大功率液壓負(fù)載模擬試驗(yàn)臺(tái)的研制

楊培剛

（湖南生物機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410126）

為了在室內(nèi)模擬大功率機(jī)械裝備的負(fù)載來(lái)完成混合動(dòng)力系統(tǒng)機(jī)電耦合特性試驗(yàn)，設(shè)計(jì)一套能夠模擬動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)際負(fù)載的加載系統(tǒng)非常必要。目前中國(guó)的加載系統(tǒng)有機(jī)械式、液壓式和電動(dòng)式［1，2］。機(jī)械式的加載結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加載有沖擊，對(duì)于復(fù)雜狀況的負(fù)載模擬程度低，可調(diào)性比液壓系統(tǒng)差。電動(dòng)加載系統(tǒng)具有體積小，響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，但是對(duì)于大功率負(fù)載模擬難以達(dá)到很高的調(diào)節(jié)精度。液壓系統(tǒng)具有工作平穩(wěn)、能夠大范圍的無(wú)級(jí)調(diào)速、易于自動(dòng)化控制等諸多優(yōu)點(diǎn)，是本系統(tǒng)加載試驗(yàn)的首要選擇。液壓加載系統(tǒng)是由多個(gè)液壓元件組成的非線性系統(tǒng)，各液壓元件間依靠液壓介質(zhì)進(jìn)行能量的傳遞，同時(shí)依靠控制系統(tǒng)傳遞的控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)壓力、流量的控制［3］。

1 負(fù)載模擬試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)目標(biāo)及方案

1．1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

本試驗(yàn)臺(tái)采用液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)加載，圖1為7t挖掘機(jī)典型工況下負(fù)載功率曲線［4］，對(duì)該曲線進(jìn)行分析得出負(fù)載模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)：

（1）功率輸出特性具有可控性；

（2）輸出功率波動(dòng)大且變化范圍在0～40kW；

（3）周期性強(qiáng)且周期短，每個(gè)周期大約18s；

（4）具有超壓自動(dòng)卸荷功能。

圖1 7t液壓挖掘機(jī)挖掘作業(yè)泵需求功率Figure1 The required power of pump of 7tons excavator when working

1．2 設(shè)計(jì)方案

整個(gè)試驗(yàn)平臺(tái)包括動(dòng)力總成部分、液壓負(fù)載模擬部分、測(cè)控系統(tǒng)部分。圖2為試驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案圖，其中動(dòng)力部分是由柴油機(jī)、電機(jī)、轉(zhuǎn)速／轉(zhuǎn)矩傳感器組成，傳感器與電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)之間均采用爪式彈性聯(lián)軸器連接，可避免傳感器受彎矩的影響并且可隔離柴油機(jī)的振動(dòng)。負(fù)載模擬系統(tǒng)由液壓泵、油箱、冷卻器、閥類等液壓元件組成。測(cè)控系統(tǒng)通過(guò)PXI系統(tǒng)完成，主要采集的信號(hào)包括：柴油機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、電機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、泵出口壓力、流量，輸出的主要控制信號(hào)包括電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)通斷、閥的壓力控制信號(hào)等。

圖2 負(fù)載模擬試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)方案圖Figure2 Project scheme of load simulation test system

2 負(fù)載模擬試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

負(fù)載模擬部分主要通過(guò)對(duì)壓力閥的閥口開度進(jìn)行系統(tǒng)壓力控制，產(chǎn)生的背壓用來(lái)模擬實(shí)際載荷，管線間大部分采用軟管減少沿程壓力損失，液壓站的設(shè)計(jì)要達(dá)到既能實(shí)現(xiàn)加載功能又可節(jié)省制造開支與占用空間的功能。由于測(cè)試功率較大，從油液的自然冷卻，油液的沉淀過(guò)濾以及控制方式考慮，采用了下半部分為油箱、冷卻器、過(guò)濾器等液壓元件，上半部分為控制屏的模式，主要包括壓力表、信號(hào)指示燈等，來(lái)達(dá)到集中控制減少管路損耗，便于直觀操作和移動(dòng)的目的。底端四角和頂端分別設(shè)計(jì)有可以起吊的釣餌可以方便的進(jìn)行移動(dòng)?？紤]功率的損耗、發(fā)熱及傳動(dòng)效率方面，將閥類元件安裝在集成塊上，在集成塊設(shè)計(jì)時(shí)，需考慮測(cè)試功率的大小及流量，所以集成塊的設(shè)計(jì)盡量緊湊。負(fù)載模擬系統(tǒng)實(shí)物圖見(jiàn)圖3。

圖3 負(fù)載模擬系統(tǒng)實(shí)物圖Figure3 Physical map of load simulation test system

3 負(fù)載模擬試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3．1 測(cè)試系統(tǒng)硬件組成

該控制系統(tǒng)選擇PXI系統(tǒng)作為控制平臺(tái)，包括壓力傳感器、PXI機(jī)箱、信號(hào)采集卡、控制器、接線端子及顯示器、放大器等元件。

3．1．1 傳感器 本課題需要一個(gè)測(cè)試泵出口壓力的壓力傳感器，選用擁有計(jì)算機(jī)補(bǔ)償技術(shù)、精度高、溫漂小并且能夠達(dá)到測(cè)量量程的壓力傳感器SY－PG5205。其測(cè)量最大值為31．5 MPa，經(jīng)測(cè)量后轉(zhuǎn)換成0～5V 的電壓信號(hào)被采集。

3．1．2 比例功率放大器 本研究使用的放大器是可與電磁比例溢流閥配套使用的比例閥控制器，型號(hào)為BD－2000K－50，其性能穩(wěn)定、可靠性高，組成主要包括穩(wěn)壓器、斜坡發(fā)生器、輸入值預(yù)調(diào)電位器、500Hz正弦振蕩器等。

3．1．3 數(shù)據(jù)采集卡與控制器 本研究采用美國(guó)NI公司出品的PXI－6251數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，該采集卡可以提供16個(gè)模擬輸入（AI）通道、2 個(gè)模擬輸出（AO）通道、24個(gè)雙向數(shù)字通道。控制器選用PXI嵌入式控制器NI PXI－8106，無(wú)需使用外部PC機(jī)，集成有CPU、硬盤驅(qū)動(dòng)器等一些外圍設(shè)備。它配有2．16GHz雙核處理器，能夠很好的進(jìn)行數(shù)據(jù)采集應(yīng)用，是比較理想的模塊化儀器。

3．2 軟件設(shè)計(jì)

本研究采用LabVIEW 軟件編寫控制程序［5］，如信號(hào)采集、控制信號(hào)輸出、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等，控制方法采用PID 控制對(duì)目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤調(diào)節(jié)［6］，其控制結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖4。

圖4 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)框圖Figure4 Structure diagram of system control

本系統(tǒng)采用DAQmx的控制方式。它對(duì)于傳統(tǒng)DAQ 更加方便編程并可使用高性能的測(cè)量程序。NI－DAQmx驅(qū)動(dòng)軟件不但可以進(jìn)行基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)采集，在控制系統(tǒng)中的開發(fā)過(guò)程也具有高效、高性能等優(yōu)點(diǎn)。本研究采用NI公司PCI－6251完成數(shù)據(jù)采集功能，由于壓力傳感器的輸出為0～5V，所以設(shè)置范圍為0～5V，采用模擬電壓輸入，設(shè)置其采樣率為1 000Hz，則泵出口壓力數(shù)據(jù)的采集程序見(jiàn)圖5。

針對(duì)此液壓負(fù)載模擬系統(tǒng)，主要是通過(guò)改變輸入電流對(duì)比例溢流閥進(jìn)行控制，電流首先經(jīng)過(guò)比例放大器，放大器的輸入為0～10V 的電壓信號(hào)，輸出為0～1 000mA 的電流。

在DAQmx創(chuàng)建通道時(shí)輸出方式選擇模擬電壓輸出，數(shù)據(jù)輸出程序與數(shù)據(jù)輸入程序使用的函數(shù)大部分相同，使用DAQmx Write向輸出通道中發(fā)送波形數(shù)據(jù)［7］。其數(shù)據(jù)輸出程序見(jiàn)圖6。

數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)采用TDMS文本存儲(chǔ)格式，它是NI公司大力提倡的一種數(shù)據(jù)文本存儲(chǔ)格式，它提高了寫入速度，還提供了用于定義屬性的更簡(jiǎn)單的接口。存儲(chǔ)程序見(jiàn)圖7。

圖5 數(shù)據(jù)采集程序圖Figure5 Program

圖6 數(shù)據(jù)輸出程序圖Figure6 Program of data output

圖7 數(shù)據(jù)存數(shù)模塊Figure7 Model of saving data

4 負(fù)載模擬試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試試驗(yàn)

本研究以7t挖掘機(jī)在典型挖掘工況下的負(fù)載功率為目標(biāo)，搭建了液壓加載方式的負(fù)載模擬試驗(yàn)臺(tái)，為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)能否達(dá)到要求以及控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集功能的可靠性，將對(duì)典型工況下的負(fù)載進(jìn)行模擬試驗(yàn)研究。

模擬挖掘機(jī)典型工況下的負(fù)載曲線，首先將排量與轉(zhuǎn)速設(shè)置為固定值，分別為55mL／r和1 450r／min，再通過(guò)控制比例溢流閥的輸入電流進(jìn)而控制整個(gè)系統(tǒng)的壓力及功率，并將試驗(yàn)曲線與實(shí)際的負(fù)載曲線進(jìn)行分析對(duì)比。

根據(jù)試驗(yàn)原理，分別將轉(zhuǎn)速和排量設(shè)定好后，對(duì)比例電磁鐵輸入的控制電流見(jiàn)圖8。

將壓力傳感器采集到的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)的壓力，則系統(tǒng)壓力見(jiàn)圖9。

通過(guò)圖9中的壓力數(shù)據(jù)再根據(jù)功率計(jì)算公式得到系統(tǒng)的功率，它與實(shí)際工況下的負(fù)載功率曲線對(duì)比見(jiàn)圖10。

由圖10可知，系統(tǒng)的最大輸出功率可達(dá)40kW，試驗(yàn)曲線延遲不大，只在波動(dòng)較劇烈處無(wú)法跟上響應(yīng)，但是從整體上來(lái)看，此負(fù)載模擬系統(tǒng)能夠滿足設(shè)計(jì)要求，可實(shí)現(xiàn)對(duì)挖掘機(jī)的負(fù)載進(jìn)行模擬。

圖8 負(fù)載模擬系統(tǒng)控制電流Figure8 The controlled current of loadsimulation test system

圖9 負(fù)載模擬系統(tǒng)輸出壓力曲線Figure9 The output pressure curve of load simulation test system

5 結(jié)論

圖10 試驗(yàn)曲線與目標(biāo)功率對(duì)比圖Figure10 Comparison chart of target power with experiment

對(duì)挖掘機(jī)在典型工況下的負(fù)載進(jìn)行了分析，得到挖掘機(jī)負(fù)載的特點(diǎn)，并根據(jù)這些特點(diǎn)提出了本研究的設(shè)計(jì)要求。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，對(duì)負(fù)載模擬試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與搭建。采用虛擬儀器技術(shù)與LabVIEW 軟件完成了負(fù)載模擬試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)的開發(fā)。通過(guò)試驗(yàn)對(duì)所設(shè)計(jì)的負(fù)載模擬試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試，對(duì)典型工況下的負(fù)載進(jìn)行了模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的負(fù)載模擬系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)挖掘機(jī)負(fù)載的模擬。

1 左時(shí)倫，陳美寶．某系列變速器試驗(yàn)臺(tái)液壓加載系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］．機(jī)床與液壓，2008，36（9）：224～226．

2 陳鶴梅．某型航空軸承試驗(yàn)臺(tái)液壓加載系統(tǒng)研究［D］．長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2010．

3 馬偉．挖掘負(fù)載模擬系統(tǒng)及其控制方法研究［D］．杭州：浙江大學(xué)，2008．

4 肖清．液壓挖掘機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)的控制策略與參數(shù)匹配研究［D］．杭州：浙江大學(xué)，2008．

5 蒙艷玫，高鳳偉，段敬利，等．基于LabVIEW 的振動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)的研究［J］．廣西大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，32（2）：114～117．

6 王翠翠．基于虛擬儀器水泵性能參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］．沈陽(yáng)：沈陽(yáng)理工大學(xué)，2009．

7 郝麗，趙偉．基于LabVIEW 實(shí)現(xiàn)信號(hào)模擬輸出的兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題［J］．電氣電子教學(xué)報(bào)，2010，32（3）：16～19．