油缸實時檢測系統控制策略研究

龔 進，譚 青，趙喻明，衡保利

(1.中南大學機電工程學院，長沙 410083;2.湖南山河智能機械股份有限公司，長沙 410100)

油缸實時檢測系統控制策略研究

龔 進1，2，譚 青1，趙喻明1，衡保利1

(1.中南大學機電工程學院，長沙 410083;2.湖南山河智能機械股份有限公司，長沙 410100)

針對現有油缸檢測系統檢測手段和技術落后及檢測精度低等缺點，提出把測試項目模塊化后，將模塊有機組織在液壓缸運行過程中來完成油缸檢測的控制策略。運用PLC(programmable logic controller，可編程控制器)控制、CoDeSys組態軟件和Visual Basic 6.0技術設計了一套油缸實時檢測系統。試驗結果表明，新的測試系統實現了實時檢測、試驗數據和曲線以及試驗報告的輸出和打印，提高了檢測效率。

油缸;實時檢測;模塊化;控制策略

1 前言

油缸作為液壓系統的執行元件之一，廣泛應用于裝載機、挖掘機、旋挖鉆機等工程機械上。其性能不但直接決定了液壓系統的可靠性，而且影響著設備的正常運行和維護，因此檢測油缸性能是否達到設計要求是很有必要的［1］。但現有的測試系統不僅測試項目有限，而且檢測手段和技術落后、檢測精度低。針對油缸需要檢測多個項目的特點，設計全面檢測油缸的新型試驗臺［1～3］和研制自動檢測控制系統［4］，初步實現了對油缸試驗數據高效率、高精度采集和實時顯示。但對油缸各個項目測試方法以及如何采取最佳的控制策略去實現對油缸的檢測則少有研究。該油缸實時測試系統為湖南山河智能機械股份有限公司設計，可對從低壓到高壓等各種型號與規格的油缸進行型式試驗和出廠試驗。它是利用PLC(programmable logic controller，可編程控制器)和CoDeSys組態軟件將計算機控制、檢測技術、計算機網絡技術與液壓控制系統有效地結合起來的新型檢測系統。筆者針對油缸測試項目多的特點，采用測試項目模塊化，同時提出相應的控制策略來完成油缸的檢測。

2 檢測系統技術方案

本油缸試驗臺能對流量在616 L/min，最高測試壓力60 MPa以下的各類油缸進行測試，實時檢測系統則需對油缸試驗臺和油缸進行實時監控，這就要求測試系統不僅要采集油缸的各類測試數據，還要實時顯示油缸性能參數以及試驗臺的運行狀態和故障情況。

參照液壓系統原理圖，制定電磁鐵工作循環表，設計電路接線圖，定義系統的 I/O分配表，通過RS232串口實現PLC與上位機之間的通信。根據檢測項目，采用測試項目模塊化設計，利用CoDeSys組態軟件編寫、調試控制程序。與其他控制器相比，INTELCONTROL的PLC自帶A/D、D/A轉化、數字輸入/輸出以及計數器裝置，這就很大程度上簡化了檢測系統的復雜性，也為程序的編寫提供了更大的方便。同時利用VB6.0進行人機交互界面的開發，完成檢測數據的處理和顯示，解決實時顯示問題。最后實現對油缸的高精度、高效率檢測和油缸性能參數的實時顯示。圖1為液壓油缸試驗臺控制系統結構圖。

圖1 液壓油缸試驗臺控制系統結構圖Fig.1 Control system configuration of hydraulic cylinder test platform

3 控制策略研究

測試液壓油缸時，有兩種控制策略。a.以液壓缸運行過程為主軸來組織測試項目，應盡可能地把被測項目有機地組織在油缸運行過程中，在油缸一次來回運動中完成所有測試項目;b.以每個試驗項目為中心，使每測試一個項目時，讓油缸按試驗項目所要求的狀態來運行。根據實際情況需要手動、自動兩種操作方法，所以不能把上述兩種控制策略徹底分割，而是把它們結合起來運用。在設計自動控制程序時，考慮運用第一種控制策略，而在設計手動控制程序時，考慮運用第一種和第二種控制策略相結合的方法來檢測油缸。

在自動檢測時，液壓缸從底端運行到最大行程時，可以把最低啟動壓力模塊和耐壓試驗模塊、內部滲漏試驗模塊和緩沖試驗模塊有機結合起來。而從最大行程運行到底端時，則可以把內部滲漏試驗模塊、全行程檢測模塊穿插進去。這樣一個行程來回就可把所有要測試的項目完成。而手動檢測時只是把被測油缸運行流程分為前進、后退、增壓等三大塊，而其他的測試模塊串入其中對液壓缸進行測試。與自動檢測相比，只是具體考慮了操作人員的工作習慣和便于檢測而已，控制模塊沒有改變。所以文章只闡述自動控制中相關測試項目模塊策略的研究，對手動程序不再贅述。自動控制程序框圖如圖2所示。

3.1 試運行和行程檢驗模塊

在油缸試運行過程中，控制器每隔一段時間比較位移傳感器采樣來的位移值，根據采集的數據是否相等來判斷油缸是否運動到兩端來實現油缸自動運行。由于運用了極值模塊采集到了油缸的最大行程Smax和最小行程Smin，這里就可以在油缸試運行完后得到油缸行程S。

圖2 系統自動控制程序框圖Fig.2 Program configuration of system auto-control

3.2 油溫控制模塊

油溫控制采用兩點式控制策略，即當油溫溫度低于最小值時，警示紅燈亮，同時油溫加熱器工作。而當油溫溫度高于最大值時，則讓電磁水閥通水冷卻系統油溫。

3.3 啟動壓力ps檢測模塊

傳統的試驗臺測試油缸的啟動壓力特性時，是在無負載工況下，通過手動調整溢流閥，使無桿腔(雙活塞桿液壓缸，兩腔均可)壓力逐漸升高至液壓缸啟動時，記錄下最低啟動壓力。這樣不但浪費了大量的人力物力，而且測試效率還很低。考慮活塞從靜止到滑行兩個運動狀態所受的摩擦力不同，得到不同的運動方程，方程等式為:

式(2)和式(3)中，p1為有桿腔試驗壓力;A1為有桿腔有效面積;p2為活塞從靜止到開始啟動時有桿腔試驗壓力;p'2為活塞運動時有桿腔試驗壓力;A2為有桿腔有效面積;F為活塞與缸體有效壓力;μs為靜摩擦系數;μk為動摩擦系數。

由于μs＞μk，因此活塞從靜止到滑行時的臨界壓力比活塞運動時的壓力大，即。這樣通過比較傳感器采集的無桿腔壓力值來自動讀取啟動壓力值。圖3為啟動壓力ps檢測模塊控制策略框圖，其控制策略為:

圖3 啟動壓力ps檢測模塊控制策略框圖Fig.3 Control strategy configuration of testing module of start-up pressure ps

1)首先，液壓缸還未運行時，由于系統存在一定的背壓，取此時的背壓為進油腔壓力(無桿腔壓力)的初始壓力p0，Δp0為其靈敏度。

2)i(i=1，2，…)個采樣周期后，根據式(2)和式(3)，比較pi+1與pi來確定ps的值，具體方法如下:

3.4 內泄漏及耐壓試驗模塊

根據國標GB/T15622－2005標準，液壓缸耐壓試驗所需壓力是油缸公稱壓力的1.5倍。而內泄漏試驗所需測試壓力為用戶指定壓力。結合實際情況，可以把內泄漏試驗壓力和耐壓試驗壓力都定為1.5倍公稱壓力，從而把內泄漏試驗和耐壓試驗統一在一起。

3.4.1 內泄漏試驗

在以前的液壓缸試驗臺測試油缸的內泄漏時，需要卸下液壓缸的回油管并接一個量杯，保壓在測油缸的額定壓力5 min后觀察量杯的內泄漏量。這很不方便，文章通過擬合壓力曲線來得到泄漏壓力和時間的函數關系，進而得到泄漏量與時間的關系式，這樣就很方便地實時測出內泄漏量。

考慮到液壓缸的活塞和缸孔之間都存在圓環縫隙［5］，但圓環縫隙有同心圓環縫隙和非同心圓環縫隙，它們的縫隙流量公式分別為式(5)、式(6):

式(5)和式(6)中，d為活塞直徑;δ為內、外圓同心時的縫隙厚度;μ為動力粘度;l為活塞的厚度;Δ p為壓力損失;u0為相對運動速度;ε為相對偏心率，ε =e/δ，其中 e為偏心距。

從式(5)可以看到，當按試驗要求ε=0時，它就是(1)式;當ε=1時，即在最大偏心情況下，其壓差流量為同心圓環縫隙壓差流量的2.5倍。可見在液壓元件中，為了減少圓環縫隙的泄漏，應使相互配合的零件盡量處于同心狀態［5］。考慮到實際油缸的加工精度和試驗要求，在程序模塊設計時，取ε=0。同時系統通過兩個液控單向閥可使被測油缸停在行程范圍內任意位置，這樣相對運動速度u0=0。則t時刻內泄漏量公式為:

式(8)中，pi為進油腔壓力;p0為出油腔壓力。pi因為泄漏時刻在變化，p0是系統背壓力，近似不變，則Δp也是時間t的函數，關系為:

由式(7)至式(10)可以得出一段時間內油缸在行程范圍內任意位置的總內泄漏量ql:

式(11)中，t0為保壓開始時刻;tt為保壓結束時刻，取tt－ t0=5 min。

3.4.2 耐壓試驗

進行耐壓試驗時，判斷油缸耐壓壓力pt是否滿足耐壓試驗所需公稱壓力pr的1.5倍。這有兩種情況:

1)當液壓缸的 1.5倍公稱壓力小于等于32 MPa時，由于電磁溢流閥的溢流壓力是32 MPa，可以直接判斷是否滿足式(12)關系，得出內泄漏量和保壓曲線。

式(12)中，Δpr為增壓力死區。

2)當液壓缸的1.5倍公稱壓力大于32 MPa且小于60 MPa時，控制器控制判斷液壓缸運動到底端時，輸出PWM(pulse width modulation，脈沖寬度調制)波來調節電液比例閥，泵輸出壓力pyt經增壓缸四倍增壓后使油缸耐壓壓力pz達到1.5倍公稱壓力。方法如下:

圖4所示為耐壓與內泄漏檢測模塊控制策略框圖。

圖4 耐壓與內泄漏檢測模塊控制策略框圖Fig.4 Control strategy configuration of pressure resistance and internal leakage testing module

4 試驗研究

在試驗調試中，使用SWE65型號挖掘機動臂油缸作為被試油缸。46﹟液壓油，試驗油溫度30℃。動臂油缸相關尺寸參數:行程775 mm;油缸內徑φ110 mm;活塞直徑 φ 109 mm;活塞桿直徑φ 55 mm;額定工作壓力 21MPa;測試壓力31.5 MPa;缸內壁表面粗糙度 0.4。

4.1 試驗方法

1)設置RS232通信協議。采用RS232通信方式，在“COM1”通信口設置波特率57600 bp/s，偶校驗，8位數據位，1位停止位。

2)傳感器標定。把操作按鈕打到手動位置，手動調節系統壓力，按下前進/后退按鈕讓被測油缸來回運行，得到油缸大小兩腔壓力數據，并運用曲線擬合方法來標定傳感器。

3)手動/自動按鈕進行試驗。手動/自動擋都可以完成油缸所有測試項目。同時測試系統可以實時顯示、自動保存、打印試驗數據和相關曲線。

4.2 試驗結果與分析

1)測試得到行程L=774.9 mm。緩沖效果達到設計要求，沒有外泄漏。

2)啟動壓力不僅可以從基于VB6.0技術的虛擬自動報表儀表上直接得到，也可以直觀地從壓力曲線上讀出，如圖5所示。液壓缸在0.06 s時開始啟動，啟動壓力為5.4 MPa。

3)試驗得到油缸從底端運動到頂端時需3.85 s，平均運動速度 V=201.3 mm/s。

4)無桿腔進壓力油保壓壓力曲線如圖6所示。其中“149，0.5”表示在 t=149 s時刻，有桿腔背壓為0.5 MPa，其他數據同理可讀。這樣可知，在時刻t=4 s時加壓到 31.6 MPa開始保壓，延時到t=300 s時得到無桿腔高壓油下降到27.4 MPa。根據式(11)，上位機直接得到這段時間泄漏量為V1=7.73 ×10－9m3。

圖7 有桿腔保壓和內泄漏壓力曲線Fig.7 Experimental curve of internal flow leakage and pressure resistance of the cylinder rod-end-chamber

類似圖6，有桿腔進壓力油保壓壓力曲線圖如圖7所示。無桿腔背壓為0.2 MPa。t=4 s時加壓到31.4 MPa開始保壓，t=300 s時無桿腔高壓油下降到 25.9 MPa。系統的泄漏量為 V2=7.58×10－9m3。可見V2＜V1，說明無桿腔保壓時的泄漏量比有桿腔泄漏量少。初看這和有桿腔保壓壓力損失比無桿腔保壓時的壓力損失大的情況矛盾，其實不然，考慮到無桿腔最大容積，而有桿腔最大容積，按單位體積泄漏量比較則有桿腔泄漏量是無桿腔的泄漏量的1.3倍，說明圖6和圖7曲線表明的泄漏量與壓力損失的關系是準確的。然而，從上面可以得出該缸的泄漏量很小，在5 min時間里的泄漏量的容積比為萬分之一左右。

5 結語

1)針對液壓缸試驗項目多的特點，提出把各個測試項目模塊化思想，然后將模塊有機串入檢測過程中來完成油缸檢測的控制策略。

2)試驗結果表明，該實時檢測系統完成了對油缸各測試項目的檢測，能實時顯示各測試項目的性能參數和測試曲線。同時還可對試驗臺液壓系統運行狀況、故障情況進行監控。

3)由于現階段油缸產品的數據庫管理系統需要進一步完善，一些相關參數只能手動輸入后才能完成測試，下一步如何完成油缸設計參數的數據庫管理將是工作重點。

［1］馬俊功，王世富，王占林.液壓油缸試驗臺研制［J］.機床與液壓，2007，35(1):139 －141.

［2］林 躦，陳奎生，朱 珣.液壓缸(馬達)試驗臺的研制［J］.機床與液壓，2005(3):125－127.

［3］張立軍，趙升噸，劉克銘.中高壓液壓缸試驗臺液壓系統仿真機優化［J］.系統仿真學報，2007，19(3):671－674.

［4］錢忠卿，劉海紅.基于組態軟件的液壓馬達綜合試驗臺控制系統設計［J］.機床與液壓，2006(9):188－190.

［5］劉延俊，王守城，楊前明，等.液壓與氣壓傳動［M］.北京:機械工業出版社，2007.

Research on control strategy of real-time testing system for hydraulic cylinder

Gong Jin1，2，Tan Qing1，Zhao Yuming1，Heng Baoli1

(1.School of Mechanical and Electrical Engineering，Central South University，Changsha 410083，China;2.Hunan Sunward Intelligent Machinery Co.，Ltd.，Changsha 410100，China)

Aiming at the disadvantage of traditional hydraulic cylinder testing system，such as old measure，low detection precision，etc.，a new control-strategy to checkout property of tested cylinder was proposed.The new strategy succeeded to modularize the tested property and organically combine tested properties of cylinder together during hydraulic cylinder moving.The new real-time testing system made use of the technic of PLC(programmable logic controller)，CoDeSys configuration and Visual Basic 6.0.The test results indicated that the realtime testing system made hydraulic cylinder properties be inspected successfully;test data and curve could be printed out，and increased testing efficiency.

hydraulic cylinder;real-time testing;modularization;control strategy

TH137

A

1009－1742(2011)03－0071－06

2009－01－14

龔 進(1963—)，男，湖南益陽市人，高級工程師，副研究員，主要從事工程裝備電液控制及機電一體化;E －mail:gj8@sunward.com.cn