油缸實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)控制策略研究

龔 進(jìn)，譚 青，趙喻明，衡保利

(1.中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，長沙 410083;2.湖南山河智能機(jī)械股份有限公司，長沙 410100)

油缸實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)控制策略研究

龔 進(jìn)1，2，譚 青1，趙喻明1，衡保利1

(1.中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，長沙 410083;2.湖南山河智能機(jī)械股份有限公司，長沙 410100)

針對現(xiàn)有油缸檢測系統(tǒng)檢測手段和技術(shù)落后及檢測精度低等缺點(diǎn)，提出把測試項(xiàng)目模塊化后，將模塊有機(jī)組織在液壓缸運(yùn)行過程中來完成油缸檢測的控制策略。運(yùn)用PLC(programmable logic controller，可編程控制器)控制、CoDeSys組態(tài)軟件和Visual Basic 6.0技術(shù)設(shè)計(jì)了一套油缸實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)。試驗(yàn)結(jié)果表明，新的測試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)檢測、試驗(yàn)數(shù)據(jù)和曲線以及試驗(yàn)報(bào)告的輸出和打印，提高了檢測效率。

油缸;實(shí)時(shí)檢測;模塊化;控制策略

1 前言

油缸作為液壓系統(tǒng)的執(zhí)行元件之一，廣泛應(yīng)用于裝載機(jī)、挖掘機(jī)、旋挖鉆機(jī)等工程機(jī)械上。其性能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(yùn)行和維護(hù)，因此檢測油缸性能是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求是很有必要的［1］。但現(xiàn)有的測試系統(tǒng)不僅測試項(xiàng)目有限，而且檢測手段和技術(shù)落后、檢測精度低。針對油缸需要檢測多個(gè)項(xiàng)目的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)全面檢測油缸的新型試驗(yàn)臺［1～3］和研制自動檢測控制系統(tǒng)［4］，初步實(shí)現(xiàn)了對油缸試驗(yàn)數(shù)據(jù)高效率、高精度采集和實(shí)時(shí)顯示。但對油缸各個(gè)項(xiàng)目測試方法以及如何采取最佳的控制策略去實(shí)現(xiàn)對油缸的檢測則少有研究。該油缸實(shí)時(shí)測試系統(tǒng)為湖南山河智能機(jī)械股份有限公司設(shè)計(jì)，可對從低壓到高壓等各種型號與規(guī)格的油缸進(jìn)行型式試驗(yàn)和出廠試驗(yàn)。它是利用PLC(programmable logic controller，可編程控制器)和CoDeSys組態(tài)軟件將計(jì)算機(jī)控制、檢測技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與液壓控制系統(tǒng)有效地結(jié)合起來的新型檢測系統(tǒng)。筆者針對油缸測試項(xiàng)目多的特點(diǎn)，采用測試項(xiàng)目模塊化，同時(shí)提出相應(yīng)的控制策略來完成油缸的檢測。

2 檢測系統(tǒng)技術(shù)方案

本油缸試驗(yàn)臺能對流量在616 L/min，最高測試壓力60 MPa以下的各類油缸進(jìn)行測試，實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)則需對油缸試驗(yàn)臺和油缸進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，這就要求測試系統(tǒng)不僅要采集油缸的各類測試數(shù)據(jù)，還要實(shí)時(shí)顯示油缸性能參數(shù)以及試驗(yàn)臺的運(yùn)行狀態(tài)和故障情況。

參照液壓系統(tǒng)原理圖，制定電磁鐵工作循環(huán)表，設(shè)計(jì)電路接線圖，定義系統(tǒng)的 I/O分配表，通過RS232串口實(shí)現(xiàn)PLC與上位機(jī)之間的通信。根據(jù)檢測項(xiàng)目，采用測試項(xiàng)目模塊化設(shè)計(jì)，利用CoDeSys組態(tài)軟件編寫、調(diào)試控制程序。與其他控制器相比，INTELCONTROL的PLC自帶A/D、D/A轉(zhuǎn)化、數(shù)字輸入/輸出以及計(jì)數(shù)器裝置，這就很大程度上簡化了檢測系統(tǒng)的復(fù)雜性，也為程序的編寫提供了更大的方便。同時(shí)利用VB6.0進(jìn)行人機(jī)交互界面的開發(fā)，完成檢測數(shù)據(jù)的處理和顯示，解決實(shí)時(shí)顯示問題。最后實(shí)現(xiàn)對油缸的高精度、高效率檢測和油缸性能參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示。圖1為液壓油缸試驗(yàn)臺控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖1 液壓油缸試驗(yàn)臺控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Control system configuration of hydraulic cylinder test platform

3 控制策略研究

測試液壓油缸時(shí)，有兩種控制策略。a.以液壓缸運(yùn)行過程為主軸來組織測試項(xiàng)目，應(yīng)盡可能地把被測項(xiàng)目有機(jī)地組織在油缸運(yùn)行過程中，在油缸一次來回運(yùn)動中完成所有測試項(xiàng)目;b.以每個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目為中心，使每測試一個(gè)項(xiàng)目時(shí)，讓油缸按試驗(yàn)項(xiàng)目所要求的狀態(tài)來運(yùn)行。根據(jù)實(shí)際情況需要手動、自動兩種操作方法，所以不能把上述兩種控制策略徹底分割，而是把它們結(jié)合起來運(yùn)用。在設(shè)計(jì)自動控制程序時(shí)，考慮運(yùn)用第一種控制策略，而在設(shè)計(jì)手動控制程序時(shí)，考慮運(yùn)用第一種和第二種控制策略相結(jié)合的方法來檢測油缸。

在自動檢測時(shí)，液壓缸從底端運(yùn)行到最大行程時(shí)，可以把最低啟動壓力模塊和耐壓試驗(yàn)?zāi)K、內(nèi)部滲漏試驗(yàn)?zāi)K和緩沖試驗(yàn)?zāi)K有機(jī)結(jié)合起來。而從最大行程運(yùn)行到底端時(shí)，則可以把內(nèi)部滲漏試驗(yàn)?zāi)K、全行程檢測模塊穿插進(jìn)去。這樣一個(gè)行程來回就可把所有要測試的項(xiàng)目完成。而手動檢測時(shí)只是把被測油缸運(yùn)行流程分為前進(jìn)、后退、增壓等三大塊，而其他的測試模塊串入其中對液壓缸進(jìn)行測試。與自動檢測相比，只是具體考慮了操作人員的工作習(xí)慣和便于檢測而已，控制模塊沒有改變。所以文章只闡述自動控制中相關(guān)測試項(xiàng)目模塊策略的研究，對手動程序不再贅述。自動控制程序框圖如圖2所示。

3.1 試運(yùn)行和行程檢驗(yàn)?zāi)K

在油缸試運(yùn)行過程中，控制器每隔一段時(shí)間比較位移傳感器采樣來的位移值，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)是否相等來判斷油缸是否運(yùn)動到兩端來實(shí)現(xiàn)油缸自動運(yùn)行。由于運(yùn)用了極值模塊采集到了油缸的最大行程Smax和最小行程Smin，這里就可以在油缸試運(yùn)行完后得到油缸行程S。

圖2 系統(tǒng)自動控制程序框圖Fig.2 Program configuration of system auto-control

3.2 油溫控制模塊

油溫控制采用兩點(diǎn)式控制策略，即當(dāng)油溫溫度低于最小值時(shí)，警示紅燈亮，同時(shí)油溫加熱器工作。而當(dāng)油溫溫度高于最大值時(shí)，則讓電磁水閥通水冷卻系統(tǒng)油溫。

3.3 啟動壓力ps檢測模塊

傳統(tǒng)的試驗(yàn)臺測試油缸的啟動壓力特性時(shí)，是在無負(fù)載工況下，通過手動調(diào)整溢流閥，使無桿腔(雙活塞桿液壓缸，兩腔均可)壓力逐漸升高至液壓缸啟動時(shí)，記錄下最低啟動壓力。這樣不但浪費(fèi)了大量的人力物力，而且測試效率還很低?？紤]活塞從靜止到滑行兩個(gè)運(yùn)動狀態(tài)所受的摩擦力不同，得到不同的運(yùn)動方程，方程等式為:

式(2)和式(3)中，p1為有桿腔試驗(yàn)壓力;A1為有桿腔有效面積;p2為活塞從靜止到開始啟動時(shí)有桿腔試驗(yàn)壓力;p'2為活塞運(yùn)動時(shí)有桿腔試驗(yàn)壓力;A2為有桿腔有效面積;F為活塞與缸體有效壓力;μs為靜摩擦系數(shù);μk為動摩擦系數(shù)。

由于μs＞μk，因此活塞從靜止到滑行時(shí)的臨界壓力比活塞運(yùn)動時(shí)的壓力大，即。這樣通過比較傳感器采集的無桿腔壓力值來自動讀取啟動壓力值。圖3為啟動壓力ps檢測模塊控制策略框圖，其控制策略為:

圖3 啟動壓力ps檢測模塊控制策略框圖Fig.3 Control strategy configuration of testing module of start-up pressure ps

1)首先，液壓缸還未運(yùn)行時(shí)，由于系統(tǒng)存在一定的背壓，取此時(shí)的背壓為進(jìn)油腔壓力(無桿腔壓力)的初始壓力p0，Δp0為其靈敏度。

2)i(i=1，2，…)個(gè)采樣周期后，根據(jù)式(2)和式(3)，比較pi+1與pi來確定ps的值，具體方法如下:

3.4 內(nèi)泄漏及耐壓試驗(yàn)?zāi)K

根據(jù)國標(biāo)GB/T15622－2005標(biāo)準(zhǔn)，液壓缸耐壓試驗(yàn)所需壓力是油缸公稱壓力的1.5倍。而內(nèi)泄漏試驗(yàn)所需測試壓力為用戶指定壓力。結(jié)合實(shí)際情況，可以把內(nèi)泄漏試驗(yàn)壓力和耐壓試驗(yàn)壓力都定為1.5倍公稱壓力，從而把內(nèi)泄漏試驗(yàn)和耐壓試驗(yàn)統(tǒng)一在一起。

3.4.1 內(nèi)泄漏試驗(yàn)

在以前的液壓缸試驗(yàn)臺測試油缸的內(nèi)泄漏時(shí)，需要卸下液壓缸的回油管并接一個(gè)量杯，保壓在測油缸的額定壓力5 min后觀察量杯的內(nèi)泄漏量。這很不方便，文章通過擬合壓力曲線來得到泄漏壓力和時(shí)間的函數(shù)關(guān)系，進(jìn)而得到泄漏量與時(shí)間的關(guān)系式，這樣就很方便地實(shí)時(shí)測出內(nèi)泄漏量。

考慮到液壓缸的活塞和缸孔之間都存在圓環(huán)縫隙［5］，但圓環(huán)縫隙有同心圓環(huán)縫隙和非同心圓環(huán)縫隙，它們的縫隙流量公式分別為式(5)、式(6):

式(5)和式(6)中，d為活塞直徑;δ為內(nèi)、外圓同心時(shí)的縫隙厚度;μ為動力粘度;l為活塞的厚度;Δ p為壓力損失;u0為相對運(yùn)動速度;ε為相對偏心率，ε =e/δ，其中 e為偏心距。

從式(5)可以看到，當(dāng)按試驗(yàn)要求ε=0時(shí)，它就是(1)式;當(dāng)ε=1時(shí)，即在最大偏心情況下，其壓差流量為同心圓環(huán)縫隙壓差流量的2.5倍?？梢娫谝簤涸?，為了減少圓環(huán)縫隙的泄漏，應(yīng)使相互配合的零件盡量處于同心狀態(tài)［5］。考慮到實(shí)際油缸的加工精度和試驗(yàn)要求，在程序模塊設(shè)計(jì)時(shí)，取ε=0。同時(shí)系統(tǒng)通過兩個(gè)液控單向閥可使被測油缸停在行程范圍內(nèi)任意位置，這樣相對運(yùn)動速度u0=0。則t時(shí)刻內(nèi)泄漏量公式為:

式(8)中，pi為進(jìn)油腔壓力;p0為出油腔壓力。pi因?yàn)樾孤r(shí)刻在變化，p0是系統(tǒng)背壓力，近似不變，則Δp也是時(shí)間t的函數(shù)，關(guān)系為:

由式(7)至式(10)可以得出一段時(shí)間內(nèi)油缸在行程范圍內(nèi)任意位置的總內(nèi)泄漏量ql:

式(11)中，t0為保壓開始時(shí)刻;tt為保壓結(jié)束時(shí)刻，取tt－ t0=5 min。

3.4.2 耐壓試驗(yàn)

進(jìn)行耐壓試驗(yàn)時(shí)，判斷油缸耐壓壓力pt是否滿足耐壓試驗(yàn)所需公稱壓力pr的1.5倍。這有兩種情況:

1)當(dāng)液壓缸的 1.5倍公稱壓力小于等于32 MPa時(shí)，由于電磁溢流閥的溢流壓力是32 MPa，可以直接判斷是否滿足式(12)關(guān)系，得出內(nèi)泄漏量和保壓曲線。

式(12)中，Δpr為增壓力死區(qū)。

2)當(dāng)液壓缸的1.5倍公稱壓力大于32 MPa且小于60 MPa時(shí)，控制器控制判斷液壓缸運(yùn)動到底端時(shí)，輸出PWM(pulse width modulation，脈沖寬度調(diào)制)波來調(diào)節(jié)電液比例閥，泵輸出壓力pyt經(jīng)增壓缸四倍增壓后使油缸耐壓壓力pz達(dá)到1.5倍公稱壓力。方法如下:

圖4所示為耐壓與內(nèi)泄漏檢測模塊控制策略框圖。

圖4 耐壓與內(nèi)泄漏檢測模塊控制策略框圖Fig.4 Control strategy configuration of pressure resistance and internal leakage testing module

4 試驗(yàn)研究

在試驗(yàn)調(diào)試中，使用SWE65型號挖掘機(jī)動臂油缸作為被試油缸。46﹟液壓油，試驗(yàn)油溫度30℃。動臂油缸相關(guān)尺寸參數(shù):行程775 mm;油缸內(nèi)徑φ110 mm;活塞直徑 φ 109 mm;活塞桿直徑φ 55 mm;額定工作壓力 21MPa;測試壓力31.5 MPa;缸內(nèi)壁表面粗糙度 0.4。

4.1 試驗(yàn)方法

1)設(shè)置RS232通信協(xié)議。采用RS232通信方式，在“COM1”通信口設(shè)置波特率57600 bp/s，偶校驗(yàn)，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位。

2)傳感器標(biāo)定。把操作按鈕打到手動位置，手動調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力，按下前進(jìn)/后退按鈕讓被測油缸來回運(yùn)行，得到油缸大小兩腔壓力數(shù)據(jù)，并運(yùn)用曲線擬合方法來標(biāo)定傳感器。

3)手動/自動按鈕進(jìn)行試驗(yàn)。手動/自動擋都可以完成油缸所有測試項(xiàng)目。同時(shí)測試系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)顯示、自動保存、打印試驗(yàn)數(shù)據(jù)和相關(guān)曲線。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

1)測試得到行程L=774.9 mm。緩沖效果達(dá)到設(shè)計(jì)要求，沒有外泄漏。

2)啟動壓力不僅可以從基于VB6.0技術(shù)的虛擬自動報(bào)表儀表上直接得到，也可以直觀地從壓力曲線上讀出，如圖5所示。液壓缸在0.06 s時(shí)開始啟動，啟動壓力為5.4 MPa。

3)試驗(yàn)得到油缸從底端運(yùn)動到頂端時(shí)需3.85 s，平均運(yùn)動速度 V=201.3 mm/s。

4)無桿腔進(jìn)壓力油保壓壓力曲線如圖6所示。其中“149，0.5”表示在 t=149 s時(shí)刻，有桿腔背壓為0.5 MPa，其他數(shù)據(jù)同理可讀。這樣可知，在時(shí)刻t=4 s時(shí)加壓到 31.6 MPa開始保壓，延時(shí)到t=300 s時(shí)得到無桿腔高壓油下降到27.4 MPa。根據(jù)式(11)，上位機(jī)直接得到這段時(shí)間泄漏量為V1=7.73 ×10－9m3。

圖7 有桿腔保壓和內(nèi)泄漏壓力曲線Fig.7 Experimental curve of internal flow leakage and pressure resistance of the cylinder rod-end-chamber

類似圖6，有桿腔進(jìn)壓力油保壓壓力曲線圖如圖7所示。無桿腔背壓為0.2 MPa。t=4 s時(shí)加壓到31.4 MPa開始保壓，t=300 s時(shí)無桿腔高壓油下降到 25.9 MPa。系統(tǒng)的泄漏量為 V2=7.58×10－9m3。可見V2＜V1，說明無桿腔保壓時(shí)的泄漏量比有桿腔泄漏量少。初看這和有桿腔保壓壓力損失比無桿腔保壓時(shí)的壓力損失大的情況矛盾，其實(shí)不然，考慮到無桿腔最大容積，而有桿腔最大容積，按單位體積泄漏量比較則有桿腔泄漏量是無桿腔的泄漏量的1.3倍，說明圖6和圖7曲線表明的泄漏量與壓力損失的關(guān)系是準(zhǔn)確的。然而，從上面可以得出該缸的泄漏量很小，在5 min時(shí)間里的泄漏量的容積比為萬分之一左右。

5 結(jié)語

1)針對液壓缸試驗(yàn)項(xiàng)目多的特點(diǎn)，提出把各個(gè)測試項(xiàng)目模塊化思想，然后將模塊有機(jī)串入檢測過程中來完成油缸檢測的控制策略。

2)試驗(yàn)結(jié)果表明，該實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)完成了對油缸各測試項(xiàng)目的檢測，能實(shí)時(shí)顯示各測試項(xiàng)目的性能參數(shù)和測試曲線。同時(shí)還可對試驗(yàn)臺液壓系統(tǒng)運(yùn)行狀況、故障情況進(jìn)行監(jiān)控。

3)由于現(xiàn)階段油缸產(chǎn)品的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)需要進(jìn)一步完善，一些相關(guān)參數(shù)只能手動輸入后才能完成測試，下一步如何完成油缸設(shè)計(jì)參數(shù)的數(shù)據(jù)庫管理將是工作重點(diǎn)。

［1］馬俊功，王世富，王占林.液壓油缸試驗(yàn)臺研制［J］.機(jī)床與液壓，2007，35(1):139 －141.

［2］林 躦，陳奎生，朱 珣.液壓缸(馬達(dá))試驗(yàn)臺的研制［J］.機(jī)床與液壓，2005(3):125－127.

［3］張立軍，趙升噸，劉克銘.中高壓液壓缸試驗(yàn)臺液壓系統(tǒng)仿真機(jī)優(yōu)化［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2007，19(3):671－674.

［4］錢忠卿，劉海紅.基于組態(tài)軟件的液壓馬達(dá)綜合試驗(yàn)臺控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.機(jī)床與液壓，2006(9):188－190.

［5］劉延俊，王守城，楊前明，等.液壓與氣壓傳動［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

Research on control strategy of real-time testing system for hydraulic cylinder

Gong Jin1，2，Tan Qing1，Zhao Yuming1，Heng Baoli1

(1.School of Mechanical and Electrical Engineering，Central South University，Changsha 410083，China;2.Hunan Sunward Intelligent Machinery Co.，Ltd.，Changsha 410100，China)

Aiming at the disadvantage of traditional hydraulic cylinder testing system，such as old measure，low detection precision，etc.，a new control-strategy to checkout property of tested cylinder was proposed.The new strategy succeeded to modularize the tested property and organically combine tested properties of cylinder together during hydraulic cylinder moving.The new real-time testing system made use of the technic of PLC(programmable logic controller)，CoDeSys configuration and Visual Basic 6.0.The test results indicated that the realtime testing system made hydraulic cylinder properties be inspected successfully;test data and curve could be printed out，and increased testing efficiency.

hydraulic cylinder;real-time testing;modularization;control strategy

TH137

A

1009－1742(2011)03－0071－06

2009－01－14

龔 進(jìn)(1963—)，男，湖南益陽市人，高級工程師，副研究員，主要從事工程裝備電液控制及機(jī)電一體化;E －mail:gj8@sunward.com.cn