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说明书+CAD R210LC 挖掘机 液压 系统 测试 设计 说明书 CAD

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湘 潭 大 学本科毕业设计（论文）开题报告题 目R210LC-7挖掘机液压系统测试系统设计姓 名张陈学号2010963136 专 业机械设计制造及其自动化班级机械四班指导教师刘金刚职称副教授填写时间2014年 04 月 9 日2014年4月本科毕业设计(论文)开题报告学生姓名张陈学 号2010963136专 业机械设计制造及其自动化指导教师刘金刚职 称副教授所在系兴湘学院课题来源自拟课题课题性质毕业设计课题名称 R210LC-7挖掘机液压系统测试系统设计1、 选题的依据、课题的研究意义及国内外基本研究情况1、选题依据随着近年来我国国民经济的快速发展以及实施西部大开发战略的机遇，工程机械在各种工程建设领域中所起的作用越来越明显，液压挖掘机作为主流的工程机械产品，以其应用广泛、使用灵活、工作效率高而愈来愈被人们所重视。液压挖掘机是目前土方开挖的最主要施工机械，在交通、建筑、能源、矿山、水利、港口等工程领域发挥重要作用 2、课题意义液压系统是液压挖掘机的技术基础和重要的关键组成部分，其二是挖掘机技术的发展要求又液压技术的进步和提高。液压挖掘机是结构复杂、功能强大、用途广泛的工程机械，它的典型工作过程基本是模仿人类动作，其铲斗、斗杆、动臂和回转动作，极象人的手腕、小臂、大臂和扭腰动作。如此复杂的机械手式的动作的实现是和液压传动的技术密切相关的，现代挖掘机的液压系统非常复杂，除了基本传递功率的功能外，还负责很多的操纵控制。液压系统性能的优劣决定着挖掘工作性能的高低，目前液压传动与控制的许多先进技术都体现在挖掘机上。因此对其液压系统的设计既可以学习到更先进的液压技术巩固所学的知识，又符合时代的步伐。 2、挖掘机液压系统测试系统在国内外的发展情况 80年代以后，国外逐渐开展了对液压挖掘机状态检测系统的开发研究，经过二十多年的发展，已经取得了较为成熟和完善的技术成果，其中美国、德国、日本和韩国在这方面处于较为领先的地位。美国卡特彼勒公司1978年就研制出用于挖掘机的电子测试系统，目前该公司已有60%以上的产品都配置了该系统，能对机器运行情况进行连续监测。在其近年开发的E系列挖掘机上，还安装了三级报警电子检测系统、功率方式控制器和发动机转速自动控制装置等机电一体化部件，在发动机起动前，该系统可检查设备状况，若有潜在故障则立即向司机报警。在机器运行过程中，可根据不同工况进行三级报警：一级报警时面板上发光二极管闪烁提示故障部位；二级报警时面板上大灯同时亮；三级报警时蜂鸣器同时响，要求司机立刻停车检查。国内在液压挖掘机的状态测试系统方面的研究起步较晚，90年代以来，国内的一些挖掘机生产厂家通过合资或引进国外先进技术的方式，经过消化吸收，逐渐开发出自己的检测系统，虽然在性能上与国外相比还有一定的差距，但仍具有较高的技术含量。如长江挖掘机厂已将电子监测技术用于WY160B挖掘机，还与浙江大学合作制成便携/固定两用式液压挖掘机系统监测故障查找装置。该装置以MCS51系列单片机为核心，能实时监测液压、动力、电气及其他部分的共计16路运行状态参数，在液晶显示屏上显示出10路模拟量和频率量参数具体值，当检测到故障信息时，根据装置内的故障经验库即可大致推出故障部位，并有声、光、图同时报警能力。贵州詹阳开发的具有90年代先进水平的WDKX电子监控系统，借鉴了国外先进挖掘机电子监控系统的技术，可在线监控挖掘机系统的工作状况，系统的主要技术参数在大屏幕液晶显示屏上一目了然。当挖掘机出现异常状况时，WDKX电子监控系统可向操作者发出声光报警，以使挖掘机操作者和维修人员动态的掌握挖掘机的技术状况，及时准确地排除故障，进而合理、正确、安全地使用挖掘机。上海建筑机械厂和上海同济大学联合开发研制了电子监控装置，它主要是对液压挖掘机的发动机和故障率较高的液压系统进行监测，还可对运行中的十二个重要参数进行检测，以液晶屏幕显示检测结果，对异常运行状态进行简易故障诊断，以十六位汉字形式显示诊断结果，并设八个报警页，分为三个等级进行报警，该装置在作随机试验基础上将投人使用。总而言之，国内的挖掘机液压系统的状态监测处于研发阶段，离实际的应用还有一定的距离，而要实现这些系统的产品化还必须解决一些技术上的问题。二、研究内容、预计达到的目标、关键理论和技术、技术指标、完成课题的方案和主要措施。研究内容：1、熟悉液压系统结构工作原理，对比选择较好的方案。 2、按照方案的要求进行结构参数的设计。 3、根据传感器的输出信号选用合适的AD数据卡。搭建基于计算机的测试系统。 4、基于虚拟仪器软件Labview设计测试软件，完成数据的显示和储存。 5、完成设计说明书。预计目标： R210LC-7挖掘机液压系统测试系统设计。关键理论和技术：1、液压系统结构和工作原理。2、各种传感器3、传感器的输出信号的处理。 设计的预交材料及基本要求： 1、设计说明书；2、液压系统工作原理图；3、测试系统工作原理图和接线图； 4、检测软件界面和图形化设计语言； 5、英文翻译。三、主要特色及工作进度主要特色： 工作进度：1-2 周：查阅相关；2-7 周：主要完成硬件设计；7-10 周：完成软件部分的设计；11-12 周：写设计说明书答辩。四、主要参考文献（按作者、文章名、刊物名、刊期及页码列出）1陈桂、盛党红、汪木兰，LabVIEW与MATLAB在伺服系统中的应用研究.现代雷达，2005(11)2陈溯，王思华，采用LabVIEW图形程式设计构成虚拟仪控设备，INTERNET3关建和，唐露新，李伟东.基于LabVIEW平台的电液控制系统的研究与应用。机电工技术，2003(6)4顾友华，基于虚拟仪器的综合测试系统开发。西北工业大学硕士学位论文，2004.35刘君华，基于LabVIEW的虚拟仪器设计。北京：电子工业出版社，20036陈正利，我国液压挖掘机发展的几个重要阶段及其前景展望。建筑机械，19997孙秋野、柳昂、王云爽，LabVIEW8.5快速入门与提高。西安交通大学出版社，20098廖彦，LabVIEW环境下的实时控制案设计与研究，西北工业大学硕士学位论文，20029王贤林，虚拟仪器及其应用前景。武汉科技大学学报(自然科学版)，2002.610杨乐平、李海涛，LabVIEW高级程序设计。北京：清华大学出版社，200311张明，杨成银，基于LabVIEW液压挖掘机工作装置的测控系统工程机械，2007年第6期12当前挖掘机行业市场展望及相关问题，建设机械技术与管理，2004年第五期指导教师意 见指导教师签名： 年 月 日系意见 系主任签名： 年 月 日院意见 教学院长签名： 年 月 日湘潭大学兴湘学院毕业设计说明书题 目：R210LC-7挖掘机液压系统测试系统设计学 院： 兴湘学院 专 业：机械设计制造及其自动化学 号： 2010963136 姓 名： 张 陈 指导教师： 刘金刚 完成日期: 2014.5.28 湘 潭 大 学毕业论文（设计）任务书论文（设计）题目：R210LC-7挖掘机液压系统测试系统设计 学号： 2010963136 姓名： 张陈 专业： 机械设计制造及其自动化 指导教师： 刘金刚 系主任： 一、主要内容及基本要求 本设计的主要内容为： 1、拟熟悉液压系统结构和工作原理。 2、根据液压系统工作原理，确定所需测量参数，选好合适的传感器。 3、搭建基于计算机的测试系统 。 4、完成数据的显示和存储。 5、完成设计说明书。 本设计的技术指标及基本要求： 1、液压系统工作原理图； 2、测试系统工作原理图； 3、掌握液压系统的工作原理； 4、掌握利用接线图表达自己的设计意图。 二、重点研究的问题 重点研究的问题主要有： 1、挖掘机液压工作装置的液压系统。 2、液压挖掘机液压测试系统的软硬件。 三、进度安排序号各阶段完成的内容完成时间1查阅相关资料第1周2方案论证、制订设计方案第23周3主要完成硬件设计第68周4绘制接线图第912周5撰写毕业设计说明书第1314周6最后修改整理准备答辩第1516周四、应收集的资料及主要参考文献1陈桂、盛党红、汪木兰，LabVIEW与MATLAB在伺服系统中的应用研究.现代雷达，2005(11)2陈溯，王思华，采用LabVIEW图形程式设计构成虚拟仪控设备，INTERNET3关建和，唐露新，李伟东.基于LabVIEW平台的电液控制系统的研究与应用。机电工技术，2003(6)4顾友华，基于虚拟仪器的综合测试系统开发。西北工业大学硕士学位论文，2004.35刘君华，基于LabVIEW的虚拟仪器设计。北京：电子工业出版社，20036陈正利，我国液压挖掘机发展的几个重要阶段及其前景展望。建筑机械，19997孙秋野、柳昂、王云爽，LabVIEW8.5快速入门与提高。西安交通大学出版社，20098廖彦，LabVIEW环境下的实时控制案设计与研究，西北工业大学硕士学位论文，2002湘潭大学兴湘学院毕业论文（设计）评阅表学号 2010963136 姓名 张陈 专业 机械设计制造及其自动化 毕业论文（设计）题目 R210LC-7挖掘机液压系统测试系统设计 评价项目评 价 内 容选题1.是否符合培养目标，体现学科、专业特点和教学计划的基本要求，达到综合训练的目的；2.难度、份量是否适当；3.是否与生产、科研、社会等实际相结合。能力1.是否有查阅文献、综合归纳资料的能力；2.是否有综合运用知识的能力；3.是否具备研究方案的设计能力、研究方法和手段的运用能力；4.是否具备一定的外文与计算机应用能力；5.工科是否有经济分析能力。论文（设计）质量1.立论是否正确，论述是否充分，结构是否严谨合理；实验是否正确，设计、计算、分析处理是否科学；技术用语是否准确，符号是否统一，图表图纸是否完备、整洁、正确，引文是否规范；2.文字是否通顺，有无观点提炼，综合概括能力如何；3.有无理论价值或实际应用价值，有无创新之处。综合评 价张陈同学毕业设计立论正确，论述充分，结构严谨；具有较强的的文献查阅、资料综合归纳整理能力，能在设计中熟练运用所学知识，设计方案合理可行，论文质量一般，图纸完整。同意参加答辩。评阅人： 2014年5月 日湘潭大学兴湘学院毕业论文（设计）鉴定意见学号： 2010963136 姓名： 张陈 专业： 机械设计制造及其自动化 毕业论文（设计说明书） 70 页 图 表 8 张论文（设计）题目： R210LC-7挖掘机液压系统测试系统设计 内容提要：液压挖掘机技术的发展是和液压技术的发展相辅相成的，其一是液压系统是液压挖掘机的技术基础和重要的关键组成部分，其二是挖掘机技术的发展要求又液压技术的进步和提高指导教师评语张陈同学在本次毕业设计过程中，态度端正，并对毕业设计任务作了深刻的理解与分析，查阅了非开挖水平钻机的相关资料，能够清楚了解工作装置主要构件的种类与连接方式，并对其进行了分析，绘制了二维三维图纸，具备一个机械专业学生所应该有的的机械设计知识。设计说明书书写认真，条理清晰，观点明确，具有一定的文本撰写能力与外文文献翻译能力。建议成绩评定为：同意答辩。指导教师： 年 月 日答辩简要情况及评语根据答辩情况，答辩小组同意其成绩评定为： 。答辩小组组长： 年 月 日答辩委员会意见根据答辩情况，答辩小组同意其成绩评定为： 。答辩委员会主任： 年 月 日目 录摘 要1第一章 绪论21.1本课题研究的背景和意义21.2国内外发展现状41.2.1国内发展现状41.2.2国外发展现状71.3本课题主要技术的研究方法91.3.1 传感器技术91.3.2信号采集与处理技术101.3.3数据通讯技术12第二章 液压挖掘机工作装置的液压系统14 2.1液压挖掘机工作装置的结构组14 2.2液压挖掘机工作装置的工作特点14 2.3液压挖掘机的液压系统16 2.3.1液压挖掘机的液压系统的要求16 2.3.2 液压挖掘机的液压系统的类型17 2.3.3液压挖掘机的液压系统17第三章 液压挖掘机测试系统的硬件结构213.1测控系统的硬件总体构架213.2测试装置具体实现方式及元器件选型213.3测试系统的信号调理253.4数据采集及控制输出26第四章 基于虚拟仪器的测试系统28 4.1虚拟器概述28 4.1.1虚拟器简介28 4.1.2虚拟器的硬件系统29 4.1.3虚拟器的软件系统30 4.2 LabVIEW介绍31 4.3虚拟仪器及LabVIEW在控制中的应用32 4.4基于虚拟仪器的控制系统的结构34 4.5控制回路的定时35第五章 液压挖掘机测控系统的软件设计365.1应用软件的模块设计365.2液压测试系统软件的编程39结 论40致 谢41参考文献42外文资料原文43外文资料译文51摘 要液压挖掘机工作装置的控制是实现自动挖掘的关键技术，由于挖掘机工作装置的结构存在时变性、液压系统的非线性，增加了工作装置理论建模的难度，加之工作环境恶劣，工况多变，挖掘时土壤的不确定性，使得很难得到完善的控制策略，对挖掘机工作装置的控制成为挖掘机机器人化，实现自动挖掘研究的热点。液压挖掘机工作装置存在的非线性、时变性、工况的复杂性，其控制难度大，目前的研究都还处于实验室阶段，对各种的理论建模、控制策略需要进行进一步的实验研究。本文针对实验用挖掘机工作装置控制的测试系统，首次引入虚拟控制仪的手段来构建液压挖掘机的实验测控系统，通过虚拟仪器开发平台LabVIEW开发虚拟控制仪实现测控系统的数据采集、控制运算、控制输出;利用LabVIEW开发友好的用户界面实现对工作装置液压系统的压力，液压缸的位置，温度，流量直观显示，直观的观察到液压挖掘机工作装置测控系统的运行情况，改变虚拟控制仪的软件即可对各种建模和控制策略进行实验研究。 关键词：液压挖掘机 工作装置 LabVIEW 测试系统AbstractDevelop excavator control and measure system based on LabVIEW. The control of an excavator is difficult from the standpoint of the following problems: parameter variations in mechanical structures, various nonlinearities in hydraulic actuatous and disturbance due to the contact with the ground.Apply NI LabVIEW to control and measure excavator hydraulic system, and monitor flaw,pressure,temperature and position of actor cylinders.The control strategy and algorithm are simulate using MATLAB control system toolboxes, MATLAB Script is directly transplanted into LabVIEW,and the physical simulation of excavator is accomplished.Key words: excavator;working device;LabVIEW;Measurement and control71第一章 绪论1.1本课题研究的背景和意义随着近年来我国国民经济的快速发展以及实施西部大开发战略的机遇，工程机械在各种工程建设领域中所起的作用越来越明显，液压挖掘机作为主流的工程机械产品，以其应用广泛、使用灵活、工作效率高而愈来愈被人们所重视。液压挖掘机是目前土方开挖的最主要施工机械，在交通、建筑、能源、矿山、水利、港口等工程领域发挥重要作用，一台1液压挖掘机挖掘级土壤时，每班生产率大约相当于300-400 工人一天的劳动生产率。由于液压挖掘机具有多品种，多功能。最近几年的统计表明，液压挖掘机是整个工程机械行业中产销量最大、增长率最高的产品之一。到2006 年国内挖掘机生产企业包括合资和外资企业销量总和接近5 万台，同时我国进口挖掘机数量也极为庞大，据统计，2006 年111月，仅广州口岸就累计进口挖掘机17，000 台（近几年挖掘机销量统计见表1.1）年份1999200020012002200320042005200620072008销量（台）611481111239719710339823361433862496256879176898表1.1 挖掘机年销售统计液压挖掘机是功能最典型、结构最复杂、用途最广泛的工程机械之一。作为工程机械的主流产品，它在工业与民用建筑、交通运输、水利电力工程、矿山采掘以及军事工程等施工中起着极为重要的作用。然而，随着人类活动领域的拓展，对作业质量的提高和对人的工作环境的挑剔，这些领域存在的一些问题愈来愈不容忽视：作业的劳动强度较大，在进行挖掘操作时，操作者需要在视觉和听觉的基础上，依靠经验知识进行推理以对挖掘过程进行控制和监视，体力和脑力消耗极大；工作环境恶劣，常常伴随有强烈的振动、噪音和尘埃，有时甚至面临塌方、辐射、爆炸以及化学物等威胁。液压挖掘机技术的发展是和液压技术的发展相辅相成的，其一是液压系统是液压挖掘机的技术基础和重要的关键组成部分，其二是挖掘机技术的发展要求又液压技术的进步和提高。液压挖掘机是结构复杂、功能强大、用途广泛的工程机械，它的典型工作过程基本是模仿人类动作，其铲斗、斗杆、动臂和回转动作，极象人的手腕、小臂、大臂和扭腰动作。如此复杂的机械手式的动作的实现是和液压传动的技术密切相关的，现代挖掘机的液压系统非常复杂，除了基本传递功率的功能外，还负责很多的操纵控制。液压系统性能的优劣决定着挖掘工作性能的高低，目前液压传动与控制的许多先进技术都体现在挖掘机上。因此对其液压系统的设计既可以学习到更先进的液压技术巩固所学的知识，又符合时代的步伐。液压挖掘机的状态测试技术经过近几十年的发展，已经产生了一些较为成熟的理论方法和研究成果，根据测试逻辑和诊断算法形式的变化，我们可以将其发展过程分为三个阶段：一、 电子液压单元测试模式80年代初，液压挖掘机的发展趋向于电子液压单元监控，其显著标志是采用传感器电子控制单元与液压驱动执行机构相结合的模式，取代传统的液压机械控制的模式，大大提高了整机的性能。例如CAT公司在其200E以上的液压挖掘机上采用了电子监控报警系统，在机器原有结构不变的情况下，使其综合工作效率、维护成本、运行周期以及使用寿命等产生了显著变化，而这种模式的成本较传统模式没有大的变化，从而使液压挖掘机的性能价格比明显提高。该模式下的电子监控系统采用的是开关量传感器配合专用大规模集成电路，监控逻辑与故障诊断逻辑以并行的形式集成在大规模集成电路芯片中。该形式的优点是结构简单、稳定性好、监控结果直观及抗干扰能力强，缺点是使用的线束较多，涉及各部件之间的复合控制难以进行，传感器资源没有充分利用。二、电子液压集成测试模式90年代以来，液压挖掘机的电子监控程度进一步提高，逐渐演变到集成电子液压监控模式，使操作者的劳动强度和机器的效率及能耗得到进一步改善。例如各大公司在新产品系列上普遍采用的微电脑集中监测控制系统，是在大型挖掘机全液压控制的基础上嵌入了双微处理器单元，简化了原有的液压控制机构和控制逻辑，使操作稳定性、准确性达到更高的水平。该模式下的电子监控与故障诊断系统采用的是连续量传感器配合通用微处理器和专用电子电路，监控逻辑与故障诊断逻辑以程序的形式串行的存储在程序存储器中。运行时监控参数反映的状态信息量大，监控与故障诊断可以定量进行，故障分析辨识较全面，可以自动存储数据，以备联机通讯，进行深人的数据分析。三、全新的电子液压测试模式随着电子、计算机及通讯技术的飞速发展和融合，以及现代化施工管理现场的要求，希望以最佳的设备、物料和人员配置来实现工程的质量和工期。因此，对液压挖掘机的运行、维护、保养和状态等参数要实时管理，实施的有利技术手段就是在集成电子液压模式的基础上嵌入卫星通讯管理模块（卫星数据传输、GPS定位管理）和自动操纵模块（VR控制）。从而引领液压挖掘机监控模式进人集管理、监控和自动操纵为一体的全新电子液压监控模式，它是新世纪液压挖掘机的发展方向。在该模式下，电子监控与故障诊断系统采用的是完备的开关量和连续量传感器组配合双处理器中央处理控制单元。监控数据、故障特征信息及控制信号由主处理器进行管理，通讯、显示和数据存储由辅处理器管理。此外，两个处理器相互协调，可以在其中某一个出现问题的情况下，备份数据并接替该处理器的部分工作，使整个系统的可靠性、稳定性及抗冲击能力极强，从而使系统可以长时间运行。1.2国内外发展现状1.2.1国内发展现状国内在液压挖掘机的状态测试系统方面的研究起步较晚，90年代以来，国内的一些挖掘机生产厂家通过合资或引进国外先进技术的方式，经过消化吸收，逐渐开发出自己的检测系统，虽然在性能上与国外相比还有一定的差距，但仍具有较高的技术含量。如长江挖掘机厂已将电子监测技术用于WY160B挖掘机，还与浙江大学合作制成便携/固定两用式液压挖掘机系统监测故障查找装置。该装置以MCS51系列单片机为核心，能实时监测液压、动力、电气及其他部分的共计16路运行状态参数，在液晶显示屏上显示出10路模拟量和频率量参数具体值，当检测到故障信息时，根据装置内的故障经验库即可大致推出故障部位，并有声、光、图同时报警能力。贵州詹阳开发的具有90年代先进水平的WDKX电子监控系统，借鉴了国外先进挖掘机电子监控系统的技术，可在线监控挖掘机系统的工作状况，系统的主要技术参数在大屏幕液晶显示屏上一目了然。当挖掘机出现异常状况时，WDKX电子监控系统可向操作者发出声光报警，以使挖掘机操作者和维修人员动态的掌握挖掘机的技术状况，及时准确地排除故障，进而合理、正确、安全地使用挖掘机。上海建筑机械厂和上海同济大学联合开发研制了电子监控装置，它主要是对液压挖掘机的发动机和故障率较高的液压系统进行监测，还可对运行中的十二个重要参数进行检测，以液晶屏幕显示检测结果，对异常运行状态进行简易故障诊断，以十六位汉字形式显示诊断结果，并设八个报警页，分为三个等级进行报警，该装置在作随机试验基础上将投人使用。总而言之，国内的挖掘机液压系统的状态监测处于研发阶段，离实际的应用还有一定的距离，而要实现这些系统的产品化还必须解决一些技术上的问题。所以，虽然目前中国已经成为世界上最大的挖掘机市场和产地之一，但是同时我国挖掘机行业整体水平相对落后，制造工艺水平较低，技术条件差，没有形成关键国产元件的配套体系，目前国内挖掘机行业，从产品技术水平、可靠性、寿命、制造质量与国外挖掘机有较大差距，配套件的质量和可靠性差、使用寿命短，液压元件极少、没有关键元件，系统不能配套。特别是液压元件，还远远没有达到国产配套水平。 我国当前液压挖掘机的研制和改进应该主要着眼于：(1)发动机功率的充分有效利用，通过各种途径使机械多做有效的功，其中包括动力装置与液压系统的最佳匹配，传动效率的提高，回转机构功率的回收，高效液压系统的研究等。(2)铲斗挖掘力的充分发挥，挖掘力大小和有效作用范围是衡量各种液压挖掘机工作能力的重要指标。(3）注重人机工程学的研究，将操控性能的提升和操作舒适性提升作为重要发展目标。(4）重视安全和环保，随着各国法规的不断要求，噪音、排放、安全等指标也越来越重要。此外，加快换装置的多功能化如吊、夹、推、刮、松、挖、装、铣削、拆除、清除和压实等作业也成为方向发展方向。国内挖掘机行业整体发展水平较国外缓慢，在挖掘机液压技术方面的理论还比较薄弱。我国从20 世纪60 年代开始研制液压挖掘机，但到70 年代末，大部分产品与发达国家相比性能仍较落后。在这种情况下，我国通过引进技术(主要是德国和日本挖掘机制造技术)5，使我国挖掘机产品性能得到了一定的提高。但经过将近20 年的发展，与国外相比在技术上仍然落后，产品质量也不稳定，影响了整机的可靠性。进入90 年代以来，国内一些科研院所、大专院校纷纷与挖掘机厂家合作研究机电一体化挖掘机678，如天津工程机械研究所，同济大学浙江大学等分别与合肥矿山机器厂、长江挖掘机厂、广西玉林柴油机厂合作，取得了一些成果。但随着国外先进的挖掘机越来越多地进入国内市场，国产挖掘机与进口挖掘机的性能差别越来越明显。在这种情况下，国内一些挖掘机生产厂除了采取与国外合资的形式外，还积极引进国外先进的液压元件，使国内生产的一些挖掘机技术水平迅速得到提高，但在最新技术研究和应用上与国外相比还存在较大的差距。与国外挖掘机生产商相比较，国内生产厂家技术和研究开发实力还处于弱势地位，为了尽快适应国内挖掘机市场的发展形势，国内挖掘机液压的开发应重点。考虑以下几个方面：1、加快专用液压元件的设计开发，形成自己的配套体系。适应目前行业快速发展的需求。2、提高产品可靠性和寿命，提高整机平均无故障时间，延长维修周期。3、着眼于液压系统与发动机的动力匹配，提高能源利用率。4、着眼于整个系统的研究，5、考虑人机工程学问题，提高操纵舒适性，改善司机工作条件。各个厂家在这个过程中都有一个共同的原因，那就是整个仿制消化过程简单化，仅仅时拆样机，照抄零件，对引进和仿制的产品缺乏系统的领会，没有真正吃透本质。无论是整机、系统还是元件引进，都是急于求成的做出仿制品后就轻易满足，缺乏进一步的技术消化吸收，没有能够转化成自己的技术，不能真正组建自己的引进技术平台，然后继续开发和发展。目前我国的挖掘机企业和其配套元件企业，基本都是低水平的重复生产，基本没有真正的核心技术。在仿制的基础上系统的开发是我们重点的内容，在选用通用元件，搭建成系统之后的后期测试、调试，整改及提出自己系统对元件的专用要求，甚至形成自己的专用元件是非常重要的环节，它甚至可以整整提高一个技术台阶。1.2.2国外发展现状80年代以后，国外逐渐开展了对液压挖掘机状态检测系统的开发研究，经过二十多年的发展，已经取得了较为成熟和完善的技术成果，其中美国、德国、日本和韩国在这方面处于较为领先的地位。美国卡特彼勒公司1978年就研制出用于挖掘机的电子测试系统，目前该公司已有60%以上的产品都配置了该系统，能对机器运行情况进行连续监测。在其近年开发的E系列挖掘机上，还安装了三级报警电子检测系统、功率方式控制器和发动机转速自动控制装置等机电一体化部件，在发动机起动前，该系统可检查设备状况，若有潜在故障则立即向司机报警。在机器运行过程中，可根据不同工况进行三级报警：一级报警时面板上发光二极管闪烁提示故障部位；二级报警时面板上大灯同时亮；三级报警时蜂鸣器同时响，要求司机立刻停车检查。德国O&K公司微电子技术的检测、监控及故障诊断系统在同行业中是较先进的，该公司开发了应用于液压挖掘机的BCS(Board Control System)，即状态监视系统，其具体功能如下：1）挖掘机工作期间，各部件参数的显示。该系统的蓝测项目包括发动机燃油油位、机油压力和冷却水温等，而其检测值用数字量或模拟量显示。2）设定参数与实际数值的比较，参数不匹配时报警。若某参数异常或超限，会立即发出音响信号并向司机示出故障信息，同时显示可能引起该故障的原因及可采取的必要措施。提供了在管理方面的6个保养程序，其中4个程序涉及到液压系统、马达、整机以及一般的故障储存记录。用这些程序可以得到正在运行的数值，当出现极限值时发出报警信号和相应的处理文字说明，当将要超出极限值时，也会发出故障报警，该系统可在停机前找出故障源，用计算机提示排除故障，维修人员在故障信号储存记录的帮助下，可知故障源的严重程度及其排除顺序。这种预普系统可对挖掘机采取预防性措施，可在停机前排除故障，因此采取这种总控制系统的电子监测系统可将意外的停机事件减到极少，确保挖掘机正常地进行有效的作业。3）数据传输功能。从BCS监控系统采集的数据可根据需要通过无线电波传送到中央控制室，中控室可调人每台挖掘机的数据，集中安排每台机器的停机时间及需要采取的措施。BCS另一功能是通过卫星与O&K总部进行远程数据传递，这样O&K的液压挖掘机技术将全面向用户开放，及时进行故障检查并完成故障排除。德国德马克公司提供两种不同标准的故障监测和诊断系统。在中小型挖掘机上配备了一套简单的故障诊断系统ETM，这一系统采用数字显示在驾驶室的监控器上向司机显示设备的主要运行状况。安装在设备重要部位上的传感器向监控系统提供30种左右的输人信号，包括故障信号和常规信息。当需要在屏幕上显示正常作业状态下的信息时，可以将常规信息调出。然而当设备一旦发生故障时，故障信息将会立即显示出来并触发声音报警。故障信息可存贮起来便于维修人员存取，并且也可用便携式打印机将故障记录和其它数据打印出来。而在较大型的矿用挖掘机上配备了ECS系统（电子检测系统），ECS系统的监探器可显示设备的常规信息，也能使司机坐在驾驶室内就能对设备的所有性能进行彻底检查，它还允许维修人员进人系统将上次维修以后所出现的所有故障信息记录打印出来进行分析。德国利渤海尔公司开发了液压挖掘机的Litronic系统，该系统是一个由智能化电子元件和功能性液压系统组成的整套系统，具有监测、记录、对比、显示和调节液压挖掘机上所有关键系统的功能，它把柴油机、泵、液压油箱和先导控制系统的传感器的有关工作状态的全部参数传达给监控和控制台，所出现的干扰和与理论状态的偏差及电子系统中的错误作为错误代码在显示器上显示并储存下来，它通过光学和声响显示工作状态，将自动保护装置在到达超载状态时断开传动机构。日本小松公司在PC5系列挖掘机上采用了电子监测系统，可监视发动机机油压力、冷却水温度、充电、冷却水液面高度及燃油油面高度等，发现异常时可进行声光报警。同时该公司在PC7系列挖掘机上内置车辆自诊断的高质量健康诊断系统EMMS，该系统具有异常检查功能、保养履历记忆功能和故障履历记忆功能，并采用多功能彩色监控器进行显示和操作。日本日立公司在EX系列液压挖掘机上安装了电子监测系统，可对挖掘机40种以上的作业状态进行瞬时检测，包括发动机机油压力、冷却水温度、燃油油位、液压油油位、空滤器堵塞、发动机转速、液压流量和所有电气系统，并具备报警功能。日立ZAXIS系列挖掘机将前所未有的功能与尖端IT技术融为一体，引导工程领域的发展趋势。新开发的信息控制器可以记录和存储机器的工作情况（操作记录、柱状图、报警记录、故障记录、累积记录等），并由服务人员通过专用掌上电脑PALM从信息控制器ICX中读取数据，这种方式可以降低成本，并进行复杂的故障分析，也便于进行维修及备件管理、打印、报表等。韩国大宇DH型挖掘机的电子监控与报警系统由仪表盘、仪表、报警灯、蜂鸣器以及传感器等组成。挖掘机工作过程中，该系统通过各种传感器获取设备的各种运行状态信息，经快速信息处理后在仪表盘上显示出结果来，在设备工作不正常的情况下，通过仪表盘上的报警灯和蜂鸣器及时通知驾驶员，从而避免了事故的发生。1.3本课题主要技术的研究方法作为以多任务实时处理为应用背景的液压挖掘机状态监测系统的开发研究，是一个相当复杂的过程，其中涉及到各学科理论的交叉以及各相关技术的融合问题，下面将介绍其关键技术的研究现状。1.3.1 传感器技术随着社会的进步，科学技术的发展，特别是近20年来，电子技术日新月异，计算机的普及和应用把人类带到了信息时代，各种电器设备充满了人们生产和生活的各个领域，相当大一部分的电器设备都应用到了传感器件，传感器技术是现代信息技术中主要技术之一，在国民经济建设中占据有极其重要的地位。 人是通过视觉、嗅觉、听觉及触觉等感官来感知外界的信息，感知的信息输入大脑进行分析判断（即人的思维）和处理，再指挥人作出相应的动作，这是人类认识世界和改造世界具有的最基本的本能。利用电子仪器特别象计算机控制的自动化装置来代替人的劳动，那么计算机类似于人的大脑，而仅有大脑而没有感知外界信息的“五官”显然是不足够的，中央处理系统也还需要它们的“五官”即传感器。 在工农业生产领域，工厂的自动流水生产线，全自动加工设备，许多智能化的检测仪器设备，都大量地采用了各种各样的传感器，它们在合理化地进行生产，减轻人们的劳动强度，避免有害的作业发挥了巨大的作用。在家用电器领域，象全自动洗衣机、电饭褒和微波炉都离不开传感器。医疗卫生领域，电子脉博仪、体温计、医用呼吸机、超声波诊断仪、断层扫描（CT）及核磁共振诊断设备，都大量地使用了各种各样的传感技术。这些对改善人们的生活水平，提高生活质量和健康水平起到了重要的作用。在军事国防领域，各种侦测设备，红外夜视探测，雷达跟踪、武器的精确制导，没有传感器是难以实现的。在航空航天领域，空中管制、导航、飞机的飞行管理和自动驾驶，仪表着陆盲降系统，都需要传感器。人造卫星的遥感遥测都与传感器紧密相关。没有传感器，要实现这样的功能那是不可能的。 此外，在矿产资源、海洋开发、生命科学、生物工程等领域传感器都有着广泛的用途，传感器技术已受到各国的高度重视，并已发展成为一种专门的技术学科。 1.3.2信号采集与处理技术在测试系统中，把被检测对象的信号送入微机中进行处理，或者将微处理器中的控制信号输出，对受控对象进行控制，被测量的信号要经过多次的变换或反变换，每次变换都具有一定的目的。传感器是被测信号的第一次变换，它是将非电量信号变换为电信号，为了将它输人到微机中进行实时处理，需要再进行滤波、放大、变换成标准的电平信号送给A/D转换器进行第二次变换，模拟的电信号量就转换成数字量，送人微型机中，以便对其作进一步的处理。信号采集与处理系统的功能就是完成信号的变换和反变换，它又包括输人信号处理电路和输出信号处理电路两部分。1.输入信号处理电路输入信号处理电路是微处理器与外界联系的通道。输入信号处理电路的一部分（数字信号输入通道）用于接收数字信号；输入信号处理电路的另一部分（模拟信号输入通道）用于接收和转换各种传感器输入的模拟信号；输入信号处理电路的第三部分用于与其它计算机控制系统进行通讯联系，信号形式为脉冲数字信号；输入信号处理电路的第四部分用于接收诊断触发信号，也是脉冲数字信号。图1-1 模拟信号输入通道模拟信号输入通道 （图1-1 ）的作用是将传感器产生的模拟信号转换为数字信号后输入单片机，其组成部分包括滤波器、放大器、采样保持器和模数转换器等。硬件滤波器往往设置在放大器之前，其作用是预先抑制部分干扰噪声，以免和有用信号一起被放大，可以有效地提高信噪比。经过滤波处理的电压或电流信号较低(电压为040mv)，因而使用放大器将这些信号转变为适合模数转换器处理的标准信号，即电压输出为05V，电流输出为4-20mA，以提高模拟信号测试精度。由于各传感器产生电压或电流的满量程是不相等的，既可以对每个传感器配以不同增益的放大器，也可以采用可编程放大器，将预先确定的对于不同信号的增益以数字量的形式存储于存储器中，当微处理器输入某一路信号时，将对应的放大器增益从存储器中取出，经数据总线送入可编程放大器相应的端节点，使该路信号按照设定的增益进行放大。在进行多路模拟量输入时，不必对每个模拟输入量都单独配置一个模数转换器，可以使多个模拟输入量共用一个模数转换器，多路选择开关的作用就是将每一路模拟输入量轮流与模数转换器接通。测试系统输入的数字信号并不能直接由单片机进行处理，还需要通过数字信号输入通道进行电平转换和抗干扰等处理，即将输入的数字信号转换为低电平以及经过光电隔离后，才能被单片机接受。2.输出信号处理电路输出信号处理电路的作用是联系协调单片机和执行器，执行器控制信号既有模拟信号，也有数字信号，而由微处理器产生的控制信号都是数字信号，因此输出信号处理电路分为模拟信号输出通道和数字信号输出通道。模拟信号输出通道的作用是将微处理器产生的数字控制信号转变为能够控制模拟执行器的模拟控制信号。模拟信号输出通道主要由数模转换器、多路选择开关和采样保持器等组成。数模转换器的作用是将微处理器产生的数字信号转换为模拟信号，它有并行和串行两种转换方式。并行转换方式就是将处理器产生的控制信号同时送人模数转换器，并行转换具有转换速度快的优点；串行转换就是将微处理器产生的控制信号以一系列脉冲信号顺序送人模数转换器，串行转换方式的速度较慢。数字信号输出通道的作用是将微处理器产生的数字控制信号传输给由数字信号控制的执行器。数字信号输出通道有由微处理器输出接口直接控制执行器、通过半导体开关管控制执行器和通过继电器控制执行器等方式。1.3.3数据通讯技术智能仪器与智能仪器之间，智能仪器与计算机之间在实际的测量和控制过程中，需要不断地进行各种信息的交换和传播(即数据通讯)。数据的通讯一般都采用标准总线的形式，如GP-IB，RS-232，RS-422等。GP-IB又称为通用目的接口总线或仪表总线。GP-IB标准定义，16线连接系统，允许连接15台装置相互通讯，数据传输协议为位并行/字节串行方式，最高速率为1M字节，实际使用为110K字节。由于GP-IB在抗干扰能力及传输距离等方面的限制，它只适用于试验室环境。RS-232是个人计算机上的通讯接口之一，由电子工业协会所制定的异步传输标准接口。通常 RS-232 接口以9个引脚 (DB-9) 或是25个引脚 (DB-25) 的型态出现，一般个人计算机上会有两组 RS-232 接口，分别称为 COM1 和 COM2。其示意图如图1-2所示：图1-2 RS-232串行通信标准当通信对象之间相距很远时，通常采用串行数据传送方式，它不仅节省硬件，而且可使用现在存在的通道(如电话、电报等)。故在分散型监控系统、计算机终端中广泛使用了串行数据传送，如智能仪表与上位机、微型化仪表与CRT间的数据通讯均可采用这种方式。RS-232用得最多的一种串行通讯标准。随着信息技术的发展，在电子监控网络不同层次间传递的数据信息已变得越来越复杂，对于系统网络在开放性、互连性等方面提出了更高的要求。目前发展起来的现场总线技术和以太网用于电子监控技术是系统网络新的焦点，将会给现代电子监控带来新的活力和重大变革。现场总线是一种工业数据总线，它主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备之间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。而作为计算机网络主流技术的以太网虽然实时性和抗干扰性能较差，但在技术上可以满足带宽、性能通信协议等方面更高的要求，所以必将成为电子监控网络发展的又一热点。第二章 液压挖掘机工作装置的液压系统2.1液压挖掘机工作装置的结构组液压挖掘机的作业过程是以铲斗的切削刃（通常装有斗齿）切削土壤并将土装入斗内。斗装满后提升，回转到卸土位置进行卸土。卸完后铲斗再转回并下降到挖掘面进行下次挖掘。当挖完一段土后，机械移位，以便继续工作。挖掘机为了实现上述周期性作业动作部分：工作装置、回转机构、动力装置、传动操作机构，行走装置和辅助设备。这里主要对工作装置的反铲装置进行分析。反铲装置是中小型液压挖掘机的主要工作装置。目前广泛应用的斗容量在1.6m3以下。它由斗杆油缸、斗杆、动臂、铲斗油缸、动臂油缸、摇杆、连杆和铲斗组成图2-1，其构造特点是各部件之间的联系全部采用铰接，动臂下铰点铰接在转台上，利用动臂油缸的伸缩，使动臂绕动臂下铰点转动，依靠斗杆油缸使斗杆绕动臂的上铰点摆动。而铲斗铰接于斗杆前端，并通过铲斗油缸和连杆使铲斗绕斗杆前铰点转动。为增大铲斗转角，通常以连杆机构与铲斗连接。从而通过油缸的伸缩来实现挖掘过程中的各种动作。图2-1液压挖掘机工作装置的结构图2.2液压挖掘机工作装置的工作特点反铲工作装置是液压挖掘机的一种主要工作装置，如图2.1所示。液压反铲工作装置一般由动臂c.动臂液压缸h.斗杆液压缸g.斗杆b.铲斗液压缸f.铲斗a.连杆i.和摇杆j等组成。其构造特点是各机构之间全部采用铰链连接，并通过改变各液压缸行程来实现挖掘过程中的各种动作。动臂1得下铰点与回转回转平台铰接，并以动臂液压缸h来支撑动臂，通过改变动臂液压缸的行程即可改变动臂倾角，实现动臂的升降。斗杆4铰接于动臂的上端，可绕铰点转动，斗杆与动臂的相对转角由铲斗液压缸f控制，当斗杆液压缸伸缩时，斗杆即可绕动臂上铰点转动。铲斗a则铰接于斗杆b的末端，通过铲斗液压缸f伸缩来使铲斗绕铰点转动。为了增大铲斗转角，铲斗液压缸一般通过连杆机构（即连杆i和摇杆j）与铲斗连接。液压挖掘机反铲工作装置主要应用于挖掘停机面以下的土壤，如挖掘沟壕.基坑等，其挖掘轨迹取决于个液压缸的运动及其组合。动臂液压缸主要应用于调整工作装置的挖掘位置，一般不单独直接挖掘土壤；斗杆挖掘可挖掘较大的行程，但挖掘力小一些。转斗挖掘的行程较短为使铲斗在转斗挖掘结束时装满铲斗，需要较大的挖掘力以保证能挖掘较大厚度的土壤，以此挖掘机的最大挖掘力一般是由铲斗液压缸实现的。由于挖掘力大且挖掘行程短，以此转斗挖掘可用于清除障碍或提高生产率。在实际工作中，熟练的液压挖掘机操作人员可根据实际情况，合理操作各个液压缸，往往是各个液压缸联合工作，实现最有效的挖掘作业。例如，挖掘基坑是由于挖掘深度较大，并要求有较陡而平整的基坑壁，则采用动臂和斗杆同时工作；当挖掘基坑底时，挖掘行程将结束，为加速装满铲斗，或挖掘过程中调整切削角时，则需铲斗液压缸和斗杆液压缸同时工作。ij bhe gfa c d图2. 1液压挖掘机的结构及运动示意a铲斗；b斗杆；c动臂；d回转机构；e行走机构；f铲斗液压缸； g斗杆液压缸；h动臂液压缸;i连杆； j摇杆;l一动臂升降;2一斗杆收放:3一铲斗装卸;4一转台回转:5一整机行走2.3液压挖掘机的液压系统2.3.1液压挖掘机的液压系统的要求按照挖掘机工作装置和各个机构的传动要求，把各种液压元件用管路有机地连接起来的组合体，称为挖掘机的液压系统。其功能是，以油液为工作介质，利用液压泵将发动机的机械能转变为液压能并进行传送，然后通过液压缸和液压马达等将液压能转返为机械能，实现挖掘机的各种动作。液压挖掘机的动作复杂，需要机构经常启动、制动、换向、负载变化大，冲击和振动频繁，而且野外作业，温度和地理位置变化大，因此根据挖掘机的工作特点和环境特点，液压系统应满足如下要求：1）要保证挖掘机动臂、斗杆和铲斗可以各自单独动作，也可以互相配合实现复合动作。2）工作装置的动作和转台的回转既能单独进行，又能作复合动作，以提高挖掘机的生产率。3）履带式挖掘机的左、右履带分别驱动，使挖掘机行走方便、转向灵活，并且可就地转向，以提高挖掘机的灵活性。4）保证挖掘机的一切动作可逆，且无级变速。5）保证挖掘机工作安全可靠，且各执行元件（液压缸、液压马达等）有良好的过载保护；回转机构和行走装置有可靠的制动和限速；防止动臂因本身的自重而过快下降和整机超速溜坡。因此，挖掘机液压系统应做到：1）有高的传动效率，以充分发挥发动机的动力性和燃料使用经济性。2）液压系统和液压元件在负载变化大、急剧的振动冲击作用下，具有足够的可靠性。3）调协轻便耐振的冷却器，减少系统总发热量，使主机持续工作时液压油温不超过80度，或温升不超过45度。4）由于挖掘机作业现场尘土多，液压油容易被污染，因此液压系统的密封性能要好，液压元件对油液污染的敏感性低，整个液压系统要设置滤油器和防尘装置。5）采用液压或电液伺服操纵装置，以便挖掘机设置自动控制系统，进而提高挖掘机技术性能和减轻驾驶员的劳动强度。2.3.2 液压挖掘机的液压系统的类型按液压泵特性，液压挖掘机采用的液压系统大致上有定量系统、变量系统两种类型。1）定量系统在液压挖掘机采用的定量系统中，其流量不变，即流量不随负载而变化，通常依靠节流来调节速度。根据定量系统中油泵和回路的数量及组合形式，分为单泵单回路、双泵单回路定量系统、双泵双回路定量系统及多泵多回路定量系统等。2）变量系统在液压挖掘机采用的变量系统中，是通过容积变量来实现无级调速的，其调节方式有三种：变量泵定量马达调速、定量泵变量马达调速、变量泵变量马达调速。液压挖掘机采用的变量系统多采用变量泵定量马达的组合方式实现无级变量，且都是双泵双回路。根据两个回路的变量有无关联，分为分功率变量系统和全功率变量系统两种。其中的分功率变量系统的每个油泵各有一个功率调节机械，油泵的流量变化只受自身所在回路压力变化的影响，与另一回路的压力变化无关，即两个回路的油泵各自独立地进行恒功率调节变量，两个油泵各拥有一个发动机输出功率；全功率变量系统中的两个油泵由一个总功率调节机构进行平衡调节，使两个油泵的摆角始终相同，同步变量、流量相等。决定流量变化的是系统的总压力，两个油泵的功率在变量范围内是不相同的。其调节机构有机械联动式和液压联动式两种形式。2.3.3液压挖掘机的液压系统单斗液压挖掘机的工作装置、行走机构、回转装置等均采用液压驱动，其液压系统如图2-3所示。图2-3单斗履带式挖掘机液压系统挖掘机液压系统采用双泵双向回路定量系统，由两个独立的回路组成。所用的油泵为双联泵，分为A、B两泵。八联多路换向阀分为两组，每组中的四联换向阀组为串联油路。油泵A输的压力进入第一组多路换向阀，驱动回转马达、铲斗油缸、辅助油缸，并经中央回转接头驱动右行走马达。该组执行元件不工作时油泵A输出的压力油经第一组多路换向阀中的合流阀进入第二组多路换向阀，以加快动臂或斗杆的工作速度。油泵B输出的压力油进入第二组多路换向阀，驱动动臂油缸、斗杆油缸，并经中央回转接头驱动左行走马达和推土板油缸。液压系统中两组多种换向阀均采用串联油路，其回油路并联，油液通过第二组多路换向阀中的限速阀流向油箱。限速阀的液控口作用着由梭阀提供的A、B两油泵的最大压力，当挖掘机下坡行走出现超速情况时，油泵出口压力下降，限速阀自动对回油进行节流，防止溜坡现象，保证挖掘机行驶安全。在左、右行走马达内部除设有补油阀外，还设有双速电磁阀，当双速电磁阀在图示位置时马达内部的两排柱塞构成串联油路，此时为高速;当双速电磁阀通电后，马达内部的两排柱塞呈并联状态，马达排量大、转速降低，使挖掘机的驱动力增大。为了防止动臂、斗杆、铲斗等因自重而超速降落，其回路中均设有单向节流阀。另外，两组多路换向阀的进油路中设有安全阀，以限制系统的最大压力，在各执行元件的分支油路中均设有过载阀，吸收工作装置的冲击:油路中还设有单向阀，以防止油液的倒流、阻断执行元件的冲击振动向油泵的传递。单斗液压挖掘机除了主油路外，还有如下低压油路：1、排灌油路。将背压油路中的低压油，经节流降压后供给液压马达壳体内部，使其保持一定的循环油量，及时冲洗磨损产物。同时回油温度较高，可对液压马达进行预热，避免环境温度较低时工作液体对液压马达形成“热冲击”。2、泄油回路。将多路换向阀和液压马达的泄漏油液用油管集中起来，通过五通接头和滤油器流回油箱。该回路无背压以减少外漏。液压系统出现故障时可通过检查泄漏油路滤油器，判定是否属于液压马达磨损引起的故障。3、补油油路。该液压系统中的回油经背压阀流回油箱，并产生0.8-1.0MPa的补油压力，形成背压油路，以便在液压马达制动或出现超速时，背压油路中的油液经补油阀向液压马达补油，以防止液压马达内部的柱塞滚轮脱离导轨表面。 该液压系统采用定量泵，效率较低、发热量大，为了防止液压系统过大的温升，在回油路中设置强制风冷式散热器，将油温控制在80以下。实现自动控制的液压系统包括油泵、电磁比例先导阀、多路换向阀和液压缸等如图2-4所示。电磁比例阀控制多路换向阀中阀芯的位移，从而推动动臂、斗杆和铲斗液压缸动作，使整个工作装置运动。图2-4挖掘机工作装置液压系统的原理图第三章 液压挖掘机测试系统的硬件结构3.1测控系统的硬件总体构架 液压挖掘机综合测试系统主要测试数据有：10路温度信号（泵进油口、泵出油口、泵回油口、主阀出油口、主阀回油口、主阀壳体、油箱、散热器进油口、散热器出油口、散热器保护阀回油口）；9路压力信号（2路主泵压力、2路主阀工作油口、2路负流量反馈压力、1路先导泵出口、1路先导手柄输出压力、1路散热器背压）；4路低压流量信号（1路主阀回油总流量、1路散热器保护阀回油流量、1路散热器冷却流量、1路泵回油流量）。3.2测试装置具体实现方式及元器件选型传感器包括温度传感器、压力传感器和流量传感器。分别对液压系统的流量、温度以及驱动液压缸的压力进行检测，并通过信号调理后送入数据采集卡进行D/A转化将信息传递给控制控制计算机。压力传感器能提供与压力成比例的电压信号，经采样后送入测控计算机。各流量传感器、温度传感器、压力传感器的数据送入测控计算机进行实时显示检测系统的工作。传感器是摄取信息的关键器件，它与通信技术和计算机技术构成了信息技术的三大支柱，是现代信息系统和各种装备不可缺少的信息采集手段，也是采用微电子技术改造传统产业的重要方法，对提高经济效益、科学研究与生产技术的水平有着举足轻重的作用。传感器技术水平高低不但直接影响信息技术水平，而且还影响信息技术的发展与应用。目前，传感器技术已渗透到科学和国民经济的各个领域，在工农业生产、科学研究及改善人民生活等方面，起着越来越大的作用。许多尖端科学和新兴技术更是需要新型传感器技术来装备，计算机的推广应用，离不开传感器，新型传感器与计算机相结合，不但使计算机的应用进入了崭新时代，也为传感器技术展现了一个更加广阔的应用领域和发展前景。传感器的功能为：检出反应系统运行状态的物理量，并将这些物理量转化成以电量为主要形式的信号。传感器是监测系统中获取信息的第一个环节，由它造成的测量误差一般是无法弥补的，正是因为其技术性能将影响到整体的测试精度，所以在传感器选型时要遵循以下规则：1）线性度好。2）灵敏度高且灵敏度误差小。3）有较好的重复性和稳定性。4）滞后误差小、漂移小。5）具有较高的分辨率。6）动态性能好。近年来，随着传感技术的发展进步，已经产生了智能型传感器。这种传感器的内部嵌人了微机芯片，能够完成从信号检测、转换到预处理和简单分析的整个过程，其可靠性和抗干扰能力也大大增强。随着社会的进步，科学技术的发展，特别是近20年来，电子技术日新月异，计算机的普及和应用把人类带到了信息时代，各种电器设备充满了人们生产和生活的各个领域，相当大一部分的电器设备都应用到了传感器件，传感器技术是现代信息技术中主要技术之一，在国民经济建设中占据有极其重要的地位。 此外，在矿产资源、海洋开发、生命科学、生物工程等领域传感器都有着广泛的用途，传感器技术已受到各国的高度重视，并已发展成为一种专门的技术学科。 传感器是摄取信息的关键器件，它与通信技术和计算机技术构成了信息技术的三大支柱，是现代信息系统和各种装备不可缺少的信息采集手段，也是采用微电子技术改造传统产业的重要方法，对提高经济效益、科学研究与生产技术的水平有着举足轻重的作用。传感器技术水平高低不但直接影响信息技术水平，而且还影响信息技术的发展与应用。目前，传感器技术已渗透到科学和国民经济的各个领域，在工农业生产、科学研究及改善人民生活等方面，起着越来越大的作用。许多尖端科学和新兴技术更是需要新型传感器技术来装备，计算机的推广应用，离不开传感器，新型传感器与计算机相结合，不但使计算机的应用进入了崭新时代，也为传感器技术展现了一个更加广阔的应用领域和发展前景。传感器是信号输入通道的第一道环节，也是决定测试系统系能的关键环节之一。选用传感器，首先要明确所设计的测试系统需要何种的传感器；其次是要了解现有传感器厂家有哪些可供选择的传感器，把同类产品的指标和价格进行对比，从中挑选合乎要求的性能价格比最高的传感器。根据挖掘机液压控制系统的性能参数和测试要求，该液压系统测试装置的具体实现方式如下所述：1、油温测量温度传感器是工业生产中最常见的一种传感器。它将物体的温度转化为电信号输出，它具有结构简单，测量范围宽，稳定性好、精度高等优点。不同的温度传感器制作方法不同，常见的有热敏电阻、热电偶和集成型产品。其发展大体经历了从分体式、模拟集成到智能型阶段。现在的温度传感器不仅温度信号输出，还可以集成湿度测量，信号输出也由原来的单一信号变成多样化的输出形式，可以进行远距离通信，数据可以根据需要进行记录、上限报警和自控控制等多种功能。油温测量采用PT100型铂电阻作为传感器，以各布局点（10个点）的壳体温度近似测量，采用强磁吸附式封装方式，方便布局和安装，同时定做6个M201.5的插入式封装的传感器，通过G1/4英公制螺纹转接头安装在预留的测试油口上，以测量更加准确的油温。根据实际情况，选用的传感器量程范围为-10110，两种不同封装的传感器可以通过航空插头互换，所有的铂电阻温度传感器均选用北京昆仑海岸科技有限公司的产品，为了降低成本，传感器本身不带变送器，而是在机箱底板处集成安装变送器。2、压力测量压力传感器是工业实践、仪器仪表控制中最为常用的一种传感器，并广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。压力的检测采用北京昆仑海岸科技有限公司的JYB型压阻式传感器，压阻式压力传感器是利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器。压阻式传感器常用于压力、拉力、压力差和可以转变为力的变化的其他物理量（如液位、加速度、重量、应变、流量、真空度）的测量和控制，以快速接头为连接方式，根据各测量点的压力范围不同，选择3种不同量程的压力传感器，其中040MPa的压力传感器6个用于主油路油压测量和负流量控制油路压力测量，06MPa的压力传感器2个用于先导油路油压测量，02MPa的压力传感器1个用于散热器回油压力测量。这些压力传感器自带4-20mA变送器。3、流量测量本系统采用北京京源水仪器仪表公司的LWGYD系列涡轮流量传感器，选用螺纹联接方式，方便联接。流体流经传感器壳体，由于叶轮的叶片与流向有一定的角度，流体的冲力使叶片具有转动力矩，克服摩擦力矩和流体阻力之后叶片旋转，在力矩平衡后转速稳定，在一定的条件下，转速与流速成正比，由于叶片有导磁性，它处于信号检测器(由永久磁钢和线圈组成)的磁场中，旋转的叶片切割磁力线，周期性的改变着线圈的磁通量，从而使线圈两端感应出电脉冲信号此信号经过放大器的放大整形，形成有一定幅度的连续的矩形脉冲波，可远传至显示仪表，显示出流体的瞬时流量和累计量。根据各测试点的流量范围，分别选择通径为25的传感器2台，用以测量泵回油流量和散热器保护阀回油流量；通径为40的传感器2台用以测量主回油总流量和散热器冷却流量。这些流量传感器自带4-20mA变送器，耐压范围为6.3MPa，满足使用要求。4、测试装置抗干扰设计本系统供电电压不稳定，环境温度变化范围大，工作环境恶劣，在传输、采集过程中，如不采取措施，传感器弱信号肯定受到环境干扰。为此本系统将采用以下措施：传感器输出信号传输过程全部采用屏蔽信号线，屏蔽线统一接地；变送信号均采用4-20mA的抗干扰能力强的电流信号；采样后的数字信号经过10Hz左右的低通滤波器，滤掉高频干扰信号；为了降低车载电源的电压不稳造成的测试误差，本系统采用两个直流稳压器为传感器和数据采集器提供电源。另外还可以采用数据抗干扰方法。系统用到的数据抗干扰方法包括指令复执、数据冗余保护和数字滤波等。其中指令复执就是根据需要使作用相同的指令重复执行多次，一般适用于数字量或开关量输人/输出的抗干扰。系统在采集空滤器负压等开关量时，重复采集多次，直到连续两次或两次以上的采集结果完全相同时才视为有效，若多次采集后，信号总是变化不定，就停止采集并发出报警信号。当软件系统由于干扰而使程序复位或自动恢复后，RAM中的数据有可能已经受干扰而丢失，当CPU受到干扰而造成程序跑飞时，也有可能破坏RAM中的数据。由于干扰一般只破坏RAM中的个别数据，并不会冲毁整个RAM区，因此系统采用数据冗余保护来实现对重要数据的备份保留。数据冗余保护的执行过程为:当软件系统程序复位或自动恢复后，立即利用备份数据对原数据进行自我检查，若发现数据被破坏可以重新恢复，从而保护了RAM中的原有数据。采用数字滤波可消除、减少传感器通道中的干扰信号和数据采集系统中的误差，在进行数字滤波时，应根据信号的变化规律来选择滤波数字模型和算法，本系统的软件设计采用了递推平均滤波、低通滤波和算术平均滤波三种算法。3.3测试系统的信号调理信号调理将数据采集设备转换成一套完整的数据采集系统，这是通过直接连接到广泛的传感器和信号类型(从热电偶到高电压信号)来实现的。关键的信号调理技术可以将数据采集系统的总体性能和精度提高10倍。从传感器得到的信号大多要经过调理才能进入数据采集设备，信号调理功能包括放大、隔离、滤波、激励、线性化等。由于不同传感器有不同的特性，因此，除了这些通用功能，还要根据具体传感器的特性和要求来设计特殊的信号调理功能。信号调理的通用功能：放大：微弱信号都要进行放大以提高分辨率和降低噪声，使调理后信号的电压范围和A/D的电压范围相匹配。信号调理模块应尽可能靠近信号源或传感器，使得信号在受到传输信号的环境噪声影响之前已被放大，使信噪比得到改善。隔离：隔离是指使用变压器、光或电容藕合等方法在被测系统和测试系统之间传递信号，避免直接的电连接。使用隔离的原因由两个：一是从安全的角度考虑；另一个原因是隔离可使从数据采集卡读出来的数据不受地电位和输入模式的影响。如果数据采集卡的地与信号地之间有电位差，而又不进行隔离，那么就有可能形成接地回路，引起误差。滤波：滤波的目的是从所测量的信号中除去不需要的成分。大多数信号调理模块有低通滤波器，用来滤除噪声。通常还需要抗混叠滤波器，滤除信号中感兴趣的最高频率以上的所有频率的信号。某些高性能的数据采集卡自身带有抗混叠滤波器。激励：信号调理也能够为某些传感器提供所需的激励信号，比如应变传感器、热敏电阻等需要外界电源或电流激励信号。很多信号调理模块都提供电流源和电压源以便给传感器提供激励。线性化：许多传感器对被测量的响应是非线性的，因而需要对其输出信号进行线性化，以补偿传感器带来的误差。但目前的趋势是，数据采集系统可以利用软件来解决这一问题。3.4数据采集及控制输出采集模块和控制数据输出是控制系统的核心之一，数据采集和控制数据输出部分在LabVIEW环境下实现，对系统的速度反馈信号进行采集，同时将控制运算结果输出，构成输入输出控制回路。数据采集卡都有自己的驱动程序，该程序控制采集卡的硬件操作，当然这个驱动程序是由采集卡的供应商提供，用户一般无须通过低层才能与采集卡硬件打交道。Nl公司还提供了一个数据采集卡的配置工具软件-Measurement&Automation Explorer，它可以配置Nl公司的软件和硬件，比如执行系统测试和诊断、增加新通道和虚拟通道、设置测量系统的方式、察看所连接的设备等。Nl公司的PCI6024E数据采集卡，能够完成数据采集、信号的模拟输出以及定时计数等功能。LabVIEW中数据采集系统由采集硬件、硬件驱动程序和数据采集函数等组成，如图3-2所示。安装硬件的驱动程序，它包含了硬件可以接受的操作命令，在使用这些硬件之前，根据需要进行硬件和软件设置。数据采集卡完成系统闭环的反馈信号和系统监控信号的检测，输出控制信号。采集卡采集各个关节的反馈信号和各传感器的信号，输出电磁阀控制信号，驱动液压缸。控制回路数据采集和输出是需要定时进行的，LabVIEW中实现定时控制有两种方法，即软件定时和硬件定时控制，软件定时器是一个倍数定时器函数（Wait Until Next Millisecond）控制程序循环执行的时间间隔，它的时间单位是ms，因此其定时准确性不高;使用硬件定时控制回路可以得到准确采样和输出刷新率，其设定和硬件有关，基本原理是将定时采集的数据存储在采集卡上，供控制回路调用。控制采集是将传感器产生的电压信号，经过信号调理电路输出到数据采集卡的模拟输入通道，同时代表着液压挖掘机工作装置位置的电压信号也输入到数据采集卡的另一路模拟输入通道，在LabVIEW中进行测量和比较，并将其误差作为控制器的输入，经过一定的控制算法后，得到相应的控制量，由数据采集卡的模拟通道输出，用以控制电磁阀驱动液压缸，使工作装置运动，从而获得相应的挖掘机的工作装置的数据。图3-2数据采集框图由于我们需要同时检测很多路模拟信号的数据，而这些信号不是瞬变信号，而是典型的缓变信号，因此不需要过高的采样频率。本系统采用北京阿尔泰公司的USB数据采集器，该采集器带有32路模拟输入，采样频率可达到200Hz，采样误差可控制在0.1%以下，可以满足本系统的使用；数据采集器与手提电脑通过USB口联接。第四章 基于虚拟仪器的测试系统4.1虚拟器概述4.1.1虚拟器简介虚拟仪器是通过应用程序将通用计算机与仪器硬件结合起来，用户可以通过友好的图形界面（通常叫做虚拟前面板）操作这台计算机，就像在操作自己定制的一台传统仪器一样。虚拟仪器以透明的方式把计算机资源（如微处理器、内存、显示器等）和仪器硬件（如A/D，D/A、数字I/O、定时器、信号调理等）的测量、控制能力结合在一起，通过软件实现对数据的分析处理、表达以及图形化用户接口。虚拟仪器代表着从传统硬件为主的测量系统到以软件为中心的测量系统的根本性转变。目前仪器发展的一个重要方向。粗略地说这种结合有两种方式，一种是将计算机装入仪 器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。另一种方式是将仪器装入计算机。以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。虚拟仪器主要是指这种方式，它是由计算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于数据分析、过程通讯及图形用户界面的软件组成的测控系统。虚拟仪器技术的出现彻底打破了传统仪器由厂家定义，用户无法改变的模式，给用户一个充分发挥自己才能、想象力的空间。用户可以根据自己的要求，设计自己的仪器系统，满足多样的应用需求。虚拟仪器的巨大优势与其技术特点是密不可分的，体现在以下几个方面：（1）突破了传统仪器在数据处理、显示、存储等方面的限制，大大增强了传统仪器的功能。高性能处理器高分辨率显示器、大容量硬盘等已成为虚拟仪器的 标准配置。 （2）利用了计算机丰富的软件资源，实现了部分仪器硬件的软件化，节省了物质资源，增加了系统灵活性；通过软件技术和相应数值算法，实时、直接地对测试数据进行各种分析与处理：通过图形用户界面（GUI）技术，真正做到界面友好、人机交互。 （3）基于计算机总线和模块化仪器总线，仪器硬件实现了模块化、系列化，大大缩小系统尺寸，可方便地构建模块化仪器（1nstrument on a Card）。 （4）基于计算机网络技术和接口技术，VI系统具有方便、灵活的互联（connectivity），广泛支持如FieldBus等各种工业总线标准。因此，利用VI技术可方便地构建自动测试系统(ATS，Automatic Test System)，实现测量、控制过程的网络化。（5）基于计算机的开放式标准体系结构。虚拟仪器的硬、软件都具有开放性模块化、可重复使用及互换性等特点。因此，用户可根据自己的需要，选用不同厂家的产品，使仪器系统的开发更为灵活、效率更高，缩短了系统组建时间。4.1.2虚拟器的硬件系统虚拟仪器的硬件系统一般分为计算机硬件平台和测控功能硬件。按照测控功能硬件的不同，VI可分为GPIB、VXI、PX工和DAQ四种标准体系结构： （1）GPIB（General Purpose Interface Bus）通用接口总线，是计算机和仪器间的标准通讯协议。GPIB的硬件规格和软件协议已纳入国际工业标准棗工EEE 488.1和工EEE488.2。它是最早的仪器总线。典型的GPIB测试系统包括一台计算机、一块GPIB接口卡和若干台GPIB仪器。 （2）VXI(VMEbus extension for Instrumentation)即VME总线在仪器领域的扩展，是1987年山主要仪器制造商共同制订的开放性仪器总线标准。VXI体系结构综合了GPIB和VEM总线的优点，它集成的系统硬件集成度高、数据传输率快、便携性好，是当今倍受业界关注的体系结构。 （3）PXI(PCI extension for Instrumentation)PCI在仪器领域的扩展，是NI公司于1997年发布的一种新的开放性、模块化仪器总线规范。其核心是Compact PCI 结构Microsoft Windows软件。PXI 是在PCI内核技术上增加了成熟的技术规范和要求形成的。由于其总线吞吐率高、硬件的价格较低被业内人士认为是符合国情的一种体系结构。 （4）DAQ（Dara AcQuisition）数据采集，指的是基于计算机标准总线（如ISA、PCI、PC/104等）的内置功能插卡。它更加充分地利用计算机的资源，大大增加了测试系统的灵活性和扩展性。利用DAQ可方便快速地组建基于计算机的仪器（Computer-BasedInstruments），实现“一机多型”和“一机多用”。在PC计算机上挂接若干DAQ功能模块，配合相应的软件，就可以构成一台具有若干功能的PC仪器。 虚拟仪器中各种标准仪器的互连及与计算机的连接目前多使用IEEE 488或GPIB协议。未来的仪器也应当是网络化的。4.1.3虚拟器的软件系统虚拟仪器技术最核心的思想，就是利用计算机的硬、软件资源，使本来需要硬件实现的技术软件化(虚拟化)。基于软件在VI系统中的重要作用，NI提出了“软件就是仪器（The software iS the inStrument）”的口号。 虚拟仪器的软件框架从低层到顶层，包括三部分：VISA库、仪器驱动程序、应用软件。VISA(Virtual 1nstrumentation software Architecture)虚拟仪器软件体系结构，实质就是标准的I/O函数库及其相关规范的总称。一般称这个I/0函数库为VISA库。它驻留于计算机系统之中执行仪器总线的特殊功能，是计算机与仪器之间的软件层连接，以实现对仪器的程控。它对于仪器驱动程序开发者来说是一个个可调用的操作函数集。仪器驱动程序是完成对某一特定仪器控制与通信的软件程序集。它是应用程序实现仪器控制的桥梁。每个仪器模块都有自己的仪器驱动程序，仪器厂商以源码的形式提供给用户。应用软件建立在仪器驱动程序之上，直接面对操作用户，通过提供直观友好的测控操作界面、丰富的数据分析与处理功能，来完成自动测试任务。 虚拟仪器应用软件的编写，大致可分为两种方式： （1）用通用编程软件进行编写。主要有Microsoft公司的Visual Basic与VisualC+、Borland公司的Delphi、Sybase公司的PowerBuilder。 （2）用专业图形化编程软件进行开发。如HP公司的VEE、 NI公司的LabVIEW和Lab windows/CVI等。图形化软件开发系统是用工程人员所熟悉的术语和图形化符号代替常规的文本语言编程，界面友好，操作简便，可大大缩短系统开发周期，深受专业人员的青睐。 应用软件还包括通用数字处理软件。通用数字处理软件包括用于数字信号处理的各种功能函数，如频域分析的功率谱估计、FFT、逆FFT等：时域分析的相关分析、卷积运算、反卷运算、均方根估计、差分积分运算和排序等。以及数字滤波等等。这些功能函数为用户进一步扩展虚拟仪器的功能提供了基础。 LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering）是一种图形化的编程语言，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW集成了与满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了便于应用TCPIP、Acvex等软件标准的库函数。这是一个功能强大且灵活的软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。图形化的程序语言，又称为“G”语言。使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图或流程图。它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念，因此，LabVIEW是一个面向最终用户的工具。利用LabVIEW，可产生独立运行的可执行文件，它是一个真正的3 2位编译器。像许多重要的软件一样，LabVIEW 提供了Windows、UNIX、“Linux、Macintosh 的多种版本。4.2 LabVIEW介绍美国NI公司开发的LabVIEW从用户角度出发，不仅内含各种仪器驱动程序，而且提供大量实现数据处理的函数集和用户界面编程工具集。作为专用的VI软件开发工具，它隐含了对设计VI时所面临多种困难的考虑，并鲜明地体现着简化设计的过程，节省人力、物力，也提高了工作效率。LabVIEW是流行虚拟仪器卡开发平台，下面简要介绍LabVIEW的程序VI结构：使用LabVIEW开发的VI包括三个部分程序前面板、框图程序和图标/连接器。程序前面板用于设置输入数值和观察输出量，用于模拟真实仪表的前面板。在程序前面板上，输入量被称为控制，输出量被称为显示。控制和显示是以各种图标形式出现在前面板上，如旋钮、开关、按钮、图表、图形等，这使这得前面板直观易懂。每一个程序前面板都对应着一段框图程序，如图4-1所示。框图程序用LabVIEW图形编程语言编写，可以把它理解成传统程序的源代码。框图程序由端口、节点、图框和连线构成。其中端口被用来同程序前面板的控制和显示传递数据，节点被用来实现函数和功能调用，图框被用来实现结构化程序控制命令，而连线则代表了程序执行过程中的数据流，定义了框图内的数据流动方向。 图4-1 LabVIEW框图程序LabVIEW的强大功能归因于它的层次化结构，用户可以把创建的VI程序当作子程序调用，以创建更复杂的程序，而这种调用的层次是没有限制的。4.3虚拟仪器及LabVIEW在控制中的应用虚拟仪器是相对于传统仪器而言的，从定义上看，它似乎只是新一代的测量仪器，不过虚拟仪器所具有的诸多特点使其早已突破测试领域的范围，在控制领域也得到越来越广泛的使用。随着计算机技术的快速发展，自动控制系统中的控制器功能越来越多的通过计算机来实现，这就组成了典型的计算机控制系统。计算机控制系统的控制过程可归纳为以下三个步骤:l)实时数据采集:对被控量的瞬时值进行检测，并输入给计算机。2)实时决策:对采集到的表征被控参数的状态量进行分析，按己定的控制规律，决定下一步的控制过程。3)实时控制:根据决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。如果把虚拟仪器的思想及软硬件模块应用到计算机控制系统中，即构成了虚拟仪器的控制系统。对于上面的每一个步骤，虚拟仪器都可以出色的完成。虚拟仪器技术经过近二十年的发展，已经发布了一系列总线和软硬件规范，只备了较为完善的体系，目前全世界有上百家厂商提供上千种虚拟仪器的模块化产品。以该领域内最具代表性的NI公司为例，该公司的产品包括:各种数据采集卡、信号调理模块、机器视觉模块、运动控制模块、基于PXI总线的实时测量及控制模块、工业控制及分布式I/O模块，以及测量及自动化软件平台和相关的工具包。可以看出，有不少产品就是专门针对控制应用的。使用这些软硬件模块，可以快速的组建满足各种需求的测控系统。NI公司的虚拟仪器开发平台LabVIEW提供了一个直观的软件开发环境，它被设计成可以帮助开发可伸缩的、网络化的、包含任意测量、分析及算法开发和I/O的控制系统，从简单的到复杂的应用。软件产品的LabVIEW平台，包括LabVIEW数据记录和监控模块、LabVIEW实时模块，为复杂的监测、数据记录、监控、PID控制、逻辑控制、单点分析、控制模型工具、机器视觉等提供强大的工具。这个集成化软件平台使开发者能快速建立控制系统，并且当系统需求改变时可以很容易的进行修改。用这个紧密集成的软件框架开发一个控制系统有很多的好处，包括：1）用一种为测量和控制应用优化的直观的开发方式，可以大大提高了整个开发、部署应用、维护、修改过程的生产率；2）使实时监控系统具有更高的性能；3）给很容易与贯穿整个组织的其他过程相连的高标准系统提供更多测量设备的同时，也带来更紧密的集成性；4）减少了整个产品生命周期内的费用。因此，采用虚拟仪器产品及UbV正W来开发控制系统，可以说是一个非常好的选择。目前，虚拟仪器在国外的应用己经非常普及，其在控制领域的应用也越来越多，下面列举一些虚拟仪器在控制领域的应用实例： 1)Texas大学使用LabVIEW，Lab-PC-1200及GPIB卡开发了一个自动控制系统实验室及一个风洞电压控制系统，使学生可以在实验室得到更深入、更实际的自动控制系统开发经验。 2)Sorin Grama，Eric T.Lee， Jason R.Wiedman等人使用 LabVIEW，PCI-E系列数据采集卡完成了一个检测心脏助搏器中血液泵可靠性的闭环控制系统。采用LabVIEW中的多线程技术通过数据采集卡同时控制4个血液泵，该系统可连续工作1000天以上，具有很高的稳定性和可靠性。3）英国Strathelyde大学的工业控制中心采用LabVIEW，LabVIEW RT模块、PXI RT控制器及PXI-6070E数据采集卡完成了一个复杂多变环境中的柔性机械手控制系统。使用LabVIEW的PD控制工具包，实现了高速有效的控制。另外，如Texas的啤酒酿造的小型监测系统、Louisiana的整个城市的供管理、Hungary的电站监控等，都是采用虚拟仪器技术组建的测控系统。可见，从小型的实验性控制系统，到大型的工业控制系统，虚拟仪器都能充分胜任。4.4基于虚拟仪器的控制系统的结构计算机控制系统的控制过程可分为三个步骤:实时数据采集、实时决策和实时控制，其系统结构可用图4-2表示：图4-2 计算机控制系统结构对于采用LabVIEW作为自动化软件的测试系统，可以用另一种方式来表示。图4-3是以LabVIEW为中心的控制系统结构。LabVIEW通过驱动程序控制数据采集和输出设备，LabVIEW程序进行采集信号的处理、分析并作出决策。数据采集和输出可以是不同的板卡，也可以用同一块卡来实现，因为现有的虚拟仪器数据采集卡一般都有模拟输出端口，而且输入输出都有独立的缓存，可以并行运行。图4-3 以LabVIEW为中心的测试系统的结构4.5控制回路的定时对于基于虚拟仪器的控制系统而言，控制回路的定时直接关系到控制速率，对整个系统的性能有较大的影响。控制回路的定时有两种方式:软件定时和硬件定时。下面分别进行讨论：1)软件定时软件定时就是用软件控制着模拟输入的采样率和模拟输出的刷新率。基本的模拟输入VI从采集卡读取过程变量的值，实际应用中，可能需要把电压值转换成其他的量。控制VI可以是一个LabVIEW编写的子程序，或控制程序。模拟输出VI更新输出的模拟电压值，这个电压值就是控制器对过程进行控制的输出。LabVIEW中函数“Wait Until Next ms Multiple”控制一次循环的最小时间，但第一次循环的时间是不确定的。在这种情况下，循环定时器可以被任何的用户干预打断，采样的速率不可能像硬件定时那样始终一致。所以只有控制回路不需要精度太高的采样速率时，软件定时才是适用的。除了用户的干预，数量太多或尺寸太大的前面板显示件，例如图线、图形，也影响到循环速率。刷新显示器屏幕会中断系统时钟对循环速率的控制。因此在使用软件定时控制回路时应尽可能减少图线和图形显示件。为了达到更快的I/O循环速度，需要用中级VI。前面用到的易用VI实际上是由中级VI组成的。不过，易用VI在每次循环内都要对输入和输出进行配置，这就造成了不必要的时间消耗。可以用中级VI来代替易用VI，使程序只在开始时进行一次输入输出配置。把进行配置的VI放在循环外，把“task ID”传递到循环内的I/O VI“ AI Single Sean”，和“ AI Single Update，VI直接调用DAQ驱动而没有子程序，使DAQ函数消耗的时间最少。如果循环内不用定时函数来确定循环的时间，控制回路会以最快的速度运行，LabVIEW使控制速率达到最大。不过，任何LabVIEW的其他操作都会使循环的速度慢下来并且每个循环所用的时间都不一样。因为WindowsNT/2000是一个抢先制多任务操作系统，其他运行的应用程序会影响到控制回路的速度。2)硬件定时使用硬件定时控制回路时数据采集不会被用户的干预打断，可以得到精确的模拟输入采样率和模拟输出刷新率。中级和高级 DAQ VI指定模拟输入的采样率，每个循环内， AI Single Scan VI返回一个采样数据，控制器VI对数据进行处理并输出一个控制量，LabVIEW尽快地更新模拟输出通道并输出数据。如果循环内处理的时间少于采样间隔，那么采样率也就是控制速率。如果模拟输入、控制算法及模拟输出需要的时间大于指定的采样间隔，那么程序运行的速度就低于硬件采样率而不能保证是实时的。不过“ AI Single Scan”有一个“data rmaining”输出端口，如果端口输出是0，就表示采集卡的FIFO缓存内没有数据剩余，控制是实时的。采用硬件定时，采集过程不受用户操作的影响，硬件定时的模拟输入在由采样率确定的每个时间间隔内自动读取数据并放到DAQ设备的FIFO缓存内。在每个控制循环内调用 AI Single Scan VI读取FIFO缓存内的最早的数据(如果控制是实时的，FIFO里面就只有一个数据)o如果程序运行的速度跟不上采样速度，FIFO缓存内的数据不只一个， AI Single Scan VI读到并返回的数据就不是最新的，这时候的控制也就不是实时的。第五章 液压挖掘机测控系统的软件设计5.1应用软件的模块设计作为挖掘机测试系统，软件编程是整个系统设计最重要的任务之一。测试系统软件采用了结构化的程序设计方法，遵循自顶向下逐步细化的原则，使系统软件易于调试、测试和维护。如图5-1所示，测试系统软件主要由人机界面模块、位置曲线输入模块、通信模块、监测模块、数据处理模块、故障报警模块等组成。图5-1 测控系统软件框图人机界面模块:在LabVIEW的前面板上开发人机界面，包含位置曲线的绘制，显示液压挖掘机的工作装置液压缸的压力和温度，流量。根据挖掘机测试系统的设计及硬件实现方案，测控系统程序的运行流程如图5-2所示。主程序一旦进入运行状态，为保证随时监控系统状态，数据采集程序随即启动。这样，系统测试状态、报警信号、油缸的压力、温度就处于实时监测状态。直至试验结束，数据采集程序才停止运行。 图5-2 测试系统程序的运行流程主程序根据检测到的系统控制方式决定程序流程。当系统采用自动控制方式时，程序等待输入期望的轨迹曲线。曲线输入确定后，将相关数据发送给控制计算机。测控计算机，实时采集存储数据，并将挖掘机工作装置所需的的曲线在主界面上显示；用户还可以实时监控系统运动过程中的温度、压力、流量。试验结束后，测试系统根据用户的需要进行曲线、数据的显示、打印等处理工作。5.2液压测试系统软件的编程由LabVIEW8.5开发成功的软件系统具有友好的人机交互界面，可以方便地实现数据的人工定点采集、程序自动采集、实时数字显示、变化趋势曲线显示、存取等功能。其基本的操作界面包括数据显示、曲线实时显示、历史信号变化曲线显示和标定四部分组成。结 论在综合分析挖掘机液压控制系统功能特性的前提下，确定了测试装置的基本功能以及所需要检测的技术参数，结合当前的计算机算术、自动检测与控制技术的特点，以实用性、操作方便性、使用可靠性为原则，完成了整个测试装置的设计方案。论文的主要工作有：1、构建了便携式液压挖掘机测试系统，能够对整机状态进行实时的检测。2、介绍了便携式液压挖掘机测试装置的整个开发过程，包括硬件的选择以及电路的设计、软件程序的开发及应用。3、该装置充分考虑了模块化设计，数据精确处理的要求，数据采集系统自动化程度高，安全保护措施配置完善，能满足测试装置基本功能及要求。致 谢经过近两个月的努力，我完成了我的毕业设计。在毕业设计中，我一直认真对待，在这个过程中我学习到了很多。也发现了自己很多不足之处，比如对问题的考虑不够全面，比较容易形成定向性思维，对问题的考虑不够全面等。虽然这次毕业设计顺利地结束了，但是这只能是一个开始。在以后的学习和生活中，我还会不断地学习专业知识，不断地总结经验，不断地培养自己的创新思维和动手能力，争取得到更大的提高。在此，我要特别感谢我的指导老师刘金刚老师，他在我整个设计过程中给了我极大的帮助，正是因为他的谆谆教诲和悉心指导，我才能尽自己最大的努力做好自己的毕业设计，所以在此我要感谢我的指导老师以及所有在本次设计中给我不断提出建议和无私帮助的同学。特此鸣谢！参考文献1陈桂、盛党红、汪木兰，LabVIEW与MATLAB在伺服系统中的应用研究.现代雷达，2005(11)2陈溯，王思华，采用LabVIEW图形程式设计构成虚拟仪控设备，INTERNET3关建和，唐露新，李伟东.基于LabVIEW平台的电液控制系统的研究与应用。机电工技术，2003(6)4顾友华，基于虚拟仪器的综合测试系统开发。西北工业大学硕士学位论文，2004.35刘君华，基于LabVIEW的虚拟仪器设计。北京：电子工业出版社，20036陈正利，我国液压挖掘机发展的几个重要阶段及其前景展望。建筑机械，19997孙秋野、柳昂、王云爽，LabVIEW8.5快速入门与提高。西安交通大学出版社，20098廖彦，LabVIEW环境下的实时控制案设计与研究，西北工业大学硕士学位论文，20029王贤林，虚拟仪器及其应用前景。武汉科技大学学报(自然科学版)，2002.610杨乐平、李海涛，LabVIEW高级程序设计。北京：清华大学出版社，200311张明，杨成银，基于LabVIEW液压挖掘机工作装置的测控系统工程机械，2007年第6期12当前挖掘机行业市场展望及相关问题，建设机械技术与管理，2004年第五期 外文资料原文液压系统液压传动和气压传动称为流体传动，是根据17世纪帕斯卡提出的液体静压力传动原理而发展起来的一门新兴技术，1795年英国约瑟夫布拉曼(Joseph Braman,1749-1814)，在伦敦用水作为工作介质，以水压机的形式将其应用于工业上，诞生了世界上第一台水压机。1905年将工作介质水改为油，又进一步得到改善。第一次世界大战(1914-1918)后液压传动广泛应用，特别是1920年以后，发展更为迅速。液压元件大约在 19 世纪末 20 世纪初的20年间，才开始进入正规的工业生产阶段。1925 年维克斯(F.Vikers)发明了压力平衡式叶片泵,为近代液压元件工业或液压传动的逐步建立奠定了基础。20 世纪初康斯坦丁尼斯克(GConstantimsco)对能量波动传递所进行的理论及实际研究;1910年对液力传动(液力联轴节、液力变矩器等)方面的贡献，使这两方面领域得到了发展。第二次世界大战(1941-1945)期间,在美国机床中有30%应用了液压传动。应该指出,日本液压传动的发展较欧美等国家晚了近 20 多年。在 1955 年前后 , 日本迅速发展液压传动,1956 年成立了“液压工业会”。近2030 年间，日本液压传动发展之快，居世界领先地位。液压传动有许多突出的优点，因此它的应用非常广泛，如一般工业用的塑料加工机械、压力机械、机床等；行走机械中的工程机械、建筑机械、农业机械、汽车等；钢铁工业用的冶金机械、提升装置、轧辊调整装置等；土木水利工程用的防洪闸门及堤坝装置、河床升降装置、桥梁操纵机构等；发电厂涡轮机调速装置、核发电厂等等；船舶用的甲板起重机械（绞车）、船头门、舱壁阀、船尾推进器等；特殊技术用的巨型天线控制装置、测量浮标、升降旋转舞台等；军事工业用的火炮操纵装置、船舶减摇装置、飞行器仿真、飞机起落架的收放装置和方向舵控制装置等。一个完整的液压系统由五个部分组成，即动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件和液压油。 动力元件的作用是将原动机的机械能转换成液体的压力能，指液压系统中的油泵，它向整个液压系统提供动力。液压泵的结构形式一般有齿轮泵、叶片泵和柱塞泵。 执行元件(如液压缸和液压马达)的作用是将液体的压力能转换为机械能，驱动负载作直线往复运动或回转运动。 控制元件(即各种液压阀)在液压系统中控制和调节液体的压力、流量和方向。根据控制功能的不同，液压阀可分为压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀。压力控制阀又分为益流阀(安全阀)、减压阀、顺序阀、压力继电器等；流量控制阀包括节流阀、调整阀、分流集流阀等；方向控制阀包括单向阀、液控单向阀、梭阀、换向阀等。根据控制方式不同，液压阀可分为开关式控制阀、定值控制阀和比例控制阀。 辅助元件包括油箱、滤油器、油管及管接头、密封圈、压力表、油位油温计等。 液压油是液压系统中传递能量的工作介质，有各种矿物油、乳化液和合成型液压油等几大类。 液压系统的作用就是帮助人类做工。主要是由执行元件把压力变成转动或往复运动。 液压系统由信号控制和液压动力两部分组成，信号控制部分用于驱动液压动力部分中的控制阀动作。液压动力部分采用回路图方式表示，以表明不同功能元件之间的相互关系。液压源含有液压泵、电动机和液压辅助元件；液压控制部分含有各种控制阀，其用于控制工作油液的流量、压力和方向；执行部分含有液压缸或液压马达，其可按实际要求来选择。在分析和设计实际任务时，一般采用方框图显示设备中实际运行状况。 空心箭头表示信号流，而实心箭头则表示能量流。基本液压回路中的动作顺序控制元件（二位四通换向阀）的换向和弹簧复位、执行元件（双作用液压缸）的伸出和回缩以及溢流阀的开启和关闭。 对于执行元件和控制元件，演示文稿都是基于相应回路图符号，这也为介绍回路图符号作了准备。根据系统工作原理，您可对所有回路依次进行编号。如果第一个执行元件编号为0，则与其相关的控制元件标识符则为1。如果与执行元件伸出相对应的元件标识符为偶数，则与执行元件回缩相对应的元件标识符则为奇数。 不仅应对液压回路进行编号，也应对实际设备进行编号，以便发现系统故障。DIN ISO1219-2标准定义了元件的编号组成，其包括下面四个部分：设备编号、回路编号、元件标识符和元件编号。如果整个系统仅有一种设备，则可省略设备编号。实际中，另一种编号方式就是对液压系统中所有元件进行连续编号，此时，元件编号应该与元件列表中编号相一致。 这种方法特别适用于复杂液压控制系统，每个控制回路都与其系统编号相对应与机械传动、电气传动相比，液压传动具有以下优点：1、液压传动的各种元件，可以根据需要方便、灵活地来布置。2、重量轻、体积小、运动惯性小、反应速度快。3、操纵控制方便，可实现大范围的无级调速（调速范围达2000：1）。4、可自动实现过载保护。5、一般采用矿物油作为工作介质，相对运动面可自行润滑，使用寿命长；6、很容易实现直线运动7、很容易实现机器的自动化，当采用电液联合控制后，不仅可实现更高程度的自动控制过程，而且可以实现遥控。液压系统的缺点：1、由于流体流动的阻力和泄露较大，所以效率较低。如果处理不当，泄露不仅污染场地，而且还可能引起火灾和爆炸事故。2、由于工作性能易受到温度变化的影响，因此不宜在很高或很低的温度条件下工作。3、液压元件的制造精度要求较高，因而价格较贵。4、由于液体介质的泄露及可压缩性影响，不能得到严格的传动比。5、液压传动出故障时不易找出原因；使用和维修要求有较高的技术水平。在液压系统及其系统中，密封装置用来防止工作介质的泄漏及外界灰尘和异物的侵入。其中起密封作用的元件，即密封件。外漏会造成工作介质的浪费，污染机器和环境，甚至引起机械操作失灵及设备人身事故。内漏会引起液压系统容积效率急剧下降，达不到所需要的工作压力，甚至不能进行工作。侵入系统中的微小灰尘颗粒，会引起或加剧液压元件摩擦副的磨损，进一步导致泄漏。因此，密封件和密封装置是液压设备的一个重要组成部分。它的工作的可靠性和使用寿命，是衡量液压系统好坏的一个重要指标。除间隙密封外，都是利用密封件，使相邻两个偶合表面间的间隙控制在需要密封的液体能通过的最小间隙以下。在接触式密封中，分为自封式压紧型密封和自封式自紧型密封（即唇形密封）两种。液压系统的三大顽疾1、发热 由于传力介质（液压油）在流动过程中存在各部位流速的不同，导致液体内部存在一定的内摩擦，同时液体和管路内壁之间也存在摩擦，这些都是导致液压油温度升高的原因。温度升高将导致内外泄漏增大，降低其机械效率。同时由于较高的温度，液压油会发生膨胀，导致压缩性增大，使控制动作无法很好的传递。解决办法：发热是液压系统的固有特征，无法根除只能尽量减轻。使用质量好的液压油、液压管路的布置中应尽量避免弯头的出现、使用高质量的管路以及管接头、液压阀等。2、振动 液压系统的振动也是其痼疾之一。由于液压油在管路中的高速流动而产生的冲击以及控制阀打开关闭过程中产生的冲击都是系统发生振动的原因。强的振动会导致系统控制动作发生错误，也会使系统中一些较为精密的仪器发生错误，导致系统故障。解决办法：液压管路应尽量固定，避免出现急弯。避免频繁改变液流方向，无法避免时应做好减振措施。整个液压系统应有良好的减振措施，同时还要避免外来振源对系统的影响。3、泄漏 液压系统的泄漏分为内泄漏和外泄漏。内泄漏指泄漏过程发生在系统内部，例如液压缸活塞两边的泄漏、控制阀阀芯与阀体之间的泄漏等。内泄漏虽然不会产生液压油的损失，但是由于发生泄漏，既定的控制动作可能会受到影响，直至引起系统故障。外泄漏是指发生在系统和外部环境之间的泄漏。液压油直接泄漏到环境中，除了会影响系统的工作环境外，还会导致系统压力不够引发故障。泄漏到环境中的液压油还有发生火灾的危险。解决办法：采用质量较好的密封件，提高设备的加工精度。另：对于液压系统这三大顽疾，有人进行了总结：“发烧、拉稀带得瑟”（这位总结者是东北人）。液压系统用于升降机，挖掘机，泵站，强夯机，起重机，等等大型工业，建筑，工厂，企业，还有升降机，升降平台，登车桥等等行业。液压元件将向高性能、高质量、高可靠性、系统成套方向发展；向低能耗、低噪声、振动、无泄漏以及污染控制、应用水基介质等适应环保要求方向发展；开发高集成化高功率密度、智能化、机电一体化以及轻小型微型液压元件；积极采用新工艺、新材料和电子、传感等高新技术。- 液力偶合器向高速大功率和集成化的液力传动装置发展，开发水介质调速型液力偶合器和向汽车应用领域发展，开发液力减速器，提高产品可靠性和平均无故障工作时间；液力变矩器要开发大功率的产品，提高零部件的制造工艺技术，提高可靠性，推广计算机辅助技术，开发液力变矩器与动力换档变速箱配套使用技术；液粘调速离合器应提高产品质量，形成批量，向大功率和高转速方向发展。气动行业：-产品向体积小、重量轻、功耗低、组合集成化方向发展，执行元件向种类多、结构紧凑、定位精度高方向发展；气动元件与电子技术相结合，向智能化方向发展；元件性能向高速、高频、高响应、高寿命、耐高温、耐高压方向发展，普遍采用无油润滑，应用新工艺、新技术、新材料。（1）采用的液压元件高压化，连续工作压力达到40Mpa，瞬间最高压力达到48Mpa；（2）调节和控制方式多样化；（3）进一步改善调节性能，提高动力传动系统的效率；（4）发展与机械、液力、电力传动组合的复合式调节传动装置；（5）发展具有节能、储能功能的高效系统；（6）进一步降低噪声；（7）应用液压螺纹插装阀技术，紧凑结构、减少漏油。传统上水基液压系统已经应用在钢铁厂炼铁领域。 这些产业中水基液压系统的明显的优点是它们的耐火性。 而且水基液压系统在费用上也优于油基的液压系统。 首先，无毒的、可被生物分解的综合性添加剂每加仑花费5到6美元。一加仑集中可生成20加仑的5%溶液，因此实际上水基液压流体的费用可以比油基的每加仑少30分。在工厂的水平下，考虑到相关费用、防止和清理环境的污染，水基液压系统拥有节省巨大成本的潜力。液压油的泄漏已经成为一个非常重要的问题。它必须被收集、妥善控制。不过，含有合成添加剂的水，可以倾倒入工厂的污水系统。在工厂水平下，节省成本不停留在流体的较低成本及其处理上。因为水基液压液由十部分水和一部份合成添加剂， 5加仑添加剂与水的混合物构成100加仑水基流体。 50加仑的容器当然比两个55加仑的桶更容易处理，因此储藏更简单、更清洁、更不凌乱，运输成本也较低。其他工厂范围下潜在的节约是为工人改善安全，因为水基液是不含毒性，并且非易燃。这些特点可以减少工厂的保险费率。泄漏的成本比清理低，因为不再需要颗粒吸收剂或吸附棉条。水基流体再次变成“热门话题”在20世纪70年代石油禁运引发了较低成本的水基液压流体替代高昂的液压油的兴趣。当设计师们获悉，一加仑聚合物可以制造出二十加仑的流体时，即使是最昂贵的水添加剂都更有吸引力。由于石油价格逐渐的回落，因此人们对水基液压也没有那么大的兴趣了。回想起来，对水基流体的兴趣集中在其节省成本的潜力上。当设计师发现他们不能在他们的系统中改变流体从液压油到水的状况并且也没有其他重大的改变时，他们就失去了兴趣。然后，他们不情愿的接受其他的“缺点” 了解到很大的变化-又切换到水基液压。适用于水基液压系统的不同的规则被认为是缺点。设计师可能不愿意学习更多关于水基液压，因为他们被暗示，所有的工作需要依靠如何设计一个新的系统或改造旧系统的知识。因为他们结束了对这另外技术的思维，他们错过了除水基流体初始成本以外的许多其他的优点。现在，环境问题，增加了液压油处理成本的价格，水基液压便再次成为热门话题。抵抗凝固. 当然，水基液压系统确实在应用上有它的局限性。一个限制就是潜在的凝固。这个可能性可能是更广泛地应用水基系统，特别是在移动设备业最重要的阻碍。长壁开采法是迄今为止最大的能够充分利用水基系统的移动设备部门。地下的温度不接近水的凝点和耐火性是必不可少的条件。用于温带气候海上设备和移动设备获利于水基系统的优点，但不能保证这些设备将始终用在上述凝固温度。不过，给水基流体加入防冻液可以使其凝固温度远低于32华氏度。用在汽车上的防冻液-乙二醇-是有毒的，是不能生物降解的，因此它在水基液压中添加防冻液将击败水基液压流体在环境上的优势。有一个替代的方法。丙二醇是没有毒性，而且是可生物降解的。它比乙二醇花费更多，并且是不太有效的一种防冻液，因此它必须使用较高浓度的溶液。减少凝固潜力的另外两个技术是要保持流体的不断循环和在实际中使用胶管。系统的密封水基液压系统的两个个容易被察觉的问题是细菌的大批出没，并且很难保持适当的浓度。大气下的密封系统在控制中可容纳细菌成长。此外，如果从系统排除空气，一个抗菌剂的流体能对防止细菌的增长有一个持久的影响。一个被密封的水箱消除许多液压系统遭受的另一个问题：水的进入。这说明关于水基系统的另一个误解：没有从大气中密封的水基系统，必须密切监察，以确保该添加剂浓度保持在在允许的范围之内。这是因为水比添加剂更容易从水箱蒸发。因此，水分蒸发导致添加剂浓度增加。当新液体添加到系统时，现有的流体样本必须采取措施，以确定一定浓度的添加剂在溶液中。这些结果显示，添加剂在流体中的比例必须补充，使流体的浓度是合适的。与大气隔绝的密封的流体系统，实际上消除了蒸发问题。泄漏的液体是包含水和添加剂的。 所以，系统液体的量在发生变化，但浓度没有变化。 系统流体通过增加水和添加剂的一种预先混合重新补充到水箱。特殊的考虑如果水基液压系统没有正确的设计，他们可能更容易使水泵汽蚀。应提供通畅的通道，保持流体速度低于20英尺/秒，最好是在压力线低于15英尺/秒。在一般情况下，吸油管的速度，不应超过2-3英尺/秒。在回油管的速度应低于5到10英尺/秒。当流体再进入水箱时，较高的回油管速度可以促进发泡。零部件也应注意其规格，因为流体压力和速度急剧变化可能造成溶解气体和造成类似气蚀的损伤。对水基的系统的重要考虑是应该明确设计主要元件为水基流体所使用，而不是修改最初供油服务的系统。油管，胶管，及配件，通常对这些油基液压系统可以相同。但是，水泵，阀，执行器和供水装置，存在着一些重大不同。例如，齿轮泵，应作出超硬合金抗磨损。泵的齿轮比一个油泵应更广泛，因为水的低粘度需要一个更大的范围，以形成一个足够的润滑膜。使用在水基系统中的缸应该有青铜做的活塞，以减少活塞和缸壁之间的磨损。弹簧或O型圈的密封用来减少活塞的渗漏。水基液压阀水基的流体的阀通常是加了密封件，用于分离金属零件，以防止金属-金属接触。这是因为水-甚至与润滑油添加剂-没有提供完整的润滑油膜。水基装置用的阀的价格也有少许大于油基装置的。这可能是另一个原因，水基系统没有得到广泛的接受。本来，当设计系统时，面积较大的元件水基流体创建了一个障碍，并且更加昂贵的制造价格使水基液压阀的价格提高了3倍或更多。不过，现在阀大小和油基系统的相当。许多阀可达到美国国家防火协会标准。价格差异也较少。水基液压元件仍可能花费比油基系统高3 以上，但当考虑到水基系统节省成本的潜力，这样做可能会得到更多的实惠。流体的泄露- h4 t a1 W9 3 u1 q7 在许多液压系统中泄漏仍然是一个恼人的问题。新的密封材料及设计，及O型圈，是解决密封装置泄漏的功能强大的武器。由于误用，安装不当，或缺乏简单的了解，泄漏的问题仍未解决。虽然在大多数的系统中没有任何理由泄漏，但它仍然出现。假设不解决泄漏，在不久的将来，水基液可以大大降低泄漏的相关费用。! m6 P1 w9 S/ K* Q内部泄漏是很浪费的。这种泄漏能能使温度升高，从而使液压油碳化。内部泄漏通常是泄露回容器的，因此这一技术转化成机械能的热，这并不是有益的工作。在一个水基液压阀运动部件中采用不锈钢阀芯聚四氟乙烯密封。因为没有间隙，所以就不存在内部泄漏。2 N, L5 i( t# 但除了明显的和无形的液漏成本外，处理已泄漏液体已经成为一个被人关注的问题。考虑到除去或取消成本时，允许液压油进入污水厂系统成为一个昂贵的主张。实现这一清理和处置成本只会上升，并且石油价格的不稳定表明，水基液压可以成为一个利于解决环境问题比较经济的办外文资料译文Hydraulic SystemHydraulic presser drive and air pressure drive hydraulic fluid as the transmission is made according to the 17th century, Pascals principle of hydrostatic pressure to drive the development of an emerging technology, the United Kingdom in 1795 Braman Joseph (Joseph Braman ,1749-1814), in London water as a medium to form hydraulic press used in industry, the birth of the worlds first hydraulic press. Media work in 1905 will be replaced by oil-water and further improved.After the World War I (1914-1918) ,because of the extensive application of hydraulic transmission, espec- ially after 1920, more rapid development. Hydraulic components in the late 19th century about the early 20th century, 20 years, only started to enter the formal phase of industrial production. 1925 Vickers (F. Vikers) the invention of the pressure balanced vane pump, hydraulic components for the modern industrial or hydraulic transmission of the gradual establishment of the foundation. The early 20th century G Constantimscofluct- uations of the energy carried out by passing theoretical and practical research; in 1910 on the hydraulic trans- mission (hydraulic coupling, hydraulic torque converter, etc.) contributions, so that these two areas of develo- pment.The Second World War (1941-1945) period, in the United States 30% of machine tool applications in the hydraulic transmission. It should be noted that the development of hydraulic transmission in Japan than Europe and the United States and other countries for nearly 20 years later. Before and after in 1955, the rapid development of Japans hydraulic drive, set up in 1956, Hydraulic Industry. Nearly 20 to 30 years, the development of Japans fast hydraulic transmission, a world leader.Hydraulic transmission There are many outstanding advantages, it is widely used, such as general industr- ial use of plastics processing machinery, the pressure of machinery, machine tools, etc.; operating machinery engineering machinery, construction machinery, agricultural machinery, automobiles, etc.; iron and steel indu- stry metallurgical machinery, lifting equipment, such as roller adjustment device; civil water projects with flo- od control and dam gate devices, bed lifts installations, bridges and other manipulation of institutions; speed turbine power plant installations, nuclear power plants, etc.; ship from the deck heavy machinery (winch), the bow doors, bulkhead valve, stern thruster, etc.; special antenna technology giant with control devices, measu- rement buoys, movements such as rotating stage; military-industrial control devices used in artillery, ship anti- rolling devices, aircraft simulation, aircraft retractable landing gear and rudder control devices and other devi- ces.A complete hydraulic system consists of five parts, namely, power components, the implementation of co- mponents, control components, auxiliary components and hydraulic oil. The role of dynamic components of the original motive fluid into mechanical energy to the pressure that the hydraulic system of pumps, it is to power the entire hydraulic system. The structure of the form of hydra- ulic pump gears are generally pump, vane pump and piston pump. Implementation of components (such as hydraulic cylinders and hydraulic motors) which is the pressure of the liquid can be converted to mechanical energy to drive the load for a straight line reciprocating movement or rotational movement. Control components (that is, the various hydraulic valves) in the hydraulic system to control and regulate the pressure of liquid, flow rate and direction. According to the different control functions, hydraulic pressure control valve can be divided into valves, flow control valves and directional control valve. Pressure control valves are divided into benefits flow valve (safety valve), pressure relief valve, sequence valve, pressure relays, etc.; flow control valves including throttle, adjusting the valves, flow diversion valve sets, etc.; directional control valve includes a one-way valve , one-way fluid control valve, shuttle valve, valve and so on. Under the control of different ways, can be divided into the hydraulic valve control switch valve, control valve and set the value of the ratio control valve. Auxiliary components, including fuel tanks, oil filters, tubing and pipe joints, seals, pressure gauge, oil level, such as oil dollars. Hydraulic oil in the hydraulic system is the work of the energy transfer medium, there are a variety of mineral oil, emulsion oil hydraulic molding Hop categories. The role of the hydraulic system is to help humanity work. Mainly by the implementation of components to rotate or pressure into a reciprocating motion. Hydraulic system and hydraulic power control signal is composed of two parts, the signal control of some parts of the hydraulic power used to drive the control valve movement. Part of the hydraulic power means that the circuit diagram used to show the different functions of the interrelationship between components. Containing the source of hydraulic pump, hydraulic motor and auxiliary components; hydraulic control part contains a variety of control valves, used to control the flow of oil, pressure and direction; operative or hydraulic cylinder with hydraulic motors, according to the actual requirements of their choice.In the analysis and design of the actual task, the general block diagram shows the actual operation of equi - pment. Hollow arrow indicates the signal flow, while the solid arrows that energy flow. Basic hydraulic circuit of the action sequence - Control components (two four-way valve) and the spring to reset for the implementation of components (double-acting hydraulic cylinder), as well as the extending and retracting the relief valve opened and closed . For the implementation of components and control components, presentations are based on the corresponding circuit diagram symbols, it also introduced ready made circuit diagram symbols. Working principle of the system, you can turn on all circuits to code. If the first implementation of components numbered 0, the control components associated with the identifier is 1. Out with the implementation of components corresponding to the identifier for the even components, then retracting and implementation of components corresponding to the identifier for the odd components. Hydraulic circuit carried out not only to deal with numbers, but also to deal with the actual device ID, in order to detect system failures.DIN ISO1219-2 standard definition of the number of component composition, which includes the following four parts: device ID, circuit ID, component ID and component ID. The entire system if only one device, device number may be omitted. Practice, another way is to code all of the hydraulic system components for numbers at this time, components and component code should be consistent with the list of numbers. This method is particularly applicable to complex hydraulic control system, each control loop are the corresponding number with the systemWith mechanical transmission, electrical transmission compared to the hydraulic drive has the following advantages: 1, a variety of hydraulic components, can easily and flexibly to layout. 2, light weight, small size, small inertia, fast response. 3, to facilitate manipulation of control, enabling a wide range of stepless speed regulation (speed range of 2000:1). 4, to achieve overload protection automatically. 5, the general use of mineral oil as a working medium, the relative motion can be self-lubricating surface, long service life; 6, it is easy to achieve linear motion / 7, it is easy to achieve the automation of machines, when the joint control of the use of electro-hydraulic, not only can achieve a higher degree of process automation, and remote control can be achieved. The shortcomings of the hydraulic system: 1, as a result of the resistance to fluid flow and leakage of the larger, so less efficient. If not handled properly, leakage is not only contaminated sites, but also may cause fire and explosion. 2, vulnerable performance as a result of the impact of temperature change, it would be inappropriate in the high or low temperature conditions. 3, the manufacture of precision hydraulic components require a higher, more expensive and hence the price. 4, due to the leakage of liquid medium and the compressibility and can not be strictly the transmission ratio. 5, hydraulic transmission is not easy to find out the reasons for failure; the use and maintenance requirements for a higher level of technology.In the hydraulic system and its system, the sealing device to prevent leakage of the work of media within and outside the dust and the intrusion of foreign bodies. Seals played the role of components, namely seals. Medium will result in leakage of waste, pollution and environmental machinery and even give rise to malfunctioning machinery and equipment for personal accident. Leakage within the hydraulic system will cause a sharp drop in volumetric efficiency, amounting to less than the required pressure, can not even work. Micro-invasive system of dust particles, can cause or exacerbate friction hydraulic component wear, and further lead to leakage. Therefore, seals and sealing device is an important hydraulic equipment components. The reliability of its work and life, is a measure of the hydraulic system an important indicator of good or bad. In addition to the closed space, are the use of seals, so that two adjacent coupling surface of the gap between the need to control the liquid can be sealed following the smallest gap. In the contact seal, pressed into self-seal-style and self-styled self-tight seal (ie, sealed lips) two.The three hydraulic system diseases 1, as a result of heat transmission medium (hydraulic oil) in the flow velocity in various parts of the existence of different, resulting in the existence of a liquid within the internal friction of liquids and pipelines at the sam- e time there is friction between the inner wall, which are a result of hydraulic the reasons for the oil tempera- ture. Temperature will lead to increased internal and external leakage, reducing its mechanical efficiency. At the same time as a result of high temperature, hydraulic oil expansion will occur, resulting in increased com- pression, so that action can not be very good control of transmission. Solution: heat is the inherent characte -ristics of the hydraulic system, not only to minimize eradication. Use a good quality hydraulic oil, hydraulic piping arrangement should be avoided as far as possible the emergence of bend, the use of high-quality pipe and fittings, hydraulic valves, etc.2, the vibration of the vibration of the hydraulic system is also one of its malaise. As a result of hydraulic oil in the pipeline flow of high-speed impact and the control valve to open the closure of the impact of the process are the reasons for the vibration system. Strong vibration control action will cause the system to error, the system will also be some of the more sophisticated equipment error, resulting in system failures. Solutions: hydraulic pipe should be fixed to avoid sharp bends. To avoid frequent changes in flow direction, can not avoid damping measures should be doing a good job. The entire hydraulic system should have a good damping measures, while avoiding the external local oscillator on the system.3, the leakage of the hydraulic system leak into inside and outside the leakage leakage. Leakage refers to the process with the leak occurred in the system, such as hydraulic piston-cylinder on both sides of the leakage, the control valve spool and valve body, such as between the leakage. Although no internal leakage of hydra- ulic fluid loss, but due to leakage, the control of the established movements may be affected until the cause system failures. Outside means the occurrence of leakage in the system and the leakage between the external environment. Direct leakage of hydraulic oil into the environment, in addition to the system will affect the working environment, not enough pressure will cause the system to trigger a fault. Leakage into the enviro- nment of the hydraulic oil was also the danger of fire. Solution: the use of better quality seals to improve the machining accuracy of equipment. Another: the hydraulic system for the three diseases, it was summed up: fever, with a father拉稀 (This is the summary of the northeast people). Hydraulic system for the lifts, excavators, pumping station, dynamic, crane, and so on large-scale industry, construction, factories, enterprises, as well as elevators, lifting platforms, Deng Axle industry and so on. Hydraulic components will be high-performance, high-quality, high reliability, the system sets the direction of development; to the low power, low noise, vibration, without leakage, as well as pollution control, water-based media applications to adapt to environmental requirements, such as the direction of development; the development of highly integrated high power density, intelligence, mechatronics and micro-light mini-hydraulic components; active use of new techniques, new materials and electronics, sensing and other high-tech.- Hydraulic coupling to high-speed high-power and integrated development of hydraulic transmission equ- ipment, development of water hydraulic coupling medium speed and the field of automotive applications to develop hydraulic reducer, improve product reliability and working hours MTBF; hydraulic torque converter to the development of high-power products, parts and components to improve the manufacturing process tech -nology to improve reliability, promote computer-aided technology, the development of hydraulic torque con- verter and power shift transmission technology supporting the use of ; Clutch fluid viscosity should increase the quality of products, the formation of bulk to the high-power and high-speed direction. Pneumatic Industry:- Products to small size, light weight, low power consumption, integrated portfolio of development, the implementation of the various types of components, compact structure, high positioning accuracy of the direction of development; pneumatic components and electronic technology, to the intelligent direction of development; component performance to high-speed, high-frequency, high-response, high-life, high temp- erature, high voltage direction, commonly used oil-free lubrication, application of new technology, new technology and new materials.(1) used high-pressure hydraulic components and the pressure of continuous work to reach 40Mpa, the maximum pressure to achieve instant 48Mpa; (2) diversification of regulation and control; (3) to further improve the regulation performance, increase the efficiency of the powertrain; (4) development and mechanical, hydraulic, power transmission of the composite portfolio adjustment gear; (5) development of energy saving, energy efficient system function; (6) to further reduce the noiseTraditionally water-based hydraulic system has been applied in a steel plant in the field of ironmaking. Water-based hydraulic systems in these industries obvious advantage is their fire resistance. And water-based hydraulic system on cost also is better than that of oil-base hydraulic system. First of all, non-toxic, can be biodegradable comprehensive additive cost 5 to 6 dollars per gallon. A gallon of focus can generate 20 gallons of 5% solution, so the cost of water-based hydraulic fluid can be, in effect, less than a gallon of oil-base 30 points.At the factory level, considering the related cost, prevent pollution and clean up the environment, water-based hydraulic systems have save huge cost of potential. The leakage of hydraulic oil has become a very important problem. It must be collected, properly control. However, water containing synthetic additives, can be dumped into the sewage system of the factory.In the level of the factory, save costs dont stay on fluid with low cost and its processing. Because a part consists of 10 parts water and water-based hydraulic fluid additive synthesis, 5 gallons of additives and the mixture of water, 100 gallons of water base fluid. 50 gallons of container, of course, more than two 55 gallon bucket of easy to handle, so storage is simpler, cleaner, more not messy, transportation cost is low.Other factories under the scope of the potential savings for workers to improve safety, because of water-base fluid is not toxic, and nonflammable. These features can reduce the premium rate of the factory. Leakage costs less than clear, because there is no need to particle absorbent cotton or adsorption. Water-base fluid once again become a hot topicOil embargo in the 1970 s led to a low cost high water-based hydraulic fluid replacement of hydraulic oil. When designers have learned that, a gallon of polymer can produce 20 gallons of fluid, even the most expensive water additives are more attractive.Because oil prices gradually falls, interest in water-based hydraulic isnt so big. In retrospect, interest in water-base fluid concentrated in its cost savings potential. When designers found they could not in their system change of fluid from the hydraulic oil to the water and no other major change, they will lose interest. Then, they are reluctant to accept other shortcomings - learn about the very big change - and switch to the water-based hydraulic.Apply to different rules of water-based hydraulic system is considered to be flaws. Designers may not be willing to learn more about water-based hydraulic, because they have been suggested that all the work need to rely on how to design a new knowledge system and reforming the old system. Because they ended the thinking of the other technology, they missed except water-base fluid initial cost many other advantages. Now, environmental issues, increased the hydraulic oil processing costs, the price of water-based hydraulic has once again become a hot topic.Resistance of solidification.Water-based hydraulic system does, of co