挖掘机用多路阀性能检测试验台设计

毕业设计说明书题目：挖掘机用多路阀性能检测试验台设计专业：机械设计制造及其自动化学号：姓名：指导教师：完成日期：目录摘要1第1章绪论3

1.1多路阀简介3

1.2多路阀的发展趋势与挖掘机多路阀特点4

1.3多路阀测试研究现状5

1.4课题研究意义6

1.5课题主要研究内容7第2章挖掘机多路阀综合测试系统整体技术方案设计8

2.1挖掘机多路阀综合测试系统技术要求8

2.1.1试验系统基本要求9

2.1.2综合测试系统试验项目和要求10

2.2全电液控制综合测试系统设计任务122.3测试系统整体技术方案13

2.4测试系统各功能单元方案14

2.4.1系统动力输入与运行控制方案14

2.4.2全电液控制方案16

2.4.3负载模拟加载方案16

2.4.4系统油路切换控制方案172.4.5测试系统油温控制方案18

2.5测试系统主要特点20

2.6本章小结21

第3章液压及测控系统设计22

3.1测试系统的液压系统概述22

3.2数据采集与控制系统设计223.2.1数据采集与控制系统简介223.2.2数据采集系统硬件设计23

3.2.3数据采集3.2.4数据采集及控制软件设计253.3测试试验系统整体设计布局273.4多路阀一般测试流程规划273.5本章小结29

总结与展望30致谢32参考文献33摘要随着工程机械的迅速发展，挖掘机的销量越来越大。多路阀作为挖掘机液压系统重要元件，其性能对挖掘机整机的质量和技术水平有很大影响。由于一旦装机后多路阀液压系统出现故障就很难检测到故障源，因此在其装机前对其进行全面的性能检验显得很有必要。但是目前国内现有的多路阀测试试验系统功能不齐全，且系统操作复杂，测试效率低。因此本文以多路阀测试试验相关标准和相关设计技术要求为依据，结合现代挖掘机多路阀中常见的功能特性，利用电液比例技术设计了一套高效率，操作方便的全电液控制式液压挖掘机多路阀综合测试系统。结合多路阀测试系统中阀芯位移难于测量且其对测量结果的影响，依据测试结果对阀芯位移进行了补偿研究。关键词：挖掘机多路阀；综合测试系统；电液比例控制；挖掘机AbstractWiththerapiddevelopmentofengineeringmachinery,thesalesofexcavatoraregrowingupdaybyday.Multi-wayvalveasoneoftheimportantelementsofexcavatorhydraulicsystem,itsperformancedirectlydeterminesthequalityandtechnicallevelofexcavator.Astheloaderhydraulicsystemfaultisverydifficulttobedetected,thecomprehensiveandaccurateperformancetestofthemulti-wayvalveisimportantinthefrontoftheassemblyofthemachine.ButThefunctionoftheexistingtestingsystemsformulti-wayvalvesarenotveryversatial，andtheirprocessiscomplexedtohandleandtheefficiencyisverylow.Inthisthesis,asetofefficientandconvenientoperationintegratedtestsystemformulti-wayvalveofhydraulicexcavatorwillbedesignedbyusingelectro-hydraulicproportionalcontroltechnologybasedontherelatedstandardsofmulti-wayvalvetechnologyandrelatedtechnicalrequirements,andcombinedwiththecommonfeaturesofthemodernexcavatormulti-wayvalve.Asthetestingsystemishardtodetectthedisplacementofthespoolvalveanditwillgiveeffecttothemeasurement,accordingtothetestresultstheresearchofdisplacementcompensationonofthespoolwillbegiven.Keywords:Excavatormulti-wayvalve;testsystem;electro-hydraulicproportionalcontrol;excavator.第一章绪论1.1多路阀简介多路阀是以两个以上的换向阀为主体的组合阀，并将各种不同功能的辅助阀如安全阀、补油阀、单向阀、节流阀等组合在一起来满足不同液压系统的需求。因此多路阀具有结构紧凑，压力损失小和安装简单等优点。在工程机械中得到广泛的运用，尤其在挖掘机上基本上都是用的多路阀。实现液压系统中油液方向和流量的控制是多路阀最基本的功能。不同的分类标准下多路阀可以分成不同的类别，下面对其功能原理及特点进行简单介绍：按阀体结构形式，多路阀通常有整体式（图1.1）和分片式（图1.2）两种。整体式多路阀是将所有的主换向阀和各种辅助功能阀集成安装到一个阀体内因此具有结构紧凑、压力损失小等特点；同时由于阀体内部油路结构复杂，给阀体的铸造和加工带来困难，因此一般适合于批量大、功能稳定的品种。分片式多路阀是用螺栓将进油阀体、各联换向阀体、回油阀体组装到一起，可按照不同的使用要求组装成不同的多路阀，通用性较强，但加工面多，出现渗油可能性也多。图1.1整体式多路阀图1.2分片式多路阀2二、按油路形式，多路阀的油路形式一般可以分为并联、串联、串并联及复合油路等。并联式多路阀是指进油口来的压力油可直接通到各联滑阀的进油腔，并且多路阀的回油口与各联换向阀的回油腔相连。并联油路的特点是即可控制执行元件单动，又可实现复合动作，复合动作时，负载小的先动作。串联式多路阀是指第一联换向阀的回油腔为下一联的进油腔，依次下去直到最后一联。其特点是工作时可以两个以上执行元件复合动作，但是泵的工作压力等于同时工作的执行元件压力之和，在大负载压力下很难实现复合动作。串并联油路是指多路阀的各联主阀进油口串联连接而回油口并联连接；复合油路则是通过组合前面所述中的两种或者三种油路而成的油路形式。三、按操纵形式，多路阀可以分为直动式和先导式两种。直动式多路阀是指每根主阀都具有与其相连的直接操纵机构来控制阀芯的换向，由于多路阀具有多根主阀芯，因此会给整机的布置和管路设计带来困难。先导式多路阀是指主阀的换向是通过先导级控制阀输出压力油来控制的，因此使整机管路的布置变得比较灵活，所以工程机械中大多采用此种控制形式的多路阀。根据先导控制阀的控制形式又可分为机液先导式和电液先导式，机液先导式是指利用机械控制式先导阀输出控制压力油来驱动主阀芯换向，而电液先导式是指通过电控制信号来控制先导阀输出控制压力油来驱动主阀芯动作。四、按泵的卸荷方式，根据多路阀液压系统中泵的卸荷方式，可以分为中位回油卸荷（六通阀）和卸荷阀卸荷（四通阀）两类。六通型多路阀系统利用的是中位回油卸荷方式，因此具有一定的流量和压力微调特性，结合负流量控制泵能够实现系统的负流量控制，还能与正流量控制系统相结合，达到很好的节能效果。四通型多路阀系统利用卸荷阀卸荷，由于滑阀在中位时由卸荷阀卸荷因此压力损失小且压力损失与换向联数无关，这种阀通过和定差溢流阀或定差减压阀结合能方便实现负载压力补偿和负载敏感控制。1.2多路阀的发展趋势与挖掘机多路阀特点多路阀作为挖掘机液压系统的重要元件，其性能对整机的性能和质量有很大的影响，因此多路阀技术的进步直接推动了挖掘机整机技术的发展。同时随着市场的需求，促使多路阀在操作性能，节能技术等方面取得不断发展。挖掘机多路阀的发展趋势呈现出以下几个特点：1、向高压大流量，系统专一化方向发展，而且出现了性能比较专一的多路阀。大大提高了挖掘机液压系统的功率密度，为大吨位，多执行机构的液压挖掘机提供了保障；2、操控性能、节能性不断提高。负流量和正流量控制技术提高了六通型多路阀的节能性负载压力补偿、负载敏感以及抗流量饱和技术等使四通型多路阀系统效率大大提高；3、结合计算机控制技术和微电子技术，使多路阀的控制性能和控制精度有很大提高，为自动化和智能化控制的液压挖掘机的发展提供了一定的保障。1.3多路阀测试研究现状随着国内经济的高速发展，工程机械行业发展快速壮大，国家对工程机械配套液压元件的发展越发重视，目前，国内相关单位加强工程机械核心元件的开发力度，在开发液压元件的同时，进行配套试验台的开发，能够有效的保证液压元件的开发进度，并提高性能。而多路阀作为包括挖掘机在内的工程机械液压系统的重要元件其性能的好坏直接影响着整机的质量和技术水平。因此国内相关的多路阀生产厂家和高校对多路阀的测试试验系统的开发进行了一定的研究。而国外由于技术上对国内的封锁，很难找到相关的技术资料。因此本文主要介绍国内在多路阀测试系统方面的研究现状。1991年宝鸡叉车厂研制了一个用于叉车用多路阀检测试验的试验台，该试验台利用微机控制模拟叉车实际工况，能够对叉车用多路阀进行换向性能、内泄漏等九个项目的测试。该试验系统的主要特点有：选用遥控阀控制的远程调压溢流阀来模拟叉车实际负载；通过定量泵与变量泵的组合方式实现系统流量的调节；同时对关键参数进行数字表实时显示；抗干扰能力较强。同时不足之处有：1、没有设置散热系统，测试时系统功率转化为热量，系统油温上升很快，系统很难连续运行；2、流量调节范围有限，因此适应对象比较有限；3、需要通过换接油管来实现不同联滑阀的测试，效率较低，很难满足批量生产的需要。天津市精研工程机械传动有限公司与北京天顺长城液压科技有限公司合作设计了一个主要用于液压多路换向阀出厂试验的试验台，该系统主要特点有：1、采用三泵组合的方式实现系统流量的调节，公称流量时三泵同时工作，耐压试验小流量时只开启小排量的变量泵，从而达到节能的效果；2、利用二通插装阀的不同组合实现系统油路的切换，通过一次安装就能完成所有项目的测试，提高了测试效率并降低了劳动强度；3、利用溢流阀、单向阀和换向阀组成的桥式加载回路完成对多路阀的双向加载测试；4、充分考虑了系统油液的过滤装置，提高了系统的抗污染能力，能有效延长系统中各液压元件的寿命；5、采用单元模块化设计，使系统紧凑。此外，该系统利用计算机和数据采集设备完成数据的自动采集和处理并利用PLC完成系统控制，整个系统的自动化程度较高。但该系统主要针对多路阀的出厂试验而研制，很难满足型式试验需要，且系统的压力、流量等级不高，联数不多。吉林工业大学针对整体式多路阀的出厂试验研制了一套高效率的专用工作装置及试验系统，该系统的主要特点有：1、利用液控单向阀实现油路之间的切换，降低了劳动强度，提高了测试效率；2、设有专用的内泄漏测量窗口，使用方便。其缺点在于：利用节流阀模拟负载压力，压力不稳定且调节不便；只适合与联数不多的产品，因为联数越多液控单向阀的控制变得复杂。通过以上对国内多路阀测试系统研究方面的研究现状分析，可知目前国内已有的多路阀测试试验系统主要针对通用多路阀的出厂检验而研制，比较适合通用多路阀的测试试验，其功能不是很完全，不能满足现在多路阀多功能和高压大流量的测试要求，同时测试试验效率相当较低，操作过程相当复杂。而且对一般多路阀的不合格处难以判断。针对目前挖掘机的发展和市场需要，挖掘机多路阀的功能和功率等级越来越高，因此设计一套专用的全电液式液压挖掘机多路阀综合测试系统对挖掘机多路阀产品的更新换代和质量水平的提高显得很有必要。1.4课题研究意义随着工程机械的发展，挖掘机的销量越来越大。多路阀作为挖掘机液压系统核心元件，其性能直接决定了挖掘机整机的技术水平，且一旦装机后液压系统出现故障就很难检测到故障源，因此对多路阀进行全面的功能和性能检验至关重要。但是目前国内现有的多路阀测试试验系统功能都不是很齐全，而且测试效率较低工人劳动强度较大，而且试验系统针对性不强，功能不专一因此能对现在挖掘机多路阀中常见的特殊功能（如直线行走、合流、优先和负流量控制等）进行检验的试验系统更少。出于国内对高压大流量多路阀的研究深入，对相关产品的开发加强。因此，设计一套能对挖掘机多路阀性能进行全面检测的综合测试系统，提高国内开发挖掘机多路阀的整体质量并缩短开发周期和国内外技术差距提供实验支撑。针对目前国内已有多路阀试验台的缺点，依据相关多路阀测试试验标准和挖掘机多路阀的特点，研制一套全电液控制式综合试验系统，使其既能在模拟现代挖掘机多路阀进行加载测试完成标准中所规定的通用性能项目的测试，并能实现对合流、优先、直线行走以及负流量控制等特殊功能的检验，从而完成传统测试中在整机上才能实现的功能。同时系统的测试效率和工人的劳动强度，在挖掘机多路阀综合试验系统设计中加以充分考虑，使系统具有高效率和高精度的特点。该综合测试系统的研制，能够提高国内挖掘机多路阀产品的质量和装机测试成功率，为挖掘机多路阀新产品的研制提供试验装备支撑。1.5课题主要研究内容本课题以全电液控制式挖掘机多路阀综合测试系统为目标，综合目前的测试标准和合作商的技术要求，研制一套全电液控制式挖掘机多路阀综合测试系统。并在设计完成的试验台上对研发的挖掘机多路阀进行测试试验研究。本文的主要研究内容如下：1、以多路阀测试试验相关标准和设计技术要求为依据确定测试系统的基本功能，明确各测试试验项目及其实现方法，采用全电液控制方式确定挖掘机多路阀综合测试系统整体技术方案。并完成系统各功能模块单元的方案设计在满足功能要求的前提下通过性能对比以及综合考虑整个测试系统的设计成本，确定各功能单元的最终方案。2、基于系统整体布局美观、合理，试验台实用、安全、可靠并操作维护简单的理念，对测试系统液压系统进行设计。并根据系统参数，对相关元器件进行相应的计算及选型。结合挖掘机多路阀测试试验的原理和要求，完成综合测试系统的测控系统软硬件设计。3、在研制的全电液控制式挖掘机多路阀综合试验系统上对合作商开发的挖掘机多路阀进行相应的测试试验研究。结合该多路阀具体功能原理，对相关测试试验项目的实现方法进行了概述，并对试验结果进行简要分析。从而验证该全电液控制式挖掘机多路阀综合测试系统功能的全面性和操作的便捷性。第二章挖掘机多路阀综合测试系统整体技术方案设计本章主要介绍全电液控制方式挖掘机多路阀综合测试系统的整体技术方案。参照多路阀相关测试试验标准和测试系统技术条件，并结合具体研究的某挖掘机多路阀的功能特点，在综合分析多路阀工作特性的前提下，确定了试验台的基本技术要求、测试试验项目以及所需检测的技术参数。结合当前计算机检测与控制技术，以检测实用性、操作方便性、使用可靠性为原则，完成整个测试系统的方案原理设计。2.1挖掘机多路阀综合测试系统技术要求本文所研究的测试对象（挖掘机多路阀）具有以下特点：1、开中位负流量控制；2、动臂和斗杆都采用双阀芯控制，阀内合流；3、直线行走功能；4、斗杆阀内流量再生，实现斗杆在轻载荷时快速回收；5、在动臂大腔和斗杆小腔设置保持阀，确保整机的安全；6、可实现复合动作；7、采用两片式整体结构。其具体的系统原理如图2.1所示。图2.1挖掘机多路阀系统原理图因此本文结合研究对象的具体功能和性能特点以及合作商提出的相关技术要求，并参照国家标准文件：液压多路换向阀技术条件(JB/T8729.1—1998)；液压多路换向阀试验方法(JB/T8729.2—1998)；以及液压挖掘机用整体多路阀技术条件(JG/T5116-1999)，对挖掘机多路阀的试验项目、具体实现方法以及测试工况等进行规范。本课题研制的全电液控制式挖掘机多路阀综合试验系统是参照上述三个测试标准文件为设计依据，下面对主要内容进行进行介绍。2.1.1试验系统基本要求根据合作商要求以及相关国家标准的要求，并结合研究对象的具体特点，本文研究的挖掘机多路阀综合测试系统应该具有如下的基本要求：1、泵站供油系统实现转速（0～2300rpm）范围内调节，油源流量可大于被试阀的公称流量（280L/min×2），油源压力能达到36MPa；2、可以实现挖掘机多路阀任何油路独立工作时的变负荷正反向加载，可实现室内测试台的远程控制；3、试验过程充分考虑液压系统散热和能量回收问题，严禁液压油过热，破坏液压油品质；4、试验油源应具备自加热能力。试验环境应具备可重复性；5、各测压点位置和测压孔直径，温度测量点位置均符合机械行业标准JB/8729.2-1998的相关规定，应拆装方便；6、测试数据精度不低于B级测量精度：温度±1℃，压力±1%，流量±1%，功率±1%；7、关键数据需在测试台上利用仪表直观显示，除泄漏流量外，其他所有数据均可以实现计算机采集、显示和存储。8、试验台整体布局美观、合理，试验台应实用、安全、可靠并操作、维护方便，试验台使用环境温度为-10℃～40℃，设计使用寿命不小于10000h；9、试验台架应便于各项检测数据的观测，尽可能的少拆卸试验管路、传感器及仪表；10、测试时保证试验人员的安全性，安装管路完成后，试验人员具有独立操作间；11、试验台应便于保养和仪表维修，线路布置合理，便于拆卸；12、试验台外购的试验设备的性能应处于国内领先水平，要求工作可靠，经久耐用（设计寿命10000h），维修方便。同时所开发的综合测试系统应满足功率184kW、压力36MPa泵性能检测试验要求，满足流量280L/min×2多路阀性能检测试验要求；通过计算机总线进行联调；试验过程中系统能实现数据动态采集、存储、参数显示和表格打印等功能，并且系统应满足抗电磁干扰的要求，试验系统具有较强的扩展性。2.1.2综合测试系统试验项目和要求本文所研制的挖掘机多路阀综合测试系统应该能够完成对挖掘机多路阀的各项功能和关键性能的检验检测。依据相关测试标准和技术文件的要求以及研究对象具体的特点，将标准中的出厂试验和型式试验加以细分为挖掘机多路阀的功能试验和性能试验，因此能更加体现测试系统的专用性和综合性。挖掘机多路阀的具体试验类型及试验项目如表2.1所示。依据测试标准要求和技术文件规定，挖掘机多路阀进行功能试验和性能试验前都需要对挖掘机多路阀进行耐压试验。下面对各项测试项目要求进行分析。耐压试验，标准中规定多路阀进行耐压试验时，路阀组泄油口与油箱连通，在工作油口处通以1.5倍额定工作压力的压力油保压5min，不得有外泄漏及零件损坏现象。功能试验：1、主阀芯换向功能试验被试多路阀组进油口、施加36MPa的恒压源（中位除外），各工作油口封闭，T口背压在规定的范围内，调节被试多路阀组各主阀芯的控制压力。 表2.1试验类型及试验项目功能试验项目性能试验项目主阀芯换向功能内置信号油路功能负流量反馈阀芯压力损失直线行走功能动臂合流功能主安全阀性能工作油口过载保护动臂保持功能动臂流量再生功能负流量控制流量特性主阀芯微动特性斗杆保持功能斗杆阀内合流功能高温试验寿命试验复合动作功能斗杆流量再生功能内泄漏复合动作流量分配2、内置信号油路功能试验空载状态下模拟挖掘机多路阀各种动作（含复合动作），测试信号油压和在各种动作下输出压力是否正确。3、直线行走功能试验模拟挖掘机直线行走和正常行走工况，用相关数据证明被试阀是否具有直线行走功能。4、动臂提升阀内合流功能试验模拟挖掘机动臂提升工况，用相关数据证明被试阀是否具有阀内合流功能。5、动臂保持功能试验模拟挖掘机动臂保持和解锁工况，用相关数据证明被试阀动臂保存和解锁功能是否完好。6、动臂下降流量再生功能试验模拟挖掘机动臂下降工况，用相关数据证明被试阀是否具备动臂下降流量再生功能。7、斗杆提升阀内合流功能试验模拟挖掘机斗杆提升工况，用相关数据证明被试阀是否具有阀内合流功能。8、斗杆保持功能试验模拟挖掘机斗杆保持和解锁工况，用相关数据证明被试阀斗杆保存的解锁功能是否完好。9、斗杆下降流量再生功能试验模拟挖掘机斗杆下降工况，用相关数据证明被试阀是否具备斗杆下降流量再生功能。10、复合动作功能试验模拟挖掘机各动臂、回转、斗杆、铲斗、行走复合动作。性能试验：1、负流量反馈-压力曲线要求绘制反映中位流量与压力之间关系的曲线。2、阀芯中位压力损失被试多路阀组处于中位，要求绘制流量与压力损失曲线。3、主阀芯双向压力损失曲线被试阀阀芯置于最大开口位置，通过控制被试阀主阀芯的流量从0逐渐增大到100%公称流量（油液流向分P→A→B→T和P→A→B→T两种情况）,计算各主阀芯在不同流量下的压力损失，绘制不同流量下的压力损失曲线。4、主安全阀性能测试测试被试主安全阀的调压范围，并得出安全阀启闭特性曲线。5、各工作油口过载保护阀性能测试测试各工作油口过载保护阀的调压范围，并得出安全阀启闭特性曲线。6、负流量控制泵流量特性曲线在无负流量控制作用时测试泵1、泵2的输出压力与流量的特性曲线；在有负流量控制时测试负流量控制控制压力与流量的特性曲线。主阀芯微动特性试验P→A（B）流量微动特性及P→T中位流量微动特性测试：控制被试阀进油口P通以公称流量，同时保持A（B）口公称压力的50%，测试主阀芯行程与相应流量，绘制流量微动特性曲线。8、复合动作流量分配试验试验在不同工况下（单向等负荷加载），复合动作时流量分配关系。9、高温试验：油液温度在80+5℃的工况下，被试多路阀组在公称压力条件下通以公称流量，并通过计算机编程实现主阀芯以一定的频率连续换向半个小时，不得出现液压元件损坏现象。寿命试验：主要目的是考核多路阀的使用寿命，被试阀在公称压力下通以试验流量，通过计算机控制多路阀组以一定的频率进行连续换向动作，达到规定的换向次数后，检查被试阀内部主要元件是否完好。2.2全电液控制综合测试系统设计任务依据相关国家技术标准文件，结合某挖掘机多路阀组的功能原理，设计开发一套省时省力，操作简单，测试准确精度高的全电液控制式挖掘机多路阀综合测试系统，能够完成挖掘机多路阀的各项功能和性能测试，并能对挖掘机多路阀特殊功能如负流量控制功能、直线行走、优先和合流等验证性检测。能够对关键的流量、压力和温度等关键数据的实时监测，并能生成相关性能特征曲线，实现数据的自动化采集、处理和显示等功能，且相关数据精度须达到国家标准规定的B级精度要求。同时系统应该具有散热和加热功能以保证系统能够正常工作在相关工作温度下，并能模拟挖掘机的实际工况对多路阀进行加载测试。且要求能够实现合作商技术要求中的其他相关功能。下面对全电液控制式挖掘机多路阀综合测试系统的具体设计过程进行分析。2.3测试系统整体技术方案按照设计技术要求确定本课题所开发设计的全电液式液压挖掘机多路阀综合测试系统的整体技术方案原理如图2.2所示。整个液压挖掘机多路阀检测试验台主要由动力输入及运行控制系统、液压系统、计算机检测系统三个相对独立的子系统组成。动力输入及运行控制系统实现多路阀工况的模拟：控制驱动电机的转速实现发动机输入转速的模拟，控制电液比例溢流阀的溢流压力实现多路阀负荷的模拟加载及系统压力的调节。液压系统通过液压管路将多路阀、泵、比例阀、传感器组合为一个整体；计算机检测系统通过智能仪表、数据采集卡和工控机等实现试验参数的实时监测及采集。液压系统可以分成几个主要的独立功能单元，包括动力输入与运行控制单元、电液控制单元、负载模拟单元、油路切换控制和油温控制单元等，测控系统的硬件主要由工业计算机、数据采集设备、信号调理设备和仪器仪表同时利用PLC控制实现系统控制及状态监测。通过Labview软件完成测控系统软件设计设计实现相关设备之间的通信以及测试数据处理和显示。下面对测试系统整体技术方案设计的过程进行简单介绍。图2.2测试系统整体技术方案2.4测试系统各功能单元方案2.4.1系统动力输入与运行控制方案结合多路阀试验标准以及合作商提出的挖掘机多路阀综合测试系统技术要求，可以确定系统流量需要能够连续可调。然而系统流量需要动力驱动，因此，首先应对挖掘机多路阀综合试验系统的动力输入与运行控制进行考虑，经综合考虑研究，确定测试系统流量的调节方式。目前，常用的动力油源流量调节的方式有：多泵组合的方式：其原理是通过多台定量泵或者定量泵与变量泵的组合来实现系统流量的调节，该方案原理图如图2.3所示，根据液压系统不同工况下流量的需求来控制相关的泵工作，根据不同泵输出流量的组合来达到系统流量的需求，并且在泵流量组合控制的过程中需要辅助控制阀的切换来实现。因此系统流量调节范围较宽时则系统需要的泵源数量就多，不仅增加了系统成本而且还使系统变得复杂。因此此方式比较适合于只有几个流量等级需求的系统。图2.3多个定量泵组合方案图2.4普通电机驱动变量泵图2.5变频电机驱动定量泵图2.6变频电机驱动变量泵2、普通电机驱动变量泵：该方案原理图如图2.4所示，因为普通电机的转速基本恒定因此系统流量是通过改变变量泵的排量来实现的。运用此方案系统流量可以根据负载变化来调节，节能效果好，系统响应较快，而且普通电机比较便宜。但是如果需要实现流量的自动调节就需要一套控制泵排量的变量控制机构，增加了系统故障率，且控制机构的抗污染能力较差，且小流量时电机和泵都高速运动加速了机械磨损。而且能够根据控制信号来改变排量的变量泵价格贵而且供货周期长。3、变频电机驱动定量泵：该方案原理如图2.5所示，泵输出的流量是通过控制变频电机的转速来实现的，相比变量泵省去了复杂的变量机构。且国内变频技术相对成熟，控制效果较好供货时间不长，流量的调节也比较方便而且容易实现。但是由于泵的排量不能调节而且一般的定量泵都有最低转速的限制，且变频电机在低转速下效率较低，在系统小流量需求的工况难以实现。因此系统流量调节的范围有一定的限制且有研究表面此种方式不适合在高压小流量的场合。4、变频电机驱动变量泵：该方案原理如图2.6所示，此方案中由于有变频电机和变量泵，因此泵输出流量的调节方式呈现多样性，即可以通过调节电机转速也可以通过调节泵的排量，还可以两者同时调节。此种方案系统流量调节不仅方便而且调节变化的范围比较宽。能够通过选择不同的调节方式避开在小流量情况下泵的最低转速和效率低的问题，提高系统效率。有研究表明，采用变频电机驱动变量泵方式的液压系统其系统效率最高，节能效果最好。本课题根据多路阀试验标准和设计技术文件中对系统流量调节的相关要求，在满足系统流量调节的需求上，充分考虑了系统的节能性和操作方便性，确定了本文所研制的全电液控制式液压挖掘机多路阀测试试验系统的动力输入与运行控制系统的方案采用变频电机驱动变量泵的方案。2.4.2全电液控制方案为了提高整个测试试验过程的自动化程度和测试效率，本课题所开发的挖掘机多路阀综合测试系统采用全电液控制技术方案，即通过对电信号的控制实现对液压系统的控制，包括测试系统中电机的启动停止，液压系统中系统压力，加载压力以及挖掘机多路阀换向工作的过程，都是通过对电信号的控制来实现对液压系统的控制。常用的电液控制方式有：1、电磁开关阀方案，其结构简单，抗污染能力强且价格相对较便宜，一般在液压开关控制系统中经常用到，但其控制精度较差且只能进行开关控制动作不能进行输出油液的压力调节。2、电液比例阀方案，其结构相对较简单，同时控制精度较好且能实现输出压力的连续控制，其抗污染能力较强价格适中。3、电液伺服阀方案，其结构相对比较复杂，成本较高对油液的清洁度较敏感，但是控制精度最好，能够实现对输出油液压力的精确控制。根据系统先导控制和压力控制需要要求能够实现对油液压力的连续控制，实现多级调节，并充分考虑系统成本和系统控制需求，系统中电液控制方式采用电液比例控制方式，其中先导调压控制部分采用电磁比例减压阀作为先导阀，系统压力调节和加载控制采用的是电液比例阀。2.4.3负载模拟加载方案为了实现在挖掘机多路阀测试过程中模拟挖掘机实际工作过程中的负载，因此一般通过模拟实际负载时的负载压力来实现负载模拟从而模拟实际工况来加载测试多路阀。一般的液压负载模拟装置有溢流阀负载模拟和节流阀负载模拟两类液压负载模拟装置。溢流阀负载模拟是通过调定溢流阀的溢流压力，来模拟挖掘机多路阀实际工作过程中的负载压力。其原理如下图2.7所示，由于溢流阀的开启，压力一旦调定后基本上就会保持不变，所以采用溢流阀模拟负载加载时，负载压力稳定，而且配合电液比例技术能够方便的实现负载压力连续调节而且更能真实的复现实际工作过程。节流阀负载模拟装置则是通过调节节流阀实际开口大小，使油液流过节流口时产生一定的压差来模拟负载压力，其原理如下图2.8所示。由于节流阀用于压力调节时，压力很难稳定而且受流量的影响很大。本文所研制的试验台系统流量要求能够连续调节且变化范围大，且要求负载压力稳定准确，因此，采用溢流阀作为试验系统中的负载模拟加载装置。图2.7溢流阀负载模拟装置图2.8节流阀负载模拟装置2.4.4系统油路切换控制方案在全电液式挖掘机多路阀综合测试系统中，要求被试多路阀一次安装完成后，不需要换接油管等操作就能完成所有试验项目的测试，从而提高挖掘机多路阀测试试验效率。而在测试过程为了实现不同测试试验液压回路的连接，系统需要经常切换油路，因此测试系统中需要有相应的油路切换单元来实现相应测试回路的切换和选择。目前，常用的油路切换方式有以下几种：1、电液换向阀方案：通过控制具有合适的滑阀机能的电液换向阀的工作位置可以实现相关油路之间的切换。但是当需要切换的油路较多时，对电液换向阀的控制就变得比较复杂，给电气控制系统的设计带来难度，而且由于联动操作会使操作过程中引起误动作。且一般的电液换向阀都是采用滑阀式结构，密封性不好存在一定的泄漏，因此会影响多路阀内泄漏测试项目的准确性而且成本较高。2、液控单向阀方案：在没有控制压力油时液控单向阀只能单向流动而当其反向开启时则需要控制压力油才能实现反向流动，所以利用液控单向阀可以实现油路之间的切换，但是当需要切换的油路增多时容易引起误动，而且需要提供控制油路来控制其动作，会使系统油路变得复杂，成本相对较高。3、二通插装阀方案：通过利用二通插装阀和电磁换向阀的组合来实现系统油路的切换，其功能类似与球阀。其优点在于：能够把所有的插装阀组集成安装到阀块中，简化系统结构，同时可以方便的控制电磁阀就能实现油路的通断。同时此方案也存在一定的缺点：插装阀的双向开启需要通过控制油来实现，因此系统需要提供控制油路，使管路连接变得复杂；而且当需要控制的油路较多时，系统的控制按钮多而且需要复合动作，就会增加电气控制难度，同时也容易引起误动作降低系统的可靠性。4、换接油管方案：此种方案是通过将需要测试联的油口与系统管路相连，不需要测试的就把油口堵住。因此系统只需要提供进油、回油和两条工作油口油路从而简化系统油路，降低成本且可靠性高。但是测试过程中每完成一联测试就需要换接油管和拆装油口法兰，这样就增加了劳动强度，系统效率较低。而且不能满足挖掘机多路阀复合动作等特殊功能的测试，以及批量测试的要求。5、高压球阀方案：由于球阀本身结构相对简单、且密封性好并且价格较便宜，通过简单操作就能方便的实现油路之间的切换，而且系统可靠性高。因此通过选择球阀的组合可以方便的实现系统一次安装就能完成所有项目的测试，每选择一条油路只需打开或者关闭相关的球阀就可以方便的实现油路之间的切换。因此系统具有较高的测试效率，而且球阀的密封性好而且高压下也能保证很好的密封性，因此能满足挖掘机多路阀的内泄漏量测试要求。因此在满足系统油路切换功能的前提下，基于系统紧凑性、可靠性和操作方便性的原则并综合考虑系统设计成本和测试效率，选择高压球阀方案作为系统油路切换控制单元。2.4.5测试系统油温控制方案图2.9溢流加热方案图2.10电加热器在液压系统测试过程中，由于系统输入功率基本上转化为热量的形式损耗，使系统的油温上升很快，而油液温度对液压油的粘度有很大的影响从而会改变液压油的品质，并对液压元件如多路阀性能造成影响，同时也会破坏密封件的性能增加系统泄漏，如果系统没有设置冷却装置，随着测试时间的增加，油液温度不断上升，不仅会破坏液压油的品质，还会由于温度过高而破坏液压元件的密封件，缩短相关元件的使用寿命。因此系统工作的油温不能太高。又由于标准文件中规定高温试验时要求油液温度在80土5℃的工况下进行，为了能够增加系统效率缩短油液温升过程的时间，测试试验系统需要设置油液加热装置。因此，系统需要选择合适的油液加热和冷却装置来控制系统的油温使其保持在标准要求的范围之内。因此经充分考虑本文所研制的挖掘机多路阀综合测试系统需设置油液加热装置和油液冷却系统。一般可以选择电加热器直接加热和溢流循环加热两种方式对液压系统的油液进行加热。其中电加热器加热迅速方便，温度控制效果较好。而溢流加热装置，具有实现简单，不容易使油液变质，但是需要额外增加溢流液压设备给系统管路布置增加了难道，溢流加热的方案原理如上图2.9所示。综合多种考虑后，本试验系统中采用电加热器加热的方式。液压系统中常用的散热系统装置有风冷装置和水冷装置两种。采用风冷装置散热的优点有：风冷却器的成本较低，维修比较简单，而且利用空气进行热交换，因而不会影响液压油的品质，但是其制冷能力受环境温度影响较大。水冷装置的主要特点有：水冷却器的体积小、制冷能力比较固定，但由于其利用循环水来带走多余热量因此系统需要提供水源，同时冷却水的渗漏会影响液压系统元器件的正常工作。因此根据两者的特点并考虑到试验系统现场水源获得比较困难，且试验场所受限。同时为了使测试环境与挖掘机实车保持一致，因此测试系统选择风冷却器作为系统散热装置。2.11风冷却器2.12水冷却器2.5测试系统主要特点通过上述对全电液控制式挖掘机多路阀综合测试试验系统整体技术方案的设计和各功能单元模块方案的对比分析，下面对本课题所研制的全电液控制式挖掘机多路阀综合试验系统主要特点总结如下:1、液压系统设计参数:本试验系统属于高压、大流量液压系统，最大工作压力达到36MPa，最大设计流量560L/min。2、测试系统中对系统压力，负载压力和主阀芯换向动作都采用远程控制的方案，即利用电液比例控制技术，通过对电信号的控制来实现液压系统的控制，因此能方便的实现压力和流量的连续调节，以及阀芯动作的准确控制。提高了系统的稳定性和操作性，减轻了测试工作的负担并提高了测试的安全性。系统的自动化测试程度较高。3、测试系统综合性较强，不但能够完成各种挖掘机多路阀常规功能试验和性能试验，还可以模拟挖掘机多路阀的一些实际工况，从而实现对挖掘机多路阀中常见的一些功能，如直线行走、负流量控制、合流、优先以及复合动作等，进行检验测试。一定程度上能提高挖掘机多路阀的质量和合格率。4、本测试试验系统采用简单可靠，密封性能好的高压球阀的组合来实现测试系统中油路通断。可以实现被试挖掘机多路阀一次安装，便可完成所有测试项目的检测，油路之间的切换通过手动操作完成提高了系统的可靠性，同时操作方便。因此在兼顾系统设计成本的同时，提高了系统的测试效率。5、本试验系统利用计算机完成整个测试系统测控系统的设计，自动化程度较高，通过计算机和数据采集设备并以Labview软件为平台完成测试系统软件系统的设计。使测试系统能自动完成数据的自动采集处理和显示等功能。以PLC为核心完成系统的运行控制和状态监测功能。6、测试系统设计时，充分考虑了系统的节能性要求和安全性，设计了系统的加热和散热系统，以及选择合适的动力输入与运行控制系统等。2.6本章小结本章主要是对挖掘机多路阀综合试验系统整体技术方案以及相关功能单元方案进行了设计。参照多路阀测试试验相关标准和设计技术文件要求，并结合研究的挖掘机多路阀的特点和实际工况需求，确定了测试系统的整体技术方案。在满足测试系统功能要求的前提下，通过对比分析并考虑系统成本等因素的影响确定了系统各功能单位的方案。并对本课题所研制的全电液控制式液压挖掘机多路阀综合测试系统的主要特点进行了总结。第三章液压及测控系统设计本章主要内容是在满足技术要求和系统功能的前提下完成测试试验系统的液压系统和测控系统设计。对液压系统原理和各功能单元进行设计并对相关元器件进行选型计算；完成测控系统的硬件和软件设计。同时基于对系统紧凑性、美观性和操作方便性的要求，对测试系统进行集成安装设计并进行整体布局。3.1测试系统的液压系统概述液压系统作为全电液控制式液压挖掘机多路阀综合测试系统的基础，要实现对挖掘机多路阀的测试，液压系统需要为挖掘机多路阀的整个测试过程提供液压回路支持，使多路阀的输入输出流量形成测试回路，并能够模拟挖掘机多路阀的实际工况提供压力油源和负载压力等功能。同时通过对电信号的控制使液压系统作出相应的系统响应从而实现控制过程。根据系统功能需求和系统紧凑化设计的理念，将液压系统按功能分成不同的功能模块。试验系统液压方案原理如图3.1所示。3.2数据采集与控制系统设计3.2.1数据采集与控制系统简介图3.1数据采集与控制系统原理图全电液式液压挖掘机多路阀综合测试系统主要由动力输入及运行控制系统、液压系统、计算机检测系统三个相对独立的子系统组成。其中动力输入及运行控制系统实现多路阀工况的模拟：控制驱动电机的转速实现发动机输入转速的模拟；控制电液比例溢流阀的溢流压力实现多路阀负荷的模拟加载。数据采集检测系统利用数据采集设备和工控机以及Labview软件系统实现测试试验相关参数的实时采集、处理和显示。动力输入及运行控制系统和计算机检测系统可以总称为数据采集与控制系统。其中数据采集系统以工控机和数据采集卡等设备为主体，主要完成测试试验系统中的压力、流量和温度等信号进行采集、处理、存储和显示，使系统具有很高的自动化程度。系统状态检测与控制则以可编程控制器（PLC）和数据输出控制卡为核心，其中PLC实现对液压系统中电机以及风冷系统控制，以及系统中关键状态的实时监测，并做出报警提示等功能。而数据输出卡则实现液压系统中的比例溢流阀和先导比例减压阀的控制实现液压系统的控制。测试系统数据采集与控制系统原理如图3.1所示。3.2.2数据采集系统硬件设计测试试验过程中为了能够反映多路阀工作性能，测试系统需要实时监控系统中相关流量、压力、温度和系统动力输入的变化情况，并能对其进行数据采集、保存和打印等功能。同时对采集到的数据进行相关处理生成直观的曲线图来反映被试多路阀的相关性能。并能对曲线图进行保存打印，方便后续分析判断。通过对系统和测试要求确定了整个系统需要采集的相关数据信号源进行了确认，具体如下表3.1所示。表3.1系统信号流量压力温度转速转矩控制旋钮8路24路9路1路1路21路测控系统中的硬件包括各中测量传感器、信号调理模块、显示仪表、数据采集和输出控制卡、工控机、控制旋钮以及按钮等。其中系统关键数据传感器配置了显示仪表，进行实时状态显示。显示仪表安装在人的视野范围之内或视控制台面板上，方便测试时直观判断系统的工作状态。同时用于系统控制的旋钮和控制按钮位于主控制台的操作面，而用于管路切换用的截止阀等控制元件，为便于人工操作和减小布局，使其按一定的规律排列在同一竖直平面内，便于操作控制。图3.2数据采集系统硬件结构图同时为了能够提高系统的自动化程度。对系统控制参数（比例电磁铁、电机转速等）的控制旋钮信号经过数据采集卡A/D转换后传输到计算机再通过计算机经D/A数据输出卡输出来控制相应元件，这样可以通过编写自动控制程序屏蔽手动旋钮控制信号来实现程序自动控制系统动作，使系统自动完成测试控制。图3.2是试验台硬件组成系统原理图。其工作过程：传感器检测各系统参量转成电信号，一部分信号直接连接到显示仪表直接显示，同时所有传感器信号都经过一定的信号调理电路后输入到数据采集卡后输入到计算机。然后由基于Labview软件的系统程序进行处理、显示、存贮和打印等。而系统的动力、状态检测以及散热系统的控制则是通过PLC来进行自动控制。3.2.3数据采集传感器选型以及抗干扰设计1、油温测量传感器选型油温测量采用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M20×1.5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-10～110℃，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、压力测量传感器选型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0～40MPa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，0～6MPa的压力传感器2个用于先导油路油压测量，0～2MPa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、流量测量传感器选型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：①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；②变送信号均采用4-20mA的抗干扰能力强的电流信号；③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；④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。3.2.4数据采集及控制软件设计系统中经传感器测量的流量、压力、温度等信号都进过一定的调理电路后把4-20mA的模拟信号转换为0-5V的电压信号输入到研华PCI数据采集卡后输入到工控机，由Labview软件编写的系统软件完成对数据的处理、保存以及显示。系统测试软件要实现将传感器输入的信号转变为真实的数据因此要对相关传感器数据进行标定处理使0-5V的传感器电信号转变为真实参数值。因此测试系统设有专用的传感器标定程序，每个传感器的标定参数系统将自动从标定文件读入并进行实时计算输出。测试系统中的数据采集卡选用的是研华数据采集卡，由于采集过程中要对采集卡的参数进行设置来满足系统测试的需要，而研华的采集卡的驱动中有Labview数据采集的通用模块，因此可以很方便的完成数据采集卡的通道数量、缓存大小、通道增益以及采样频率等参数的设置。根据采样定理在数据采集过程中为了能够还原参数的真实变化，采样频率应该是变量变化频率的两倍以上。而液压系统中流量脉动频率计算公式如下：式中：n表示的是电动机转速，z表示的是柱塞泵的柱塞数。测试系统中泵的额定转速在3000rpm，且系统所用的泵中有9个柱塞，因此通过上式计算得到的系统流量脉动为900Hz。因此为保障保证采集数据的真实性，采集卡的采样频率设置为实际信号频率的5倍左右即4500Hz。由于数据采集过程中存在外界电磁干扰等误差，软件系统通过设置软件数字滤波器对数据进行滤波处理，采用低通多项平均值滤波器有效过滤干扰噪声，提高测试精度。测试系统采用Labview8.5进行计算机测试控制程序的设计，LabVIEW（LaboratoryVirtualInstrumentEngineering）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TCP／IP、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。由于该测试系统测试试验项目较多所以测试程序采用主-子程序结构设计方法，通过主程序面板调用相应试验项目子程序来进行具体的试验测试。同时选用三菱FX2N-64MRPLC能满足对整个测试系统的实时监测控制需要，数据采集卡得到的温度等信号能够反馈到PLC使PLC能够实时控制系统散热、报警等过程的智能判断并动作。提高整个系统的安全性和可靠性。测试程序能够完成对测试过程中关键数据的实时采集、显示、保存和打印。能够对数据进行处理显示相关特性曲线。软件界面包含两个曲线显示窗口，其中一个实时信号曲线窗口，实现对测试试验数据的实时显示直观判断曲线走势。同时历史曲线窗口可以在做完试验后查看相应性能曲线。3.3测试试验系统整体设计布局结合上述各系统功能模块的设计，以布局紧凑化、美观和操作方便性，因此将各功能模块进行整合和集成，将测试系统的加载装置、油箱和管路切换控制单位和调压系统集成到试验控制台，将被试安全阀和先导压力控制模块集成到被试阀安装台上，因此在测试过程中，只需要将被试阀和试验台上的相应管路通过软管连接到一起，便可一次性完成所有项目的测试工作。同时将测控系统具体的硬件连接以及数据采集设备，相关重要数据显示仪表安装在独立的主控操作台上，包括系统所有控制按钮和控制旋钮，因此测试过程中操作人员只需在试验操纵控制台上进行管路切换操作和在主控台通过控制旋钮和控制按钮进行系统的运行控制和被试阀的动作控制。同时电机、泵、散热系统以及变频器的安装实物图已经在上述内容中已经给出。因此整体布局紧凑、美观和操作方便。3.4多路阀一般测试流程规划由于多路阀的测试项目较多，因此设计一套合适的测试流程能对测试效率有所提高。本节参照多路阀测试试验标准及一般多路阀的特点，设计了一般多路阀的出厂试验和型式试验测试流程。由于本测试系统所研究的对象功能比较专一其试验项目经过一定的改变，但是同样也可以参照下述的测试流程变通后进行测试。其中测试标准中规定多路阀出厂试验主要是对多路阀出厂前的性能进行性能进行检验。本文所规划的一般多路阀的出厂试验流程如下图3.3所示。多路阀的型式试验主要是针对新产品的开发过程中或者原多路阀在设计材料、工艺方面有较大变动或者相关部门提出检测要求时，需要进行的试验测试项目。本文所规划的一般的多路阀型式试验测试流程如下图3.4所示。图3.3挖掘机多路阀功能试验测试流程图图3.4挖掘机多路阀性能试验测试流程图3.5本章小结本文主要在完成全电液式液压挖掘机多路阀综合测试系统整体技术方案的基础上，对测试系统液压系统和数据采集控制系统分别进行了设计。首先，在完成对测试系统液压系统原理的基础上对各功能单元进行设计，并完成相关元件的计算和选型。其次，对全电液式挖掘机多路阀综合测试系统中数据采集与控制系统进行了软硬件设计。最后，结合测试标准对一般的多路阀出厂试验和型式试验进行了测试试验项