一种轴向负载模拟加载装置设计

谈宏华 宋学贤 王科敏

（武汉工程大学电气信息学院，湖北 武汉430074）

引言

液压传动技术与机械技术、电子技术越来越紧密的结合，推动液压传动与控制系统向模块化、集成化、系统化方向发展［4］，加强电液控制技术的研究，特别是对电液比例/伺服技术的深入研究，并在检测系统的推广应用，对提高测试精度、自动化程度和检测效率，以及增强系统可靠性方面具有重大的意义。

液压缸作为液压系统的执行元件之一，其性能的优劣不但直接决定了液压系统的可靠性，而且影响着设备的正常运行和维护，因此需要通过检测系统检验其性能是否达到技术要求。

本系统是基于课题组承担的孝感某高新企业一套液压缸负载模拟加载检测设备而开展设计。在运用一系列先进理论和技术的基础上，考虑到工业应用的实际情况，因此本装置以追求实际应用的可靠性为主，辅以部分较先进的技术。

本文设计液压缸加载试验台主要考虑以下几个方面。一是分析被测量液压缸之间共同的性能以及测量范围；二是适应不同型号的缸加载装置的设计；三是结合设计要求提出新的便捷的测量方法。

1 系统方案设计

本系统在充分解读用户的技术协议的基础上提出的，性能指针必须满足用户的设计要求。轴向负载模拟加载装置主要由液压系统，电气测控系统，负载加载平台三部分组成，液压系统通过液压传动使液压力作用于两个加载油缸使之产生模拟负载，电气测控系统对整个液压系统加载台架和实验过程进行全程控制和监测，这部分是整个系统控制中枢，加载平台用来放置被测设备，是开展模拟负载加载试验的平台。系统组成框图如图1所示。

图1 系统结构框图Fig.1 System structure diagram

1.1 加载装置液压系统设计

液压系统主要指针：

环境温度：－5℃～50℃

湿度：5%～98%

最大压力压力35MPa，工作压力0～25MPa

载入行程：0～5m

流量：0～160L/min

负载：满载负载200T，比例可调

根据以上性能指针，系统最大压力为35MPa，工作压力为25MPa，流量160L/M。液压系统压力和流量都较大，因此选用斜盘式轴向柱塞泵。其它液压组件依据要求选取。本系统采用离散液压组件和集成液压块组成液压系统，采用集成块的方式能使系统结构紧凑，不易泄漏，占用空间小。

如图2为负载加载装置液压系统原理图，11为加载液压缸，10为被试液压缸，6－1和6－2为电磁换向阀，3－1和3－2为比例溢流阀，23为溢流阀，24为安全阀，7－1、7－2为比例节流阀。

图2 液压系统原理图Fig.2 The principle diagram of the hydraulic system

采用比例溢流阀来实现对液压回路压力的调节作用。通过改变输入比例电磁铁电流的大小来调节和改变调压弹簧的预紧力，从而实现对调节系统压力的作用，可方便地实现远程连续的调压功能，其优点是能使加载试验台的自动化智能化程度更高，便于操控。加载试验台液压系统原理如图2所示。

液压站向试验台供压力油。通过先导溢流阀24调整加载液压缸系统安全压力，确保系统安全可控范围内正常运行。比例调压阀23调节被试缸液压系统工作压力。电磁换向阀6－1和6－2分别控制被试缸和加载缸的前进、后退及停止等运行状态。单向节流阀7－1和7－2（出口节流）控制被试缸往复运动的速度。电磁换向阀6控制回油经流量计或直接回油。系统压力P口、两种液压缸A口和B口接有压力表，A口和B口接有压力传感器。电磁换向阀6－2控制加载缸运动状态，比例溢流阀3－1和3－2调节加载缸的模拟加载力。试验台整体上采用集成化的设计思路，液压缸试验台内液压元件大部分集成到集成块如图3。加载缸和被试缸的运行工况，如速度，加载力，运动方向，连续运行等，都可以通过系统压力和流量控制组件选择不同的开启组合来满足测试试验的各项要求。对于需要大排量来满足额定的大负载时可以调节柱塞变量泵，而需要用到的小排量时，则可以采用调节节流阀来达到小排量的目的。

图3 液压元件集成块Fig.3 Hydraulic components integrated block

2 控制与数据采集系统

2.1 控制与数据采集系统硬件组成

图4所示为加载装置测控系统结构框图。测控系统主要由工控机监控台和手动操作台及其配套电气电路组成。手动操作台是控制液压站各个电机、加热器、冷却器以及试验时的手动调节的主令控制台；工控机监控台由工控机、信号调理卡、数据采集卡、信号输出卡、显示器、打印机等组成，对整个负载模拟测试系统进行自动化集中控制和检测，并通过运行于工控机上的人工界面实现对各种测试实验实时监控，并将测得的数据保存至系统试验数据库中生成报表，支持历史试验数据的查询。

数据采集系统主要由各种传感器作为信号采集终端，由于种类和种类繁多，为保证系统集成的简便性和信号调理的可靠与方便，本系统传感器均采用输出信号为4－20mA标准信号的传感器。压力传感器监测加载油缸和被试油缸的进去油口的压力，位移传感主要用在系统加载试验时各种工况下，监视被试缸的行程，往复运动位移，力传感器测量在进行加载试验时，加载缸和被试缸的对顶时，连接杆上的加载力。监控系统通过数据采集系统将以上各种传感器的数据进行处理分析，然后通过设定的程序算法，对比例溢流阀和比例节流阀，电磁换向阀实时控制，使系统在既定的状态下运行，从而实现试验系统的各种测试要求。

图4 加载装置电气测控系统结构框图Fig.4 The diagram of loading device for electrical measurement and control system

2.2 测控系统软件设计

工控机监控系统软件由NI公司的LabVIEW设计而成，LabVIEW依托性能优越的工控机发挥自身强大的数据采集和运算能力的优势，可以很好完成系统测试数据的采集和设备控制任务。监控系统包括试验数据采集与处理、试验动作控制两个部分，是控制软件的核心，在试验模式下能够自动或手动完成被试液压缸的检测工作。测试系统软件流程图如图5所示。

图5 试验系统软件流程图Fig.5 Test mode control interface

液压缸测试界面中有液压缸A口压力、B口压力、泄漏流量计、缸位移传感器和力传感器的实时显示仪表。设置实验参数与结果记录区，主要记录实验过程中的一些试验状态参数和部分数据处理分析结果。如液压缸的启动压力、内泄漏量和最大行程。启动测试工控机可以依据设计的程序自动控制液压系统的运行状况和计算得出这些实验参数。这些参数和数据结果会在自动生成的实验报告中体现出来。负载加载模拟装置监控界面如图6所示。

图6 试验模式监控界面Fig.6 Loading test bench

3 加载台架

加载台架为被试缸检测提供加载平台，如图7为加载台架机械结构图。为了使测试结果能真实反映被试液压缸的性能，本加载台架根据如下四点原则设计。

（1）具有足够的机械强度

试验运行过程中确保装置安全可靠，因此加载台架必须具有相当的强度。加载液压缸满负荷最高达到200T的力，如果台架机械结构强度不够，就会造成加载时台架颤抖，连杆弯曲等不良后果，这将会是相当危险的。

（2）装夹被试缸的固件必须牢固和便利

被试液压缸重达几十公斤，必须使用辅助吊车才能移动。在试验过程中被试液压缸不但在轴向存在巨大的加载力，而且在侧向也有较大分力，因此加固被试缸的夹具必须能够牢固定位被试缸。作为试验装置，同时还要考虑夹具装夹的便利操作性。

（3）模拟实际工作状态

试验装置对被试液压缸在实际工作状态进行各种模拟，包括安装方式、运动方式和负载状况等，以保证模拟试验所测得数据与被试缸在实际工作状况下的性能数据一致性。

图7 加载台架机械机构图Fig.7 The mechanical structure of loading test bench

4 测试实验

模拟负载加载试验台设计完成后需要对其进行出厂测试和试验测试应用，在本实验台上可以开展液压缸全部测试试验，需要完成表1列出的全部十个试验项目，在此重点介绍一下其中的启动压力特性试验、耐压试验和负载效率试验这三个试验方法。

（1）启动压力特性试验。启动压力特性的试验要求为：液压缸在无负载工况下，使液压系统逐步升压，测量被试缸启动时的压力值。工作原理是根据比例调速阀具有流量不随出口压力而变化的特点。首先设定比例调速阀信号，小流量液压油进入液压缸无杆腔，无杆腔随着液压油的增多，无杆腔压力逐渐增大，当增高至能够克服被试缸活塞摩擦力等阻力而推动活塞杆伸出，活塞杆伸出并接触至接近开关时，即停止该项试验。这个过程中，压力传感器记录下无杆腔压力变化的全过程，在这个过程中压力最高值即为被试缸的启动压力

（2）耐压试验。耐压试验从被试缸无杆腔端加1.5倍额定压力，保压2分钟。由于被检验的液压缸类型较多，额定压力不同，为了能够实现工控机的自动控制，本系统使用了电液比例溢流阀，工控机根据被试缸类型远程调节加载压力，对被试缸自动加载规定的压力，在加载缸回油路上加装单向阀实现对被试缸的加载。

（3）负载效率是衡量液压缸综合性能最重要的参数，反映了液压缸的质量水平。本课题设计的检测液压回路如图2－7所示，其工作原理为：工控机远程控制比例溢流阀进行压力加载，被试缸在规定压力下运行，在运动过程中，使用压力传感器实时记录被试缸无杆腔压力P，力传感器实时记录负载力F，预先设定被试缸径，工控机系统即可计算出无杆腔面积么，在程序中定义负载效率公式100%由此可实时计算出负载效率。

表1 液压缸试验项目及要求Table1 Hydraulic cylinder test items and requirements

5 小结

负载模拟加载装置是以液压缸为试验器械并且作为液压缸型式试验和出厂试验的检测设备，不但对保证产品质量起到了关键性作用，也为研究和开发新产品提供了试验设备。由于检测的项目较多也较复杂，必须依靠电液控制系统自动完成液压缸的检测，使检测过程自动化、系统运行可靠和检测结果精确。

本系统采用了电液比例技术，并将虚拟仪器技术应用到控制软件中，最大程度上增强了系统自动化，减轻了操作人员的负担，使检测精度和试验效率得到了很大的提高。

［1］ 谈宏华，潘正春，滕达.基于LabVIEW的液压站监控系统［J］.武汉工程大学报，2010（12）：9497.

［2］ 熊俊俏，郝毫毫，刘增华.精密位移测控系统的设计［J］.武汉工程大学学报，2009，31（9）：5961.

［3］ 谢建，胡一全，田桂，何理.基于电液比例溢流阀的模拟加载系统研究［J］.起重运输机械.2009（03）

［4］ 张红涛，王新晴，梁升，朱会杰.电液比例溢流阀在液压加载系统中的应用［J］.液压气动与密封.2011（09）

［5］ 李军霞，寇子明.电液比例溢流阀特性分析与仿真研究［J］.煤炭学报.2010（02）

［6］ 刘江，谭宝成，牟云霞，程智远.PLC在电液比例控制系统中的应用［J］.机电一体化.2008（01）

［7］ 吴艮霞，李国阳，韦巍.LabVIEW下基于普通数据采集卡的DAQ系统的实现［J］.工业控制计算机.2006（02）

［8］ 李厦，乌建中.液压缸试验台自动测试系统设计与实现［J］.机械设计与制造.2007（10）

［9］ 傅海轮，李建华，叶树明，王长陶，李世伦.液压缸综合试验台测控系统的研制［J］.机床与液压.2006（02）