基于PLC的液壓擴張器試驗臺設計

李 磊， 張建新， 盧鳳臣， 侯 超

(1.天津中德應用技術大學汽車與軌道交通學院， 天津 300350； 2.天津工程機械研究院有限公司， 天津 300409)

引言

當發生火災、地震、海嘯等災害時，為解救被困人員，往往需要通過液壓擴張設備對堅固的障礙物進行拆除。目前，市場上用于救援的擴張器早已存在，但由于缺少完善的質量檢測手段和性能測試設備，液壓擴張器在使用過程中存在壽命不可靠、擴張力不平穩等問題，使救援活動存在隱患[1]。為了保證液壓擴張器的安全性和穩定性，必須進行嚴格的出廠測試。因此，設計了一套基于PLC和上位機的液壓加載試驗臺測試系統[2-3]，對擴張器疲勞、過載、結構強度等性能進行試驗驗證，并且測試的數據可作為產品設計、改進的依據。

1 液壓擴張器簡介

1.1 液壓擴張器結構

液壓擴張器具有擴張、撕裂和牽拉功能，可進行高負荷的救援操作，通常采用高強度輕質合金鋼制造，具有重量輕、擴張力大、張開閉合耗時短、操作安全性高等特點。

液壓擴張器的主要結構如圖1所示：其中液壓接頭連接擴張器液壓泵站，換向手輪控制液壓缸伸縮，雙向液壓鎖鎖定液壓缸中活塞桿位置，連接板通過銷軸將擴張臂和液壓缸缸體聯接在一起，擴張頭通過脹緊銷固定在擴張臂上。操作人員在使用液壓擴張器時，兩手分別握緊手柄和換向手輪來進行操作[4]。

1.液壓接頭 2.換向手輪 3.三位換向閥 4.雙向液壓鎖 5.液壓缸 6.手柄 7.連接板 8.銷軸 9.擴張臂 10.擴張頭圖1 液壓擴張器結構

1.2 液壓擴張器技術參數

某型號液壓擴張器主要技術參數如表1所示。

表1 液壓擴張器技術參數

2 試驗要求

依據某企業對液壓擴張器性能試驗要求，設計試驗臺的主要項目包括疲勞和超載試驗。

2.1 疲勞試驗

擴張器液壓系統在額定壓力下工作，能夠自動完成擴張和閉合工作循環800次，加載試驗臺應提供負載確保擴張器穩定工作在額定壓力下。當擴張器換向時產生的液壓系統沖擊不超過1.2倍額定壓力。

2.2 超載試驗

擴張器液壓系統在1.5倍額定壓力下工作，能夠完成擴張和閉合工作循環5次，且液壓系統沒有發生泄漏，機械結構沒有出現變形和損壞。擴張器換向時產生的液壓系統沖擊不超過1.8倍額定壓力。

3 試驗臺設計

3.1 機械結構設計

該試驗臺機械部分主要由底座、支架、加載油缸、油缸支架、拉壓力傳感器、固定工裝、限位傳感器等組成。如圖2所示為液壓擴張器試驗臺裝置結構圖，試驗臺底座通過鋼板焊接組成，實現對整體結構的支撐、定位作用。左、右支架通過螺釘聯接固定到底座上，拉壓力傳感器法蘭通過螺釘固定到左支架上，左工裝通過外螺紋與拉壓力傳感器聯接，被測液壓擴張器擴張頭與左、右工裝之間通過銷軸進行聯接固定到試驗臺上，2個限位開關通過支架固定在底座上，用來檢測擴張器處于張開或閉合位置，右工裝通過螺紋聯接固定到加載液壓缸活塞桿上，加載液壓缸法蘭通過螺釘固定到右支架上。

1.左支架 2.拉壓力傳感器 3.左工裝 4.液壓擴張器 5.左限位檢測 6.右工裝 7.右限位檢測 8.右支架 9.加載缸 10.底座圖2 擴張器試驗臺

3.2 液壓系統設計

試驗臺液壓系統設計首先應滿足對擴張器的測試要求，還應具有壓力調整方便，加載平穩，負載力準確，低速性能穩定且動態響應好等優點。

對擴張器進行試驗時，加載試驗臺液壓系統和擴張器液壓系統均處于工作狀態。各液壓系統包括液壓泵站、壓力控制、壓力檢測、冷卻等部分[5]。如圖3a所示為加載試驗臺液壓系統原理圖。高壓球閥控制液壓系統油路的通斷，三位四通換向閥用來控制加載缸活塞桿伸出和縮回運動，在安裝被測液壓擴張器時，可通過換向閥調整活塞桿位置。對被測試擴張器進行加載試驗時，換向閥應處于中位，擴張器在張開和閉合過程中拖動加載缸活塞桿運動，加載缸兩腔中壓力分別由比例溢流閥調定。液控單向閥能夠在試驗過程中防止換向閥中位泄漏，并提高比例溢流閥的控制性能。當擴張器張開時，右側比例溢流閥控制無桿腔壓力，實現加載。同時，加載缸有桿腔密封空間逐漸增大，液壓油在外部大氣壓作用下從油箱經過單向閥對有桿腔補油。擴張器閉合過程不再贅述。

圖3 試驗臺原理圖

擴張器液壓原理圖如圖3b所示。在試驗過程中，換向閥控制擴張器液壓缸伸出或縮回，液壓缸通過鉸點和連接板驅動擴張臂張開或閉合，進而拖動加載缸活塞桿運動。雙向液壓鎖(液控單向閥)用于鎖定活塞桿位置和防止中位泄漏，安全閥用于設定擴張器最大工作壓力。壓力傳感器P3測量擴張器液壓系統壓力。

4 試驗臺控制系統設計

4.1 控制系統組成

試驗臺控制系統由上位機、PLC、傳感器、被控電磁閥、指示燈等元件組成。控制系統選用MCGS觸摸屏作為上位機，與PLC之間通過工業以太網進行通訊，上位機界面可以選擇測試項目，設置測試參數，并能夠實時顯示曲線和存儲測試數據；系統中控制器選用西門子SMART200PLC，CPU型號為ST40，增加模擬量采集模塊AM06(4AI，2AQ)，處理系統中模擬量輸入/輸出信號。控制系統中PLC輸出點控制接觸器通斷，間接控制試驗臺和擴張器液壓泵站啟停。加載缸換向電磁閥由于功率較大，使用繼電器間接控制[6-8]。試驗臺控制系統硬件配置框圖如圖4所示。

圖4 試驗臺控制系統框圖

根據試驗臺功能，設計控制系統應包括：數字輸入信號4個，分別為設備鑰匙開關、急停按鈕、擴張器左限位信號、擴張器右限位信號；模擬量輸入信號4個，分別采集試驗臺加載缸小腔壓力和大腔壓力、拉壓力傳感器、擴張器系統壓力；數字量輸出信號6個，分別控制試驗臺液壓泵站、擴張器液壓泵站、控制加載缸方向(雙電磁鐵)、控制液壓擴張器方向、設備上電指示燈；模擬輸出信號2個，分別控制試驗臺加載缸工作時比例溢流閥調定壓力。其中輸入/輸出點變量地址分配如表2所示。

4.2 控制系統軟件設計

試驗臺控制系統包括上位機設計和PLC程序設計。

圖5位上位機界面設計。當選擇手動調試時，可啟停擴張器和試驗臺液壓泵站，通過操作擴張器張開和閉合，從上位機界面中調整比例溢流閥的溢流壓力，以確保使擴張器在滿足試驗壓力條件下工作。將調試好的比例溢流閥參數存儲下來，作為疲勞或過載試驗的初始壓力。圖5所示為手動調試界面和疲勞、過載試驗界面。

表2 輸入/輸出變量地址分配表

圖5 上位機界面

進入疲勞、過載試驗界面，設置壓力和循環次數參數后開始試驗。當擴張器張開運動到極限位置時觸碰試驗臺右限位開關，PLC控制試驗臺和擴張器換向閥根據設定條件換向，擴張器開始閉合，循環往復。PLC的模擬量模塊實時采集擴張器和試驗臺液壓系統壓力等數據，并對加載試驗臺中比例溢流閥溢流壓力進行調節，上位機將采集的數據曲線實時顯示出來，同時測試數據也可被存儲。當循環次數達到設定次數后設備自動停機。試驗臺控制系統流程如圖6所示。

圖6 控制系統流程圖

4.3 加載試驗臺PID控制

根據擴張器試驗要求可知，當進行疲勞或過載試驗時，擴張器液壓系統壓力需要保持在額定壓力或過載壓力下進行。為提高試驗精度，對試驗臺中比例溢流閥壓力控制采用PID調節，通過PLC和壓力傳感器組成閉環負反饋的控制形式，控制系統結構框圖如圖7所示。另外，將手動調試模式下比例溢流閥的控制壓力作為初始值K輸入給比例閥控制器，這樣可以減弱PID的輸出，縮短系統達到穩態的時間。經測試，此時比例系數KP起主導作用，適當增加積分系數KI和微分系數KD，系統的精度能進一步提高，震蕩時間更短[9-10]。

圖7 PID控制系統框圖

5 擴張器試驗分析

為檢驗試驗臺的設計性能，對擴張器進行疲勞測試，并截取擴張器和試驗臺液壓系統壓力數據進行分析。圖8為疲勞壽命試驗時加載缸大腔和小腔的工作壓力曲線。其中Δt為換向時間，T為循環周期。

圖8 加載缸工作壓力曲線

擴張器張開時輸出力較大，此時試驗臺加載缸大腔工作，提供加載力；當閉合時輸出力較小，此時加載缸小腔工作，提供加載力。由于擴張器結構上存在連桿機構，當擴張器液壓缸伸出、縮回時，沿加載缸方向上力臂實時發生變化。因此，加載缸腔內壓力需根據擴張器壓力設定值和傳感器P3反饋數值進行計算并實時調整比例溢流閥Y1、Y2的設定值，以滿足擴張器液壓系統壓力恒定的試驗要求。

圖9為液壓擴張器試驗壓力曲線。由曲線可知，方向閥換向造成液壓沖擊，使系統壓力最大值pmax為64.2 MPa，系統穩定后，工作壓力pmin不小于60 MPa。實測數據與上位機疲勞試驗壓力設置參數基本相同，且擴張器系統壓力變化平穩，響應速度快，符合疲勞試驗要求[11-12]。

圖9 擴張器疲勞試驗壓力曲線

過載試驗與疲勞試驗過程和結果類似，在此不再贅述。

6 結論

液壓擴張器試驗臺對提高產品的安全性、穩定性，改進產品設計和排除產品安全隱患起著重要作用。另外，試驗臺有效提高了測試工作的自動化程度和效率。

(1) 試驗臺能夠滿足試驗要求，對液壓擴張器進行疲勞、過載、強度等性能測試，數據可作為產品設計、改進的依據；

(2) 試驗臺控制系統采用PLC和觸摸屏作為控制核心，使用擴張模擬量模塊采集數據，簡化了控制系統，降低了成本，可為類似控制系統設計提供參考；

(3) 試驗臺液壓系統結構簡單，能夠根據試驗要求實時調整加載缸溢流壓力，且加載平穩，響應快速，對恒定加載測試設備開發有一定的指導意義；

(4) 通過手動調試確定比例溢流閥初始壓力，并在試驗過程中進行PID調節，縮短了加載壓力達到穩態的時間，減少了震蕩時間，提高了試驗精度。