2010gdut硕士开题报告(侯小华 修改后).doc

本表一式三份，由学生、所属学院、研究生处留存！硕士学位论文（设计）开题报告论文（设计）题目:挖掘机液压泵-马达综合实验台关键技术开发与研究学生学号、姓名:2110901086 侯小华攻读学位类别:学术型工学硕士所学学科或专业或领域:机电液智能控制及仿真入学年月:2009年9月所属学院名称:机电工程学院指导教师姓名：黄志坚广东工业大学研究生处二一年十月制注：攻读学位类别为下列之一：学术型文学硕士；学术型理学硕士；学术型工学硕士；学术型管理学硕士；工程硕士专业学位；工商管理硕士专业学位、工程管理硕士专业学位。14学生姓名侯小华性别男身份证号读本硕士学位前学历本科已获最高学位类别工学学士已获学位授予单位江西理工大学已获学位年月2009年6月主要学习、工作经历起止年月所在单位任职2005年9月2009年6月2009年9月至今2010年7月至今江西理工大学机电工程学院 本科阶段学习广东工业大学机电工程学院 研究生阶段学习广州市新欧机械有限公司 从事液压测试设备的设计、调试工作技术部论文（设计）所属类型（请单项选择打）基础研究 应用研究 综合研究 其他论文（设计）选题来源（请单项选择打） 973、863项目 国家社科规划、基金项目 教育部人文、社会科学研究项目 国家自然科学基金项目中央、国家各部门项目 省（自治区、直辖市）项目 国际合作研究项目 企、事业单位委托项目 外资项目 学校自选项目国防项目 非立项 其他论文（设计）关键词（不超过5个）液压试验台 挖机泵马达 CAT 功率回收 Labview数据采集属于导师科研项目名称该项目来源及编号开题报告会组成人员姓名职称工作单位黄志坚教授级高工广东工业大学机电学院贺石中教授级高工广州机械科学研究院敖银辉副教授广东工业大学机电学院李晋芳副教授广东工业大学机电学院杨 杰副教授广东工业大学机电学院一、选题依据（内容包括：课题来源、研究意义、国内外研究现状、参考文献综述）1.1课题来源本课题来源于广州市新欧机械有限公司的项目。广州市新欧机械有限公司，根据成都工程机械（集团）有限公司的技术要求，为其设计、生产一套挖机泵、马达液压试验台。该试验台主要测试神钢KOBELCO建机的主流挖掘机使用的液压主泵，液压行走马达，液压旋转马达。该试验台是成都工程机械（集团）有限公司再生事业部的主要测试设备之一。设计目标是实现液压泵，马达测试过程的自动化和信息化，提高生产效率。1.2液压试验台技术发展现状自改革开放以来，我国国民经济得到了高速而稳定的发展，液压技术及液压元器件已广泛应用在冶金、船舶、飞机、汽车、工程机械、工业设各、润滑系统等各个领域，各行各业。同时随着液压技术在环境保护和能源利用等各方面所体现出的优势，液压技术及液压元器件将得到更加广泛的应用。1液压泵和液压马达是液压系统中的能量转换设备，前者是把电动机的机械能转换成液压能，后者是把液压能转换成机械能输出，执行所要求的动作。泵、马达试验台作为检验液压系统中这两件重要执行元件的试验设备，它工作的结果将直接影响着液压系统的工作状况，对工业生产和居民实用具有巨大的影响，因此其检验过程与结果的准确与否就显得非常的重要。2因此本文将在己有的泵、马达试验上开发研制出一种新型的功率回收式、挖掘机电液比例泵控马达试验台，在改进已有试验台的能耗严重、控制精度低、自动化程度低等缺点上引入功率回馈、电比例控制以及CAT技术。采用功率回馈将大大提高系统的能源利用率，达到节能的目的。而在泵、马达试验台上加入电控单元将可以提高其工作效率，其流量和压力的输出将更具智能化，能更好的满足工业和其他实际应用的操作，安全性能更高，其使用寿命也将得到大大延长，也大大降低了因人工操作带来的人为误差和安全隐患。功率回馈最早见于中国科学院院士，浙江大学教授，路甬祥在，功率回收型液压抽油机的设计原理一文中提出，阐述了抽油机的设计要求及国内外现有无桨式液压抽油机的基本特点。提出了一种新型无集式液压抽油机功率回收型液压抽油机的设计原理。这种液压抽 油机 用蓄能器作为能量储存元件，用变量泵马达作为动力执扦机构，通过改变变量泵马达排量太小来改变其输出扭矩的大小，不仅使变量泵马达和抽油杆在往复运动 中互为动力和负载，实现功率回收，而且可调节抽油轩的运动速度或冲次，是一种结构紧凑、耗能少、冲程长、载荷大的新型液压抽油机。3中南大学机电学院吴时飞，通过广泛调研后发现，目前在国内大型钢铁厂和机车厂以及工程机械行业所使用的液压泵、液压马达试验台设备中都存在不少缺陷。尤其是对大功率液压泵、马达，通常直接采用非功率回收的试验方法，经济效果很差，不仅设备复杂，投资高，而且在试验过程中，电能全部转化为热能而且耗散掉(寿命试验时消耗的电能更是十分惊人)。4华东船舶学院，蔡廷文介绍了一种适用于大功率液压元件性能试验的功率回收式试验系统的效率和功率回收系数的分析和计算方法，可确定试验系统的装机容量。5山西省煤炭工业学校丁原廉,张红俊,山西省西山煤电集团西曲煤矿,魏越云对大功率液压元件及系统实验、长时间寿命实验和超载实验、大批量液压元件产品性能实验的能量浪费及功率回收进行了粗浅的探讨。介绍了功率回收的原理,分析了功率回收的实验系统。结论为采用该系统进行实验可节约电机功率约 70%。6中南大学机电学院曾晨阳,就目前过国内液压测试技术的现状，提出：具有较高可靠性，能由计算机根据测试项目要求自动控制压力、流量、温度、电流、频率、转速等参量，并能自动校零的全自动液压试验台未见有报道。液压测试技术发展的另一标志是试验台按国家所规定的精度等级标准制造。B级精度CAT液压试验台是目前我国液压测试设备的最高技术水平，但只有少数液压试验台在部分液压元件，部分项目上达到了B级精度等级。真正符合国家B级精度要求，经过实践证明是适用于工矿企业使用，能够全面试验泵、阀、缸及伺服阀等元件的CAT液压试验台极为少见。在国内已有的相关产品，其测试精度一般定为C级。传统的液压测试方法依靠操作试验人员进行人工读数、测距、手动调整加载、计算、手工绘图等，试验过程中的工作量非常之大，并且由于人工读数的随机性很大，要想保证规定的测试精度，是一件相当困难的事情。我国液压测试技术经过30多年的发展已有很大进展，首先表现在CAT技术的引入。从1980年开始，一些单位就将单板机或PC机应用于液压测试中，但因研制年代较早，软硬件的性能均不高。CAT技术的应用模式经历了下面四个阶段(1)常规二次仪表+单板机十汇编语言；(2)常规二次仪表+专用接口+计算机+高级(或汇编)语言；(3)通用接口+微型机系统；(4)兼有测试试验数据处理和计算机控制功能的微机系统。7从测试系统的功能看，常分两种模式：一是计算机对测试装置进行控制并完成测试过程数据采集、处理一体化的系统，如北京机械工业自动化研究所的液压阀、液压泵、液压缸、液压马达试验台计算机辅助测试系统，上海交大和昆山液压件厂为武钢研制的新国际B级精度液压阀试验台的计算机辅助测试系统，华中科技大学液压泵和马达特性智能测试系统、液压缸试验台CAT系统及电液伺服阀CAT系统等；二是计算机不对测试装置进行控制，只进行数据采集、信号处理和试验结果的输出的系统，如北京理工大学的液压泵、液压马达、液压泵液压马达传动系统工作特性的计算机辅助实验系统，广州机械科学研究院液压研究所液压泵性能和噪声计算机实时监测系统等。8文献911研究了电液比例、液压系统诊断与功率回收实现技术并在液压试验台中应用。1.3本课题的研究意义在实验中，要求对被试对象加载，尽量模拟实际工作情况，要求动力源提供足够的能量。这部分能量被加载器吸收或通过不同途径消耗掉。对于大功率液压元件及系统实验，长时间的寿命实验、超载实验以及大批量液压元件产品的性能实验来说，势必产生能量的大量浪费，是极不合理的。为了节约能源和降低成本可采用功率回收。6 一般液压功率回收系统回收率=0.7左右,驱动电动机功率只为液压马达所需功率的30%左右。可见与无回收时相比，电动机功率大为减少。从初期投资成本和运行、维护综合考虑，非功率回收实验系统运用于中、小功率的泵、马达实验或科研单位短期研究性实验较为合理。从节能和减少发热量方面考虑，采用功率回收实验系统效果显著 ，特别对大功率和长时间寿命实验，优越性更为突出。对于生产厂作批量较大的，功率超过30KW的泵和液压马达性能实验时，以及功率超过10KW寿命实验时，尽量采用功率回收实验系统。6该文设计液压试验台的在非功率回收状态下装机容量约为350KW，约有245KW（70%）的功率是可以回收的，不仅能量利用率低，而且配套的冷却系统的装机容量也会增大。按工业用电电价1.20元/KWh每小时可以节约1960元，连续工作2112小时（5天8小时工作制的一年工作时间）则能节约51.74万元，如果把这些能量回收、再利用，经济效益将非常可观，并且如果能广泛推广社会效益也是很大的，可以达到节能减排的效果。本项目，根据企业的实际需要，研制一套计算机控制的新型挖掘机泵、马达综合试验台，能针对神钢建机的液压泵，马达及其常用典型液压元件进行性能试验，自动化程度较高。另外，开发出的新型的试验台，还会在节能降低功耗、提高测试精度方面做出探索。 1.4参考文献:1 李笑主编.液压与气压传动. M.国防工业出版社,20072 官忠范.液压传动系统. M.北京.机械工业出版社,1981 3 路甬祥，俞浙青，吴根茂. J.功率回收型液压抽油机的设计原理 石油机械 第23卷 第2期 19954 吴时飞. 泵马达功率回馈式试验台液压及测控系统研究. D.中南大学机电学院,20065 蔡廷文. 一种功率回收式液压试验系统的效率计算. J.研究开发,2006.12 40卷,406期6 丁原廉,张红俊,魏越云.液压泵和液压马达实验中的功率回收分析. J.机械管理开发 2003.87 曾晨阳.双弹车双缸同步系统液压综合试验台的设计与研究. D.中南大学机电学院,20048 赵月静.常用液压测试仪器及使用入门. M. 北京.化学工业出版社,20099 许益民.电液比例控制系统分析与设. M. 北京.机械工业出版社,200510 李新德主编.液压系统故障诊断与维修技术手册. M.中国电力出版社,200911 白国长,逄波, 王占林,祁晓野. 机械补偿液压功率回收系统研究. J. 机械科学与技 术,2007.02 26卷,第20期二、课题研究目标、研究内容、拟解决的关键问题2.1课题研究目标本文将在己有的泵、马达试验上开发研制出一种新型的功率回收式、挖掘机电液比例泵控马达试验台，在改进已有试验台的能耗严重、控制精度低、自动化程度低等缺点上引入功率回馈、电比例控制以及CAT技术。采用功率回馈将大大提高系统的能源利用率，达到节能的目的。而在泵、马达试验台上加入电控单元将可以提高其工作效率，其流量和压力的输出将更具智能化，能更好的满足工业和其他实际应用的操作，安全性能更高，其使用寿命也将得到大大延长，也大大降低了因人工操作带来的人为误差和安全隐患。2.2研究内容课题研究内容包含：液压系统的设计、性能分析，典型试验回路工作原理的分析与研究，系统的自动控制及数据采集，试验分析等。因此文章拟从以下几个方面开始：1)基本功能回路设计 按照现行国家和行业标准中有关液压元件的试验方法，综合分析相关的试验原理与方案，设计一套全新的液压综合试验系统。试验过程中可以按照不同被试对象的不同试验项目，自由组合系统中的管路接口，以形成试验所要求的回路系统。2)功率回收嵌入 分析典型试验回路的设计思路，并在功能回路的基础上嵌入功率回收油路，对功率回收实现方案予以阐述和研究，突出该液压测试系统的节能特性。3)CAT及测试精度的提高 文章拟设计一套由计算机控制系统(CCS Computer Control System)与计算机数据采集系统(CDAS Computer Data Acquisition System)相结合的计算机分级分布式自动控制与管理系统，下位机PLC构成CCS，上位计算机构成CDAS。计算机完成信号采集、处理、分析、试验报表以及自动控制功能，下位机PLC接受上位机的控制指令，并输出驱动信号去完成具体的控制动作。另外，本人还会在仪表的造型，传感器信号屏蔽，控制电路的抗干扰等方面做深入的研究，以提高测试精度。4)在试验台设备设计，制造完成后，演示测试系统的动、静态特性对同步系统性能试验和溢流阀试验的结果进行分析、讨论，验证试验台测试结果的真实性、可靠性。随着计算机技术、传感器技术等的不断发展，计算机控制液压测试系统将向全自动化方向发展，形成一个真正意义上的闭环控制系统。系统的流量、压力调节功能都可以根据实际负载需要进行自动操作，同时系统中的液温控制系统将进一步得到完善。2.3拟解决的关键问题随着课题研究内容的确定，针对每部分也有一些有待解决的问题。因此文章拟从以下几个方面着手：1) 功率回收相关匹配与计算 大功率液压元件性能试验的功率回收式试验系统，系统的效率和功率回收系数的分析、计算方法以及加载泵的转速计算与控制等等都有待深入研究。2)高精度与系统稳定性 一个系统的高精度往往与系统的稳定性是矛盾的。本文旨在提高常规液压试验台的测试精度，可能会导致系统冲击、压力（流量）波动、管道效应等等不稳定现象，怎么样协调好二者间的关系，是一个很有难度的问题。3)CAT技术的实现 计算机完成信号采集、处理、分析、试验报表以及自动控制功能，下位机PLC接受上位机的控制指令，并输出驱动信号去完成具体的控制动作。在提高自动化程度的同时，相对应的声光报警，报警事件的处理，是否周全，应当得到重视。4)验证试验台测试结果的真实性、可靠性，可能会用到一些仿真软件，如AMESim，MATLAB等等，来与液压试验台的测试结果相比较。应该专门花时间对这些软件进行学习。若所填内容超出此页可另加页，页码顺延。三、研究方法、技术路线、试验方案及其可行性论述3.1实施方案在液压综合测试中，由于对试验的要求、目的不同，其控制方式不同，基本上可以分为两种类型：闭环控制和开环控制，如图1-1，1-2所示。 通常在液压试验中以开环测试系统居多，这是由于液压试验不同于生产过程控制。因为一般的生产过程，产品定型、生产的批量大，且工艺流程固定，因此程序设计比较简单易于实现。而液压试验中的综合测试系统除了需要进行数据处理外，还需对试验工况是否稳定进行判断、观察，对中间结果要求能够打印或者显示，试验过程的人机联系多。另外，被试液压元件的类型、试验项目不一，又是单件试验，因此采用开环控制就比较机动灵活。 图13为液压元件试验的综合测试系统原理框图，它能自动进行采样和数据处理，并将试验结果打印出来，其输出信号不作用于执行机构，试验工况的改变(执行机构如液压阀状态的改变)仍由人工进行。 3.2总体方案布局如下： 试验台由液压站、泵试验台架、马达试验台架、电气控制柜以及测试与控制操作台构成。主电机，变频器共用；每个试验台架上设置有多个供油接口、回油接口和泄漏油接口，方便扩展和临时试验配管用，压力、温度，流量、转速数字显示；运用变频技术进行无级调速，节省能源且性能安全可靠，被试泵带电比例调节器两路(仅电比例控制泵用)，泵台上用导轨方便安装不同轴长的被试元件。系统油温控制在555，加热与冷却自动控制。加热采用电加热装置直接对油液加热，冷却采用管式散热器，散热器的循环冷却水经过冷水机冷却。电控系统主要分控制系统和CAT系统两部分1）控制系统由人机界面、操作台控制、流量控制系统、加载控制系统、温度及液面控制系统等组成。人机界面功能：给客户提供良好操作界面，可以设置选择各类液压测试项目，并设置各类测试项目的各种参数,并在测试过程中给予操作者各类提示,以防操作者操作步骤出错和提示测试中的各类报警。人机界面给液压测试设定各种测试流程、加载压力、加载流量、加载的时间、空载运行时间、保压时间等。能够显示油液位状态、油温超高超低报警、变频器的状态、油堵塞报警、各手动油闸的开关状态、辅泵的运转状态 、各电磁阀的通电状态。西门子PLC系统：接收各信号源的信号、发出相应控制信号、实现试验的顺序控制及保护互锁、报警等。流量控制：在人机界面设定流量，控制变频器控制油泵电机，达到设定流量。加载控制系统：加载由人机界面输入加载电压、时间，由PLC模拟量输出模块输出设定的加载曲线，控制比例输出板的输出电流，去控制比例加载溢流阀。温度控制系统：控制油加热管和循环冷却系统达到设定温度。液面控制系统。2）试验台计算机辅助试验（简称液压CAT）系统该计算机辅助试验系统硬件由计算机（工控机）、各种传感器、信号调理装置及输入输出接口组成。传感器：包括压力传感器、流量传感器、扭矩转速传感器、温度传感器、液位控制等，完成压力、流量、泄漏量、油温、扭矩、转速、液位等试验参数的采集。信号调理装置：包括数据采集卡、相应放大电路、多路开关、A/D、D/A转换、数字信号处理器等；（数据采集卡：将从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采集的非电量或者电量信号,送到上位机中进行分析,处理。）信号输入输出接口：包括PLC I/O接口及输入输出电路。工控机：负责数据信息的读取、存储，信号分析、计算、比较、控制及管理；根据客户选择的测试项目生成各类曲线、报表，并能将数据给予保存和打印。（包括远程输出）液压泵站的状态参数及所有试验参数在控制台实时显示。主要总成部件品牌,电动机：广东江门，变频器：台湾TECO，液压泵及马达：力士乐 Rexroth，电脑采集系统：研华3.3可行性论述本项目在理论上，已经非常成熟。中南大学机电学院，吴时飞泵马达功率回馈式试验台液压及测控系统研究；华东船舶工业学院蔡廷文，一种功率回收式液压试验系统的效率计算；北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院，白国长,逄波, 王占林,祁晓野，机械补偿液压功率回收系统研究。对液压试验台，大功率泵、马达测试的功率回收，已有详细的论述，只是大多是高等院校实验室的教学样机，没有得到工业应用。在设计、生产环节上，工厂环境、软硬件配置，都比较齐全。本项目是在广州市新欧机械有限公司完成设计、生产。该公司多年从事液压试验台的设计、生产工作，有丰富的技术沉淀、高素质的人才队伍。作为项目的实际实施者，本人已经参与“欧贝库（宁波）公司液压马达