大功率液壓負載模擬試驗臺的研制

楊培剛

（湖南生物機電職業技術學院，湖南 長沙 410126）

為了在室內模擬大功率機械裝備的負載來完成混合動力系統機電耦合特性試驗，設計一套能夠模擬動力系統實際負載的加載系統非常必要。目前中國的加載系統有機械式、液壓式和電動式［1，2］。機械式的加載結構簡單，加載有沖擊，對于復雜狀況的負載模擬程度低，可調性比液壓系統差。電動加載系統具有體積小，響應速度快等特點，但是對于大功率負載模擬難以達到很高的調節精度。液壓系統具有工作平穩、能夠大范圍的無級調速、易于自動化控制等諸多優點，是本系統加載試驗的首要選擇。液壓加載系統是由多個液壓元件組成的非線性系統，各液壓元件間依靠液壓介質進行能量的傳遞，同時依靠控制系統傳遞的控制信號實現壓力、流量的控制［3］。

1 負載模擬試驗臺設計目標及方案

1．1 設計目標

本試驗臺采用液壓系統實現加載，圖1為7t挖掘機典型工況下負載功率曲線［4］，對該曲線進行分析得出負載模擬系統設計的目標：

（1）功率輸出特性具有可控性；

（2）輸出功率波動大且變化范圍在0～40kW；

（3）周期性強且周期短，每個周期大約18s；

（4）具有超壓自動卸荷功能。

圖1 7t液壓挖掘機挖掘作業泵需求功率Figure1 The required power of pump of 7tons excavator when working

1．2 設計方案

整個試驗平臺包括動力總成部分、液壓負載模擬部分、測控系統部分。圖2為試驗平臺結構設計方案圖，其中動力部分是由柴油機、電機、轉速／轉矩傳感器組成，傳感器與電機、發動機之間均采用爪式彈性聯軸器連接，可避免傳感器受彎矩的影響并且可隔離柴油機的振動。負載模擬系統由液壓泵、油箱、冷卻器、閥類等液壓元件組成。測控系統通過PXI系統完成，主要采集的信號包括：柴油機實時轉速、轉矩、電機實時轉速、轉矩、泵出口壓力、流量，輸出的主要控制信號包括電機轉速、電機通斷、閥的壓力控制信號等。

圖2 負載模擬試驗平臺設計結構方案圖Figure2 Project scheme of load simulation test system

2 負載模擬試驗平臺設計

負載模擬部分主要通過對壓力閥的閥口開度進行系統壓力控制，產生的背壓用來模擬實際載荷，管線間大部分采用軟管減少沿程壓力損失，液壓站的設計要達到既能實現加載功能又可節省制造開支與占用空間的功能。由于測試功率較大，從油液的自然冷卻，油液的沉淀過濾以及控制方式考慮，采用了下半部分為油箱、冷卻器、過濾器等液壓元件，上半部分為控制屏的模式，主要包括壓力表、信號指示燈等，來達到集中控制減少管路損耗，便于直觀操作和移動的目的。底端四角和頂端分別設計有可以起吊的釣餌可以方便的進行移動。考慮功率的損耗、發熱及傳動效率方面，將閥類元件安裝在集成塊上，在集成塊設計時，需考慮測試功率的大小及流量，所以集成塊的設計盡量緊湊。負載模擬系統實物圖見圖3。

圖3 負載模擬系統實物圖Figure3 Physical map of load simulation test system

3 負載模擬試驗臺測試系統設計

3．1 測試系統硬件組成

該控制系統選擇PXI系統作為控制平臺，包括壓力傳感器、PXI機箱、信號采集卡、控制器、接線端子及顯示器、放大器等元件。

3．1．1 傳感器 本課題需要一個測試泵出口壓力的壓力傳感器，選用擁有計算機補償技術、精度高、溫漂小并且能夠達到測量量程的壓力傳感器SY－PG5205。其測量最大值為31．5 MPa，經測量后轉換成0～5V 的電壓信號被采集。

3．1．2 比例功率放大器 本研究使用的放大器是可與電磁比例溢流閥配套使用的比例閥控制器，型號為BD－2000K－50，其性能穩定、可靠性高，組成主要包括穩壓器、斜坡發生器、輸入值預調電位器、500Hz正弦振蕩器等。

3．1．3 數據采集卡與控制器 本研究采用美國NI公司出品的PXI－6251數據采集卡進行數據的采集，該采集卡可以提供16個模擬輸入（AI）通道、2 個模擬輸出（AO）通道、24個雙向數字通道。控制器選用PXI嵌入式控制器NI PXI－8106，無需使用外部PC機，集成有CPU、硬盤驅動器等一些外圍設備。它配有2．16GHz雙核處理器，能夠很好的進行數據采集應用，是比較理想的模塊化儀器。

3．2 軟件設計

本研究采用LabVIEW 軟件編寫控制程序［5］，如信號采集、控制信號輸出、數據存儲等，控制方法采用PID 控制對目標進行實時跟蹤調節［6］，其控制結構框圖見圖4。

圖4 系統控制結構框圖Figure4 Structure diagram of system control

本系統采用DAQmx的控制方式。它對于傳統DAQ 更加方便編程并可使用高性能的測量程序。NI－DAQmx驅動軟件不但可以進行基礎的數據采集，在控制系統中的開發過程也具有高效、高性能等優點。本研究采用NI公司PCI－6251完成數據采集功能，由于壓力傳感器的輸出為0～5V，所以設置范圍為0～5V，采用模擬電壓輸入，設置其采樣率為1 000Hz，則泵出口壓力數據的采集程序見圖5。

針對此液壓負載模擬系統，主要是通過改變輸入電流對比例溢流閥進行控制，電流首先經過比例放大器，放大器的輸入為0～10V 的電壓信號，輸出為0～1 000mA 的電流。

在DAQmx創建通道時輸出方式選擇模擬電壓輸出，數據輸出程序與數據輸入程序使用的函數大部分相同，使用DAQmx Write向輸出通道中發送波形數據［7］。其數據輸出程序見圖6。

數據的存儲采用TDMS文本存儲格式，它是NI公司大力提倡的一種數據文本存儲格式，它提高了寫入速度，還提供了用于定義屬性的更簡單的接口。存儲程序見圖7。

圖5 數據采集程序圖Figure5 Program

圖6 數據輸出程序圖Figure6 Program of data output

圖7 數據存數模塊Figure7 Model of saving data

4 負載模擬試驗臺測試試驗

本研究以7t挖掘機在典型挖掘工況下的負載功率為目標，搭建了液壓加載方式的負載模擬試驗臺，為驗證所設計的液壓系統能否達到要求以及控制系統、數據采集功能的可靠性，將對典型工況下的負載進行模擬試驗研究。

模擬挖掘機典型工況下的負載曲線，首先將排量與轉速設置為固定值，分別為55mL／r和1 450r／min，再通過控制比例溢流閥的輸入電流進而控制整個系統的壓力及功率，并將試驗曲線與實際的負載曲線進行分析對比。

根據試驗原理，分別將轉速和排量設定好后，對比例電磁鐵輸入的控制電流見圖8。

將壓力傳感器采集到的電壓信號轉換成系統的壓力，則系統壓力見圖9。

通過圖9中的壓力數據再根據功率計算公式得到系統的功率，它與實際工況下的負載功率曲線對比見圖10。

由圖10可知，系統的最大輸出功率可達40kW，試驗曲線延遲不大，只在波動較劇烈處無法跟上響應，但是從整體上來看，此負載模擬系統能夠滿足設計要求，可實現對挖掘機的負載進行模擬。

圖8 負載模擬系統控制電流Figure8 The controlled current of loadsimulation test system

圖9 負載模擬系統輸出壓力曲線Figure9 The output pressure curve of load simulation test system

5 結論

圖10 試驗曲線與目標功率對比圖Figure10 Comparison chart of target power with experiment

對挖掘機在典型工況下的負載進行了分析，得到挖掘機負載的特點，并根據這些特點提出了本研究的設計要求。根據設計要求，對負載模擬試驗臺進行了設計與搭建。采用虛擬儀器技術與LabVIEW 軟件完成了負載模擬試驗臺控制系統的開發。通過試驗對所設計的負載模擬試驗平臺進行測試，對典型工況下的負載進行了模擬試驗。試驗結果表明所設計的負載模擬系統能夠實現對挖掘機負載的模擬。

1 左時倫，陳美寶．某系列變速器試驗臺液壓加載系統設計［J］．機床與液壓，2008，36（9）：224～226．

2 陳鶴梅．某型航空軸承試驗臺液壓加載系統研究［D］．長沙：中南大學，2010．

3 馬偉．挖掘負載模擬系統及其控制方法研究［D］．杭州：浙江大學，2008．

4 肖清．液壓挖掘機混合動力系統的控制策略與參數匹配研究［D］．杭州：浙江大學，2008．

5 蒙艷玫，高鳳偉，段敬利，等．基于LabVIEW 的振動測試分析系統的研究［J］．廣西大學學報，2007，32（2）：114～117．

6 王翠翠．基于虛擬儀器水泵性能參數檢測系統的設計與實現［D］．沈陽：沈陽理工大學，2009．

7 郝麗，趙偉．基于LabVIEW 實現信號模擬輸出的兩個關鍵問題［J］．電氣電子教學報，2010，32（3）：16～19．