基于液压伺服和虚拟仪器技术的脉冲试验机设计

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随着工业的发展，产品质量问题越来越受关注，-些液压产品在出厂时，生产厂家需要对其进行严格的疲劳寿命测试。脉冲试验机是利用液压压力瞬间变化产生的脉动冲击作用，对胶管、钢管、冷却器等液压辅件进行静压、脉冲测试 ，测试的脉冲次数-般是几万次，用来考核产品的疲劳寿命 。因此，脉冲试验机已经成为质量检验和科学研究工作不可或缺的试验设备之-。

现有的脉冲试验机-般具有以下特点 j：① 整个测试的过程靠手动操作控制；② 试验参数多采用模拟仪表显示；③ 试验时间长，需要工人轮流值班看守、记录；④ 测试数据不太准确，试验机适应范围小，功能单-。 因此，现有的试验机已不能满足用户的需求，迫切需要对其进行改进。

目前，液压伺服技术以其响应快、控制精度高等优点被广泛应用，而且其发展已经比较成熟，伺服控制策略的研究也比较深人 J。文献[4]建立了-套由伺服阀控制的力反馈液压系统控制方案，实现了液压缸运动的准确控制，但该试验台存在测试精度差的不足。

虚拟仪器技术的优势在于用户可自定义仪器功能、结构，测试精度高，而且构建容易、费用较低，开始在液压测试中得到应用 。文献[6]设计了-种基于虚拟仪器技术的电磁阀综合特性测控系统，实现了电磁阀综合特性的各项测试，提高了测试精度和效率，但该测试系统不能很好地实现精确 自动控制。

本文将液压伺服技术和虚拟仪器技术应用到伺服脉冲试验机中，采用液压伺服系统进行无级调速，并且由控制系统进行自动跟踪补偿，解决现有试验机在试验过程由需要人为地不断进行调整、测试精度差的缺陷；运用虚拟仪器软件 LabVIEW进行编程、试验，解决现有试验机的信号采集及控制困难等不足。

1 伺服脉冲试验机及其液压系统设计该伺服脉冲试验机共有三部分组成：液压系统、机械本体和测控系统。液压系统是试验机的动力源，包括液压泵、液压阀、以及液压辅件等。机械本体是用来放置液压系统及被测试件的。测控系统是系统的控制收稿 日期：2012-09-28基金项目：国家自然科学基金(50905154)；河北省 自然科学基金(E2012203015)；河北侍育厅资助科研项目(ZH2012062)作者简介：陈东宁(1978-)，女，河北抚宁人，副教授，工学博士，研究方向为轧制规程优化、液压系统故障诊断及可靠性。

2013年第3期 液压与气动 77单元，包括工控机、采集卡、PLC、继电器、接触器等，其作用是保证液压系统的正常运行和完成试验数据采集、处理等功能。试验机液压系统由伺服脉冲系统、冷却系统、安全保护装置等几部分组成，其液压系统原理图如图 1所示。

. 球阀 2.油箱 3.冷却装置 4.蓄能器 5.伺服阀 6.压力传感器7.压力表 8.精过滤器 9.电磁溢流阀 1O.单向阀 11.主泵12.电动机 l3.吸油过滤器 14.液位计 15.液温计图 1 脉冲试验机液压系统原理图本试验机液压系统是典型的电液力伺服控制系统，其控制框图如图2所示。

图 2 电液力伺服控制 系统框 图1. 系统技术要求(1)液压交变压力 ：0.5～10 MPa；(2)液压交变频率：0～1.25 Hz；(3)脉冲波形：正弦波、三角波、方波、梯形波；(4)测试介质：液压油：(5)同时测试：1～4件(冷却器、独立控制)。

1.2 主供油系统计算及元件选型根据系统要求的压力、频率等进行计算。由最高脉冲压力P10 MPa，可得伺服阀供油压力为p 3/2 P 15 MPa，考虑到压力损失，系统压力可取 16 MPa。

根据试件的最大容积以及液压油在高压下的压缩量等要求进行流量计算。已知4个冷却器及相关管路的最大容积为6 L，液压管路及试件中会有残余气泡，因此液压油的体积弹性模量选取 E0.8×10 MPa，所以压缩量 △ V×Ap/E0.075 L。

根据 GB/T 7939.2008及实际需求规定，压力上升时间为周期的 15% ～20%，因此上升时间为t 0.12 s，所以负载流量 qI.AV/t 37.5 L/rain，伺服阀的额厂定流量gN吼 /- - 65 L/min。 Ps- P根据计算的压力、额定流量 ，伺服阀选择型号为日本的 GSES-G0342.2O电磁 先导伺服 阀；液压泵 为A2F028轴向柱塞液压泵，当其转速为 1470 r/min时，流量是 41 L/min，额定压力为 3l MPa，因此该液压泵满足系统需求；电动机功率 N pQ/6O12.9 kW，型号为 Y160L4，额定功率为 15 kW，转速 为 1470r/min，效率为 0.85；电磁溢流阀用于调节系统的压力和卸荷，选择力士乐 的 DBW10A1-5X/315电磁溢流阀，对其进行通电卸荷，证明该阀能够满足系统空载启动、空载停止的要求；蓄能器主要用来储存能量，能够满足脉冲上升时间伺服阀对流量的需求，同时，蓄能器吸收柱塞泵出口的流量脉动，保证伺服阀前压力的稳定；过滤器精度为5 m的高压过滤器，用来保护伺服阀不受油污影响；伺服阀是本液压系统中最重要的液压元件，它既是电液转换元件又是功率放大元件，通过它可以输出连续的压力、流量。

1.3 冷却 系统试验机液压系统在长时间工作时产生大量的热量，导致液压油温上升，油液黏度降低，系统泄漏量增大。因此，为了保证系统的连续长时间运行，本系统设计了独立的循环冷却和过滤回路，采用工业冷油机，功率为6.5 kW，经过冷油机输出的液压油经过过滤器过滤后回油箱，保证了油液的清洁。

1.4 安全保护装置为了防止油箱内液位过低，影响液压泵的正常工作，在油箱内装了液位报警器，当油箱液位过低时会发出报警、停机，避免液压泵的损坏。另外，测试过程中具体自动控制功能，如图3所示。试验箱里分成了4个小试件箱，每个试件箱里都配置了液位报警器，当某个试件(比如试件 1)损坏漏油后，相应的报警器发出报警，PLC接到报警后给电磁换向阀 2(这里为了简便只画出-个电磁换向阀，实际上有 8个，用来控制 8个气动球阀)信号，控制相应的气动球阀3切断该油路，而不影响其他三路的测试 ，因此能实现独立控制而且不需要操作者手动操作，同时在试验箱门上安装了开门报警器，在测试过程中开门时会发出报警，保证操作者安全。

78 液压与气动 2013年第3期1.气动三联件 2.电磁换 向阀 3.气动球阀图3 试件自动控制原理图2 基于虚拟仪器的测控系统设计及试验分析虚拟仪器(Virtual Instrument，简称 VI)是基于计算机的仪器，将仪器装入计算机，以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。其 目的是把测试的执行、信号的采集与控制、信号的分析与处理、测试结果的表达与输 出等功能全部放在计算机上实现 。

2.1 硬件组成该试验机测试系统的硬件部分主要由压力传感器(0～15 MPa)、伺服放大器、伺服 阀、采集卡 (PCI。

1716)、工控机、电磁溢流阀、液位报警器、温度传感器(-45～200 oC)、PLC(s7-200)、开门报警器等组成。

其模拟控制过程为：由传感器采集的压力信号经过采集卡处理后传送给计算机，由计算机进行分析、处理、保存、显示，同时对采集的信号与给定信号进行比较，发出控制信号，通过伺服放大器控制伺服阀的动作，实现压力闭环控制；主要的数字控制过程是由 PLC完成的，用来控制电磁溢流阀以及常用的控制动作，如电动机的启停等等。其测控系统框图如图4所示。

工控机PCI-1716采集卡 Iq伺服放大器 爿伺服阀各类传感器 - 试件PLC(fJ子$7-200)： 电机、电磁溢流阀等图 4 测控 系统框 图2.2 编程 软件LabVIEW是-种图形化的编程语言，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室接受，视为-个标准的数据采集和仪器控制软件8 J。由于 LabVIEW 具有直观生动、易学易用、拈化、控制和数据处理能力强的特点，本试验台的测试程序采用 LabVIEW进行虚拟仪器软件开发。

2.3 试验分析本试验台的试件连接如图5所示。经过硬件平台搭建、软件编程、连接被测件之后，进行如图6所示的方波测试，脉冲压力为4.5 MPa，脉冲频率为 1 Hz。

图 6 报警 自动处理界面在测试界面上可以清晰地看到试验过程中的各项参数，如当前完成的脉冲次数、脉冲波形、脉冲压力、工件有无损坏、有无报警等，还可以在界面上方便地对各项参数进行调节。本试验台具有 自动处理故障的功能，当系统进行了5万多次的脉冲疲劳测试后，由于冷却器的寿命有限，已有3个损坏，系统已经自动报警并把相应的阀门关掉。

2.4 测试结 果输 出传统的测试需要手工记录数据然后制作试验报告，而本试验机利用虚拟仪器强大的数据处理功能，自动记录试验数据并生成试验报告，图7是在进行方波试验过程中生成的-个试验报告。

脉冲试验报告Et% 1 201-iB I tt I 8，0EcS## l 1 ， l ± 日# o1l-I o6 i hfitili j 3 6。 1 lti- I 瑚 E I h t ll· 1 1 l叮 -～图 7 试验报告3 结论本文设计出基于液压伺服和虚拟仪器技术的脉冲试验机，对其原理、测控系统软硬件进行分析，并通过试验可知该试验机具有以下优点：(1)采用液压伺服技术进行无级调速，实现了测试的模拟闭环控制，满足了测试要求；2013年第3期 液压与气动 79基于 AMESim 的 21 t液压挖掘机液压管路系统压力损失计算李 萍 ，殷展波 ，叶 仪 ，贾文华Simulation of Pressure Drop in Excavator Hydraulic Pipe System by AMESimLI Ping ，YIN Chen-bo ，YE Yi ，JIA Wen.hua(1.南京工业大学 车辆与工程机械研究所，江苏 南京 211816；2.南京工程学院，江苏 南京 211167)摘 要：在挖掘机液压系统的整个能量损耗中，管路系统的压力损失所造成的功率损失是不容忽视的部分。该文以某公 司生产的 21 t液压挖掘机为样本 ，分别利用理论公式和 AMESim软件对该挖掘机液压 系统的管路压力损失进行了计算和建模仿真，对挖掘机工作装置的-个循环工作过程进行了研究，得出在这-过程中管路压力损失最大发生在动臂上升、斗杆和铲斗外摆的复合动作中，其损失约为2.7 MPa，约占系统总压力的5%左右，理论公式得出的对应这-复合动作的压力损失为2.5 MPa，软件仿真与理论公式结果非常接近，表明了软件仿真的可行性，为挖掘机液压系统管路压力损失的计算提供了重要方法。

关键词：液压挖掘机；理论公式；AMESim；管路压力损失中图分类号：TH137 文献标志码：B 文章编号：1000-4858(2013)03-0079-04引言液压管路是挖掘机液压系统的重要组成部分，主要由各种管道、接头、弯头、阀类零件组成。挖掘机在作业过程中，液压系统以油液作为介质来实现能量转换，油液沿管路流动，流经各控制阀和工作元件时存在各种各样的能量损失，主要包括节流损失、溢流损失和管路压力损失，其中液体在直管中流动时由于摩擦弓收稿 日期：2012-09.17基金项目：江苏势技支撑项目(BE2011187)作者简介：李萍(1985-)，女，山东临沂人，硕士，主要从事液压挖掘机液压系统关键节能技术的研究工作。

(2)采用虚拟仪器技术完成信号的采集与控制 、分析与处理、存储与输出，实现了整个试验过程的自动控制，减轻了工人负担、降低了生产成本；(3)利用虚拟仪器软件 LabVIEW进行编程，操作简单，人机界面友好，功能强大；(4)该脉冲试验机可有效地进行冷却器脉冲疲劳试验，在设定的脉冲压力和脉冲频率的前提下，根据测试出产品失效时的脉冲次数，进-步获取失效的原因。