（机械电子工程专业论文）电液转换元件模块化试验系统研究.pdf

摘要 电液转换元件包括电液伺服、比例阀和伺服、比例泵，是机电液自动化设备 中连接电子技术和液压技术的重要接口元件，一旦出现故障，不仅影响整套设备 j 下常运行和造成经济损失，甚至可能导致严重的生产事故。因此，定期对其做性 能检测、维护对企业具有重要的现实意义。然而，对于不同的电液转换元件，试 验系统的构成不同，采用的测控仪器也不同，若企业建立所有应用元件的试验系 统，既不经济也不尽合理，对于生产多种元件的制造企业来说也是如此。鉴于此， 本文提出将各类元件的试验系统看成由若干通用的硬件模块和软件模块构成，据 此设计并开发具有特定功能的油路模块库、硬件测控模块和软件测控模块库。试 验时实验员只需用管路连接所需的油路模块、硬件测控模块，并利用软件模块库 中的功能模块设计试验程序，便能准确、快捷地构建各类元件的试验系统。 本文首先介绍了电液转换元件试验系统模块化的方案。分析了几种典型的电 液转换元件测控系统的试验油路，提取了油路中有相同功用的单元，设计并开发 了硬件油路模块；分析了电液转换元件的硬件测控系统，设计了硬件测控模块。 然后，在考虑软件模块的封装和扩展问题的基础上，利用l a b v i e w 7 1 工具开 发了软件测控模块。并在此基础上，详细介绍了数据链接、控制器、频谱分析、 远程数据传输等几种典型模块。 最后，作者利用所开发的硬件模块和软件模块，组建了电液伺服阀、电液比 例变量泵试验系统。通过大量试验表明，所开发的数据采集、滤波平均等模块通 用性强、可靠性好；利用数据链表技术开发的数据链接模块实现了数据的动态显 示；利用远程数据传输模块，实现了电液比例变量泵振动数据的远程传输。 试验还表明，采用电液转换元件模块化试验系统，可以降低试验成本，提高 试验效率和准确性；软件模块由于具有良好的可扩展性和通用性，可推广应用于 开关控制式液压与气动元件的试验中。 关键词：电液转换元件模块化硬件油路模块软件测控模块 a b s t r a c t e l e c t r o _ h y d r a u l i cc o n v e r s i o ne l e m e n t s ，i n c l u d i n ge l e c t r o h y d r a u l i c s e r v ov a l v e ， p r o p o r t l o n a lv a l v e ，s e r v op u m pa n dp r o p o r t l o n a lp u m p ，a r el m p o r t a n tc o n j u n c t l o n c o m p o n e n t s i ne l e c t r o m e c h a n i c a l h y d r a u l i ce q u i p m e n t s ， w h i c hu s e dt oc o n n e c t e l e c t r o n i ct e c h n o i o g ya n dh y d r a u i i ct e c h n o l o g y 0 n c et h e yb r e a kd o w n ，t h a tw i i in o t o n l va f k c tt h en o r m a lr u n n i n go fe q u i p m e n ta n dr e s u l ti ne c o n o m i c1 0 s s e s ，e v e nm a v c a u s es e “o u sd r o d u c t i o na c c i d e n t s t h e r e f b r e ，t ot e s ta n dm a i n t a i nt h o s ee l e m e n t s p e r i o d i c a l l yh a v ei m p o r t a n tr e a l i s t i cm e a n i n gf o re n t e r p r i s e s h o w e v e r f o rt h o s e d i f f e r e n te l e m e n t s 、t h ec o m p o s i n 2o ft e s ts y s t e m si sd i f f e r e n t ，a n da d o p t e dm e a s u r e c o n t r o ii n s t r u m e n t sa r ed i f 耗r e n tt o o i fe n t e r p “s e ss e tu pt e s ts v s t e m sf o ra 儿e i e m e n t s t h a t w i l lb eu n e c o n o m i c a l a n du n r e a s o n a b l e i t st h es a m et om a n u f a c t u “n g c o m p a n i e sp r o d u c i n gt h o s e “n d so fe i e m e n t s i nv i e wo ft h i s ，aw a vw a sp r o p o s e di n t h i sp a p e rt h a te a c he l e m e n t st e s ts y s t e mi sr e g a r d e da st h a ti ti sc o m p o s e do fs o m e g e n e r a lh a r d w a r em o d u l e sa n ds o m es o f t w a r em o d u l e s s o ，s o m es p e c i a lf u n c t i o n a l o i l c i r c u i tm o d u l e s h a r d w a r em e a s u r e c o n t r o im o d u l e sa n ds o f tm e a s u r e c o n t r o i m o d u l e sl i b r a r yw e r ed e v e l o 口e d b y o n l yi o i n t i n gt h en e e d e do i l - c i r c u i tm o d u l e s h a r d w a r em o d u l e sw i t hs o m ep i d e l i n e s ，a n dl i n k i n gf u n c t i o n a lm o d u l e so fl i b r a r yw i t h l a b v i e w 7 1t 0 0 1 ，t h ee x p e r i m e n t a l i s tc o u l ds e tu pa n yk i n do fe l e m e n t st e s ts y s t e m r a p i d l y a tn r s t ，t h em o d u l a r i z a t i o ns c h e m eo ft e s ts v s t e mo fe i e c n o h v d r a u i i cc o n v e r s i o n e l e m e n t sw a si n t r o d u c e d af t e ra n a l y z e ds e v e r a lk i n d so ft y p i c a lt e s tc i r c u i to f e l e c t r o h v d r a u l i cc o n v e r s i o ne l e m e n t s d r a w nu n i t sw i t ht h es a m ef h n c t i o ni no i l c i r c u i t o i lc i r c u i tm o d u l e sw e r ed e v e l o p e d a f t e ra n a l y z e dh a r d w a r ec o n t r o lt e s t s y s t e m ，h a r d w a r em e a s u r e c o n t r 0 1m o d u l e sw e r ed e s i g n e d a n dt h e n ，c o n s i d e r e dq u e s t i o n so fe n c a p s u l a t i o na n de x p a n s i o no ft h es o f 、t w a r e m o d u l e s o f tm e a s u r e c o n t r 0 1m o d u l e sw e r ed e v e l o p e db yu s eo fl a b v i e w 7 1t 0 0 1 a n di th a si n t r o d u c e ds u c hs e v e r a lk i n d so ft y p i c a lm o d u l e sa sd a t aa c q u i s i t i o n ， c o n t r o l l e r ，f r e q u e n c ys p e c t r u ma n a l v s i sa n dr e m o t ed a t at r a n s m i s s i o n ，e t c i nd e t a i l _ f i n a l l v m o d u l a r i z a t i o ns v s t e m s o f e l e c t r o h v d r a u l i c s e r v ov a l v ea n d e l e c t r o - h y d r a u l i cp r o 口o r t i o n a lv a r j a b l ep u m pw e r es e tu pb vu s eo fh a r d w a r em o d u l e s a n ds o f tm o d u l e s i th a ss h o w e dt h a tt h o s ed e v e l o p e dm o d u l e sh a v eg o o du n i v e r s a l i t y a n dr e l i a b n i t ys u c ha sd a t aa c q u i s i t i o n ，n l t e r - m e a n ，e t c a n dd u et od e v e l o pt h ed a t a 1 i n km o d u l e ，d a t u mc o u l db es h o w nd y n a m i c a 儿y a n dd u et o a d o p t i n gr e m o t e t r a n s m i s s i o nm o d u l e ，d a t aa m o n 叠e l c c t r o - h y d r a u l i cv a r i a b l ep u m p sv i b r a t i o nt e s t c o u l dr e a l i z er e m o t et r a n s m i s s i o n ， i th a sa l s oi n d i c a t e d a d o p t i n g t h em o d u l a r i z a t i o n s y s t e m c o u l dr e d u c et h e e x p e r i m e n t a t i o nc o s t ，i m p r o v et h ee x p e r i m e n t a le m c i e n c ya n da c c u r a c y ；d u e t og o o d e x p a n s i b i l i t ya n dc o m b i n a b i l i t y ，a l s ot h e yc o u l d b ea p p l i e di ne x p e r i m e n to fh y d r a u l i c a n do n e u m a t i ce l e m e n t sc o n n o l l e db vs w i t c h k e y w o r d ：e l e c t f o - h y d r a u l i cc o n v e r s i o ne l e m e n t s m o d u l a r i z a t i o n h a r d w a r eo i l c i r c u “m o d u l es o f t w a r em e a s u r e - c o n t r o lm o d u l e i i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本课题研究的目的和意义 随着液压技术与信息处理技术、自动控制技术、微电子技术、计算机技术、 测量技术、仪器仪表技术的紧密结合，机电液一体化技术得到了迅速的发展。机 电液一体化技术及其产品已经在军事、民用、工业、农业等各行业得到广泛的应 用。随着机电液一体化产品在工程上的应用，其性能测试与维护问题就提到了重 要的地位，但它不应仅是传统意义上的简单测试，而是一种集测量、仪表、自动 化、计算机、控制、电子、液压等多学科知识及其综合运用的一种全新的自动化 测试。 机电液一体化产品中，电液转换元件包括电液比例、伺服液压阀和液压泵， 是连接电子技术和液压技术的重要接口元件，已广泛运用于冶金、机械、航空、 航天、舰船等工程领域。随着电子技术、传感器技术、计算机技术和液压技术的 迅速发展以及工程控制的需要，电液转换元件在复杂工程系统控制中的作用也更 加重要。有资料显示，在广东珠三角引进的先进机械装备中，约7 5 具有液压装 置，其中5 0 以上采用了电液转换元件“1 。 电液转换元件不仅在出厂时需要进行性能测试，在工作中出现故障，也需要 对其进行故障诊断，因此对于研发单位和对其用量较大的用户应备电液转换元件 液压试验系统。目前，国内这类试验系统主要有两种测试类型：一是传统的手工 测试、记录类型；二是计算机辅助测试( c o m p u t e ra i d e dt e s t 简称c a t ) 类型。 手工测试类型的测试系统结构复杂，成本高，故障率也高，而且其测试部分因涉 及多种复杂仪器、仪表，测试过程及结果很容易受到入为因素的影响，所以它的 测试劳动强度大，试验效率低，测试精度差。随着计算机的发展而兴起的c a t 系 统引入了功能较强的计算机编程、数据处理技术代替了传统的手工数据采集处理 方法，使测试部分操作过程变得相当简单，测试的精度也相应提高。但是，在实 现数据处理方面一般采用面向对象的高级语言如v c 、v b 等编程工具进行编程来实 广东工业大学工学硕士学位论交 现，而利用这些编程工具需要较强的计算机应用能力，这对测试人员的素质要求 很高，编程也需要花费大量的时间和精力。 另外，电液转换元件的种类较多，每种元件因功能不同而具有不同的测试内容 和要求，而现有的测试系统多是以特定种类的元件为被测对象来研制开发的，其通 用性和灵活性较差。因此，开发一种试验效率高、试验精度高的电液转换元件通用 测试系统将具有重要的工程实际意义。 本文将综合各类电液转换元件的测试内容和要求，通过对其共性方面的认识， 归纳出各种不同功能测试模块，提出并组建电液转换元件模块化试验系统，为提 高试验效率和测试精度探索新途径，为研究开发电液转换元件奠定试验基础，为 开发开关式液压与气动试验系统提供理论与方法指导。 1 。2 模块化技术的发展 1 2 1 液压集成技术的发展及应用 液压集成技术经历了以下几个阶段的发展“1 ： 1 9 5 0 6 0 年代，主要是基于经验的管式连接，不能集成。 1 9 6 0 一7 0 年代，由管式连接向板式连接过渡，逐渐形成局部模块化，但此时 还是一种基于经验的应用。 1 9 7 0 一8 0 年代，板式连接居主流，出现多种连接块式结构。由于安装面已形 成国际统一标准，实现了基于国际标准和板式阀结构的连接块式集成、叠加阀集 成和整体块式集成。此阶段的应用特征表现为基于经验和知识的回路设计方法， 暂时没有考虑液阻结构要素。 1 9 8 0 2 0 0 0 ，板式连接为主，插装孔式连接和安装面连接并行，其中基于安装 孔的块式集成逐渐占据主流。此阶段采用了“液阻理论”，其符合最小液阻原则， 使系统和回路更趋合理化。 2 1 世纪，标准化程度进一步提高，板式连接将被进一步简化和归并，安装孔 式连接成为主流。在综合现有技术的基础上，模块化更强，组配功能更开放的新 一代元件和产品、技术平台终将形成，集成化程度将得到不断提升“液阻理论”、 “产品设计方法学”等知识方法理论的和谐统一，使系统和回路组合将实现全局 2 第一章绪论 合理化和整体优化。 1 2 2 虚拟仪器模块的特点及应用 虚拟仪器是计算机管理的数字化仪器系统，是借助于通用模拟量及数字量输 入输出平台，通过计算机软件，按已知的数学模型和时序实现的，具有信号测量、 控制、变换、分析、显示、输出等全部或部分功能的模块化输入输出系统。之所 以称之为模块，是因为虚拟仪器中以上诸多功能都可以独立存在，之间不存在必 然的联系，根据需要，可以调用多种模块组成系统。由于虚拟仪器的特点决定了 它将有向模块化、标准化和网络化方向的发展趋势。 原则上，非虚拟仪器里的仪器，都可以用虚拟仪器方式实现。3 1 ，因而虚拟仪 器软件有着按仪器通用要求模块化的发展趋势。将其基本硬件平台的参数作为边 界条件，使用相应的数学模型，以软件技术构建并封装成一个个典型仪器特点的 软件模块，在强大的市场需求下是可行的也是必要的，如数字电压表模块、数字 压力表模块、频谱分析仪模块、数字示波器模块、信号发生器模块等。人们可以 像购置硬件模块那样购置软件模块。 虚拟仪器模块软件的标准化，它要求在同一个标准化平台上运行各种功能不 同的软件模块，这将有助于节省硬件资源，促进一机多用，形成强大的“集成仪 器”。例如可以在d a 转换卡硬件平台上使用软件模块，构造“正弦信号发生器”、 “方波信号发生器”、“三角波信号发生器”、“调幅”、“调频”、“调相”等多种信 号源，它们也将形成以硬件同一特征的“集成信号源”系统供使用者选择“1 。 网络化是虚拟仪器模块发展的又一趋势，通过网络技术可以将测试现场与监 测控制现场分开，避免了传统虚拟仪器的地域限制：可以使用远程数据库的强大功 能和海量存储，对数据进行存取、共享；可以利用网络的分布式特性，使用网络上 其他计算机的计算能力、资源，打破了单机的功能上的局限性：此外通过网络可以 共享各种资源，利于同行之间的交流沟通。网络化虚拟仪器的这些特性使得它广泛 应用于远程测试、故障监测、远程控制和远程教学等领域。 上世纪8 0 年代，美国n i 公司就提出“软件就是仪器”，可见，软件在虚拟 仪器中所占的特殊地位。虚拟仪器软件平台包括v i s u a lc 十+ 、v i s u a lb a s i c 、以 广东工业大学工学硕士学位论文 及h p 公司的v e e 和n i 公司的l a b v i e w ( 以下简称l v ) 、l a b w i n d o w s c v i 等【。 v c 、v b 虽然是可视化的丌发工具，但它们对开发人员的编程能力要求很高，而且 开发周期长。h pv e e 是一个基于图形的虚拟仪器编程环境，拥有较多的用户，缺 点是其生成的应用程序是解释执行的，运行速度慢”1 。目前最流行的开发平台是 n i 公司的模块化软件l v 和l a b w i n d o w s c v i ( 本文第四章将有详细介绍) 。 模块化、标准化、网络化的虚拟仪器在国内外得到了广泛的应用。目前，浙 江大学流体传动及控制研究所开发了s d t h 液压c a t 系统，该系统中采用了虚拟仪 器的模块化程序结构，提高了测试系统的测试精度和测试速度”1 ，但该系统中的 模块是一个独立的测试单元，只能完成适于本系统的某个特定的测试任务，通用 性不够。重庆大学丌发了虚拟实时噪声倍频程分析仪，充分利用了虚拟仪器模块 化、标准化的特点，实现了对噪声总声压级、各种计权声压级及相应倍频程的实 时测量和分析”3 。南京航空航天大学利用n i 公司的i n t e r n e td e v e l o p s t 0 0 l k i t ( 简称i d t ) 工具包开发某小型无人机的动力装置试车台的远程故障诊断 系统，将试验车现场虚拟仪器的测试结果通过gw e bs e r v e r 在i n t e r n e t 上发布， 使身处异地的专家可以对现场数据进行评价和诊断”1 。国外，美国维吉尼亚州技 术公司应用虚拟仪器技术开发了一种光学测微计系统，在该系统中由于采用了现 成的数据采集、图像处理等模块开发系统，减少了开发时间，提高了开发效率。美 国西雅图a e i 音乐广播站利用虚拟仪器开发了三个子模块，即卫星传送连接监控 模块、音频信号源监控模块和信号传播设备监控模块，利用这三个模块对该广播 站一天2 4 小时的音乐广播节目进行监控“。 1 3 模块化技术在液压系统中的应用与发展前景 正是由于液压集成技术、虚拟仪器技术的发展，使得模块化技术得以和液压 测试技术深层次结合，推动液压测试技术的不断进步。液压测试技术的发展将遵 循跟着通用计算机走、跟着通用软件走和跟着网络标准走的指导思想“软件就是 仪器”这一思想，将会在液压测试系统中得到进一步的体现和落实。液压集成技 术、虚拟仪器技术将在液压系统工况监测、实时控制、远程故障诊断中得到进一 步的应用和普及。 第一章绪论 1 4 电液转换元件模块化试验系统的特点 基于液压集成技术、虚拟仪器技术，本课题开发的电液转换元件模块化试验 系统，有如下特点： 1 、模块化：它包括硬件和软件的模块化 2 、灵活性：操作人员可以根据试验要求，在设备库里提取硬件模块( 如加载 模块、溢流模块等) ；在软件库中提取软件模块( 如信号发生器、波形分析仪、相 关分析仪等) ，把它们组装成试验系统。 3 、扩展性：可以针对各种被试元件以及不同的试验内容和要求，修改或拓展 该系统的功能。 4 、通用性：该系统模块适用于各种电液转换元件试验，并可以为一般的操作 人员使用，实用性强。 5 、网络化：采用c l i e n t s e r v e r 模式和d a t as o c k e t 技术，实现测量数据的 远程传输。 6 、成本低：采用硬件模块，简化了管路连接，降低了不必要的油管费用：使 用虚拟仪器模块，替代了测量仪器如示波器、频谱分析仪等硬件仪器，大大降低 了试验设备的费用。 1 5 本文的主要工作内容 1 、叙述了电液转换元件四种稳、动态的特性及其试验原理，分析了几种元件 的试验回路，综合回路中功能相同或相近的部分，提出了试验油路模块化和硬件 测控单元模块化：分析了电液转换元件试验系统中软件测控部分，综合其特点， 提出了虚拟仪器模块化，据此确定了系统模块化测控方案及流程。 2 、介绍了试验系统硬件模块的技术实现方法，设计了伺服阀测试模块、油源 模块、加载模块、硬件测控模块，并分析了其结构和功能。 3 、选择虚拟仪器的编程环境l v 7 1 ，阐述了编程环境的特点：在分析试验系 统软件程序的层析结构基础上，介绍了软件模块的技术实现方法，解决了模块的 封装和扩展问题。 4 、详细介绍了所开发的几种典型模块的实现原理。就数据的实时动态显示设 s 广东丁业大学工学硕士学位论文 计了数据链接模块；就数据远程传输设计了远程传输模块；针对各元件稳、动态 特性的要求不同设计了不同的控制器模块。 5 、介绍了电液伺服阀的测试系统组成，调用开发的硬件、软件模块进行了稳 态特性试验。 6 、介绍了电液比例变量泵的测试系统及调节系统的组成，调用硬件、软件模 块进行了动态特性试验，并利用远程传输模块，实现了数据的远程传输。试验中 验证了所开发硬件、软件模块的通用性和可靠性，以及软件模块的可扩展性。 6 第二章电液转换，l 件模块化试验系统方案 第二章电液转换元件模块化试验系统方案 2 1 电液转换元件的试验内容 电液转换元件种类多，每一种元件都有自己特定的控制与调节功能，它们在 液压系统中发挥各自的作用，控制和调节液压系统，使其按要求正常工作，如电 液比例变量泵用来提供系统的油源；电液比例溢流阀用于控制液压系统的压力； 电液比例流量阀用来调节执行机构的速度、位置等等。从测试性能指标e 看，各 电液转换元件因功能不同而具有不同的试验内容，但对其试验标准分析便会发现， 如果仅仅将被试元件看作一个被试系统并且不考虑这个系统的输入输出信号的具 体物理意义，则各类元件的稳、动态测试内容及性能指标评定方法可归纳为四种 基本类型“0 1 ( 见图2 一1 ) 。 凼一负 竺生区囵型骂负 上陌习堕，土医碉些， 阶跃输入l 阶跃响应 a ) 稳态控制特性 c ) 阶跃响应特性 b 、 出 扪 b ) 稳态负载特性 d ) 频率响应特性 图2 1 电液转换元件特性试验的四种基本类型 a 1s t a t i cc o n t r 0 1c h a r a c t e r i s t i cb ) s t a t i cl o a dc h a r a c t e s t i c c ) s t e pr e 5 p o n s ec h a r a c t e s t i c“d ) f r e q u e n c yr e s p o n s ec h a r a c t e 打s t i c f i g 2 1f o u rb a s i ct y p eo fe l e c t r o _ h y d r a u l i cc o n v e r s j o ne l e m e n t sc h a r a c t e r i s t i ct e s t 7 广东丁业大学工学顾士学位论文 2 1 1 稳态控制特性 稳态控制特性是表征控制输出量与控制输入量之间关系的特性( 见图 2 l a ) 。电液转换元件的控制输入量是指比例控制器或伺服放大器的输入电压或输 入电流，控制输出是指电液转换元件的输出参数( 压力、流量、位移等) 。电液伺 服阀的空载流量特性、电液比例溢流阀的压力损失及内泄漏特性，都可以归为这 一类。稳态控制特性试验系统框图如图2 2 所示。 图2 2 稳态控制特性试验系统框图 f i g 2b i o c k so fs t a t i cc o n t r 0 1c h a r a c t e r i s t i ct e s ts y s t e m 试验时，保持主要运行参数不变，由信号发生器输入周期信号，自零至额定 值( 双向可调型自负额定值至正额定值) 间缓慢循环变化一周，记录下输出量与 输入量关系的连续曲线，称之为稳态控制特性曲线，图2 3 为电液伺服阀的流量 特性曲线。从中可归纳出稳态控制特性的主要特征指标有： 1 额定控制输出量l ：指相对于额定控制输入量j 。的控制输出量。 2 滞环h ，：滞环反映被试阀内存在的铁磁滞环、运动副牛顿摩擦和库仑摩擦、 弹性元件的弹性滞环等的影响，通常定义为在稳态控制特性曲线上，对应于各相 同输出量的正反行程的控制输入电信号之差的最大值u 吒。对于额定输入电信号 。之比： 日一：垒坐1 0 0 ( 2 1 ) 4 盖。 3 线性度三，：通常定义为稳态名义控制特性与拟合直线之间的最大偏差量， 相对于控制输入电信号额定值z 。与初始电信号x 。的差值比( 见图2 3 ) ： 掣里 罱一 一 第二章电液转换元件模块化试验系统方案 三：些! 坚址些竺! 1 0 0 。 2 ( 。一。) ( 2 2 ) l k 么 名则蜘特陛 矽 乡 一嘞 z l 卜 d p 0 图2 4 电液伺服阀负载流龟特性曲线 f i 9 2 4c u r v eo f 1 0 a d n o wc h a r a c t er i s t i co fe l e c t r o - h y d r a u l i cs e r v ov a l v e 的曲线簇，如电液伺服阀负载流量特性曲线( 见图2 4 ) 。它反映了被试元件的控 制量、被控制量和负载三者即输出量的关系。其测试系统框图如图2 5 所示。 图2 5 稳态负载特性试验系统框图 f i g 2 5b l o c k so f s t a t i cl o a dc h a r a c t e r i s t i ct e s ts y s t e m 2 1 3 阶跃响应特性 在电液转换元件的动态试验中，阶跃响应特性试验是一非常重要的试验内容 ( 图2 1 c ) 。它包括控制输入电信号阶跃响应，及负载干扰信号阶跃响应。试验 系统框图如图2 6 所示。 广东工业大学工学硕士学位论文 图2 6 阶跃响应特性试验系统框图 f j g 2 - 6b l o c k so fs t e pr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i ct e s ts y s t e m 试验时的输入信号为给定的输入阶跃信号，它可以是控制输入量，也可以是 负载阶跃信号，被试系统的输出对输入信号的响应分别称之为控制输入电信号阶 跃响应和负载干扰阶跃响应。无论是电信号阶跃响应还是负载干扰阶跃响应，由 图2 7 可得它们的特性指标： ( 1 ) 延迟时间，输入阶跃发生时刻至控制量响应达到稳定值的l o 左右时 所需的时间。 ( 2 ) 上升时间f ，：控制输出量响应从稳态值的1 0 到9 0 所需的时间。 ( 3 ) 峰值时间f 。：输入阶跃变化时刻至控制输出量达到最大峰值的时间。 ( 4 ) 响应时间r 。：输入阶跃发生时刻至控制输出量第一次达到并保持其相对 误差在稳定值士5 范围内，所需的时间。 ( 5 ) 最大超调量m 。：控制输出量最大瞬时峰值y ( r 。) 与稳态终值l ， ) 之差相 对于稳态终值之比： m ：坚! 二翌o o ( 28 ) y ( o 。) 2 1 4 频率晌应特性 电液转换元件的动态特性除可以在时域上表示外，还可以在频域上表示，称 之为频率响应特性( 图2 1 d ) 。当输入幅值不变、频率不同的正弦控制输入信号时， 系统的输出信号必然也是同频率的正弦信号，只不过振幅和相位有所变化。系统 输出信号与输入信号的振幅比随频率的变化，称为幅频特性；输出信号与输入信 第二章电液转换元件模块化试验系统方案 号之间的相位差称为相频特性。试验系统框图如图2 8 所示。 i + o0 5 y 【。) _ 二2 = ：= o 0 5 y ( ) ，、 邑 8 1 三_ l j j i 1 lj t h hl 时间t 卜一1 l _ 一t ； 图2 7 阶跃响应技术指标示意图 图2 8 频率响应特性试验系统框图 f i g ，2 8b l o c k so ff r e q u e n c yr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i ct e s ts y s t e m 频率响应特性主要技术指标有： ( 1 ) 幅频宽正。：指控制输出量与输入量的幅值比下降到0 7 0 7 时的频率( 见 图2 9 a ) 。 ( 2 ) 相频宽广。：指输出控制量对于输入量的相位滞后9 0 。时的频率( 见图 2 9 b ) 。 ( 3 ) 最大幅值比m ，：指幅频特性上的最大幅值比( 每 。 广东工业大学工学硕上学位论文 a ( f ) a ( o ) 0 7 0 7 a ( 0 ) 亩。 0 一。 1 8 0 。 l 一 之 b ) 图2 9 频率响应特性技术指标示意图 2 1 5 故障诊断及振动分析 除以上四种性能试验外，电液转换元件的故障诊断试验也是非常重要的内容， 包括电液伺服、比例阀的故障诊断，电液比例变量泵的振动分析等。在故障诊断和 振动试验分析中，相关分析是一种常用的手段。 相关分析有自相关和互相关两种函数，信号数字化处理后，自相关函数定义 为： 蹦归熙专善柿( r ) 姑1 1 1w 互相关函数定义为： 蹦归熙专蕃卿( f ) - 1 2 式中n 沿时间轴的总采样数； i 沿时间轴的采样序数： t 延时值。 在实际应用中，只能采用有限个样本数据进行自相关，所以自相关函数应按 下式进行计算： 1 4 第二章电液转换元件模块化试验系统方案 鼬垆击姜卿( j + r ) ( 21 3 ) 互相关函数按下式进行计算： 盖娟) 2 志善川) 刚 ( 2 - 1 4 ) 利用相关分析，可以对电液转换元件进行故障诊断。如在电液伺服阀诊断过 程中，先运行试验系统，然后输出周期信号给电液伺服阀，同时采集伺服阀控制 口在关闭状态下的压差信号，用以上两信号做互相关分析来判断电液伺服阀的运 行状况“。在判断液压泵是否发生故障时，由于其壳体振动响应信号中包含了丰 富的与振源相关的特征信息，所以利用壳体振动信号进行自相关分析，其结果可 作为液压泵状态监测与故障诊断的重要依据“。 2 2 电液转换元件的试验回路分析 在分析上述电液转换元件的测试内容的基础上，本文介绍几种电液转换元件 的典型试验回路。 2 2 1 电液比例压力阀试验回路 圈2 1 0 电液比例压力阀试验回路 f i g 2 - l0t e s tc i r c u i to fe l e c t r o - h y d r a l l l i cp r o p o r t i o n a lp r e s s u r ec o n t r o lv a l v e 1 5 广东t 业大学工学硕上学位论文 图2 1 0 是电液比例压力阀的试验回路，图中被试比例压力阀6 的流量可由变 量泵l 或旁路阀3 来调节，压力阀2 可作为系统安全阀( 在试验比例溢流阀时) 或溢流阀( 在试验比例减压阀时) 。换向阀4 和8 是快速切换阀，用于负载流量阶 跃及负载压力阶跃响应特性试验，节流阀7 用于调节比例减压阀的负载压力或溢 流阀的卸荷背压，5 、9 和1 0 分别为压力、流量和温度测量单元。该回路同样适 用于电液比例流量阀的试验，测试时只需把被试压力阀6 换成流量阀。 2 2 2 电液比例变量泵试验回路 图2 1 1 电液比例变量泵试验回路 f i g 2 - l1 t e s tc i r c u i to f e l e c t r o _ h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lv a r i a b l ep u m p 图2 一1 1 是电液比例变量泵的试验回路。图中1 是被试比例泵也是系统的油源， 溢流阀4 为系统安全阀，快速切换阀7 与节流阀6 组成被试泵的负载调节单元，2 、 3 、5 和8 为转速、转矩、压力和流量测量单元。 2 2 3 电液伺服阀试验回路 图2 1 2 是电液伺服阀的试验回路，被试阀3 为电液伺服阀，截止阀5 、6 、9 用于测试伺服阀的内泄漏量。节流阀7 和快速切换阀8 组成伺服阀的加载单元。2 和4 、l o 、1 1 分别为系统的溢流单元和压力、流量、温度测试单元。该回路同样 1 6 第二章f 邑液转换元件模块化试验系统方案 适用于电液比例方向阀( 节流阀、流量阀) 的试验。 图2 一1 2 电液伺服阀试验同路 o 2 3 系统模块化方案及试验流程 2 3 1 硬件模块化方案 比较以上三种电液转换元件的试验回路图可以看出，多数元件和单元的功用 是相同的，如图2 一l l 的阀7 与阀6 组成的单元、图2 一1 0 的阀8 与阀7 组成的单 元和图2 1 2 中8 与7 的功用完全相同。图2 一1 0 中的2 、图2 一1 1 中的4 和图2 1 2 中的2 有对系统起安全保护的作用。每种被试元件的进、出口压力或温度都需测 试，所以每种测试回路中都需有温度、压力测试装置：依此类推，可以将每个试验 油路看成由各种通用的单元模块组成。如本文图2 1 0 回路便可用图2 1 3 中的模 块1 、2 a 、2 b 、3 a 、3 b 和4 组成，图2 1 l 回路可用模块l 、2 a 、3 a 、4 和5 组成。 图2 1 2 回路可由模块1 、2 a 、3 a 、3 b 、4 和相应的伺服阀测试模块组成。其中， 模块1 为油源模块，用来调节被试阀元件的流量和油源的压力，或用于调节被试 1 7 广东t 业大学工学硕士学位论文 泵的最高压力。模块2 为加载模块，用来实现被试阀或被试泵的压力流量静、动 态加载。3 、4 、j 分别为通用的测量温度与压力、流量模块和转矩转速模块等。 图2 1 3 电液转换元件模块化试验同路 f g 2 - 1 3m o d u l a r i z e dt e s tc i r c u i to fe l e c t r o _ h y d r a u l i cc o n v e r s i o ne l e m e n t s 综合以上分析，将电液转换元件试验试验系统硬件模块归纳为试验油路模块 和硬件测控模块。试验油路由若干通用的功能模块构成，如油源模块、加载模块、 伺服阀测试模块等；硬件测控模块如压力与温度、流量、转矩与转速等。通过硬 件集成技术可实现上述模块，因此利用上述模块组建试验系统的方案可行。 2 3 2 软件模块化方案 分析电液比例压力阀和电液比例变量泵及电液伺服阀的试验特性和试验内容 可知，电液转换元件试验系统软件部分必须具有以下功能：信号数据采集、信号 调理、数据处理、数据存盘及回放、打印等等。把这些做成模块，以库文件的形 式存储于计算机中，在试验编程时，根据需要随时调用各模块设计试验程序。具 体软件模块开发详见第四章。 第= 章电液转换元件模块化试验系统方案 2 3 3 试验系统总体方案及试验流程 根据上述电液转换元件试验系统软、硬件模块化思想，结合元件性能测试内 容，本文确定了电液转换元件模块化试验系统总体方案如图2 1 4 所示。系统分为 模块库层和功能层。在模块库层中，系统硬件模块包括试验油路模块和硬件测控 模块。试验油路模块主要功能包括提供油源，对被试元件加载等，硬件测控模块 主要是用检测和用控制器输出信号。软件模块主要实现数据的采集、数据处理、 显示、存盘、打印以及数据的远程传输。系统整体功能可以实现对各电液转换元 件稳态特性和动态特性的试验。 图2 一1 4 试验系统总体方案 f i g 2 - 1 4o v e r a l ls c h e m eo f t e s ts y s t e m 1 9 查三些奎兰三兰至圭兰堡篁塞 试验时，首先确定被试元件，然后根据元件的被试特性内容，在软、硬件模 块库中调用相应的模块组建试验系统，试验流程如图2 1 5 所示。 2 4 本章小节 图2 一1 5 系统试验流程图 f i g 2 - 15f l o wc h a r to f t e s ts y s t e m 本章阐述了电液转换元件试验系统模块化的思想，首先介绍电液转换元件的 试验内容、性能指标和几种典型的试验回路，然后分析了试验回路，提取出功能 相同或相近的液压元件，构建了油路模块和硬件测控模块，接着分析试验系统软 件功能，提取出软件部分功能相同的单元，构建了软件模块。最后综合系统软、 硬件模块化思想，确定了试验系统总体方案，并给出试验系统流程。 第三章试验系统硬件模块的实现 第三章试验系统硬件模块的实现 第二章中对各电液转换元件的试验回路进行了分析，提出了构建试验油路模 块和硬件测控模块的方案，根据电液转换元件的试验内容，本文设计并开发了试 验油路模块和硬件测控模块。 3 1 试验油路模块 试验油路模块化可以利用液压集成技术，通过油路集成设计的方式实现，在 设计上考虑模块的通用性、连接和操作的方便性等，就能够使试验油路以硬件集 成的方式实现模块化。根据试验系统液压试验单元的组成结构，以及试验所需元 件的有关尺寸和测试目的，本文设计并开发了伺服阀测试模块、油源模块和加载 模块。 3 1 1 伺服阀测试模块 伺服阀测试模块如图3 一l 所示，从外观结构上把它分为两层，上层用来连接 电液伺服阀( 或电液比例方向流量阀等) 、内泄截止阀a 、内泄截止阀b 、控制口 图3 1 伺服阀测试模块 f 嘻3 一tt e s tm o d u l eo fs e r v ov a l v o 2 l 广东工业大学工学预士学位论文 截止阀a 、控制口截止阀b 、回油口截止阀、压力表等，该层主要实现被试元件的 稳态特性测试的油路接口；下层是用来连接液压油缸等元件的控制口，该层主要 实现被试元件的动态特性测试的油路接口。由于集成块内部管道间既相互独立又 相互联系，所以试验时，其两层可以单独使用，也可结合使用。其内部油路图见 图3 2 。控制口截止阀、回油口截止阀均采用沈阳液压件厂生产的d v p l o 节流截 止阀，其压力范围是o 一3 1 5 m p a 。该阀具有微小流量调节功能，可以满足试验系 统要求。该模块还可通过各种过渡板与不同的伺服阀或比例阀连接，实现对不同 被试元件的性能测试。 接 灭p 口 l 图3 2 伺服阀测试模块内部油路图 f i g 3 2i n n e ro i l - c i r c u i tf i g u r eo fs e r v ov a l v et e s tm o d u l e 3 1 2 油源模块 根据图2 1 3 中模块1 所示，本试验系统的油源模块，包括电机、电液比例轴 向柱塞变量泵、溢流阀和节流阀的集成块组成，如图3 3 所示。 模块中，电液比例变量泵