关于《Design and Research of Dynamic Stiffness Test System for Rubber Shock Absorber Based on LabVIEW》的研究报告

作者及研究背景

本文由作者Dasen Zhang和Jian Chu完成，两位作者分别隶属于天津市信息感知与智能控制重点实验室和天津职业技术师范大学自动化与电气工程学院。文章发表在《Journal of Physics: Conference Series》（1302卷，第042015号），于2019年由IOP Publishing出版。

研究背景围绕橡胶减震器作为船舶、汽车、火车、飞机以及建筑工程中的重要组成部件展开。动态刚度是评价橡胶减震器性能的重要指标。然而，目前现有的一些动态刚度测试方法在测量精度、适用性和成本等方面存在诸多不足，难以满足生产企业和测试机构的需求。因此，本文作者通过结合国内外橡胶减震器动态特性测试技术的发展现状，以及实际的生产测试需求，设计并开发了一种基于LabVIEW虚拟仪器平台的新型动态刚度测试系统，以快速、高效、精准地测量橡胶减震器的动态刚度参数。

研究目标

本文的研究目标有两方面：第一，提出并验证一种改进的橡胶减震器动态刚度测试方法及设备；第二，通过该测试系统优化现有测试方式中存在的问题，实现对振动频率与动态刚度关系的可靠测量，为减震器的设计提供依据。

研究方法及实验流程

整体系统的设计与组成

整个测试系统包括三个主要模块：自适应频率稳定振动台、检测部件以及计算机测控系统。其中，计算机测控系统依托LabVIEW平台，负责数据采集、负载控制以及动态刚度测试数据处理。硬件部分则由压电加速度计、质量块、振动台以及磁电速度传感器等构成。

1. 测试原理
   研究使用复杂刚度模型，动态刚度（Dynamic Stiffness）被定义为在动态载荷作用下的抗形变能力，具体测量公式如下： [ kd = \frac{f{max}}{y_{max}} ] 其中：
   • ( f_{max} )：橡胶试件上所受最大载荷（单位：N）；
   • ( y_{max} )：相对振动位移峰值（单位：mm）。

通过在振动台上固定橡胶试件，调节振动频率，测量试件上下端的相对振动速度，以及利用积分算法计算位移值，从而根据公式得出动态刚度。

1. 硬件设计
   系统设计采用了如下关键硬件：

   • 压电加速度计：安装在试件的质量块上，用于测量质量块的加速度；
   • 磁电速度传感器：固定在线圈与振动台上，用于测量振动速度。
   • 数据采集模块使用了USB6008采集卡，其高效的数据输入输出能力显著提升了信号采集精度。

2. 测控软件设计
   测控软件基于LabVIEW平台开发，包括以下功能模块：

   • 数据采集模块：通过加速度传感器和速度传感器获取相关信号；利用LabVIEW中的NI-DAQ助手，对采样通道、采样率和采样模式等进行配置。
   • 数据处理模块：为了克服机械振动、电磁场变化和系统噪声等干扰，系统使用了Chebyshev低通滤波器进行信号处理，随后计算振动信号的幅值、频率和相位，最终获得动态刚度随频率变化的曲线。

实验过程

实验以汽车中的橡胶减震器为测试样本，测试系统在10-100Hz和40-400Hz两个频率范围内施加载荷，记录最大载荷值( f{max} )和位移峰值( y{max} )，并计算理论动态刚度值。通过对实际测试系统的测量误差分析，评估测试系统的可靠性。

研究结果

1. 动态刚度计算与误差分析 通过测控系统对不同振动频率下的橡胶试件动态刚度进行了计算，测试结果如下表所示： | 频率（Hz） | ( f{max} )（N） | ( y{max} )（mm） | 理论刚度（( k_d )）（N/mm） | 测试刚度（( k_d’ )）（N/mm） | 误差（(\delta)） | | ——– | —————- | —————- | —————————- | —————————- | ——– | | 38 | 105.23 | 0.21 | 501.10 | 480.11 | 4.19% | | 50 | 90.89 | 0.30 | 302.97 | 284.47 | 6.11% | 可以看出，实际测量值与理论计算值的误差均在±10%以内，表现出良好的测量精度。

2. 动态刚度与频率关系
   实验发现，动态刚度值随频率的增高略有增加。本文通过LabVIEW前面板数据拟合算法获得的动态刚度特性曲线与行业标准一致，验证了测试系统的可靠性。

研究结论及意义

研究开发的基于LabVIEW的橡胶动态刚度测试系统，成功实现了对橡胶减震器动态刚度的实时、高效、精准测量。与传统仪器相比，该系统具有以下优势： 1. 测量成本低，易于操作； 2. 测试精度高，误差控制在可接受范围内； 3. 可满足大多数橡胶减震器的动态测试需求。

这项研究不仅为橡胶减震器的设计提供了重要的参考数据，还为类似减震产品的动态测试体系研发提供了有效途径，具有重要的理论和实际应用价值。

研究亮点

1. 本文通过创新设计，结合LabVIEW虚拟仪器平台，实现了基于复杂刚度模型的快速测量方法；
2. 提出了一种结合振动台与传感器的动态测试方案，操作简便且可重复性强；
3. 测试结果广泛适用于行业需求，显示出明显的应用价值。

这项研究不仅为橡胶材料性能测试奠定了理论基础，同时通过技术进步优化了当前测试手段，具备一定推广前景。