一種軸向負(fù)載模擬加載裝置設(shè)計(jì)

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(dòng)技術(shù)與機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)越來越緊密的結(jié)合，推動(dòng)液壓傳動(dòng)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(qiáng)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(dòng)化程度和檢測效率，以及增強(qiáng)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(yùn)行和維護(hù)，因此需要通過檢測系統(tǒng)檢驗(yàn)其性能是否達(dá)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(fù)載模擬加載檢測設(shè)備而開展設(shè)計(jì)。在運(yùn)用一系列先進(jìn)理論和技術(shù)的基礎(chǔ)上，考慮到工業(yè)應(yīng)用的實(shí)際情況，因此本裝置以追求實(shí)際應(yīng)用的可靠性為主，輔以部分較先進(jìn)的技術(shù)。

本文設(shè)計(jì)液壓缸加載試驗(yàn)臺主要考慮以下幾個(gè)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(jì)；三是結(jié)合設(shè)計(jì)要求提出新的便捷的測量方法。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

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(jì)要求。軸向負(fù)載模擬加載裝置主要由液壓系統(tǒng)，電氣測控系統(tǒng)，負(fù)載加載平臺三部分組成，液壓系統(tǒng)通過液壓傳動(dòng)使液壓力作用于兩個(gè)加載油缸使之產(chǎn)生模擬負(fù)載，電氣測控系統(tǒng)對整個(gè)液壓系統(tǒng)加載臺架和實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行全程控制和監(jiān)測，這部分是整個(gè)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(fù)載加載試驗(yàn)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(jì)

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(fù)載：滿載負(fù)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(fù)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(shí)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(shí)現(xiàn)對調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力的作用，可方便地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程連續(xù)的調(diào)壓功能，其優(yōu)點(diǎn)是能使加載試驗(yàn)臺的自動(dòng)化智能化程度更高，便于操控。加載試驗(yàn)臺液壓系統(tǒng)原理如圖2所示。

液壓站向試驗(yàn)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(yùn)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(jìn)、后退及停止等運(yùn)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(yùn)動(dòng)的速度。電磁換向閥6控制回油經(jīng)流量計(jì)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(yùn)動(dòng)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(yàn)臺整體上采用集成化的設(shè)計(jì)思路，液壓缸試驗(yàn)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(yùn)行工況，如速度，加載力，運(yùn)動(dòng)方向，連續(xù)運(yùn)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(yàn)的各項(xiàng)要求。對于需要大排量來滿足額定的大負(fù)載時(shí)可以調(diào)節(jié)柱塞變量泵，而需要用到的小排量時(shí)，則可以采用調(diào)節(jié)節(jié)流閥來達(dá)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(jī)監(jiān)控臺和手動(dòng)操作臺及其配套電氣電路組成。手動(dòng)操作臺是控制液壓站各個(gè)電機(jī)、加熱器、冷卻器以及試驗(yàn)時(shí)的手動(dòng)調(diào)節(jié)的主令控制臺；工控機(jī)監(jiān)控臺由工控機(jī)、信號調(diào)理卡、數(shù)據(jù)采集卡、信號輸出卡、顯示器、打印機(jī)等組成，對整個(gè)負(fù)載模擬測試系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化集中控制和檢測，并通過運(yùn)行于工控機(jī)上的人工界面實(shí)現(xiàn)對各種測試實(shí)驗(yàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，并將測得的數(shù)據(jù)保存至系統(tǒng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫中生成報(bào)表，支持歷史試驗(yàn)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(jìn)去油口的壓力，位移傳感主要用在系統(tǒng)加載試驗(yàn)時(shí)各種工況下，監(jiān)視被試缸的行程，往復(fù)運(yùn)動(dòng)位移，力傳感器測量在進(jìn)行加載試驗(yàn)時(shí)，加載缸和被試缸的對頂時(shí)，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(jìn)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(shí)時(shí)控制，使系統(tǒng)在既定的狀態(tài)下運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)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(jì)

工控機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)軟件由NI公司的LabVIEW設(shè)計(jì)而成，LabVIEW依托性能優(yōu)越的工控機(jī)發(fā)揮自身強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集和運(yùn)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(yàn)數(shù)據(jù)采集與處理、試驗(yàn)動(dòng)作控制兩個(gè)部分，是控制軟件的核心，在試驗(yàn)?zāi)Ｊ较履軌蜃詣?dòng)或手動(dòng)完成被試液壓缸的檢測工作。測試系統(tǒng)軟件流程圖如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)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(jì)、缸位移傳感器和力傳感器的實(shí)時(shí)顯示儀表。設(shè)置實(shí)驗(yàn)參數(shù)與結(jié)果記錄區(qū)，主要記錄實(shí)驗(yàn)過程中的一些試驗(yàn)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(dòng)壓力、內(nèi)泄漏量和最大行程。啟動(dòng)測試工控機(jī)可以依據(jù)設(shè)計(jì)的程序自動(dòng)控制液壓系統(tǒng)的運(yùn)行狀況和計(jì)算得出這些實(shí)驗(yàn)參數(shù)。這些參數(shù)和數(shù)據(jù)結(jié)果會在自動(dòng)生成的實(shí)驗(yàn)報(bào)告中體現(xiàn)出來。負(fù)載加載模擬裝置監(jiān)控界面如圖6所示。

圖6 試驗(yàn)?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(jī)械結(jié)構(gòu)圖。為了使測試結(jié)果能真實(shí)反映被試液壓缸的性能，本加載臺架根據(jù)如下四點(diǎn)原則設(shè)計(jì)。

（1）具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度

試驗(yàn)運(yùn)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?qiáng)度。加載液壓缸滿負(fù)荷最高達(dá)到200T的力，如果臺架機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不夠，就會造成加載時(shí)臺架顫抖，連桿彎曲等不良后果，這將會是相當(dāng)危險(xiǎn)的。

（2）裝夾被試缸的固件必須牢固和便利

被試液壓缸重達(dá)幾十公斤，必須使用輔助吊車才能移動(dòng)。在試驗(yàn)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(yàn)裝置，同時(shí)還要考慮夾具裝夾的便利操作性。

（3）模擬實(shí)際工作狀態(tài)

試驗(yàn)裝置對被試液壓缸在實(shí)際工作狀態(tài)進(jìn)行各種模擬，包括安裝方式、運(yùn)動(dòng)方式和負(fù)載狀況等，以保證模擬試驗(yàn)所測得數(shù)據(jù)與被試缸在實(shí)際工作狀況下的性能數(shù)據(jù)一致性。

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

4 測試實(shí)驗(yàn)

模擬負(fù)載加載試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)完成后需要對其進(jìn)行出廠測試和試驗(yàn)測試應(yīng)用，在本實(shí)驗(yàn)臺上可以開展液壓缸全部測試試驗(yàn)，需要完成表1列出的全部十個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目，在此重點(diǎn)介紹一下其中的啟動(dòng)壓力特性試驗(yàn)、耐壓試驗(yàn)和負(fù)載效率試驗(yàn)這三個(gè)試驗(yàn)方法。

（1）啟動(dòng)壓力特性試驗(yàn)。啟動(dòng)壓力特性的試驗(yàn)要求為：液壓缸在無負(fù)載工況下，使液壓系統(tǒng)逐步升壓，測量被試缸啟動(dòng)時(shí)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(diǎn)。首先設(shè)定比例調(diào)速閥信號，小流量液壓油進(jìn)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(dòng)活塞桿伸出，活塞桿伸出并接觸至接近開關(guān)時(shí)，即停止該項(xiàng)試驗(yàn)。這個(gè)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(gè)過程中壓力最高值即為被試缸的啟動(dòng)壓力

（2）耐壓試驗(yàn)。耐壓試驗(yàn)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(yàn)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(jī)的自動(dòng)控制，本系統(tǒng)使用了電液比例溢流閥，工控機(jī)根據(jù)被試缸類型遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)加載壓力，對被試缸自動(dòng)加載規(guī)定的壓力，在加載缸回油路上加裝單向閥實(shí)現(xiàn)對被試缸的加載。

（3）負(fù)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(jì)的檢測液壓回路如圖2－7所示，其工作原理為：工控機(jī)遠(yuǎn)程控制比例溢流閥進(jìn)行壓力加載，被試缸在規(guī)定壓力下運(yùn)行，在運(yùn)動(dòng)過程中，使用壓力傳感器實(shí)時(shí)記錄被試缸無桿腔壓力P，力傳感器實(shí)時(shí)記錄負(fù)載力F，預(yù)先設(shè)定被試缸徑，工控機(jī)系統(tǒng)即可計(jì)算出無桿腔面積么，在程序中定義負(fù)載效率公式100%由此可實(shí)時(shí)計(jì)算出負(fù)載效率。

表1 液壓缸試驗(yàn)項(xiàng)目及要求Table1 Hydraulic cylinder test items and requirements

5 小結(jié)

負(fù)載模擬加載裝置是以液壓缸為試驗(yàn)器械并且作為液壓缸型式試驗(yàn)和出廠試驗(yàn)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(yàn)設(shè)備。由于檢測的項(xiàng)目較多也較復(fù)雜，必須依靠電液控制系統(tǒng)自動(dòng)完成液壓缸的檢測，使檢測過程自動(dòng)化、系統(tǒng)運(yùn)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(qiáng)了系統(tǒng)自動(dòng)化，減輕了操作人員的負(fù)擔(dān)，使檢測精度和試驗(yàn)效率得到了很大的提高。

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