基于PLC的液壓擴(kuò)張器試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

李 磊， 張建新， 盧鳳臣， 侯 超

(1.天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)汽車(chē)與軌道交通學(xué)院， 天津 300350； 2.天津工程機(jī)械研究院有限公司， 天津 300409)

引言

當(dāng)發(fā)生火災(zāi)、地震、海嘯等災(zāi)害時(shí)，為解救被困人員，往往需要通過(guò)液壓擴(kuò)張?jiān)O(shè)備對(duì)堅(jiān)固的障礙物進(jìn)行拆除。目前，市場(chǎng)上用于救援的擴(kuò)張器早已存在，但由于缺少完善的質(zhì)量檢測(cè)手段和性能測(cè)試設(shè)備，液壓擴(kuò)張器在使用過(guò)程中存在壽命不可靠、擴(kuò)張力不平穩(wěn)等問(wèn)題，使救援活動(dòng)存在隱患[1]。為了保證液壓擴(kuò)張器的安全性和穩(wěn)定性，必須進(jìn)行嚴(yán)格的出廠測(cè)試。因此，設(shè)計(jì)了一套基于PLC和上位機(jī)的液壓加載試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)[2-3]，對(duì)擴(kuò)張器疲勞、過(guò)載、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等性能進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，并且測(cè)試的數(shù)據(jù)可作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)、改進(jìn)的依據(jù)。

1 液壓擴(kuò)張器簡(jiǎn)介

1.1 液壓擴(kuò)張器結(jié)構(gòu)

液壓擴(kuò)張器具有擴(kuò)張、撕裂和牽拉功能，可進(jìn)行高負(fù)荷的救援操作，通常采用高強(qiáng)度輕質(zhì)合金鋼制造，具有重量輕、擴(kuò)張力大、張開(kāi)閉合耗時(shí)短、操作安全性高等特點(diǎn)。

液壓擴(kuò)張器的主要結(jié)構(gòu)如圖1所示：其中液壓接頭連接擴(kuò)張器液壓泵站，換向手輪控制液壓缸伸縮，雙向液壓鎖鎖定液壓缸中活塞桿位置，連接板通過(guò)銷(xiāo)軸將擴(kuò)張臂和液壓缸缸體聯(lián)接在一起，擴(kuò)張頭通過(guò)脹緊銷(xiāo)固定在擴(kuò)張臂上。操作人員在使用液壓擴(kuò)張器時(shí)，兩手分別握緊手柄和換向手輪來(lái)進(jìn)行操作[4]。

1.液壓接頭 2.換向手輪 3.三位換向閥 4.雙向液壓鎖 5.液壓缸 6.手柄 7.連接板 8.銷(xiāo)軸 9.擴(kuò)張臂 10.擴(kuò)張頭圖1 液壓擴(kuò)張器結(jié)構(gòu)

1.2 液壓擴(kuò)張器技術(shù)參數(shù)

某型號(hào)液壓擴(kuò)張器主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 液壓擴(kuò)張器技術(shù)參數(shù)

2 試驗(yàn)要求

依據(jù)某企業(yè)對(duì)液壓擴(kuò)張器性能試驗(yàn)要求，設(shè)計(jì)試驗(yàn)臺(tái)的主要項(xiàng)目包括疲勞和超載試驗(yàn)。

2.1 疲勞試驗(yàn)

擴(kuò)張器液壓系統(tǒng)在額定壓力下工作，能夠自動(dòng)完成擴(kuò)張和閉合工作循環(huán)800次，加載試驗(yàn)臺(tái)應(yīng)提供負(fù)載確保擴(kuò)張器穩(wěn)定工作在額定壓力下。當(dāng)擴(kuò)張器換向時(shí)產(chǎn)生的液壓系統(tǒng)沖擊不超過(guò)1.2倍額定壓力。

2.2 超載試驗(yàn)

擴(kuò)張器液壓系統(tǒng)在1.5倍額定壓力下工作，能夠完成擴(kuò)張和閉合工作循環(huán)5次，且液壓系統(tǒng)沒(méi)有發(fā)生泄漏，機(jī)械結(jié)構(gòu)沒(méi)有出現(xiàn)變形和損壞。擴(kuò)張器換向時(shí)產(chǎn)生的液壓系統(tǒng)沖擊不超過(guò)1.8倍額定壓力。

3 試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

3.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械部分主要由底座、支架、加載油缸、油缸支架、拉壓力傳感器、固定工裝、限位傳感器等組成。如圖2所示為液壓擴(kuò)張器試驗(yàn)臺(tái)裝置結(jié)構(gòu)圖，試驗(yàn)臺(tái)底座通過(guò)鋼板焊接組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)整體結(jié)構(gòu)的支撐、定位作用。左、右支架通過(guò)螺釘聯(lián)接固定到底座上，拉壓力傳感器法蘭通過(guò)螺釘固定到左支架上，左工裝通過(guò)外螺紋與拉壓力傳感器聯(lián)接，被測(cè)液壓擴(kuò)張器擴(kuò)張頭與左、右工裝之間通過(guò)銷(xiāo)軸進(jìn)行聯(lián)接固定到試驗(yàn)臺(tái)上，2個(gè)限位開(kāi)關(guān)通過(guò)支架固定在底座上，用來(lái)檢測(cè)擴(kuò)張器處于張開(kāi)或閉合位置，右工裝通過(guò)螺紋聯(lián)接固定到加載液壓缸活塞桿上，加載液壓缸法蘭通過(guò)螺釘固定到右支架上。

1.左支架 2.拉壓力傳感器 3.左工裝 4.液壓擴(kuò)張器 5.左限位檢測(cè) 6.右工裝 7.右限位檢測(cè) 8.右支架 9.加載缸 10.底座圖2 擴(kuò)張器試驗(yàn)臺(tái)

3.2 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)首先應(yīng)滿足對(duì)擴(kuò)張器的測(cè)試要求，還應(yīng)具有壓力調(diào)整方便，加載平穩(wěn)，負(fù)載力準(zhǔn)確，低速性能穩(wěn)定且動(dòng)態(tài)響應(yīng)好等優(yōu)點(diǎn)。

對(duì)擴(kuò)張器進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，加載試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)和擴(kuò)張器液壓系統(tǒng)均處于工作狀態(tài)。各液壓系統(tǒng)包括液壓泵站、壓力控制、壓力檢測(cè)、冷卻等部分[5]。如圖3a所示為加載試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)原理圖。高壓球閥控制液壓系統(tǒng)油路的通斷，三位四通換向閥用來(lái)控制加載缸活塞桿伸出和縮回運(yùn)動(dòng)，在安裝被測(cè)液壓擴(kuò)張器時(shí)，可通過(guò)換向閥調(diào)整活塞桿位置。對(duì)被測(cè)試擴(kuò)張器進(jìn)行加載試驗(yàn)時(shí)，換向閥應(yīng)處于中位，擴(kuò)張器在張開(kāi)和閉合過(guò)程中拖動(dòng)加載缸活塞桿運(yùn)動(dòng)，加載缸兩腔中壓力分別由比例溢流閥調(diào)定。液控單向閥能夠在試驗(yàn)過(guò)程中防止換向閥中位泄漏，并提高比例溢流閥的控制性能。當(dāng)擴(kuò)張器張開(kāi)時(shí)，右側(cè)比例溢流閥控制無(wú)桿腔壓力，實(shí)現(xiàn)加載。同時(shí)，加載缸有桿腔密封空間逐漸增大，液壓油在外部大氣壓作用下從油箱經(jīng)過(guò)單向閥對(duì)有桿腔補(bǔ)油。擴(kuò)張器閉合過(guò)程不再贅述。

圖3 試驗(yàn)臺(tái)原理圖

擴(kuò)張器液壓原理圖如圖3b所示。在試驗(yàn)過(guò)程中，換向閥控制擴(kuò)張器液壓缸伸出或縮回，液壓缸通過(guò)鉸點(diǎn)和連接板驅(qū)動(dòng)擴(kuò)張臂張開(kāi)或閉合，進(jìn)而拖動(dòng)加載缸活塞桿運(yùn)動(dòng)。雙向液壓鎖(液控單向閥)用于鎖定活塞桿位置和防止中位泄漏，安全閥用于設(shè)定擴(kuò)張器最大工作壓力。壓力傳感器P3測(cè)量擴(kuò)張器液壓系統(tǒng)壓力。

4 試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 控制系統(tǒng)組成

試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)由上位機(jī)、PLC、傳感器、被控電磁閥、指示燈等元件組成?？刂葡到y(tǒng)選用MCGS觸摸屏作為上位機(jī)，與PLC之間通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行通訊，上位機(jī)界面可以選擇測(cè)試項(xiàng)目，設(shè)置測(cè)試參數(shù)，并能夠?qū)崟r(shí)顯示曲線和存儲(chǔ)測(cè)試數(shù)據(jù)；系統(tǒng)中控制器選用西門(mén)子SMART200PLC，CPU型號(hào)為ST40，增加模擬量采集模塊AM06(4AI，2AQ)，處理系統(tǒng)中模擬量輸入/輸出信號(hào)?？刂葡到y(tǒng)中PLC輸出點(diǎn)控制接觸器通斷，間接控制試驗(yàn)臺(tái)和擴(kuò)張器液壓泵站啟停。加載缸換向電磁閥由于功率較大，使用繼電器間接控制[6-8]。試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)硬件配置框圖如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)框圖

根據(jù)試驗(yàn)臺(tái)功能，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)應(yīng)包括：數(shù)字輸入信號(hào)4個(gè)，分別為設(shè)備鑰匙開(kāi)關(guān)、急停按鈕、擴(kuò)張器左限位信號(hào)、擴(kuò)張器右限位信號(hào)；模擬量輸入信號(hào)4個(gè)，分別采集試驗(yàn)臺(tái)加載缸小腔壓力和大腔壓力、拉壓力傳感器、擴(kuò)張器系統(tǒng)壓力；數(shù)字量輸出信號(hào)6個(gè)，分別控制試驗(yàn)臺(tái)液壓泵站、擴(kuò)張器液壓泵站、控制加載缸方向(雙電磁鐵)、控制液壓擴(kuò)張器方向、設(shè)備上電指示燈；模擬輸出信號(hào)2個(gè)，分別控制試驗(yàn)臺(tái)加載缸工作時(shí)比例溢流閥調(diào)定壓力。其中輸入/輸出點(diǎn)變量地址分配如表2所示。

4.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)包括上位機(jī)設(shè)計(jì)和PLC程序設(shè)計(jì)。

圖5位上位機(jī)界面設(shè)計(jì)。當(dāng)選擇手動(dòng)調(diào)試時(shí)，可啟停擴(kuò)張器和試驗(yàn)臺(tái)液壓泵站，通過(guò)操作擴(kuò)張器張開(kāi)和閉合，從上位機(jī)界面中調(diào)整比例溢流閥的溢流壓力，以確保使擴(kuò)張器在滿足試驗(yàn)壓力條件下工作。將調(diào)試好的比例溢流閥參數(shù)存儲(chǔ)下來(lái)，作為疲勞或過(guò)載試驗(yàn)的初始?jí)毫ΑD5所示為手動(dòng)調(diào)試界面和疲勞、過(guò)載試驗(yàn)界面。

表2 輸入/輸出變量地址分配表

圖5 上位機(jī)界面

進(jìn)入疲勞、過(guò)載試驗(yàn)界面，設(shè)置壓力和循環(huán)次數(shù)參數(shù)后開(kāi)始試驗(yàn)。當(dāng)擴(kuò)張器張開(kāi)運(yùn)動(dòng)到極限位置時(shí)觸碰試驗(yàn)臺(tái)右限位開(kāi)關(guān)，PLC控制試驗(yàn)臺(tái)和擴(kuò)張器換向閥根據(jù)設(shè)定條件換向，擴(kuò)張器開(kāi)始閉合，循環(huán)往復(fù)。PLC的模擬量模塊實(shí)時(shí)采集擴(kuò)張器和試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)壓力等數(shù)據(jù)，并對(duì)加載試驗(yàn)臺(tái)中比例溢流閥溢流壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，上位機(jī)將采集的數(shù)據(jù)曲線實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，同時(shí)測(cè)試數(shù)據(jù)也可被存儲(chǔ)。當(dāng)循環(huán)次數(shù)達(dá)到設(shè)定次數(shù)后設(shè)備自動(dòng)停機(jī)。試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)流程如圖6所示。

圖6 控制系統(tǒng)流程圖

4.3 加載試驗(yàn)臺(tái)PID控制

根據(jù)擴(kuò)張器試驗(yàn)要求可知，當(dāng)進(jìn)行疲勞或過(guò)載試驗(yàn)時(shí)，擴(kuò)張器液壓系統(tǒng)壓力需要保持在額定壓力或過(guò)載壓力下進(jìn)行。為提高試驗(yàn)精度，對(duì)試驗(yàn)臺(tái)中比例溢流閥壓力控制采用PID調(diào)節(jié)，通過(guò)PLC和壓力傳感器組成閉環(huán)負(fù)反饋的控制形式，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。另外，將手動(dòng)調(diào)試模式下比例溢流閥的控制壓力作為初始值K輸入給比例閥控制器，這樣可以減弱PID的輸出，縮短系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間。經(jīng)測(cè)試，此時(shí)比例系數(shù)KP起主導(dǎo)作用，適當(dāng)增加積分系數(shù)KI和微分系數(shù)KD，系統(tǒng)的精度能進(jìn)一步提高，震蕩時(shí)間更短[9-10]。

圖7 PID控制系統(tǒng)框圖

5 擴(kuò)張器試驗(yàn)分析

為檢驗(yàn)試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)性能，對(duì)擴(kuò)張器進(jìn)行疲勞測(cè)試，并截取擴(kuò)張器和試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。圖8為疲勞壽命試驗(yàn)時(shí)加載缸大腔和小腔的工作壓力曲線。其中Δt為換向時(shí)間，T為循環(huán)周期。

圖8 加載缸工作壓力曲線

擴(kuò)張器張開(kāi)時(shí)輸出力較大，此時(shí)試驗(yàn)臺(tái)加載缸大腔工作，提供加載力；當(dāng)閉合時(shí)輸出力較小，此時(shí)加載缸小腔工作，提供加載力。由于擴(kuò)張器結(jié)構(gòu)上存在連桿機(jī)構(gòu)，當(dāng)擴(kuò)張器液壓缸伸出、縮回時(shí)，沿加載缸方向上力臂實(shí)時(shí)發(fā)生變化。因此，加載缸腔內(nèi)壓力需根據(jù)擴(kuò)張器壓力設(shè)定值和傳感器P3反饋數(shù)值進(jìn)行計(jì)算并實(shí)時(shí)調(diào)整比例溢流閥Y1、Y2的設(shè)定值，以滿足擴(kuò)張器液壓系統(tǒng)壓力恒定的試驗(yàn)要求。

圖9為液壓擴(kuò)張器試驗(yàn)壓力曲線。由曲線可知，方向閥換向造成液壓沖擊，使系統(tǒng)壓力最大值pmax為64.2 MPa，系統(tǒng)穩(wěn)定后，工作壓力pmin不小于60 MPa。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與上位機(jī)疲勞試驗(yàn)壓力設(shè)置參數(shù)基本相同，且擴(kuò)張器系統(tǒng)壓力變化平穩(wěn)，響應(yīng)速度快，符合疲勞試驗(yàn)要求[11-12]。

圖9 擴(kuò)張器疲勞試驗(yàn)壓力曲線

過(guò)載試驗(yàn)與疲勞試驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果類(lèi)似，在此不再贅述。

6 結(jié)論

液壓擴(kuò)張器試驗(yàn)臺(tái)對(duì)提高產(chǎn)品的安全性、穩(wěn)定性，改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和排除產(chǎn)品安全隱患起著重要作用。另外，試驗(yàn)臺(tái)有效提高了測(cè)試工作的自動(dòng)化程度和效率。

(1) 試驗(yàn)臺(tái)能夠滿足試驗(yàn)要求，對(duì)液壓擴(kuò)張器進(jìn)行疲勞、過(guò)載、強(qiáng)度等性能測(cè)試，數(shù)據(jù)可作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)、改進(jìn)的依據(jù)；

(2) 試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)采用PLC和觸摸屏作為控制核心，使用擴(kuò)張模擬量模塊采集數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)，降低了成本，可為類(lèi)似控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考；

(3) 試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠根據(jù)試驗(yàn)要求實(shí)時(shí)調(diào)整加載缸溢流壓力，且加載平穩(wěn)，響應(yīng)快速，對(duì)恒定加載測(cè)試設(shè)備開(kāi)發(fā)有一定的指導(dǎo)意義；

(4) 通過(guò)手動(dòng)調(diào)試確定比例溢流閥初始?jí)毫Γ⒃谠囼?yàn)過(guò)程中進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，縮短了加載壓力達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間，減少了震蕩時(shí)間，提高了試驗(yàn)精度。