HGC液压缸测试平台设计.pdf

CFHI2024年 第2期（总218期）设计与计算CFHI TECHNOLOGYHGC液压缸在板带材轧机生产线中负责提供动力，是轧机的核心部件，出厂前要求全面检测评估液压缸的状态，保证产品性能和质量，为此需要先进的测试平台。目前，国内HGC缸生产厂家除一重天津研发中心外，还有韶关液压件厂、天津优瑞纳斯液压机械有限公司和北京金自天成液压技术有限责任公司等。其中，天津研发中心的HGC液压缸测试平台机架的承载力5 000 t，可以覆盖5 m轧机以内所有HGC液压缸的测试工作，配有先进的液压系统、电气系统、数据采集系统等。1测试平台组成天津研发中心HGC液压缸测试平台由机械设备、液压系统、电气系统、数据采集系统等四个部分组成（见图1）。1.1机械设备机械设备包括承载框架、加载液压缸、送缸小车、垫块等（见图2）。（1）封闭式承载框架为铸钢结构，最大窗口尺寸 1 800 mm2 500 mm（高宽），最大承载力5 000 t。1.一重集团大连工程技术有限公司工程师，辽宁大连116600；2.一重集团大连工程技术有限公司高级工程师，辽宁大连11660010.3969/j.issn.1673-3355.2024.02.001HGC液压缸测试平台设计马艳姿1，王江伟2摘要：详细介绍某HGC液压缸测试平台的结构，以及HGC液压缸出厂前的测试方法，实例介绍测试内容。关键词：HGC液压缸；测试平台；静态测试；动态测试中图分类号：TH137.51文献标识码：B文章编号：1673-3355（2024）02-0001-04Design of Test Platform for HGC Hydraulic CylinderMa Yanzi,Wang JiangweiAbstract:This paper gives detail introduction of the structure of a certain HGC hydraulic cylinder test platform,as well asthe HGC hydraulic cylinder factory test method,and explains the test procedure with examples.Key words:HGC hydraulic cylinder;test platform;static test;dynamic test测试平台机械设备液压系统电气系统数据采集系统承载框架加载液压缸送缸小车垫块液压站加载缸控制阀组小流量加压泵被测缸控制阀组电气柜操作台PLC控制器传感器数据采集卡PLC计算机打印机图1测试平台结构框图12024年 第2期（总218期）CFHI设计与计算一重技术（2）加载液压缸固定在承载框架的底部，主要为被测液压缸提供不同行程，调整被测液压缸的活塞高度和负载。（3）送缸小车位于承载框架前，由一个长行程液压缸驱动。被测HGC液压缸用天车吊到送缸小车上，由小车将被测液压缸送到承载框架内，并置于加载液压缸上部。（4）垫块由直径1 500 mm、厚度50 mm的圆钢片组成，用于粗调被测液压缸的初始高度。垫块组置于送缸小车上，与被测液压缸一同送进承载框架。1.2液压系统液压系统由液压站、加载缸控制阀组、被测缸控制阀组、小流量加压泵等组成。（1）液压站为测试平台提供动力，由恒压变量泵、油箱、循环过滤冷却装置、蓄能器组等组成。液压站压力350 bar，流量360 L/min。（2）加载缸控制阀组负责控制加载缸的位置和压力，由伺服阀、换向阀、单向阀、球阀、阀块、阀架等组成，固定在加载缸附近，与加载缸硬管连接。（3）被测缸控制阀组负责控制被测缸的位置和压力，由伺服阀、换向阀、单向阀、球阀、阀块等组成。测试时，该阀组直接固定在被测液压缸上，以提高系统响应频率。（4）小流量加压泵压力 400 bar，主要在打压及测量内泄漏时提供小流量的液压油，保证被测缸可以精确、稳定达到试验压力值。1.3电气系统电气系统由电气柜、ET200操作台、人机界面HMI、PLC控制器、传感器等组成。总线通讯采用PROFIBUS-DP1方式。（1）电气柜设置1个交流电源进线柜、1个液压站泵组控制MCC柜、1个PLC控制柜。（2）ET200操作台设在承载框架附近，用于整个试验平台的操作控制。（3）人机界面HMI为一台PC计算机，放置在操作台上，协调操作台完成试验。（4）PLC 控制器采用西门子 S7-400，安装在PLC控制柜内。（5）传感器有加载缸压力传感器、位移传感器和被测缸压力传感器、位移传感器。1.4数据采集系统数据采集系统由数据采集卡、频率测试仪、PC计算机、打印机等组成。（1）数据采集卡采用8通道，负责采集加载缸和被测HGC缸的压力、位移、加载缸伺服阀的阀芯位移，同时采集被测缸压力、位移及被测缸伺服阀的阀芯位移。（2）频率测试仪主要用于输入频域信号给被测系统，接受系统反馈信号，根据信号绘制伯德图。（3）PC计算机用于储存测试结果。（4）打印机负责打印测试结果。2测试内容及方法HGC液压缸出厂前测试分为静态性能测试和动态性能测试两部分。静态性能测试包含空载灵活性测试、启动摩擦力测试、打压测试、泄漏测试等；动态性能测试包含时域阶跃响应测试和频域正弦响应测试等。2.1测试前准备工作（1）将垫块、被测液压缸吊至送缸小车上。（2）启动液压站，将垫块与被测液压缸送入承载框架内。（3）连接被测缸液压管路及传感器电缆。2.2空载灵活性测试（1）HMI选择空载测试。将画面切换至空载测试画面，选择被测缸工作至位置环，通过主令使被测缸活塞完全缩回，然后将位移传感器清零。（2）调整被测缸活塞杆在行程范围内往复运动58次，记录被测液压缸有效行程和动作灵活度。2.3启动摩擦力测试（1）检查被测缸背压油路球阀是否关闭，有杆腔油路是否断开，保证有杆腔无压。图2机械设备组成1被测HGC缸；2垫块组；3送缸小车；4加载缸；5承载框架；6送缸小车轨道；7送缸小车液压缸2CFHI2024年 第2期（总218期）设计与计算CFHI TECHNOLOGY（2）将被测缸无杆腔快泄，选择被测缸工作在压力环，通过给定主令缓慢增加压力，直到活塞杆伸出。调出被测缸活塞侧的压力曲线，从曲线上找到活塞有位移时对应的压力P1。即被测缸由静止变为运动的平衡点。记录该点下的无杆腔压力值P1，则Pstart=P1-mgs（1）式中：Pstart被测缸无杆腔启动压力（MPa）；m活塞质量（kg）；g=9.8 N/kg；s活塞侧面积（mm2）。如果Pstart1 bar，认为无杆腔的启动压力合格。反复做该点附近的实验并将无杆腔压力添加到PDA中观察其变化过程。2.4打压测试及内、外泄漏测试（1）HMI选择打压测试并将画面切换至对应画面。（2）选择被测缸工作在位置环，调整被测缸至1/3行程。选择加载缸工作在位置环并通过主令调整加载缸液柱将被测缸推至接触机架顶部。选择被测缸工作在压力环，用低压将被测缸和垫块推至机架顶部。（3）被测缸无杆腔油路切换到小流量打压泵系统，将有杆腔油路断开，在下一步骤开始前将有杆腔回油管路接到量杯中。（4）打压泵向被测缸缓慢输入液压油，调整被测缸无杆腔压力分档上升并分别保压一定时间,每档保压时间由HMI设定。调节压力档位前将量杯清空，得到 1/3 行程附近不同压力下的内泄流量，检查是否有外泄。（5）由于1/3行程附近的内泄不能真实反映被测缸整个行程的内泄情况，所以在上一步骤完毕后，加载缸活塞杆缩回，打开无杆腔油路，并将被测缸切换至位置环，调整液柱至2/3行程，然后关闭无杆腔油路。（6）重复第4步骤，得到2/3行程下不同压力的内泄流量（L/min）2.5时域阶跃响应测试（1）被测缸控制阀块安装到缸的塞侧，有杆腔背压接通。加载缸落到底部。HMI选择阶跃测试并切换至对应画面。（2）将被测缸伸出到框架顶部，形成一定压力，然后选择被测缸工作在位置环。（3）通过 HMI 给定阶跃信号，幅值约 0.05mm。数据采集系统自动采集给定信号和响应信号曲线。调整被测缸的行程到中间位置和顶端位置，分别做两次阶跃响应测试，得到多组响应曲线，以最差曲线作为缸的阶跃响应性能。笔者给出某 HGC 液压缸位置阶跃测试曲线（见图 3）。泵源系统压力 26 MPa，液压缸缸径 980 mm，活塞杆径900 mm，行程120 mm，阶跃量 0.05 mm，响应时间 43 ms。HGC液压缸一般响应时间（幅值从0上升到90%）要求不超过45 ms,通过阶跃响应时间和稳态误差来评价HGC液压缸的响应性能。图3阶跃响应曲线32024年 第2期（总218期）CFHI设计与计算一重技术2.6频域正弦响应测试（1）完成时域阶跃响应测试后，HMI选择正弦测试并切换至对应画面。（2）将被测缸伸出到框架顶部，将被测缸塞侧压力升高到14 MPa，然后选择被测缸工作在位置环。（3）通过HMI给定正弦信号，幅值约0.02 mm，频率从1 Hz逐步增加到20 Hz，在增加频率过程中，如果发生机架共振现象，应立即停止测试。（4）数据采集系统自动采集给定信号和响应信号的曲线，频率分析仪根据得到的曲线绘制Bode图。调整被测缸行程到中间位置和顶端位置，分别做正弦响应测试，得到多组响应曲线，以最差曲线作为缸的正弦响应性能。笔者给出某HGC液压缸位置正弦响应测试曲线及数据（见图4）。泵源系统压力14 MPa，液压缸缸径 980 mm，活塞杆径 900 mm，行程 120mm，正弦幅值0.01 mm，频率约 14 Hz,幅值衰减72%。对于整个系统而言，系统的频带宽决定了系统的响应速度，频带宽越高，响应越快。2.7整理并打印测试报告通过测试平台完成HGC液压缸出厂前的动静态测试，形成出厂测试报告，报告内容包括有效行程、空载测试是否正常、无杆腔启动压力、摩擦力大小、1/3、2/3行程附近内泄量、是否外泄、加载缸过平衡力下被测缸阶跃响应曲线、加载缸模拟工况下被测缸阶跃响应曲线及动态特性曲线。图4正弦响应曲线3结语该液压缸测试平台能满足HGC液压缸出厂前测试要求，可以全面掌握每个缸的性能特点，保证安装到轧机后准确、稳定、可靠地工作；该测试平台可以实时显示测试数据和曲线，能够有效保存检测数据，为液压缸开发应用提供数据支持，对其他设计试验台亦具参考价值。收稿日期：2024-03-21（上接第7页）m=0.957 4，同理查得n2=1 800 r/min时，=0.920 3，m=0.955 7，算得C3=30.4；C4=0.035 1。根据以上可计算n=1 000 r/min，最大排量时v=0.933 3，m=0.960 2，得到总效率=0.896 2。5结语本文应用相似原理，推导几何相似泵的容积效率和机械效率，得到无因次变量nP表达的效率计算公式，可用于近似计算不同转速下泵的效率。参考文献 1 BOSCH-REXROTH.重工业液压元件M.第一册.2 PARKER.轴向柱塞式变量液压泵Pv-PLUS系列M.3 何存兴.液压元件M.北京：机械工业出版社，1982：17-18.4 罗德刚，舒代游.轴向柱塞泵在不同工况下的效率J.流体传动与控制,2004（11）:37-40.收稿日期：2023-11-014