高艷玲，揭琳鋒

（1.博世電動(dòng)工具（中國(guó)） 有限公司，浙江 杭州 310052；2.揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127）

混凝土泵車是當(dāng)前建筑行業(yè)的工程主力軍，滿足高層建筑的混凝土輸送要求，具備運(yùn)輸效率高、整體費(fèi)用低、單位時(shí)間內(nèi)運(yùn)輸量大等優(yōu)點(diǎn)?；炷帘密噷?shí)現(xiàn)混凝土泵送，對(duì)液壓技術(shù)有很高的要求，當(dāng)前液壓控制研究中仍以開發(fā)液壓試驗(yàn)臺(tái)為主，開發(fā)和維護(hù)費(fèi)用高，技術(shù)更新周期長(zhǎng)，與其他設(shè)備連接困難，越來越不能滿足泵車液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及檢測(cè)要求。采用虛擬設(shè)備軟件硬件開發(fā)的泵車泵送系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)，測(cè)試精度高，操作方便，性能可靠，能夠滿足液壓系統(tǒng)的研發(fā)實(shí)驗(yàn)要求。

1 系統(tǒng)硬件組成

1.1 具有緩沖結(jié)構(gòu)的混凝土泵送系統(tǒng)工作原理

高壓油從主油泵輸出到主換向閥、插裝閥，進(jìn)入一主油缸的有桿腔，該活塞收回，同時(shí)油缸的無桿腔液壓油受擠壓，通過插裝閥進(jìn)入另一主油缸的無桿腔，推動(dòng)該活塞向外運(yùn)動(dòng)。當(dāng)活塞向外運(yùn)動(dòng)到緩沖點(diǎn)時(shí)，泵送緩沖機(jī)構(gòu)擺動(dòng)機(jī)構(gòu)液動(dòng)換向閥在油壓差的作用下，換向閥換向。此時(shí)，液控閥也開始換向，從而使泵送系統(tǒng)主換向閥換向，泵送系統(tǒng)在主油泵的高壓油循環(huán)輸出下往復(fù)工作，實(shí)現(xiàn)混凝土的泵送工作[1]。

1.2 數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)總體框架

根據(jù)泵送系統(tǒng)工作原理，搭建的數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)的硬件構(gòu)成見圖1。信號(hào)采集部分由壓力傳感器、流量傳感器、數(shù)據(jù)采集卡組成；數(shù)據(jù)分析部分由調(diào)理電路、屏蔽盒和中央處理器等組成。系統(tǒng)的基本工作原理是：混凝土泵車為被測(cè)對(duì)象，壓力傳感器將泵送系統(tǒng)壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，流量傳感器將流量信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)。直接采集的傳感器信號(hào)比較微弱，也容易受到干擾，本系統(tǒng)采用調(diào)理電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波和放大，數(shù)據(jù)采集卡的作用就是將經(jīng)濾波放大后的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸出給中央處理器處理[2]。

圖1 數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)總體框架

由于泵送系統(tǒng)工作時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)和沖擊，各油路的壓力和流量信號(hào)都表現(xiàn)出以下特點(diǎn)：信號(hào)本身的頻譜分布很寬，又受到各種干擾，造成波形亂，不規(guī)律；時(shí)變與非平穩(wěn)性明顯；信號(hào)交變，不穩(wěn)定；信號(hào)紊亂、脈沖波動(dòng)大，同時(shí)出現(xiàn)許多峰值。針對(duì)這些信號(hào)特點(diǎn)，SCXI 系列信號(hào)調(diào)理模塊連接到測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行放大和濾波處理來自傳感器的弱信號(hào)。

1.3 硬件的選擇

1） 信號(hào)傳感器的選擇。信號(hào)傳感器能將各種物理參數(shù)通過傳感器的傳感原理轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，系統(tǒng)的測(cè)試精度需要傳感器性能來保證。

壓力傳感器：在對(duì)現(xiàn)場(chǎng)分析基礎(chǔ)上，選用上海自動(dòng)化儀表有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為BPR-40 的電阻應(yīng)變式壓力傳感器采集液壓系統(tǒng)壓力信號(hào)。

流量傳感器：流量傳感器選用的是WEBSTER公司的LTE400 型渦輪流量計(jì)，其性能為：每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)6 個(gè)、每升流量脈沖數(shù)146 個(gè)、最小輸出頻率15 Hz、最大輸出頻率800 Hz。其在測(cè)量低粘度、大流量油液時(shí)精度好，也有一定的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。同時(shí)體積小、重量輕、使用方便，能夠滿足系統(tǒng)要求。

電流變送器：現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定主泵排量電流范圍為200～600 mA，故該系統(tǒng)選用北京萊姆電子有限公司生產(chǎn)的LEM 直流漏電流變送器，型號(hào)為CB-CNS6B1，可測(cè)量10～600 mA 的小電流信號(hào)。

2） 數(shù)據(jù)采集卡的選擇。本數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)，選用NI 公司生產(chǎn)的M 系列的PCI6232 數(shù)據(jù)采集卡。它具備單端和差分模擬量組合輸入方式，擁有16 路單端采樣率為250 kS/s 的16 位模擬輸入、2 路最大輸出率為500 kS/s 的16 位模擬輸出、6 路24 V 漏極或源極數(shù)字輸入、4 路源極數(shù)字輸出、2 個(gè)計(jì)數(shù)器/定時(shí)器和數(shù)字觸發(fā)功能。該數(shù)據(jù)采集卡還具備A/D 轉(zhuǎn)換和頻率計(jì)數(shù)功能，可對(duì)采集的壓力傳感器輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換；對(duì)流量傳感器輸出的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。因此，該采集卡能夠滿足本系統(tǒng)信號(hào)采集的要求。

2 數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要內(nèi)容：采集模塊、分析處理模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。其中采集模塊具備對(duì)采集集卡輸入數(shù)據(jù)的采集功能，同時(shí)還能做一些簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)分析；分析處理模塊完成對(duì)采集信號(hào)進(jìn)一步的分析，如時(shí)域分析、頻域分析等；存儲(chǔ)模塊把分析處理的結(jié)果保存。

2.1 系統(tǒng)功能

1） 人機(jī)交互。Labview 軟件功能強(qiáng)大，有與測(cè)控相關(guān)的大量前面板控件，如按鈕、表格、曲線，及專門的裝飾控件。操作員可以實(shí)時(shí)更改測(cè)試系統(tǒng)參數(shù)，確認(rèn)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，圖形界面簡(jiǎn)單、方便、直觀。界面和實(shí)際的儀表表盤相似。

2） 數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)分析。NI 公司提供有豐富的數(shù)據(jù)采集硬件設(shè)備，能與Labview 建立通信，Labview 可通過其采集函數(shù)庫(kù)進(jìn)行采集程序編寫，方法簡(jiǎn)單方便。本系統(tǒng)對(duì)采集的壓力信號(hào)分別進(jìn)行了時(shí)域統(tǒng)計(jì)分析和頻域功率譜、FFT 分析。

3） 歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。存儲(chǔ)模塊根據(jù)操作員要求，可將數(shù)據(jù)結(jié)果自動(dòng)或手動(dòng)保存到指定的電子表格中，可以很方便地調(diào)用，進(jìn)行后續(xù)處理[3-5]。

2.2 系統(tǒng)程序操作主界面

前面板包括兩張選項(xiàng)卡，第一頁(yè)選項(xiàng)卡為測(cè)試結(jié)果，第二頁(yè)選項(xiàng)卡為數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)保存。前面板設(shè)置開始按鈕和停止按鈕控制測(cè)試系統(tǒng)的開始和停止，可隨時(shí)開始或者停止測(cè)試，操作相當(dāng)方便；測(cè)試結(jié)果顯示選項(xiàng)卡主要通過數(shù)值顯示控件、波形圖表顯示測(cè)試結(jié)果，波形圖和多列列表用實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)分析結(jié)果，圖形界面簡(jiǎn)單、方便、直觀。

測(cè)試系統(tǒng)前面板：前面板第一頁(yè)選項(xiàng)卡主要分為4 個(gè)框：上左框是控制程序開始停止的按鈕，上中框是采集的參數(shù)區(qū)域，上右框是緩沖流量的顯示區(qū)域，下面是主泵壓力、活塞進(jìn)油口壓力、連通腔壓力的顯示區(qū)域。第二頁(yè)選項(xiàng)卡主要是數(shù)據(jù)分析的結(jié)構(gòu)顯示。數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)前面板見圖2。

圖2 數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)前面板示意圖

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)，該數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)采用泵車調(diào)試場(chǎng)三相電經(jīng)變壓后供電。首先將各傳感器安裝到指定的信號(hào)采集位置，沒有安裝孔的需設(shè)置相應(yīng)的安裝孔。其中采集主泵壓力信號(hào)的壓力傳感器接入混凝土泵車液壓系統(tǒng)主換向閥進(jìn)油油路上，采集活塞進(jìn)油口壓力信號(hào)的壓力傳感器接入主缸進(jìn)油油路上，采集連通腔壓力信號(hào)的壓力傳感器接入指定缸的進(jìn)油油路上，采集緩沖通道流量信號(hào)的流量傳感器接入主缸緩沖通道上，通過引線傳感器信號(hào)輸出端接入數(shù)據(jù)采集卡，電源線接經(jīng)變壓后的直流電源提供電能。所有采集到的信號(hào)通過數(shù)據(jù)采集卡輸入到計(jì)算機(jī)，完成混凝土泵車泵送系統(tǒng)的壓力和流量信號(hào)的采集，以便于后期的分析處理[6-7]。測(cè)試結(jié)果見圖3、圖4。

圖3 主泵壓力曲線圖

圖4 主泵壓力局部放大圖

該測(cè)試系統(tǒng)在硬件方面采取了濾波和放大的信號(hào)處理，在軟件方面也進(jìn)行了軟件濾波處理，所以從圖3 和圖4 可看出，所采集的主泵壓力信號(hào)已不似原始波形的峰值波動(dòng)過大，信號(hào)過于紊亂；在泵送穩(wěn)定階段壓力波形比較平滑。從圖4 可知：液壓系統(tǒng)在3.65 s 換向時(shí)的主泵壓力變化值由80 ～110 MPa，壓力變化范圍明顯縮小，這說明了泵送壓實(shí)階段和換向階段的壓力突變范圍過大的現(xiàn)象得到改善。另外，從現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)也可以看出：活塞進(jìn)油口壓力和連通腔的壓力曲線也比較平滑，壓力變化范圍也有明顯縮??；緩沖通道流量值顯示為42 L，這與該款泵車的實(shí)際緩沖流量比較接近。

4 結(jié)論

本項(xiàng)研究結(jié)合混凝土泵車泵送液壓原理，運(yùn)用虛擬儀器軟件Labview 開發(fā)了混凝土泵車泵送系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓系統(tǒng)中關(guān)鍵壓力和流量數(shù)據(jù)的采集，還能夠?qū)崟r(shí)將數(shù)據(jù)顯示出來，分析結(jié)果可通過自動(dòng)和手動(dòng)方式錄入電子表格進(jìn)行保存?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明：該測(cè)試系統(tǒng)用戶操作界面友好，操作簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)的記錄和整理更為方便, 為泵車泵送系統(tǒng)的研究提供了可靠的數(shù)據(jù)，可以極大提高液壓系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試能力，促進(jìn)混凝土泵車液壓系統(tǒng)的技術(shù)提升。