劉江輝，韓建剛，楊倩雯，王寧毅，苑偉，趙亞燊

（洛陽西苑車輛與動(dòng)力檢驗(yàn)所有限公司，河南洛陽 417039）

液壓提升系統(tǒng)是拖拉機(jī)的重要工作裝置[1]。國內(nèi)對拖拉機(jī)提升性能測試做了深入研究[2]，但是在下線測試方面研究很少。在本測試臺應(yīng)用之前，拖拉機(jī)行業(yè)普遍存在以下現(xiàn)象：拖拉機(jī)整機(jī)液壓輸出安全閥開啟壓力下線測試通過連接專用測試裝置測量，與整機(jī)提升下線測試工位分開；拖拉機(jī)整機(jī)提升下線測試通過掛接配重實(shí)現(xiàn)，不同的車型需要調(diào)節(jié)配重，至少需要2名操作人員，調(diào)整配重時(shí)還需要借助天車，費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，下降結(jié)束時(shí)配重劇烈撞擊地面，噪音很大，提升測試時(shí)無法測量提升行程，也無數(shù)據(jù)記錄功能，同樣靜沉降測試時(shí)，也無法得到實(shí)時(shí)的靜沉降數(shù)據(jù)，試驗(yàn)結(jié)果受人為因素影響嚴(yán)重。在拖拉機(jī)整機(jī)液壓提升下線測試方面一直面臨以下難題：投入人員數(shù)量多、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、配重掛接困難、測試危險(xiǎn)系數(shù)高、測試結(jié)果受測試人員人為因素影響大、現(xiàn)場測試噪音大、測試節(jié)拍慢、無法實(shí)時(shí)定量精確測試及記錄數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)無法上傳網(wǎng)絡(luò)等。整個(gè)行業(yè)在拖拉機(jī)整機(jī)液壓提升下線測試方面沒有一個(gè)更好的方案。

1 目標(biāo)

在解決拖拉機(jī)整機(jī)液壓提升下線測試存在的問題的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)測試臺的數(shù)字化、智能化。開發(fā)的測試臺可以實(shí)時(shí)精準(zhǔn)測量、記錄各項(xiàng)測試數(shù)據(jù)并將測試數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器；在不同階段給出相應(yīng)提示信息，指導(dǎo)操作人員配合操作；測試過程自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)并繪制曲線圖，單項(xiàng)測試結(jié)束后自動(dòng)調(diào)取評判條件并給出評判結(jié)果；測試過程的動(dòng)作自動(dòng)切換并準(zhǔn)確指示當(dāng)前狀態(tài)；單人即可完成拖拉機(jī)整機(jī)液壓提升下線測試。

2 測試系統(tǒng)的開發(fā)

2.1 整體架構(gòu)

測試系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖1所示。拖拉機(jī)整機(jī)液壓提升測試臺主要由工控機(jī)、可編程控制器、機(jī)械主體、液壓系統(tǒng)構(gòu)成；上位機(jī)軟件基于Labview虛擬儀器技術(shù)開發(fā)，具有數(shù)據(jù)庫功能；下位機(jī)采用可編程控制器，用于控制液壓站電磁閥、電機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)；測試臺通過互聯(lián)網(wǎng)將測試數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器。

圖1 整體架構(gòu)Fig.1 The overall structure

2.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)

機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由提升加載總成和前張緊總成組成。提升加載總成包括加載臂、加載油缸、直線導(dǎo)軌、位移傳感器、護(hù)罩等，主要完成快速提升動(dòng)作以及靜沉降動(dòng)作。前張緊總成包括牽引油缸、張緊帶、滑輪、底座等。機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 機(jī)械結(jié)構(gòu)Fig.2 The mechanical structure

2.3 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)主要有油缸、電磁閥、比例閥、電機(jī)、油泵、濾芯等組成。液壓原理圖如圖3所示。

圖3 液壓原理圖Fig.3 The hydraulic schematic

測試臺主要通過液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)加載，通過調(diào)整調(diào)壓閥控制壓力的變化，實(shí)現(xiàn)加載載荷無極可調(diào)。液壓缸加載力與壓力及加載缸有效加載面積有關(guān)，關(guān)系如式（1）所示。

式中：F——液壓系統(tǒng)內(nèi)部壓力產(chǎn)生的加載力；P——液壓系統(tǒng)內(nèi)部壓力；S——加載缸有效加載面積。

加載缸有效加載面積通過加載缸內(nèi)徑及加載缸活塞桿外徑計(jì)算獲得，其關(guān)系如式（2）所示。

式中：S——加載缸有效加載面積；D——加載缸內(nèi)徑；d——加載缸活塞桿外徑。

2.4 加載力的分配、計(jì)算及校核

研究分析，將加載力分成3個(gè)部分，加載臂及掛接工裝的自重產(chǎn)生的力、阻力（機(jī)械結(jié)構(gòu)的摩擦阻力及液壓系統(tǒng)流體流動(dòng)阻力）、液壓系統(tǒng)通過壓力調(diào)整產(chǎn)生的力，如式（3）所示。

式中：F——加載力；F1——加載臂及掛接工裝的自重產(chǎn)生的力；F2——阻力（機(jī)械結(jié)構(gòu)的摩擦阻力及液壓系統(tǒng)流體流動(dòng)阻力）；F3——液壓系統(tǒng)通過壓力調(diào)整產(chǎn)生的力。

借助外置提升裝置，通過拉力傳感器與測試臺加載臂連接，使測試臺液壓系統(tǒng)處于完全暢通狀態(tài)，調(diào)壓閥投入電壓為0 V，通過二次儀表讀取測量值，再減去加載臂自身重力即為測試臺提升阻力，結(jié)構(gòu)連接示意如圖4所示。將提升阻力記入測試系統(tǒng)進(jìn)行修正，用同樣的方法測試加載力，與系統(tǒng)目標(biāo)設(shè)定值一致，表明提升阻力測量正確，系統(tǒng)設(shè)定加載值與實(shí)際加載值相符。

圖4 提升阻力實(shí)測裝置連接示意Fig.4 The schematic diagram of the connection of the lifting resistance measured device

將柱式壓力傳感器放置在加載臂下方，測試系統(tǒng)給定加載值，通過連接在柱式壓力傳感器上的二次儀表讀取實(shí)測值，結(jié)構(gòu)連接示意如圖5所示。測試結(jié)果一致，表明測試臺在做靜沉降測試時(shí)，加載目標(biāo)值與實(shí)際值一致，測試臺可以準(zhǔn)確測試。

圖5 靜沉降校核裝置連接示意Fig5.The schematic diagram of the connection of static settlement check device

2.5 測控系統(tǒng)的工作原理

測控系統(tǒng)的工作原理如圖6所示。上位機(jī)采用工控機(jī)，上位機(jī)程序基于虛擬儀器技術(shù)開發(fā)；下位機(jī)采用可編程控制器，用于控制液壓站電磁閥、電機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)。通過掃碼槍獲取機(jī)型信息，然后上位機(jī)將錄入好的工藝參數(shù)下發(fā)給下位機(jī)，整個(gè)測控系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制，張緊缸自動(dòng)張緊，液壓輸出安全閥開啟壓力自動(dòng)測量，提升測試自動(dòng)控制，靜沉降測試自動(dòng)控制，進(jìn)行狀態(tài)提醒，試驗(yàn)信息提示，數(shù)據(jù)記錄與存儲等。

圖6 測控系統(tǒng)工作原理Fig6.The working principle of measurement and control system

測試系統(tǒng)的測試過程及控制邏輯如圖7所示。測控系統(tǒng)首先控制張緊缸張緊，張緊力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，提示開始液壓輸出安全閥開啟壓力測試；液壓輸出安全閥開啟壓力測試過程中自動(dòng)記錄測試數(shù)據(jù)，測試結(jié)束后給出測試結(jié)果，提醒進(jìn)行提升測試；在提升測試過程中，測控系統(tǒng)提示操作人員進(jìn)行提升與下降操作，自動(dòng)繪制提升測試曲線，統(tǒng)計(jì)提升時(shí)間、下降時(shí)間以及提升行程，計(jì)算出提升頻率；提升測試結(jié)束后，測控系統(tǒng)提醒操作人員進(jìn)行靜沉降測試，在測試過程中自動(dòng)繪制靜沉降位移隨時(shí)間變化曲線，測試結(jié)束后自動(dòng)判定，給出測試結(jié)果。

圖7 測試系統(tǒng)測試過程及控制邏輯Fig7.The test process and control logic of test system

分階段進(jìn)行靜沉降測試：在第1階段，拖拉機(jī)靜沉降量不大于第1階段設(shè)置的靜沉降量，則靜沉降試驗(yàn)合格，不進(jìn)行第2階段測試；如果第1階段靜沉降量超標(biāo)，則進(jìn)行第2階段測試，如果第2階段靜沉降量不大于第2階段設(shè)置的靜沉降量，則靜沉降量測試合格，不進(jìn)行第3階段測試；如果第2階段靜沉降量大于第2階段設(shè)置的靜沉降量，則進(jìn)行第3階段測試，如果第3階段靜沉降量不大于第3階段設(shè)置的靜沉降量，則靜沉降量測試合格，否則靜沉降測試結(jié)果為不合格。

2.6 軟件

測控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖8所示，采用樹形結(jié)構(gòu)及模塊化方式編程。軟件具有數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)查詢打印、校準(zhǔn)、工藝參數(shù)錄入及修改、狀態(tài)監(jiān)視等功能。

圖8 軟件結(jié)構(gòu)Fig8.The software structure

上位機(jī)軟件的主界面如圖9所示，顯示了機(jī)型信息，關(guān)鍵試驗(yàn)參數(shù)，關(guān)鍵參數(shù)的記錄表及曲線圖、提示信息等。可以在該界面進(jìn)行自動(dòng)與手動(dòng)模式切換。在手動(dòng)模式下，可以單項(xiàng)進(jìn)行動(dòng)作，比如，張緊缸張緊、液壓輸出安全閥開啟壓力測試、提升項(xiàng)目測試以及靜沉降測試。

圖9 上位機(jī)軟件主界面Fig9.The host computer software main interface

數(shù)據(jù)查詢打印界面如圖10所示，通過選擇篩選條件即可篩選出需要查詢的數(shù)據(jù)。界面分項(xiàng)顯示了列表形式的數(shù)據(jù)以及對應(yīng)的曲線圖，還給出了測試項(xiàng)目的測試結(jié)果。點(diǎn)擊“打印報(bào)告”按鈕，即可生成Excel格式的試驗(yàn)報(bào)告，可以編輯并存儲于指定文件夾中。

圖10 數(shù)據(jù)查詢打印界面Fig10.The data query printing interface

參數(shù)設(shè)置界面如圖11所示，在該界面可以修改或錄入試驗(yàn)參數(shù)，“修改”按鈕根據(jù)是否已經(jīng)錄入的參數(shù)分別顯示為“修改”或“錄入”。進(jìn)入該界面之前需要權(quán)限識別，沒有權(quán)限的人員無法進(jìn)入該界面。界面中對應(yīng)的工藝參數(shù)有提升次數(shù)、提升力、提升行程限值、拉緊力、液壓輸出安全閥開啟壓力限值、靜沉降相關(guān)參數(shù)等；試驗(yàn)臺的相關(guān)參數(shù)有液壓輸出安全閥開啟壓力測試時(shí)間、液壓輸出安全閥開啟壓力測試記錄周期、提升測試數(shù)據(jù)記錄周期以及靜沉降測試數(shù)據(jù)記錄周期等。

圖11 參數(shù)設(shè)置界面Fig11.The parameter setting interface

3 測試系統(tǒng)的應(yīng)用

目前該測試臺已在某拖拉機(jī)廠連續(xù)無故障運(yùn)行數(shù)月。測試某機(jī)型的提升數(shù)據(jù)及靜沉降數(shù)據(jù)如圖12所示，其中提升測試中提升次數(shù)為10次，靜沉降測試時(shí)間為15 min，最大靜沉降量為4.6 mm。

圖12 測試數(shù)據(jù)曲線Fig12.The test data curve

該測試系統(tǒng)已經(jīng)成功與遠(yuǎn)端服務(wù)器掛接，正常傳輸數(shù)據(jù)。該測試系統(tǒng)在現(xiàn)場連續(xù)無故障運(yùn)行數(shù)月，從現(xiàn)場應(yīng)用的實(shí)際情況看，該系統(tǒng)操作簡單、高效（一個(gè)工人即可完成掛接等整個(gè)測試過程）、明顯降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度、加快了測試的節(jié)奏、減少了人為因素對試驗(yàn)結(jié)果的影響、改善了操作人員現(xiàn)場工作環(huán)境、測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確并可以追溯查看等。

4 結(jié)論

新開發(fā)的測試系統(tǒng)優(yōu)勢非常明顯，自動(dòng)化程度高，具有數(shù)據(jù)記錄、查詢以及打印等功能，方便質(zhì)量追溯；該測試系統(tǒng)可以給每種機(jī)型設(shè)置液壓輸出安全閥開啟壓力限值、提升次數(shù)、提升力、前張緊裝置張緊力，靜沉降測試相關(guān)參數(shù)等；該測試系統(tǒng)對靜沉降測試項(xiàng)目分階段進(jìn)行自動(dòng)化測試，明顯提高了靜沉降項(xiàng)目的測試效率。

該測試臺的應(yīng)用減少了拖拉機(jī)廠檢測車間該工位的工作強(qiáng)度，減少了該項(xiàng)目測試操作工人的數(shù)量，提高了該項(xiàng)目的檢測速度，方便技術(shù)人員調(diào)取查看測試數(shù)據(jù)，為設(shè)計(jì)人員對提升系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)支撐。現(xiàn)場的應(yīng)用表明，該測控系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，該測試系統(tǒng)達(dá)到了研制目標(biāo)，對拖拉機(jī)廠液壓輸出及提升系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、檢測有很重要的意義，解決了拖拉機(jī)行業(yè)在該方面的困擾。