工程機械動力總成試驗臺設計

麥云飛,楊淮楠

(上海理工大學 機械工程學院,上海 200093)

?

工程機械動力總成試驗臺設計

麥云飛,楊淮楠

(上海理工大學 機械工程學院,上海 200093)

工程機械的正常工況可以類比為一般車輛的惡劣工況,即大負荷周期性波動,這對動力系統的瞬時動力性能提出了非常嚴酷的要求.液壓-動力系統集成匹配性能的優劣直接決定了油耗、效率、協調性等整車性能.為針對動力液壓系統的匹配性能進行測試優化,設計了工程機械機、電、液匹配綜合性能試驗臺.試驗臺包含3個直線加載通道和3個扭矩加載通道,不僅可以滿足對挖掘機、推土機的性能測試,通過簡單改裝也可用于各種工程機械的性能測試.

工程機械; 動力系統; 加載系統; 電液伺服

工程機械,特別是挖掘機,是典型的機、電、液一體化綜合系統.挖掘機工況惡劣,載荷波動大,多關節運動對協調性要求高,整機性能的優劣主要體現在工作效率、操作的協調性、油耗的高低、可靠性及壽命等方面.而液壓動力系統集成匹配性能的優劣直接決定了油耗、效率、協調性等整車性能.目前,國內外對液壓挖掘機節能技術的研究主要集中在改進動力和傳動系統以及優化動力匹配等問題上,達到高效節能及減小環境污染的目的[1].

隨著試驗臺架、仿真技術、自動化測試技術、傳感技術的發展,建立通用性的動力系統匹配試驗臺,輔以仿真手段,模擬工作環境和各種挖掘機工況,建立標準試驗體系,降低人員因素對測試人員的影響,提升研發、測試效率,使得工程機械的研發效率迅速提升成為可能.

液壓加載系統是一種常用的加載系統,廣泛應用于各種試驗裝置[2-4],它是用加載系統模擬被加載系統的動力負載,所以液壓加載系統通常稱為負載模擬器[5].工程機械動力總成試驗臺(以下簡稱“試驗臺”),針對動力液壓系統的匹配性能進行測試優化.本試驗臺以車載動力、液壓系統為被測對象,以直線液壓加載、回轉液壓加載系統為加載執行部件,通過模擬操作人員的輸入或典型動作批次輸入,模擬挖掘機、推土機、裝載機等工程機械的各種典型工況,對車載液壓系統的工作過程進行全面的監控,從而對車載液壓、動力系統性能及匹配性能進行全面的評估.

1 試驗臺系統工作原理

本試驗臺主要包括數據采集與監控系統、被測系統、加載執行機構、加載油源、散熱過濾等子系統.所有子系統協調工作,完成對被測系統的加載控制、數據監控、數據存儲、系統安全管理、用戶操作等功能.系統總體架構如圖1所示.

進行系統測試時,中央監控與數據采集系統一方面對被測系統、加載執行機構、加載油源等部分進行數據采集,并將采集數據供給控制系統用于控制指令輸出;另一方面,控制系統根據現場數據解算控制指令,發送至伺服控制器.伺服控制器根據控制指令,對加載執行器(直線作動器、回轉作動器)進行實時閉環反饋控制,從而實現對被測系統的加載.液壓加載油源為加載執行機構提供液壓油源,散熱過濾系統為液壓加載系統、被測系統提供散熱冷卻.整個試驗過程中,人機監控軟件對測試數據進行實時顯示,并將所有數據存儲在本地服務器中.安全報警系統進行全程監控,提供多級報警,從而保證系統安全.試驗結束后,系統后分析與處理軟件進行數據的后分析,并導入試驗數據結果至客戶現有的服務器系統中.

2 液壓加載系統工作原理

液壓系統實現對挖掘機的執行機構(包括挖掘機的動臂油缸、斗桿油缸、鏟斗油缸、回轉馬達)進行實時加載,同時向控制系統反饋位移、力、力矩信號,并根據控制系統發出的指令調節伺服閥,從而實時改變輸出力/力矩的大小,實現對被測挖掘機液壓系統的執行機構按照載荷譜進行加載.本系統的核心部分為液壓加載系統,該功能模塊包括伺服閥、作動器、蓄能器、安全閥、反饋控制等.伺服油缸和馬達分別作為直線和扭轉作動器.

2.1 直線作動器加載

系統采用油缸對頂的結構,對挖掘機油缸進行加載.兩油缸之間連接力傳感器,直線作動器內置位移傳感器,反饋力、位移、速度信號.反饋控制利用在線域信息(時間或位移),在線被控信息(力、扭矩等),進行雙閉環反饋控制,實現試驗臺的加載功能.直線加載系統原理如圖2所示.

圖2中：y表示被測油缸的位移;K1為位移傳感器系數;K2為伺服放大器放大系數;F(y)為行程域的載荷力函數;uf為力傳感器系數;ur為加載系統伺服閥輸入信號.

主動加載工況下,由高壓恒壓油源和蓄能器站提供35 MPa的油源,通過伺服閥調節直線作動器進出油液的壓差,對被測油缸進行加載,使載荷的方向與被測系統油缸的運動方向相同,監控油缸的作用力,閉環控制,使加載油缸的壓力隨被測油缸的位移根據載荷譜進行加載.

同理,被動加載工況下,通過伺服閥調節直線作動器進出油液的壓差,對被測油缸進行加載,使載荷的方向與被測系統油缸的運動方向相反.監控油缸的作用力,閉環控制,使加載執行機構的壓力隨油缸位移根據載荷譜進行加載.

2.2 扭轉作動器加載

扭轉作動器的加載工作原理與直線作動器加載相同.采用測試馬達與被測馬達對頂結構,中間連接扭矩傳感器,反饋扭矩、角度等信號至主控制器,進行雙閉環反饋控制,實現馬達的加載功能.示意如圖3所示.

圖3 馬達加載示意圖Fig.3 Schematic diagram of motor loading

2.3 單動作及多動作協調加載

在測試系統中,根據功能模塊劃分,將挖掘機的執行元件(動臂油缸、斗桿油缸、鏟斗油缸、回轉馬達)分為4個獨立的測試模塊,每個模塊包括伺服閥、作動器、蓄能器、安全閥、反饋控制等,由一個總的泵站提供油源.每個模塊可實現對執行元件根據輸入信號進行單獨模擬加載,滿足挖掘機常見的單動作測試需求,也可通過MOOG的伺服控制系統,實現同時對多個執行元件進行加載,而加載需求根據挖掘機實際工況需求,定義不同姿態下的載荷,實現多動作協調加載.

3 被測系統的控制工作原理

工程機械的核心包括動力系統、液壓系統及結構系統.動力系統是影響整機性能的一個關鍵部件,包括發動機、減震系統、燃油系統、進氣系統、冷卻系統等.被測系統的動力源由被測機型的發動機提供,整套動力系統的安裝、調試是本測試系統的一個難點,必須滿足不同機型的發動機安裝需求,可適應機械式柴油機、電噴柴油機、高壓共軌電噴柴油機等不同種類的發動機.動力系統的溫控系統主要包括發動機水溫控制、中冷器進氣溫度控制、燃油溫度控制(應用于電噴發動機),系統需監控在不同溫度下的發動機運行性能.

3.1 發動機水溫控制

發動機冷卻水控制的目的在于控制發動機循環水溫度,模擬發動機在不同溫度工況下的工作情況.原理如圖4所示.

通過監控發動機進水溫度,根據溫度與設定溫度的差值,改變三通調節閥的開度,從而調節進入水冷散熱器的流量,改變散熱器的散熱能力,控制發動機冷卻水的溫度,以滿足系統需求.同時監控膨脹水箱的水位,采用電磁閥控制,利用冷卻水進行適當的補水.

圖4 發動機水溫控制原理Fig.4 Principle of engine water temperature control

3.2 中冷發動機的進氣溫度控制

發動機經過增壓后高溫氣體進入中冷器(水冷)進行冷卻.本溫控系統從膨脹水箱中泵水,進入水冷散熱器進行散熱,通過三通調節閥進入中冷器(水冷).系統同時監控中冷器前后進氣的壓力和溫度.當溫度與預設溫度有差異時,通過溫控儀控制三通調節閥的開度,調節系統水流量,改變中冷器的散熱能力,從而控制發動機進氣溫度.系統原理如圖5所示.

圖5 中冷發動機的進氣溫度控制原理Fig.5 Principle of air intake temperature control of the medium cooling engine

3.3 發動機燃油冷卻控制

鑒于電噴發動機特別是高壓共軌電噴發動機的燃油回油量較大、溫度高、嚴重影響燃油箱內燃油的溫度,故工程機械一般采用風冷燃油散熱器進行散熱.本試驗裝置中,為模仿整機的運行工況,在發動機的后端輸出軸上配置風扇,從而保證發動機的輸出功率與整機實際相符.冷卻器采用風冷式換熱器.

3.4 發動機運行狀態監控

被測系統由車載柴油機及其控制單元ECM(Engine Control Module)、主泵先導泵組以及整車控制單元VCU(Vehicle Control Unit)組成.其中柴油機與主泵先導泵采用與車載相同的彈性聯軸器連接.實時嵌入式系統NI CompactRIO(以下簡稱cRIO系統)作為本系統的監控設備,進行數據采集,并與中控系統進行通信.cRIO系統與發動機ECM、整車控制器CEP通過CAN(Controller Area Network)總線組成本地通信網絡進行實時數據、指令傳輸;與中控系統通過EtherCAT(Ether Control Automation Technology)高速網絡進行實時通信進行數據交互.機械動力驅動系統結構如圖6所示.

圖6 機械動力驅動系統結構框圖Fig.6 Structure diagram of mechanical power drive system

系統硬件主要包括:被測件、機械動力驅動系統數據采集與控制機柜、傳感器序列、通用控制器ECU(Electronic Control Unit)等.

系統軟件主要包括兩個層級,有效的層級劃分可以更有效地完成對系統的監控功能,其中傳輸層具有數據上傳模塊和指令接收模塊,主要進行數據采集、實時數據上傳和接受中控系統指令;驅動層具有硬件I/O驅動模塊、CAN驅動模塊、EtherCAT網絡通信模塊,主要進行與各種I/O板卡、CAN板卡、EtherCAT接口進行指令和數據交換.本軟件運行在cRIO實時系統中,主要負責與硬件交互、數據采集、數據上傳、指令接收、與中控系統進行通信,系統軟件結構如圖7所示.

圖7 系統軟件架構Fig.7 System software architecture

4 測試系統響應速度與系統壓力穩定性

加載系統的精度及動態響應性能主要決定于伺服閥、作動器、傳感器、控制系統等.

4.1 作動器所用伺服閥選型

直線作動器的最大流量為1 745 L·min-1.鑒于挖掘機的起調壓力為18 MPa左右,主泵流量最大,油缸速度最快.當壓力達到系統溢流壓力時,主泵流量僅為最大流量的一半左右,伺服閥在最大壓力下,流量為800 L·min-1左右,故選用792系列三級伺服閥.21～36 t挖掘機回轉馬達測試用馬達最大流量為434 L·min-1,載荷較穩定,故選用MOOG伺服閥D664.推土機行走馬達及45 t挖掘機回轉馬達測試用馬達的最大流量為949.2 L·min-1,選用MOOG三級伺服閥D665.

4.2 伺服控制系統

根據技術要求,采用MOOG公司提供的成熟的多通道協調加載控制系統.本方案中配置1套機柜,共6路伺服控制通道,可實現一個或多個通道同時加載.當復合加載時,各通道加載的動態性能、穩態性能、精度互不影響.

圖8 多點加載控制器機柜示意圖Fig.8 Schematic diagram of multi point loading controller cabinet

4.3 液壓加載測控

本子系統預裝成熟的測控軟件,軟件在配置后,接收中央監控系統的實時指令,對液壓加載系統進行實時控制,具有完備的測試、監控、安全監視的功能.

4.4 系統壓力穩定性

伺服系統的加載響應及精度與液壓油源的壓力有關,系統采用恒壓變量油源,系統壓力的穩定性是保證測試精度的一個重要因素.

保證系統壓力的穩定性有以下幾個方面:采用蓄能器進行穩壓;在系統中采用性能可靠的恒壓變量泵;系統中多處采用安全溢流閥.

5 結語

本方案提供了一套可對多種工程機械車輛進行系統級匹配性能測試的綜合試驗臺.本系統針對工況最為復雜、部件最多的挖掘機加載設計,可適當改裝用于推土機、裝載機的測試.

系統主要包括加載執行機構、監控系統平臺、監控軟件、評價系統等,各組成部件聯合完成挖掘機車載液壓動力系統的匹配測試.

工程機械的液壓系統執行機構無外乎油缸和馬達兩種,工作液壓系統壓力一般低于挖掘機,行走系統壓力一般低于推土機.而工程機械的油缸和馬達的響應性能相差不大,所以本系統可經過適當的改裝,用于其他工程機械動力液壓系統的測試.

[1] 席建中,韓成春,張寧.液控振動挖掘機挖掘力的控制方法及專用伺服閥[J].液壓與氣動,2012(3):86-89.

XI J Z,HAN C C,ZHANG N.Control method of digging force of hydraulic control vibration excavator and its special servo valve[J].Hydraulic and Pneumatic,2012(3):86-89.

[2] 陳鶴梅,胡軍科,張崢明.比例溢流閥在軸承試驗液壓加載系統中的應用[J].中南林業科技大學學報,2009,29(6):160-164.

CHEN H M,HU J K,ZHANG Z M.Application of proportional relief valve in hydraulic loading system of bearing test[J].Journal of Central South University of Forestry and Technology,2009,29(6):160-164.

[3] 張紅濤,王新晴,梁升.電液比例溢流閥在液壓加載系統中的應用[J].液壓氣動與密封,2011(9):25-27.

ZHANG H T,WANG X Q,LIANG S.Application of electro hydraulic proportional relief valve in hydraulic loading system[J].Hydraulic Pneumatic and Sealing,2011(9):25-27.

[4] 賀小峰,何海洋.先導式水壓溢流閥動態特性的仿真[J].機械工程學報,2006,42(1):75-80.

HE X F,HE H Y.Simulation of the dynamic characteristics of a pilot operated hydraulic relief valve[J].Journal of Mechanical Engineering,2006,42(1):75-80.

[5] 李瑞,賈建芳,楊瑞峰.負載模擬器控制策略的研究綜述[J].液壓與氣動,2012(10):12-16.

LI R,JIA J F,YANG R F.Research on control strategy of load simulator[J].Hydraulic and Pneumatic,2012(10):12-16.

Design of powertrain test bench for construction machinery

MAI Yunfei,YANG Huainan

(School of Mechanical Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

Due that the normal working conditions of construction machinery are analogous to the bad conditions of ordinary vehicles under the periodic fluctuation with large loading, a very strict requirement is postulated on transient dynamic performance of the power system. Accordingly, the performance of the integrated hydraulic power system directly determines that of vehicles, such as fuel consumption, efficiency and coordination. In order to test and optimize the matching performance of hydraulic power system, the comprehensive performance test-bench, which contains three linear loading and three torque loading channels, is designed based on mechanical, electrical and fluid matching performances. To this end, the test-bench can be applied for performance testing on not only excavator and bulldozer but also other construction machinery through modification.

construction machinery; power system; loading system; electro-hydraulic servo

麥云飛(1962-),男,副教授,博士.E-mail:m2005sh@163.com

TP 137

A

1672-5581(2017)01-0052-05