液壓缸試驗臺測控關(guān)鍵技術(shù)分析

蔡曉燕，陳媛

（武漢科技大學(xué)城市學(xué)院機(jī)電工程學(xué)部，武漢430083）

0 引言

液壓油缸是液壓傳動系統(tǒng)中一個重要的執(zhí)行元件，由于它結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)動平穩(wěn)，工作可靠，已經(jīng)在機(jī)械系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。近年來，隨著我國國民經(jīng)濟(jì)和制造業(yè)的不斷發(fā)展，對液壓缸的應(yīng)用也是越來越多，已經(jīng)廣泛滲透到了工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、建筑業(yè)、軍工行業(yè)等領(lǐng)域的重要設(shè)備中。與此同時，對液壓缸這一基礎(chǔ)零部件的性能的要求也是越來越高。液壓缸試驗臺（后續(xù)簡稱為試驗臺）作為液壓缸綜合性能檢測的主要載體，要求要能高效、準(zhǔn)確地反映出液壓缸的各項性能。隨著企業(yè)對液壓缸要求的越來越嚴(yán)苛，對試驗臺進(jìn)行性能的改進(jìn)也勢在必行。

1 液壓缸試驗臺發(fā)展現(xiàn)狀

液壓缸試驗臺通常由液壓系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)三大部分組成，其中，電氣控制和數(shù)據(jù)采集兩部分是試驗臺測控系統(tǒng)的關(guān)鍵所在，也是本文分析的重點(diǎn)。

在我國，傳統(tǒng)的試驗臺是通過交流接觸器手動操作完成的，并配合相應(yīng)的機(jī)械儀表實現(xiàn)一些穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)的檢測。這種試驗臺不僅工作效率低，操作勞動強(qiáng)度大，測量精度低，而且不能實現(xiàn)動態(tài)數(shù)據(jù)的測量，早已不能滿足現(xiàn)代工業(yè)的要求。

隨著我國裝備制造業(yè)振興規(guī)劃、中國制造2025 等規(guī)劃的提出，我國制造業(yè)得到了極大的重視和發(fā)展，具有自動化功能的試驗臺也取得了長足的發(fā)展，很多企業(yè)和高校都在這方面做了大量的研究。工業(yè)級可編程控制器PLC 和計算機(jī)輔助控制都被運(yùn)用到了試驗臺的測控系統(tǒng)中，大大提高了試驗臺各項性能。雖然試驗臺的測控性能有所改善，但是與國外先進(jìn)水平相比還有較大的差距，主要表現(xiàn)在自動化水平不夠，測試的速度和精度達(dá)不到要求，數(shù)據(jù)處理和分析功能欠缺，工作的可靠性有待提高等。

2 液壓缸試驗臺發(fā)展方向

隨著計算機(jī)控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和我國制造業(yè)的不斷發(fā)展，我國的試驗臺的發(fā)展空間還非常大，發(fā)展的趨勢可以總結(jié)為以下幾點(diǎn)。

（1）整體結(jié)構(gòu)集成化、封閉化

為了便于搭建和維護(hù)我國現(xiàn)有的試驗臺多半是敞開分布式的，不僅占地面積大，而且試驗過程容易受到外界環(huán)境的影響，使測試的穩(wěn)定性和一致性受到一定的影響。如圖1 所示為美國Titan 公司設(shè)計制造的液壓泵測試臺，結(jié)構(gòu)基本上都是全封閉式的。為了滿足設(shè)備安全性能和人性化的需求，我國試驗臺的整體結(jié)構(gòu)趨于集成化、封閉化發(fā)展。

圖1 Titan公司設(shè)計制造的液壓泵測試臺

（2）測控系統(tǒng)數(shù)字化、智能化

為了提高試驗臺的自動化水平，必須在測控過程中實現(xiàn)數(shù)字化、智能化。對液壓系統(tǒng)的各種液壓閥進(jìn)行數(shù)字化控制，便于計算機(jī)集中控制；對系統(tǒng)中用到的各種傳感器也要滿足智能化控制的要求，能夠在線完成檢驗和標(biāo)定?？傊悄芑倪M(jìn)程要從硬件和軟件兩個方面著手進(jìn)行，一方面采用智能化儀表和控制器，另一方面要結(jié)合人工智能算法，兩個方面同時保證測控過程的智能化。

另外，智能化的體現(xiàn)還要在系統(tǒng)發(fā)生突發(fā)狀況，或者故障時的及時響應(yīng)能力方面。隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展和完善，當(dāng)測控系統(tǒng)發(fā)生故障時，不僅要能夠自動預(yù)警，還要能夠通過遠(yuǎn)程控制中心進(jìn)行故障的診斷和維護(hù)，保障系統(tǒng)設(shè)備的安全，保證系統(tǒng)無故障運(yùn)行。

（3）系統(tǒng)環(huán)保節(jié)能化

在全球能源日益短缺的當(dāng)今，如何優(yōu)化能源利用，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。隨著電力電子技術(shù)和交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，變頻器的應(yīng)用越來越廣，液壓缸試驗臺中的液壓泵作一個能耗較大的設(shè)備，也可以合理利用交流調(diào)速技術(shù)實現(xiàn)環(huán)保節(jié)能。

（4）試驗工藝流程化

液壓試驗臺需要完成的試驗項目通常比較多，例如液壓缸的試運(yùn)行、啟動壓力測試、往復(fù)式壓、耐壓試驗、耐久試驗、內(nèi)泄露試驗、外泄露試驗、高溫試驗、緩沖試驗側(cè)向力試驗等。在眾多的試驗項目中，要事先設(shè)計好試驗的流程和檢驗技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，按照固定的順序自動進(jìn)行各個試驗項目，避免復(fù)雜的人工操作。這樣不僅能夠提高測試的效率，而且能夠有效減少由于人為因素帶來的誤差。

3 試驗臺測控技術(shù)之關(guān)鍵

綜合考慮國外的先進(jìn)技術(shù)和國內(nèi)試驗臺發(fā)展的需求，液壓缸試驗臺測控系統(tǒng)的改進(jìn)主要從以下幾個方面進(jìn)行研究。

3.1 測試數(shù)據(jù)的處理和分析

近年來，隨著云計算技術(shù)的發(fā)展和普及，越來越多的IT 公司和企業(yè)已經(jīng)將業(yè)務(wù)范圍擴(kuò)展到與云技術(shù)相關(guān)的產(chǎn)品和服務(wù)，它已經(jīng)滲透到了人們的日常生活、生產(chǎn)當(dāng)中，并在互聯(lián)網(wǎng)、圖像處理等領(lǐng)域發(fā)揮著相當(dāng)?shù)淖饔?。液壓缸試驗臺在測試過程中要求記錄的數(shù)據(jù)種類多，數(shù)據(jù)信息量大，為了完善試驗數(shù)據(jù)的處理和分析功能，可以利用云技術(shù)。

網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)是利用云技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理和分析關(guān)鍵，它能在上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)和服務(wù)器之間起到橋梁的作用，保證試驗數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅惩?，一方面可實現(xiàn)試驗過程中各個傳感器數(shù)值和系統(tǒng)狀態(tài)信息的實時上傳，另一方面也能保證服務(wù)器端返回數(shù)據(jù)分析處理結(jié)果的及時接收。利用云技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理分析的原理圖如圖2 所示。

圖2 數(shù)據(jù)處理分析原理圖

利用云服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，不僅能獲得較高的數(shù)據(jù)計算性能，而且與傳統(tǒng)的獨(dú)立服務(wù)器相比，能夠合理地分配資源，具有很好的經(jīng)濟(jì)性、靈活性和可靠性，具有較強(qiáng)的應(yīng)用價值。

3.2 測試實時性能及測試精度

對于自動檢測系統(tǒng)，測試數(shù)據(jù)的實時性是非常重要的指標(biāo)之一。對于本測控系統(tǒng)，這就要求系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)快，而且試驗過程中的狀態(tài)與數(shù)據(jù)信息實時顯示，數(shù)據(jù)處理、分析和存儲的速度快。為了滿足這一性能，可以從硬件和軟件兩個方面同時著手處理，測控系統(tǒng)硬件的選擇上必須達(dá)到一定的要求，軟件上也要求采用最優(yōu)的算法保證速度。

另外，由于液壓缸本身結(jié)構(gòu)上不對稱的特點(diǎn)，使得液壓缸在運(yùn)行過程中難免會出現(xiàn)壓力越變和液壓沖擊等現(xiàn)象，從而導(dǎo)致系統(tǒng)壓力不穩(wěn)，直接影響試驗臺加載裝置的控制精度。為了保證控制精度，就必須確保液壓缸相應(yīng)工作壓力的穩(wěn)定性和測量的精度，因此需要選擇合適的控制策略和控制方法，根據(jù)液壓缸工作腔壓力的變動，快速精確地調(diào)整溢流閥閥芯開度，從而提高試驗壓力的精確性。

3.3 模擬工況環(huán)境測試

液壓缸的測試多半都是在實驗室的條件下進(jìn)行的，并沒有充分考慮到后期液壓缸安裝的具體機(jī)械設(shè)備和設(shè)備實際的工作環(huán)境，所以測試的結(jié)果并不能完全真實反映出液壓缸在實際工作過程中的各項性能。隨著液壓行業(yè)的發(fā)展和新的需求，必然要求能夠更加真實地反映出液壓缸的各項性能。因此，要在試驗臺測控過程中充分考慮液壓缸所在機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行規(guī)律，并且盡可能真實地模擬出設(shè)備運(yùn)行的工況（例如噪音、振動、溫度變化等），再進(jìn)行各項測試，為液壓缸在具體的工作中提供更為準(zhǔn)確的性能指標(biāo)。從國內(nèi)的發(fā)展?fàn)顩r來看，一般的工業(yè)領(lǐng)域的液壓產(chǎn)品，目前基本上還沒有做到這一點(diǎn)，那么如何實現(xiàn)模擬設(shè)備工況環(huán)境進(jìn)行測試，也將是后續(xù)液壓測試技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵點(diǎn)之一。

3.4 5G技術(shù)的應(yīng)用

2019 年6 月初，工信部正式向各大運(yùn)營商發(fā)出5G商用牌照，標(biāo)志著我國已經(jīng)正式進(jìn)入5G 時代，伴隨著5G 網(wǎng)絡(luò)的不斷建設(shè)，人們的生活、生產(chǎn)都將向數(shù)字化轉(zhuǎn)型，而5G 網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用更是不可限量。數(shù)字化發(fā)展是液壓缸試驗臺的大勢所趨，面對5G 時代的到來，如何利用這個前所未有的新機(jī)遇，帶動液壓缸測試技術(shù)向數(shù)字化轉(zhuǎn)型也必定會成為研究的熱點(diǎn)。

4 結(jié)語

面對目前我國的液壓缸測試技術(shù)與國外的先進(jìn)水平還存在比較大的差距的現(xiàn)狀，為了解決試驗臺在實際運(yùn)行中存在的一些局限和問題，本文對試驗臺測控技術(shù)的的關(guān)鍵做了一定的分析，以期能夠?qū)σ簤焊自囼炁_測控系統(tǒng)的安全可靠、平穩(wěn)高效運(yùn)行提供一定見解。