曹立波，林君哲

（1.吉林廣播電視大學(xué) 白山分校，吉林 白山 134300；2.東北大學(xué)，遼寧 沈陽 110819）

1 引言

隨著國家裝備制造業(yè)的不斷發(fā)展壯大，鋼鐵行業(yè)一直保持高速發(fā)展，尤其是大型軋制生產(chǎn)線的不斷投產(chǎn)，使得應(yīng)用軋制伺服液壓缸的數(shù)量越來越多，對(duì)伺服液壓缸的質(zhì)量要求也越來越高，其性能的好壞成為了軋制鋼材質(zhì)量和產(chǎn)量的關(guān)鍵因素。但是到目前為止，大型軋制伺服液壓缸產(chǎn)品質(zhì)量的檢測還沒有統(tǒng)一的試驗(yàn)方法和試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。因此，無論是從科學(xué)角度還是從實(shí)用角度來說，設(shè)計(jì)一套用來專門檢測伺服液壓缸性能的試驗(yàn)系統(tǒng)就顯得格外重要[1-3]。

2 伺服液壓缸試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 基本要求

試驗(yàn)臺(tái)要求伺服液壓缸的動(dòng)靜態(tài)測試試驗(yàn)項(xiàng)目能夠結(jié)合在一起，同時(shí)具備自動(dòng)化操作和測試的高精度要求，并能夠?qū)崿F(xiàn)手動(dòng)和自動(dòng)兩種模式的切換。其中，測試內(nèi)容主要包括測試被測液壓缸的耐壓能力，靜動(dòng)摩擦力大小，是否有外泄漏、內(nèi)泄漏以及爬行、最低啟動(dòng)壓力大小和規(guī)定行程內(nèi)的偏擺值等[4-6]。

2.2 伺服液壓缸試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)

試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)原理圖，如圖1所示。采用比例伺服控制方式，原理設(shè)計(jì)充分考慮系統(tǒng)的性能及各液壓元件的匹配問題[7]。如圖1所示，系統(tǒng)采用三通閥控不對(duì)稱缸的控制模式，即采用標(biāo)準(zhǔn)四通伺服閥充當(dāng)三通閥使用，設(shè)定伺服液壓缸的無桿腔為工作腔，有桿腔通恒定低壓。考慮試驗(yàn)臺(tái)的體積不易過大，采用兩缸對(duì)頂結(jié)構(gòu)，即將標(biāo)準(zhǔn)伺服液壓缸的缸體安裝固定在牌坊下的地溝里，被測伺服液壓缸安裝在標(biāo)準(zhǔn)伺服液壓缸的上方，兩個(gè)活塞桿之間連接有壓力傳感器。試驗(yàn)臺(tái)計(jì)算機(jī)控制部分硬件部分由各類傳感器、伺服放大模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、多功能A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊等組成。

圖1 試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)原理圖Fig．1 Diagram of the Servo Hydraulic Cylinder Test Platform

2.3 系統(tǒng)主要參數(shù)計(jì)算及元件選擇

為防止標(biāo)準(zhǔn)伺服液壓缸的尺寸、伺服閥流量和液壓系統(tǒng)壓力等參數(shù)過大，綜合衡量系統(tǒng)要求、設(shè)備參數(shù)以及技術(shù)水平等，選取系統(tǒng)壓力ps=30MPa[8]。為保證伺服閥的控制能力，取工作壓力PL=22MPa。根據(jù)牛頓第二定理，負(fù)載力：

式中：Ac—標(biāo)準(zhǔn)缸無桿腔工作面積（m2）；Ar—標(biāo)準(zhǔn)缸有桿腔面積（m2）；Pr—液壓缸背壓。

令面積比 α=Ac/Ar，取 α=4，F(xiàn)=30MN，內(nèi)徑 D=（4Ac/π）0．5=1．3219m。查手冊(cè)圓整，D=1320mm，d=1140mm。

式中：βe—有效體積彈性模量，取值 1000MPa，Ac=1．372m2，Vtmax=0．2744m3，mt=5000kg。計(jì)算的得，轉(zhuǎn)化為頻率，由于，能夠滿足系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

系統(tǒng)要求最大速度為vmax＞60mm/s，則伺服閥的最大負(fù)載流量為442．8L/min。系統(tǒng)采用三級(jí)電反饋式電液伺服閥，選用型號(hào)為D792-S-400-JOQA-4-VSX-2-B的MOOG伺服閥。比例溢流閥采用北京華德生產(chǎn)的先導(dǎo)式比例溢流閥，泵采用A7V500型斜軸式變量柱塞泵。

3 液壓試驗(yàn)系統(tǒng)模型的建立

液壓試驗(yàn)系統(tǒng)包括兩個(gè)閉環(huán)回路，壓力閉環(huán)和位移閉環(huán)。系統(tǒng)壓力和位移閉環(huán)控制原理圖，如圖2所示。

經(jīng)計(jì)算得，液壓位置控制開環(huán)傳遞函數(shù)為：

經(jīng)計(jì)算得，液壓壓力控制開環(huán)傳遞函數(shù)為：

圖2 位移與壓力控制原理圖Fig．2 Control Diagram of Displacement and Pressure

4 系統(tǒng)參數(shù)確定與系統(tǒng)仿真

4.1 伺服液壓缸系統(tǒng)參數(shù)確定

根據(jù)提供的技術(shù)參數(shù)、設(shè)計(jì)要求以及伺閥控液壓缸系統(tǒng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，確定伺服液壓缸系統(tǒng)的動(dòng)力機(jī)構(gòu)仿真參數(shù)，如表1所示。

表1 動(dòng)力機(jī)構(gòu)參數(shù)表Tab.1 Power Mechanism Parameters Table

4.2 位移控制閉環(huán)系統(tǒng)仿真

數(shù)學(xué)模型采用MATLAB/Simulink軟件進(jìn)行仿真分析。對(duì)位移控制系統(tǒng)引入PID控制算法，仿真結(jié)果，如圖3所示。從校正后的階躍響應(yīng)曲線可以看出系統(tǒng)的上升時(shí)間為16ms，調(diào)整時(shí)間45ms。系統(tǒng)穩(wěn)定并符合要求。

圖3 校正后的位置階躍響應(yīng)曲線Fig．3 Curve of the Adjusted Position Step Response

4.3 壓力控制閉環(huán)系統(tǒng)仿真

對(duì)壓力控制閉環(huán)系統(tǒng)同樣采用PI控制器進(jìn)行校正，如圖4所示。從圖4可知，校正后系統(tǒng)有小的壓力波動(dòng)，但系統(tǒng)的快速性得到很大提高，在0．15s即達(dá)到壓力穩(wěn)定。

圖4 校正后的壓力階躍響應(yīng)曲線Fig．4 Curve of the Adjusted Press Step Response

5 伺服液壓缸試驗(yàn)方法研究

液壓測試系統(tǒng)采用比例伺服控制技術(shù)，結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助測試技術(shù)，能對(duì)直徑在1500mm以下的各類伺服液壓缸進(jìn)行測試。現(xiàn)以動(dòng)摩擦力測試項(xiàng)目為例進(jìn)行試驗(yàn)方法說明。動(dòng)摩擦力測試示意圖，如圖5所示。

動(dòng)摩擦力測試試驗(yàn)項(xiàng)目操作界面，如圖6所示。系統(tǒng)采用VB語言設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面，通過編寫代碼程序，將應(yīng)用程序編譯成可執(zhí)行文件，可直接在Windows環(huán)境下安裝運(yùn)行。

圖6 伺服液壓缸動(dòng)摩擦力試驗(yàn)界面Fig．6 Interface of Kinetic Friction Force Test

動(dòng)摩擦力測試系統(tǒng)流程，如圖7所示。

根據(jù)動(dòng)摩擦力測試流程圖可知：

S-1：變量初始化，回程標(biāo)記flag=0，被測缸位移量Δsmax=5mm；

S-2：掃描A/D-1、2通道，記錄并顯示A/D-1通道活塞初始位移s0和A/D-2通道無桿腔初始?jí)毫0；

S-3：D/A 通道輸送控制電壓，un+1=un+Δu；

S-4：掃描A/D-1、2通道，記錄活塞位移sn和無桿腔壓力Pn；

S-5：計(jì)算位移量 Δs=sn-s0，判斷 Δs≥Δsmax，若不是則返回 S-4，若是則繼續(xù)下一步；

S-6：判斷回程標(biāo)記flag=0，若不是進(jìn)入S-8，若是則繼續(xù)下一步；

S-7：令控制電壓 Δu=-Δu，回程標(biāo)記 flag=1；

S-8：判斷位移量Δs＞0，若不是則繼續(xù)下一步，若是則返回S-3；

S-9：以位移sn為橫坐標(biāo)，壓力Pn與無桿腔面積A的乘積PnA為縱坐標(biāo)，繪制曲線；

S-10：從曲線上讀取sn點(diǎn)處的兩個(gè)PnA值，計(jì)算其和值并除以2，即為動(dòng)摩擦力f。

圖7 動(dòng)摩擦力測試流程圖Fig．7 Flow Diagram of Kinetic Friction Force Test

通過對(duì)動(dòng)摩擦力測試的流程設(shè)計(jì)，能夠完成動(dòng)摩擦力測試項(xiàng)目的所需內(nèi)容。

6 結(jié)論

（1）針對(duì)大型軋制伺服液壓缸的性能測試技術(shù)要求，設(shè)計(jì)了試驗(yàn)臺(tái)液壓控制系統(tǒng)，通過參數(shù)計(jì)算，建立了準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型。（2）通過仿真分析，驗(yàn)證了液壓系統(tǒng)的快速性、穩(wěn)定性和可靠性。（3）對(duì)液壓控制系統(tǒng)進(jìn)行了PI校正優(yōu)化，拓寬了液壓控制系統(tǒng)的頻寬，提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。為進(jìn)一步完善伺服液壓缸試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)方法提供一些理論和試驗(yàn)基礎(chǔ)。