談宏華 宋學(xué)賢 王科敏

（武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院，湖北 武漢430074）

引言

液壓傳動技術(shù)與機械技術(shù)、電子技術(shù)越來越緊密的結(jié)合，推動液壓傳動與控制系統(tǒng)向模塊化、集成化、系統(tǒng)化方向發(fā)展［4］，加強電液控制技術(shù)的研究，特別是對電液比例/伺服技術(shù)的深入研究，并在檢測系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，對提高測試精度、自動化程度和檢測效率，以及增強系統(tǒng)可靠性方面具有重大的意義。

液壓缸作為液壓系統(tǒng)的執(zhí)行元件之一，其性能的優(yōu)劣不但直接決定了液壓系統(tǒng)的可靠性，而且影響著設(shè)備的正常運行和維護，因此需要通過檢測系統(tǒng)檢驗其性能是否達到技術(shù)要求。

本系統(tǒng)是基于課題組承擔(dān)的孝感某高新企業(yè)一套液壓缸負載模擬加載檢測設(shè)備而開展設(shè)計。在運用一系列先進理論和技術(shù)的基礎(chǔ)上，考慮到工業(yè)應(yīng)用的實際情況，因此本裝置以追求實際應(yīng)用的可靠性為主，輔以部分較先進的技術(shù)。

本文設(shè)計液壓缸加載試驗臺主要考慮以下幾個方面。一是分析被測量液壓缸之間共同的性能以及測量范圍；二是適應(yīng)不同型號的缸加載裝置的設(shè)計；三是結(jié)合設(shè)計要求提出新的便捷的測量方法。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

本系統(tǒng)在充分解讀用戶的技術(shù)協(xié)議的基礎(chǔ)上提出的，性能指針必須滿足用戶的設(shè)計要求。軸向負載模擬加載裝置主要由液壓系統(tǒng)，電氣測控系統(tǒng)，負載加載平臺三部分組成，液壓系統(tǒng)通過液壓傳動使液壓力作用于兩個加載油缸使之產(chǎn)生模擬負載，電氣測控系統(tǒng)對整個液壓系統(tǒng)加載臺架和實驗過程進行全程控制和監(jiān)測，這部分是整個系統(tǒng)控制中樞，加載平臺用來放置被測設(shè)備，是開展模擬負載加載試驗的平臺。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 System structure diagram

1.1 加載裝置液壓系統(tǒng)設(shè)計

液壓系統(tǒng)主要指針：

環(huán)境溫度：－5℃～50℃

濕度：5%～98%

最大壓力壓力35MPa，工作壓力0～25MPa

載入行程：0～5m

流量：0～160L/min

負載：滿載負載200T，比例可調(diào)

根據(jù)以上性能指針，系統(tǒng)最大壓力為35MPa，工作壓力為25MPa，流量160L/M。液壓系統(tǒng)壓力和流量都較大，因此選用斜盤式軸向柱塞泵。其它液壓組件依據(jù)要求選取。本系統(tǒng)采用離散液壓組件和集成液壓塊組成液壓系統(tǒng)，采用集成塊的方式能使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，不易泄漏，占用空間小。

如圖2為負載加載裝置液壓系統(tǒng)原理圖，11為加載液壓缸，10為被試液壓缸，6－1和6－2為電磁換向閥，3－1和3－2為比例溢流閥，23為溢流閥，24為安全閥，7－1、7－2為比例節(jié)流閥。

圖2 液壓系統(tǒng)原理圖Fig.2 The principle diagram of the hydraulic system

采用比例溢流閥來實現(xiàn)對液壓回路壓力的調(diào)節(jié)作用。通過改變輸入比例電磁鐵電流的大小來調(diào)節(jié)和改變調(diào)壓彈簧的預(yù)緊力，從而實現(xiàn)對調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力的作用，可方便地實現(xiàn)遠程連續(xù)的調(diào)壓功能，其優(yōu)點是能使加載試驗臺的自動化智能化程度更高，便于操控。加載試驗臺液壓系統(tǒng)原理如圖2所示。

液壓站向試驗臺供壓力油。通過先導(dǎo)溢流閥24調(diào)整加載液壓缸系統(tǒng)安全壓力，確保系統(tǒng)安全可控范圍內(nèi)正常運行。比例調(diào)壓閥23調(diào)節(jié)被試缸液壓系統(tǒng)工作壓力。電磁換向閥6－1和6－2分別控制被試缸和加載缸的前進、后退及停止等運行狀態(tài)。單向節(jié)流閥7－1和7－2（出口節(jié)流）控制被試缸往復(fù)運動的速度。電磁換向閥6控制回油經(jīng)流量計或直接回油。系統(tǒng)壓力P口、兩種液壓缸A口和B口接有壓力表，A口和B口接有壓力傳感器。電磁換向閥6－2控制加載缸運動狀態(tài)，比例溢流閥3－1和3－2調(diào)節(jié)加載缸的模擬加載力。試驗臺整體上采用集成化的設(shè)計思路，液壓缸試驗臺內(nèi)液壓元件大部分集成到集成塊如圖3。加載缸和被試缸的運行工況，如速度，加載力，運動方向，連續(xù)運行等，都可以通過系統(tǒng)壓力和流量控制組件選擇不同的開啟組合來滿足測試試驗的各項要求。對于需要大排量來滿足額定的大負載時可以調(diào)節(jié)柱塞變量泵，而需要用到的小排量時，則可以采用調(diào)節(jié)節(jié)流閥來達到小排量的目的。

圖3 液壓元件集成塊Fig.3 Hydraulic components integrated block

2 控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2.1 控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件組成

圖4所示為加載裝置測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。測控系統(tǒng)主要由工控機監(jiān)控臺和手動操作臺及其配套電氣電路組成。手動操作臺是控制液壓站各個電機、加熱器、冷卻器以及試驗時的手動調(diào)節(jié)的主令控制臺；工控機監(jiān)控臺由工控機、信號調(diào)理卡、數(shù)據(jù)采集卡、信號輸出卡、顯示器、打印機等組成，對整個負載模擬測試系統(tǒng)進行自動化集中控制和檢測，并通過運行于工控機上的人工界面實現(xiàn)對各種測試實驗實時監(jiān)控，并將測得的數(shù)據(jù)保存至系統(tǒng)試驗數(shù)據(jù)庫中生成報表，支持歷史試驗數(shù)據(jù)的查詢。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由各種傳感器作為信號采集終端，由于種類和種類繁多，為保證系統(tǒng)集成的簡便性和信號調(diào)理的可靠與方便，本系統(tǒng)傳感器均采用輸出信號為4－20mA標(biāo)準(zhǔn)信號的傳感器。壓力傳感器監(jiān)測加載油缸和被試油缸的進去油口的壓力，位移傳感主要用在系統(tǒng)加載試驗時各種工況下，監(jiān)視被試缸的行程，往復(fù)運動位移，力傳感器測量在進行加載試驗時，加載缸和被試缸的對頂時，連接桿上的加載力。監(jiān)控系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將以上各種傳感器的數(shù)據(jù)進行處理分析，然后通過設(shè)定的程序算法，對比例溢流閥和比例節(jié)流閥，電磁換向閥實時控制，使系統(tǒng)在既定的狀態(tài)下運行，從而實現(xiàn)試驗系統(tǒng)的各種測試要求。

圖4 加載裝置電氣測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 The diagram of loading device for electrical measurement and control system

2.2 測控系統(tǒng)軟件設(shè)計

工控機監(jiān)控系統(tǒng)軟件由NI公司的LabVIEW設(shè)計而成，LabVIEW依托性能優(yōu)越的工控機發(fā)揮自身強大的數(shù)據(jù)采集和運算能力的優(yōu)勢，可以很好完成系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)的采集和設(shè)備控制任務(wù)。監(jiān)控系統(tǒng)包括試驗數(shù)據(jù)采集與處理、試驗動作控制兩個部分，是控制軟件的核心，在試驗?zāi)Ｊ较履軌蜃詣踊蚴謩油瓿杀辉囈簤焊椎臋z測工作。測試系統(tǒng)軟件流程圖如圖5所示。

圖5 試驗系統(tǒng)軟件流程圖Fig.5 Test mode control interface

液壓缸測試界面中有液壓缸A口壓力、B口壓力、泄漏流量計、缸位移傳感器和力傳感器的實時顯示儀表。設(shè)置實驗參數(shù)與結(jié)果記錄區(qū)，主要記錄實驗過程中的一些試驗狀態(tài)參數(shù)和部分?jǐn)?shù)據(jù)處理分析結(jié)果。如液壓缸的啟動壓力、內(nèi)泄漏量和最大行程。啟動測試工控機可以依據(jù)設(shè)計的程序自動控制液壓系統(tǒng)的運行狀況和計算得出這些實驗參數(shù)。這些參數(shù)和數(shù)據(jù)結(jié)果會在自動生成的實驗報告中體現(xiàn)出來。負載加載模擬裝置監(jiān)控界面如圖6所示。

圖6 試驗?zāi)Ｊ奖O(jiān)控界面Fig.6 Loading test bench

3 加載臺架

加載臺架為被試缸檢測提供加載平臺，如圖7為加載臺架機械結(jié)構(gòu)圖。為了使測試結(jié)果能真實反映被試液壓缸的性能，本加載臺架根據(jù)如下四點原則設(shè)計。

（1）具有足夠的機械強度

試驗運行過程中確保裝置安全可靠，因此加載臺架必須具有相當(dāng)?shù)膹姸?。加載液壓缸滿負荷最高達到200T的力，如果臺架機械結(jié)構(gòu)強度不夠，就會造成加載時臺架顫抖，連桿彎曲等不良后果，這將會是相當(dāng)危險的。

（2）裝夾被試缸的固件必須牢固和便利

被試液壓缸重達幾十公斤，必須使用輔助吊車才能移動。在試驗過程中被試液壓缸不但在軸向存在巨大的加載力，而且在側(cè)向也有較大分力，因此加固被試缸的夾具必須能夠牢固定位被試缸。作為試驗裝置，同時還要考慮夾具裝夾的便利操作性。

（3）模擬實際工作狀態(tài)

試驗裝置對被試液壓缸在實際工作狀態(tài)進行各種模擬，包括安裝方式、運動方式和負載狀況等，以保證模擬試驗所測得數(shù)據(jù)與被試缸在實際工作狀況下的性能數(shù)據(jù)一致性。

圖7 加載臺架機械機構(gòu)圖Fig.7 The mechanical structure of loading test bench

4 測試實驗

模擬負載加載試驗臺設(shè)計完成后需要對其進行出廠測試和試驗測試應(yīng)用，在本實驗臺上可以開展液壓缸全部測試試驗，需要完成表1列出的全部十個試驗項目，在此重點介紹一下其中的啟動壓力特性試驗、耐壓試驗和負載效率試驗這三個試驗方法。

（1）啟動壓力特性試驗。啟動壓力特性的試驗要求為：液壓缸在無負載工況下，使液壓系統(tǒng)逐步升壓，測量被試缸啟動時的壓力值。工作原理是根據(jù)比例調(diào)速閥具有流量不隨出口壓力而變化的特點。首先設(shè)定比例調(diào)速閥信號，小流量液壓油進入液壓缸無桿腔，無桿腔隨著液壓油的增多，無桿腔壓力逐漸增大，當(dāng)增高至能夠克服被試缸活塞摩擦力等阻力而推動活塞桿伸出，活塞桿伸出并接觸至接近開關(guān)時，即停止該項試驗。這個過程中，壓力傳感器記錄下無桿腔壓力變化的全過程，在這個過程中壓力最高值即為被試缸的啟動壓力

（2）耐壓試驗。耐壓試驗從被試缸無桿腔端加1.5倍額定壓力，保壓2分鐘。由于被檢驗的液壓缸類型較多，額定壓力不同，為了能夠?qū)崿F(xiàn)工控機的自動控制，本系統(tǒng)使用了電液比例溢流閥，工控機根據(jù)被試缸類型遠程調(diào)節(jié)加載壓力，對被試缸自動加載規(guī)定的壓力，在加載缸回油路上加裝單向閥實現(xiàn)對被試缸的加載。

（3）負載效率是衡量液壓缸綜合性能最重要的參數(shù)，反映了液壓缸的質(zhì)量水平。本課題設(shè)計的檢測液壓回路如圖2－7所示，其工作原理為：工控機遠程控制比例溢流閥進行壓力加載，被試缸在規(guī)定壓力下運行，在運動過程中，使用壓力傳感器實時記錄被試缸無桿腔壓力P，力傳感器實時記錄負載力F，預(yù)先設(shè)定被試缸徑，工控機系統(tǒng)即可計算出無桿腔面積么，在程序中定義負載效率公式100%由此可實時計算出負載效率。

表1 液壓缸試驗項目及要求Table1 Hydraulic cylinder test items and requirements

5 小結(jié)

負載模擬加載裝置是以液壓缸為試驗器械并且作為液壓缸型式試驗和出廠試驗的檢測設(shè)備，不但對保證產(chǎn)品質(zhì)量起到了關(guān)鍵性作用，也為研究和開發(fā)新產(chǎn)品提供了試驗設(shè)備。由于檢測的項目較多也較復(fù)雜，必須依靠電液控制系統(tǒng)自動完成液壓缸的檢測，使檢測過程自動化、系統(tǒng)運行可靠和檢測結(jié)果精確。

本系統(tǒng)采用了電液比例技術(shù)，并將虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用到控制軟件中，最大程度上增強了系統(tǒng)自動化，減輕了操作人員的負擔(dān)，使檢測精度和試驗效率得到了很大的提高。

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