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工程机械液压测试系统的研发与应用

期刊:福州大学学报 (自然科学版)

福州大学学报(自然科学版)2008年第36卷第5期发表了一篇题为《工程机械液压测试系统的研发与应用》的研究文章。本文第一作者是江小霞,其他作者包括林少芬、李叶妮和陈清林,研究由福建厦门的集美大学轮机工程学院完成,文章编号为1000-2243(2008)05-0704-05,并得到了福建省科技厅重大专项基金项目及福建省教育厅科研资助项目的支持。

研究背景

工程机械中液压系统的应用非常广泛,95%的工程机械产品依赖液压系统。液压技术具有功率高、易于实现直线运动、速度刚度大、配置柔性大等优势,被广泛应用于装载机、挖掘机、叉车、压路机及特种车辆等设备。然而,随着国际竞争的加剧,工程机械需要符合国际规范,并在性能上进一步提升。因此,建立先进的液压测试系统尤为必要。液压测试系统不仅能够生成工程机械的出厂测试报告,同时还能为产品优化设计、新产品研发、电液系统仿真和建模研究提供重要的实验数据和参考资料。

目前国内外关于液压系统通用测试平台的研究还较为初级,部分国外研究资料难以获得。本文设计并研发了一种通用工程机械液压测试系统,旨在实现对液压系统的全面控制、多种信号采集及综合实验条件的设置。

研究目的与测试系统总体设计

本文研究的主要目的是开发一个通用的液压测试平台,能够适用于装载机、挖掘机等多个工程机械的液压系统性能测试。设计上,测试系统分为上下位机结构以缩短采样时间。下位机主要采用PLC(可编程逻辑控制器),负责系统基础控制与信号调节;上位机则通过工控机(IPC)完成所有数据采集、分析及加载压力的闭环控制。

为了实现更高的通用性及实验功能,上位机与下位机通过串行通讯进行数据和指令交互,结合改进型的采集板卡和现场信号接入板来支持多达40个信号通道的采集,系统支持的实验模式超过80种。

系统硬件设计

下位机:
下位机采用PLC设计,负责采集和控制液压系统关键部件,包括液压油的流量、温度,液压泵的转速以及电磁阀状态等。在测试过程中,PLC负责液压平台的各工况调控,如加载压力的设定等。除了远程指令配置,操作人员还可以通过下位机的触摸屏进行本地控制。

上位机:
上位机系统使用工业控制计算机(IPC)及多个NI公司生产的多功能采集板卡与同步采集板卡。其核心功能包括传感器信号采集、真实数据分析、不同实验条件配置及测试报告生成。数据采集部分选用NI-6259和NI-6143两种型号的板卡,其中NI-6259支持32路模拟信号输入和4路模拟信号输出,NI-6143则专门用于支持同步采集操作。

传感器:
系统所选传感器主要分为流体参数(如流量、压力、温度传感器)及机械参数(如位移、转速、扭矩传感器)两大类,具体分布包括油箱、液压缸等多个关键位置。为提升抗干扰性能,系统优先选用电流型传感器。

现场信号接入板:
为了实现信号接入的便利和通用性,设计了一款支持多种传感器输入的现场信号接入板,其通道分组为A、B、C、D和X五组,实验时通过软件界面完成参数设置并启动数据采集。

软件设计和方法实现

系统上位机软件平台使用NI LabVIEW 8.0,这是基于图形化编程语言的虚拟仪器开发工具。虚拟仪器技术(Virtual Instruments, VI)是突破传统仪器设计方法的创新技术,其优势在于灵活性和用户自主性。

系统软件功能模块划分为硬件测试模块、通讯模块、远程控制模块、标定模块、工况记录模块、动态测试模块及数据分析模块。

  • 硬件测试模块: 方便测试采集与控制通道,支持系统调试和故障诊断。
  • 通讯模块: 通过串行通讯实现数据交换,包括指令发送和状态读写。
  • 远程控制模块: 提供用户界面用于控制液压系统速度、温度、流量等参数。
  • 标定模块: 三种标定方式(自动标定、精确标定、人工标定)帮助提高测量精度。
  • 工况记录模块: 记录实验过程中各关键实验条件和工况信息。
  • 动态测试模块: 支持实验条件预设及多通道数据采集。
  • 数据分析模块: 实现波形处理、傅立叶变换及自动报告生成等功能。

测试软件可以灵活设定采集控制模式,支持键控采集与条件采集,并容纳超过80种类型的实验。

实验案例与测试效果

实验平台基于所设计的系统结构,能够对不同工程机械的液压系统进行全面、深入的实验测试。例如,进行压力损失实验时,通过界面软件将采集通道进行配置,并设定不同的实验条件,包括加载参数、转速、温度等。在实验中,系统针对不同工况下的压力损失、流量变化和效率问题进行了详细测试。

实验结果显示:

  1. 电机转速提高会导致供油与回油流量的同步升高;
  2. 管路压力损失控制在1 MPa以内,随着转速增加略有升高;
  3. 系统效率随着转速提升,从48.9%提高到71.2%。

此外,系统同样完成了液压泵性能、液压元件压力损失等项目的实验,结果证明其具有强大的通用性及稳定性。

研究结论与意义

该研究设计的液压动态性能测试系统应用范围广泛,包括装载机、挖掘机、叉车、特种汽车等的液压性能测试。它为不同工况的实验需求提供了通用平台,能够生成多种实验报告,并为液压系统优化、新产品开发以及仿真研究提供重要数据支撑。文章提出的设计方法及软件实现方案在通用性、准确性与操作便捷性上具有显著优势。

研究亮点

  1. 设计了一个适配多种机械设备的通用液压测试系统;
  2. 系统结合上下位机架构、NI板卡及虚拟仪器技术,创新性地实现了高效而精确的数据采集功能;
  3. 支持超过80种实验条件,适用于复杂多变的实际应用场景。

该研究为国内液压系统测试技术的发展作出了重要贡献,其成果为工程机械行业提供了性能测试领域的新方向与尝试。

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