工程机械动力总成试验台设计

麦云飞,杨淮楠

(上海理工大学 机械工程学院,上海 200093)



工程机械动力总成试验台设计

麦云飞,杨淮楠

(上海理工大学 机械工程学院,上海 200093)

工程机械的正常工况可以类比为一般车辆的恶劣工况,即大负荷周期性波动,这对动力系统的瞬时动力性能提出了非常严酷的要求.液压-动力系统集成匹配性能的优劣直接决定了油耗、效率、协调性等整车性能.为针对动力液压系统的匹配性能进行测试优化,设计了工程机械机、电、液匹配综合性能试验台.试验台包含3个直线加载通道和3个扭矩加载通道,不仅可以满足对挖掘机、推土机的性能测试,通过简单改装也可用于各种工程机械的性能测试.

工程机械; 动力系统; 加载系统; 电液伺服

工程机械,特别是挖掘机,是典型的机、电、液一体化综合系统.挖掘机工况恶劣,载荷波动大,多关节运动对协调性要求高,整机性能的优劣主要体现在工作效率、操作的协调性、油耗的高低、可靠性及寿命等方面.而液压动力系统集成匹配性能的优劣直接决定了油耗、效率、协调性等整车性能.目前,国内外对液压挖掘机节能技术的研究主要集中在改进动力和传动系统以及优化动力匹配等问题上,达到高效节能及减小环境污染的目的[1].

随着试验台架、仿真技术、自动化测试技术、传感技术的发展,建立通用性的动力系统匹配试验台,辅以仿真手段,模拟工作环境和各种挖掘机工况,建立标准试验体系,降低人员因素对测试人员的影响,提升研发、测试效率,使得工程机械的研发效率迅速提升成为可能.

液压加载系统是一种常用的加载系统,广泛应用于各种试验装置[2-4],它是用加载系统模拟被加载系统的动力负载,所以液压加载系统通常称为负载模拟器[5].工程机械动力总成试验台(以下简称“试验台”),针对动力液压系统的匹配性能进行测试优化.本试验台以车载动力、液压系统为被测对象,以直线液压加载、回转液压加载系统为加载执行部件,通过模拟操作人员的输入或典型动作批次输入,模拟挖掘机、推土机、装载机等工程机械的各种典型工况,对车载液压系统的工作过程进行全面的监控,从而对车载液压、动力系统性能及匹配性能进行全面的评估.

1 试验台系统工作原理

本试验台主要包括数据采集与监控系统、被测系统、加载执行机构、加载油源、散热过滤等子系统.所有子系统协调工作,完成对被测系统的加载控制、数据监控、数据存储、系统安全管理、用户操作等功能.系统总体架构如图1所示.

进行系统测试时,中央监控与数据采集系统一方面对被测系统、加载执行机构、加载油源等部分进行数据采集,并将采集数据供给控制系统用于控制指令输出;另一方面,控制系统根据现场数据解算控制指令,发送至伺服控制器.伺服控制器根据控制指令,对加载执行器(直线作动器、回转作动器)进行实时闭环反馈控制,从而实现对被测系统的加载.液压加载油源为加载执行机构提供液压油源,散热过滤系统为液压加载系统、被测系统提供散热冷却.整个试验过程中,人机监控软件对测试数据进行实时显示,并将所有数据存储在本地服务器中.安全报警系统进行全程监控,提供多级报警,从而保证系统安全.试验结束后,系统后分析与处理软件进行数据的后分析,并导入试验数据结果至客户现有的服务器系统中.

2 液压加载系统工作原理

液压系统实现对挖掘机的执行机构(包括挖掘机的动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸、回转马达)进行实时加载,同时向控制系统反馈位移、力、力矩信号,并根据控制系统发出的指令调节伺服阀,从而实时改变输出力/力矩的大小,实现对被测挖掘机液压系统的执行机构按照载荷谱进行加载.本系统的核心部分为液压加载系统,该功能模块包括伺服阀、作动器、蓄能器、安全阀、反馈控制等.伺服油缸和马达分别作为直线和扭转作动器.

2.1 直线作动器加载

系统采用油缸对顶的结构,对挖掘机油缸进行加载.两油缸之间连接力传感器,直线作动器内置位移传感器,反馈力、位移、速度信号.反馈控制利用在线域信息(时间或位移),在线被控信息(力、扭矩等),进行双闭环反馈控制,实现试验台的加载功能.直线加载系统原理如图2所示.

图2中：y表示被测油缸的位移;K1为位移传感器系数;K2为伺服放大器放大系数;F(y)为行程域的载荷力函数;uf为力传感器系数;ur为加载系统伺服阀输入信号.

主动加载工况下,由高压恒压油源和蓄能器站提供35 MPa的油源,通过伺服阀调节直线作动器进出油液的压差,对被测油缸进行加载,使载荷的方向与被测系统油缸的运动方向相同,监控油缸的作用力,闭环控制,使加载油缸的压力随被测油缸的位移根据载荷谱进行加载.

同理,被动加载工况下,通过伺服阀调节直线作动器进出油液的压差,对被测油缸进行加载,使载荷的方向与被测系统油缸的运动方向相反.监控油缸的作用力,闭环控制,使加载执行机构的压力随油缸位移根据载荷谱进行加载.

2.2 扭转作动器加载

扭转作动器的加载工作原理与直线作动器加载相同.采用测试马达与被测马达对顶结构,中间连接扭矩传感器,反馈扭矩、角度等信号至主控制器,进行双闭环反馈控制,实现马达的加载功能.示意如图3所示.

图3 马达加载示意图Fig.3 Schematic diagram of motor loading

2.3 单动作及多动作协调加载

在测试系统中,根据功能模块划分,将挖掘机的执行元件(动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸、回转马达)分为4个独立的测试模块,每个模块包括伺服阀、作动器、蓄能器、安全阀、反馈控制等,由一个总的泵站提供油源.每个模块可实现对执行元件根据输入信号进行单独模拟加载,满足挖掘机常见的单动作测试需求,也可通过MOOG的伺服控制系统,实现同时对多个执行元件进行加载,而加载需求根据挖掘机实际工况需求,定义不同姿态下的载荷,实现多动作协调加载.

3 被测系统的控制工作原理

工程机械的核心包括动力系统、液压系统及结构系统.动力系统是影响整机性能的一个关键部件,包括发动机、减震系统、燃油系统、进气系统、冷却系统等.被测系统的动力源由被测机型的发动机提供,整套动力系统的安装、调试是本测试系统的一个难点,必须满足不同机型的发动机安装需求,可适应机械式柴油机、电喷柴油机、高压共轨电喷柴油机等不同种类的发动机.动力系统的温控系统主要包括发动机水温控制、中冷器进气温度控制、燃油温度控制(应用于电喷发动机),系统需监控在不同温度下的发动机运行性能.

3.1 发动机水温控制

发动机冷却水控制的目的在于控制发动机循环水温度,模拟发动机在不同温度工况下的工作情况.原理如图4所示.

通过监控发动机进水温度,根据温度与设定温度的差值,改变三通调节阀的开度,从而调节进入水冷散热器的流量,改变散热器的散热能力,控制发动机冷却水的温度,以满足系统需求.同时监控膨胀水箱的水位,采用电磁阀控制,利用冷却水进行适当的补水.

图4 发动机水温控制原理Fig.4 Principle of engine water temperature control

3.2 中冷发动机的进气温度控制

发动机经过增压后高温气体进入中冷器(水冷)进行冷却.本温控系统从膨胀水箱中泵水,进入水冷散热器进行散热,通过三通调节阀进入中冷器(水冷).系统同时监控中冷器前后进气的压力和温度.当温度与预设温度有差异时,通过温控仪控制三通调节阀的开度,调节系统水流量,改变中冷器的散热能力,从而控制发动机进气温度.系统原理如图5所示.

图5 中冷发动机的进气温度控制原理Fig.5 Principle of air intake temperature control of the medium cooling engine

3.3 发动机燃油冷却控制

鉴于电喷发动机特别是高压共轨电喷发动机的燃油回油量较大、温度高、严重影响燃油箱内燃油的温度,故工程机械一般采用风冷燃油散热器进行散热.本试验装置中,为模仿整机的运行工况,在发动机的后端输出轴上配置风扇,从而保证发动机的输出功率与整机实际相符.冷却器采用风冷式换热器.

3.4 发动机运行状态监控

被测系统由车载柴油机及其控制单元ECM(Engine Control Module)、主泵先导泵组以及整车控制单元VCU(Vehicle Control Unit)组成.其中柴油机与主泵先导泵采用与车载相同的弹性联轴器连接.实时嵌入式系统NI CompactRIO(以下简称cRIO系统)作为本系统的监控设备,进行数据采集,并与中控系统进行通信.cRIO系统与发动机ECM、整车控制器CEP通过CAN(Controller Area Network)总线组成本地通信网络进行实时数据、指令传输;与中控系统通过EtherCAT(Ether Control Automation Technology)高速网络进行实时通信进行数据交互.机械动力驱动系统结构如图6所示.

图6 机械动力驱动系统结构框图Fig.6 Structure diagram of mechanical power drive system

系统硬件主要包括:被测件、机械动力驱动系统数据采集与控制机柜、传感器序列、通用控制器ECU(Electronic Control Unit)等.

系统软件主要包括两个层级,有效的层级划分可以更有效地完成对系统的监控功能,其中传输层具有数据上传模块和指令接收模块,主要进行数据采集、实时数据上传和接受中控系统指令;驱动层具有硬件I/O驱动模块、CAN驱动模块、EtherCAT网络通信模块,主要进行与各种I/O板卡、CAN板卡、EtherCAT接口进行指令和数据交换.本软件运行在cRIO实时系统中,主要负责与硬件交互、数据采集、数据上传、指令接收、与中控系统进行通信,系统软件结构如图7所示.

图7 系统软件架构Fig.7 System software architecture

4 测试系统响应速度与系统压力稳定性

加载系统的精度及动态响应性能主要决定于伺服阀、作动器、传感器、控制系统等.

4.1 作动器所用伺服阀选型

直线作动器的最大流量为1 745 L·min-1.鉴于挖掘机的起调压力为18 MPa左右,主泵流量最大,油缸速度最快.当压力达到系统溢流压力时,主泵流量仅为最大流量的一半左右,伺服阀在最大压力下,流量为800 L·min-1左右,故选用792系列三级伺服阀.21～36 t挖掘机回转马达测试用马达最大流量为434 L·min-1,载荷较稳定,故选用MOOG伺服阀D664.推土机行走马达及45 t挖掘机回转马达测试用马达的最大流量为949.2 L·min-1,选用MOOG三级伺服阀D665.

4.2 伺服控制系统

根据技术要求,采用MOOG公司提供的成熟的多通道协调加载控制系统.本方案中配置1套机柜,共6路伺服控制通道,可实现一个或多个通道同时加载.当复合加载时,各通道加载的动态性能、稳态性能、精度互不影响.

图8 多点加载控制器机柜示意图Fig.8 Schematic diagram of multi point loading controller cabinet

4.3 液压加载测控

本子系统预装成熟的测控软件,软件在配置后,接收中央监控系统的实时指令,对液压加载系统进行实时控制,具有完备的测试、监控、安全监视的功能.

4.4 系统压力稳定性

伺服系统的加载响应及精度与液压油源的压力有关,系统采用恒压变量油源,系统压力的稳定性是保证测试精度的一个重要因素.

保证系统压力的稳定性有以下几个方面:采用蓄能器进行稳压;在系统中采用性能可靠的恒压变量泵;系统中多处采用安全溢流阀.

5 结语

本方案提供了一套可对多种工程机械车辆进行系统级匹配性能测试的综合试验台.本系统针对工况最为复杂、部件最多的挖掘机加载设计,可适当改装用于推土机、装载机的测试.

系统主要包括加载执行机构、监控系统平台、监控软件、评价系统等,各组成部件联合完成挖掘机车载液压动力系统的匹配测试.

工程机械的液压系统执行机构无外乎油缸和马达两种,工作液压系统压力一般低于挖掘机,行走系统压力一般低于推土机.而工程机械的油缸和马达的响应性能相差不大,所以本系统可经过适当的改装,用于其他工程机械动力液压系统的测试.

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Design of powertrain test bench for construction machinery

MAI Yunfei,YANG Huainan

(School of Mechanical Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

Due that the normal working conditions of construction machinery are analogous to the bad conditions of ordinary vehicles under the periodic fluctuation with large loading, a very strict requirement is postulated on transient dynamic performance of the power system. Accordingly, the performance of the integrated hydraulic power system directly determines that of vehicles, such as fuel consumption, efficiency and coordination. In order to test and optimize the matching performance of hydraulic power system, the comprehensive performance test-bench, which contains three linear loading and three torque loading channels, is designed based on mechanical, electrical and fluid matching performances. To this end, the test-bench can be applied for performance testing on not only excavator and bulldozer but also other construction machinery through modification.

construction machinery; power system; loading system; electro-hydraulic servo

麦云飞(1962-),男,副教授,博士.E-mail:m2005sh@163.com

TP 137

A

1672-5581(2017)01-0052-05