(西安建筑科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710055)

引言

工業(yè)裝備的狀態(tài)監(jiān)測是實(shí)現(xiàn)設(shè)備正常運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。機(jī)電液傳動(dòng)系統(tǒng)作為工業(yè)裝備中的典型傳動(dòng)形式，研究機(jī)電液傳動(dòng)系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測方法，對實(shí)現(xiàn)設(shè)備協(xié)同匹配、預(yù)知維修、促進(jìn)相關(guān)制造行業(yè)提效升級意義顯著[1-2]。機(jī)電液系統(tǒng)運(yùn)行過程中，電能、液壓能和機(jī)械能耦合關(guān)系復(fù)雜多變，其各能量場的功率參數(shù)蘊(yùn)含著系統(tǒng)豐富的運(yùn)行狀態(tài)及負(fù)載特征信息[3-5]。電機(jī)拖動(dòng)泵控缸液壓系統(tǒng)是機(jī)電液傳動(dòng)系統(tǒng)的典型形式[6-9]，對其運(yùn)行參數(shù)在線監(jiān)測是保證實(shí)驗(yàn)臺(tái)正常運(yùn)作的基本要求。開發(fā)簡捷易操作的功率監(jiān)測平臺(tái)是適應(yīng)液壓裝備智能化、集群化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展趨勢[10-12]。

在工程實(shí)際中，泵控缸液壓系統(tǒng)工況和功率參數(shù)是對系統(tǒng)狀態(tài)最直觀的反應(yīng)[13-14]。以機(jī)電液參數(shù)融合出的二維李薩如圖和功率圓圖能夠直觀反映系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和功率信息[15]。本研究以泵控缸液壓系統(tǒng)為研究對象，基于LabVIEW搭建了機(jī)電液系統(tǒng)能耗以及功率匹配特性的在線監(jiān)測平臺(tái)，通過對各傳感器產(chǎn)生的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，利用李薩如原理在線繪制電氣、液壓和機(jī)械系統(tǒng)功率動(dòng)態(tài)變化圖，重點(diǎn)闡述液壓系統(tǒng)全局以及局部功率監(jiān)測平臺(tái)的設(shè)計(jì)過程和典型工況下系統(tǒng)功率及效率的動(dòng)態(tài)變化。

1 泵控缸液壓系統(tǒng)功率軟測量模型建立

三相電機(jī)在正常運(yùn)行狀態(tài)下其負(fù)載對稱，電機(jī)的瞬時(shí)功率為常量，可由傳統(tǒng)的功率計(jì)算方法得出。當(dāng)電機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，其故障信息包含在電壓電流信號中，傳統(tǒng)方法不能實(shí)時(shí)反映輸入電機(jī)的功率。因此，以電壓電流融合出李薩如圖來反映電機(jī)運(yùn)行過程中的功率信息和運(yùn)行工況，如圖1所示。

圖1 單相電參量李薩如圖Fig.1 Lissajous figure of single-phase electric parameter

對永磁同步電機(jī)輸入側(cè)電壓電流提取基頻成分，其相電壓uj、相電流ij瞬時(shí)值可用下式表示：

(1)

式中,j=U，V，W—— U，V，W三相

x，y—— 電壓電流瞬時(shí)值

A，B—— 電壓電流的幅值

ω—— 同步電機(jī)轉(zhuǎn)子角速度

t—— 時(shí)間

設(shè)φ為相電壓與相電流之間的相位差，令φ=φu-φi，則cosφ為電機(jī)的功率因數(shù)。通過快速Hilbert變換將電壓信號的移相90°，得到有功電壓電流表達(dá)式如下：

(2)

聯(lián)立電壓電流方程組，得到有功功率橢圓方程：

(3)

令橢圓長軸為a，橢圓短軸為b，則橢圓面積為πab，外接矩形面積為4AB，代入式(3)得：

ab=ABcosφ

(4)

(5)

(6)

式中，u,i—— 相電壓、相電流有效值

P1j—— 單相視在功率

P2j—— 單相有功功率

單相視在功率與外接矩形面積函數(shù)關(guān)系為：

(7)

單相有功功率與橢圓面積函數(shù)關(guān)系為：

(8)

式中，S1，S2—— 外接矩形和有功橢圓的面積。

電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，三相功率相等，總視在功率、總有功功率為U，V，W三相之和，可視為單相視在功率、單相有功功率的3倍，有功功率即電機(jī)輸入功率。總視在功率P1和總有功功率P2如下：

(9)

(10)

液壓系統(tǒng)的流體功率可由齒輪泵輸出的壓力和流量得出，即泵的輸出功率為：

P6=pq/60

(11)

式中，P6—— 流體功率

p—— 齒輪泵出口壓力

q—— 泵出口流量

液壓缸的負(fù)載功率為其所受拉壓力與運(yùn)行速度的乘積，速度由液壓缸位移求導(dǎo)所得：

P3=F·v

(12)

η1=P6/P2

(13)

η2=P3/P6

(14)

η3=η1·η2

(15)

式中，P3—— 液壓缸的負(fù)載功率

F—— 液壓缸運(yùn)行過程中所產(chǎn)生的拉壓力，kN

v—— 液壓缸運(yùn)行速度，mm/s

η1—— 由電機(jī)和齒輪泵組成的動(dòng)力源效率

η2—— 液壓缸效率

η3—— 系統(tǒng)總效率

通過式(9)～式(12)得出液壓系統(tǒng)電機(jī)端、齒輪泵端及負(fù)載端的功率軟測量模型。為直觀監(jiān)測液壓系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的功率變化情況，以功率值作為圓半徑融合出功率圓圖，如圖2所示，其各功率關(guān)系為P1>P2>P6>P3，P4為動(dòng)力源的功率損失，P5為液壓缸的功率損失。

圖2 功率圓圖形Fig.2 Power circle

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及原理

2.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要由液壓缸實(shí)驗(yàn)臺(tái)架、電氣柜和觸控操作顯示屏3部分組成，如圖3所示。電氣柜面板設(shè)有控制電源、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)啟停、加載系統(tǒng)啟停和急停按鈕，安裝有研祥工控機(jī)，其強(qiáng)大的運(yùn)算分析能力和簡捷易開發(fā)的特點(diǎn)被廣泛作為上位機(jī)使用。西門子S7-200CN作為控制核心，以其高可靠性及多樣的通訊方式作為下位機(jī)使用。工控機(jī)內(nèi)置LabVIEW2013程序開發(fā)軟件和模擬量數(shù)據(jù)I/O卡，本測控系統(tǒng)選擇研華PCI-1715U模擬輸入卡和PCI-1723模擬輸出卡。

圖3 泵控缸液壓系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)

實(shí)驗(yàn)臺(tái)上布置有電壓、電流傳感器、壓力傳感器、流量傳感器、位移傳感器及拉壓力傳感器，具體傳感器參數(shù)見表1。

表1 傳感器參數(shù)表Tab.1 Sensor parameters

2.2 液壓系統(tǒng)工作原理

液壓系統(tǒng)主要包括液壓缸驅(qū)動(dòng)回路和加載回路，分別設(shè)有單獨(dú)的變轉(zhuǎn)速動(dòng)力源，形成雙缸對頂?shù)墓ぷ鳡顟B(tài)。驅(qū)動(dòng)回路由伺服控制器控制三相永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪泵供油，電磁比例溢流閥設(shè)定管路壓力，油液經(jīng)單向閥進(jìn)入電磁比例換向閥，換向閥決定驅(qū)動(dòng)缸的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，處于中位時(shí)，管路油液經(jīng)溢流閥卸荷。加載回路由變頻器控制變頻調(diào)速異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪泵供油，加載缸端設(shè)有ATOS背壓加載閥組，用于建立系統(tǒng)的加載壓力，可模擬不同負(fù)載下液壓缸伸出與縮進(jìn)的過程，如圖4所示。

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及原理

該測控程序采用生產(chǎn)者/消費(fèi)者設(shè)計(jì)模式(事件)和狀態(tài)機(jī)相結(jié)合的編程結(jié)構(gòu)，在Windows 7操作系統(tǒng)下執(zhí)行。

1.伺服控制器 2.電壓電流傳感器 3.永磁同步電機(jī)4、25.齒輪泵 5、28.截止閥 6、29.吸油過濾器 7.冷卻器8、23.單向閥 9、22.流量傳感器 10.壓力傳感器11、24.電磁比例溢流閥 12.三位四通電磁比例換向閥13、14.高壓球閥 15.驅(qū)動(dòng)液壓缸 16.聯(lián)軸器 17.拉壓力傳感器18.位移傳感器 19.加載液壓缸 20.ATOS背壓閥21.三位四通電磁換向閥 26.變頻異步電機(jī) 27.變頻器 30.油箱圖4 液壓系統(tǒng)原理圖Fig.4 Hydraulic system principle diagram

3.1 數(shù)據(jù)I/O

數(shù)據(jù)輸入通道為PCI-1715U，BID#0/ai0:15，數(shù)據(jù)輸出通道為PCI-1723，BID#14/ao0:7，模擬量I/O范圍±10 V，采樣頻率為1000 Hz。采用研華公司開發(fā)的LabVIEW工具包DAQNavi完成數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)輸出程序的編寫，數(shù)據(jù)I/O原理如圖5所示。

圖5 測控系統(tǒng)原理圖Fig.5 Principle diagram of measurement and control system

3.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

對所采集的信號標(biāo)定轉(zhuǎn)換，采用LabVIEW內(nèi)置的Butterworth濾波器對原始信號低通濾波，電壓、電流信號需提取其基頻成分。

3.3 功率監(jiān)測

程序內(nèi)以電壓信號為橫坐標(biāo)，電流信號為縱坐標(biāo)融合出李薩如圖，以2個(gè)相位相差90°的正弦信號融合出功率圓圖形，功率大小為正弦信號的幅值，功率監(jiān)測界面如圖6所示。

圖6 功率監(jiān)測界面Fig.6 Power monitoring interface

3.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以TDMS方式存儲(chǔ)，將所采集的電壓、電流、壓力、流量、拉壓力和位移數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為TDMS文件，LabVIEW會(huì)自動(dòng)生成*.tdms數(shù)據(jù)文件和*.tdms_index索引文件。

4 變轉(zhuǎn)速液壓系統(tǒng)功率在線監(jiān)測實(shí)驗(yàn)

啟動(dòng)前將相關(guān)數(shù)據(jù)歸零，實(shí)驗(yàn)臺(tái)試運(yùn)行，使液壓缸伸出縮進(jìn)數(shù)次，排出液壓缸內(nèi)的氣體，切換至功率監(jiān)測界面。

4.1 雙缸對頂加載工況實(shí)驗(yàn)

設(shè)置驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為900 r/min，加載電機(jī)轉(zhuǎn)速為1470 r/min，設(shè)定驅(qū)動(dòng)壓力p1為10 MPa。以U相李薩如圖對雙缸對頂加載試驗(yàn)進(jìn)行監(jiān)測，ATOS背壓閥分別給定2，4，6，8 MPa建立系統(tǒng)加載壓力p2，在液壓缸左移相同位移且運(yùn)行平穩(wěn)時(shí)記錄，李薩如圖監(jiān)測結(jié)果如圖7所示。

加載時(shí)，有功橢圓和無功橢圓面積均增大，電壓值變化很小，電流值隨負(fù)載增大而增大。電機(jī)功率因數(shù)和橢圓傾角大小變化規(guī)律如圖8所示，功率因數(shù)隨加載略微減小，這與永磁同步電機(jī)理論分析結(jié)論一致。李薩如圖有功橢圓順時(shí)針擺動(dòng)，無功橢圓逆時(shí)針擺動(dòng)，橢圓傾角隨加載增大。

功率圓圖9中，視在功率、有功功率、流體功率和負(fù)載功率隨加載而增大，可知系統(tǒng)的輸入電功率由負(fù)載大小決定。功率圓環(huán)寬體現(xiàn)了系統(tǒng)的功率損失，隨著液壓系統(tǒng)運(yùn)行功率增大，液壓系統(tǒng)能耗升高。

由表2可知，加載過程中，系統(tǒng)總效率先升高后下降。加載壓力從2 MPa上升至6 MPa時(shí)，液壓缸所產(chǎn)生的拉壓力逐漸增大使系統(tǒng)總效率升高；6 MPa時(shí)，系統(tǒng)總效率最大為34.479%；加載壓力繼續(xù)從6 MPa上升至8 MPa，液壓缸泄漏量增加，導(dǎo)致運(yùn)行速度減緩，系統(tǒng)總效率降低。系統(tǒng)在運(yùn)行過程中存在不可避免

圖7 加載工況李薩如圖變化規(guī)律Fig.7 Variation of Lissajous figure under loading condition

圖8 加載工況功率因數(shù)和橢圓傾角變化規(guī)律Fig.8 Variation of power factor and elliptic angles under loading condition

圖9 加載工況功率圓圖變化規(guī)律Fig.9 Variation of power circle under loading condition

表2 加載工況實(shí)驗(yàn)功率及效率Tab.2 Experimental power and efficiency under loading condition

的功率損失，其中動(dòng)力源的效率僅60%左右。受液壓缸泄漏及摩擦影響，動(dòng)力源輸出的液壓能耦合到負(fù)載端的液壓缸效率低于60%，使系統(tǒng)總效率低于40%。

4.2 階躍加載工況實(shí)驗(yàn)

設(shè)置驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為900 r/min，加載電機(jī)轉(zhuǎn)速為1470 r/min，設(shè)定驅(qū)動(dòng)壓力p1為10 MPa。ATOS背壓閥由2 MPa階躍加載至8 MPa，李薩如圖監(jiān)測結(jié)果如圖10所示。

圖10 階躍加載工況李薩如圖變化規(guī)律Fig.10 Variation of Lissajous figure under step loading condition

當(dāng)系統(tǒng)加載壓力p2階躍升高時(shí)，電流突然增大使李薩如圖橢圓面積增大，待系統(tǒng)在8 MPa加載壓力下穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，李薩如圖面積略微減小并維持穩(wěn)定。

階躍加載工況下功率圓圖的變化規(guī)律如圖11所示，2 MPa階躍加載至8 MPa時(shí)，因負(fù)載發(fā)生突變使液壓系統(tǒng)產(chǎn)生功率沖擊，視在功率、有功功率、流體功率和負(fù)載功率迅速增大，待系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后，各功率參數(shù)略微減小并維持穩(wěn)定。

圖11 階躍加載工況功率圓圖變化規(guī)律Fig.11 Variation of power circle under step loading condition

由表3可知，階躍加載時(shí)，動(dòng)力源效率突然升高，液壓缸效率基本不變，待運(yùn)行穩(wěn)定后，動(dòng)力源效率基本不變，液壓缸效率明顯升高。系統(tǒng)總效率在階躍時(shí)升高，運(yùn)行穩(wěn)定后基本不變。

4.3 溢流工況實(shí)驗(yàn)

設(shè)置驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為900 r/min，加載電機(jī)轉(zhuǎn)速為1470 r/min，設(shè)定液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)壓力為10 MPa。ATOS背壓閥分別給定8，10，12，14 MPa建立加載壓力，當(dāng)加載壓力大于10 MPa時(shí)，系統(tǒng)處于過載溢流狀態(tài)，觀

圖12 溢流工況李薩如圖變化規(guī)律Fig.12 Variation of Lissajous figureunder overflow condition

測李薩如圖及功率圓圖并記錄，李薩如圖監(jiān)測結(jié)果如圖12所示。

當(dāng)系統(tǒng)因過載而發(fā)生溢流保護(hù)時(shí)，油液經(jīng)溢流閥流回油箱，李薩如圖形狀維持穩(wěn)定。功率圓圖13中，視在功率、有功功率、流體功率在溢流工況時(shí)大小幾乎不變，此時(shí)液壓缸速度為0 kW，因此負(fù)載功率為0 kW。

圖13 溢流工況功率圓圖變化規(guī)律Fig.13 Variation of power circle under overflow condition

由表4可知，溢流工況時(shí)，動(dòng)力源效率維持在60%左右且不隨加載而繼續(xù)變化。液壓缸無法對外做功，負(fù)載功率為0 kW，系統(tǒng)總效率為0 kW。

表3 階躍加載工況實(shí)驗(yàn)功率及效率Tab.3 Experimental power and efficiency under step loading condition

表4 溢流工況實(shí)驗(yàn)功率及效率Tab.4 Experimental power and efficiency under overflow condition

4.4 電機(jī)變轉(zhuǎn)速工況實(shí)驗(yàn)

設(shè)定系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)壓力為10 MPa，加載電機(jī)轉(zhuǎn)速為1470 r/min，加載壓力為0 MPa，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速由600，800，1000，1200 r/min逐漸升高，觀測李薩如圖及功率圓圖并記錄，李薩如圖監(jiān)測結(jié)果如圖14所示。

圖14 加速工況李薩如圖變化規(guī)律Fig.14 Variation of Lissajous figure under acceleration condition

驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速升高時(shí)，電流幾乎保持不變，電壓隨轉(zhuǎn)速的升高而增大，有功橢圓和無功橢圓面積均增大。電機(jī)功率因數(shù)和橢圓傾角大小變化規(guī)律如圖15所示，功率因數(shù)隨電機(jī)轉(zhuǎn)速升高而增大，電能利用率提高。李薩如圖有功橢圓逆時(shí)針擺動(dòng)，無功橢圓順時(shí)針擺動(dòng)，橢圓傾角隨轉(zhuǎn)速升高而減小。

由圖16可知，在600～800 r/min的低轉(zhuǎn)速區(qū)間時(shí)，視在功率圓、有功功率圓、流體功率圓和負(fù)載功率圓迅速增大；800～1200 r/min高轉(zhuǎn)速區(qū)間時(shí)，流體功率圓和負(fù)載功率圓增速減緩，視在功率圓和有功功率圓繼續(xù)增大。

由表5可知，隨著轉(zhuǎn)速升高，系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的能耗增大。低轉(zhuǎn)速區(qū)間，負(fù)載功率迅速增大，系統(tǒng)總效率升高。當(dāng)電機(jī)為800 r/min，系統(tǒng)總效率達(dá)到最大。高轉(zhuǎn)速區(qū)間時(shí)，負(fù)載功率僅增加了0.053 kW，而有功功率增加了0.222 kW。因此，系統(tǒng)的總效率降低。

圖15 加速工況功率因數(shù)和橢圓傾角變化規(guī)律Fig.15 Variation of power factor and elliptic angles under acceleration condition

圖16 加速工況功率圓圖變化規(guī)律Fig.16 Variation of power circle under acceleration condition

4.5 電機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)載匹配實(shí)驗(yàn)

雙缸對頂加載工況實(shí)驗(yàn)得出加載壓力為6 MPa時(shí)，系統(tǒng)總效率最高；電機(jī)變轉(zhuǎn)速工況實(shí)驗(yàn)得出驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速為800 r/min時(shí)，系統(tǒng)總效率最高。因此，設(shè)定系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)壓力為10 MPa，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為800 r/min，加載電機(jī)轉(zhuǎn)速為1470 r/min，加載壓力為6 MPa，通過分析各環(huán)節(jié)功率得系統(tǒng)的最佳匹配效率，如表6所示，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)載相匹配時(shí)，動(dòng)力源效率為63.766%，液壓缸效率為55.888%，系統(tǒng)總效率可提高至35.638%。

表5 加速工況實(shí)驗(yàn)功率及效率Tab.5 Experimental power and efficiency under acceleration condition

通過對液壓系統(tǒng)典型工況進(jìn)行監(jiān)測，可知要提高系統(tǒng)總效率，需同時(shí)匹配加載壓力與驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速，且液壓系統(tǒng)能耗大、效率低。因此，對液壓系統(tǒng)功率的狀態(tài)監(jiān)測是研究典型工況下液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，李薩如圖和功率圓圖能夠反應(yīng)系統(tǒng)工況的變化和功率的動(dòng)態(tài)匹配關(guān)系，是一種可行的多能量域功率在線監(jiān)測方法。

5 結(jié)論

(1) 基于LabVIEW開發(fā)的功率監(jiān)測程序可穩(wěn)定地完成測試任務(wù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、功率參數(shù)及運(yùn)行狀態(tài)的在線監(jiān)測。測控系統(tǒng)具有較強(qiáng)的可移植性，不僅針對往復(fù)式負(fù)載，還可用于回轉(zhuǎn)式負(fù)載，只需更換相應(yīng)的負(fù)載功率軟測量模型即可；

(2) 李薩如圖和功率圓圖將功率參數(shù)圖示化顯示，李薩如圖橢圓面積和功率圓的半徑代表功率的大小，橢圓的傾角反映了負(fù)載的運(yùn)行工況，功率圓圖環(huán)寬代表系統(tǒng)的功率損失，功率圓半徑比值反映系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的效率；

(3) 雙缸對頂加載工況實(shí)驗(yàn)和電機(jī)變轉(zhuǎn)速工況實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了電功率的輸出是由負(fù)載決定的，電機(jī)輸入電流隨負(fù)載的增大而增大，輸入電壓隨電機(jī)轉(zhuǎn)速的升高而增大。系統(tǒng)總效率隨加載壓力或驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速的增大，先升高后降低。若考慮液壓系統(tǒng)效率最大，則存在負(fù)載與轉(zhuǎn)速的最佳動(dòng)態(tài)匹配范圍；

(4) 恒定轉(zhuǎn)速下，當(dāng)加載壓力為6 MPa時(shí)，系統(tǒng)總效率最高為34.479%，動(dòng)力源效率為62.396%，液壓缸效率為55.259%；階躍工況下，系統(tǒng)產(chǎn)生功率沖擊，運(yùn)行穩(wěn)定后，功率略微減?。灰缌鞴r下，液壓缸對外不做功，系統(tǒng)總效率為0；恒定負(fù)載下，當(dāng)轉(zhuǎn)速為800 r/min時(shí)，系統(tǒng)總效率最高為28.105%，動(dòng)力源效率為54.902%，液壓缸效率為51.190%。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)載相匹配時(shí)，系統(tǒng)總效率提高至35.638%，動(dòng)力源效率提高至63.766%，液壓缸效率提高至55.888%。