it.This article also introduces the key technology of its composition，which meets the requirements of the pneumaticservo closed·loop system in the bicycle fatigue strength test.Finaly，the analysis results is proved by the test.Its technology is ad-vanced and exists in the wide application prospects。

key words：bicycle；fatigue strength；pneumatic closed-loop0 前言疲劳性能是自行车最重要的安全功能项 目之-。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-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：GB3565-2005，EN14766，EN14765。EN14764，EN14781，ISO4210，JISD9301等。在这些标准中，对各零部件或组件的测试方法基本-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。

EN14765/4·10 ·2，EN14764/4 ·9 ·6.GB3565/27 ·3. ISO4210/27·3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±400 N(GB3565)(ISO4210)(EN14765)，450 N(EN14764)，650 N(EN14766)，620 N(EN14781)，对 于 非铁 材料 类 或带 有废 铁 材 料构 件±600 N，测试周期：50 000(GB3565)(ISO4210)，100 000频率<25 Hz。在 EN14764/4·9-7·3，EN14766/4·9 ·1/4·9·7·2，EN14781/4·8·7·3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 600 N(0-5%)(EN14766)，130 N(EN14764 )。650 N(EN14766)，620 N(EN14781)(ISO4210)，测试周期：20 000。频 率<25 Hz。在 EN14766/4 ·13-7·3，EN14781/4·11·7，EN14765/4 ·13 ·6，EN14764/4 - 13 ·1/4 ·13 ·7，JISD9301/7·15·5，ISO4210/29·3，GB3565/29·3中，均有对传动系统曲柄组合件动态疲劳测试，对于铁类施加的力为±1 100 N(GB3565)(ISO4210)(JISD9301)，700 N(EN14765)，1 300 N(EN14764)，1 800 N(EN14766)(EN14781)1 400 N(JISD9301)00 N(曲柄长度(140 ram>(JISD9301)，测试周期 ：50 000，频率<25 Hz。在 GB3565/26·4·3、EN14766/4·7/4·7·2、EN14781/4·6·7·4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 (850N) (650N)(GB3565)(IS04210)(EN14781)(JISD9301)，FI 200 N(EN14766)F1 000 N(EN14764 )，测 试 周 期：50 000(GB3565)(ISO4210)作者简介：李耀东(1984-)，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。

Machine Building Automation，tun 2013， J(2)：45～47，67 ·45·· 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(JISD9301)，频率<25 Hz。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-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，-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 PLC控制，响应差测试频率较低 ，-般在 1～2 Hz，虽有力值显示，但精度无法控制(在4-10%左右)，电磁阀切换速度低，控制模式不合理，采用 PLC控制，响应差测试频率能提高，-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 PLC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-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-个或多个电/气转换元件--电/气比例或伺服阀和-个或多个气动执行元件、气缸及-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、AVR或DSP控制器、PC或 LCD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：AVR/DSP控制器：包含 l6位A/D与 D/A拈 ，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(MAC)：对控制信号进行· 46 ·高速切换，为在-定的频率下提供的硬件保障。高速缸(SMC)：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(MAC)：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 MPa)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-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-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htp：/ZZI-ID.chinajourna1.net.en E-mail：ZZHD###chainaj0UlTIa1.net.cn《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-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 MPFC-700/150泡沫-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 40 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 40 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 嗅MPFC-700/150泡沫-于粉联用灭火装置是-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。