工程機械作業(yè)工況虛擬加載與控制實驗平臺及其實驗方法
【技術領域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及工程機械控制領域，尤其涉及一種工程機械作業(yè)工況虛擬加載與控制實驗平臺及其實驗方法。
【背景技術】
[0002]現代工程機械是機電液一體化的綜合體、自動化信息的集成體。工程機械的工作機構速度較慢，但輸出力或力矩較大，空載運行時速度較高，且在工作過程中需要頻繁的變速換向，因此國、內外95%以上的工程機械均采用液壓傳動，以便于大扭矩、大慣量載荷需求及自動控制。工程機械作業(yè)環(huán)境復雜多變，其對象和載荷變化劇烈，在其作業(yè)過程中，一方面隨著設備自動化、信息化程度的不斷提高，工程機械運行過程中信息的傳遞更加復雜，另一方面，面對越來越復雜的作業(yè)環(huán)境及工況，設備如何能夠可靠、高效的運行，是目前亟待解決的技術難題。在工程機械作業(yè)過程中，其作業(yè)性能不僅受到系統(tǒng)本身性能的影響，同時作業(yè)環(huán)境及作業(yè)過程中的極端工況對作業(yè)性能的影響同樣不可忽視。
[0003]現代工程機械設備大型化、作業(yè)工況復雜及大功率負載等特性愈加突出，而液壓傳動系統(tǒng)作為主要能量傳遞單元以滿足設備對工況的運行。其中變轉速控制技術的提出顯著提高了液壓系統(tǒng)整體運行效率，但存在控制精度低、響應速度慢、起停沖擊明顯等負面效果，這些負面效果都與載荷變化有所聯系。工程機械載荷，如扭矩、彎矩、力及加速度不是確定的和有規(guī)律的，即在載荷發(fā)生的結果不是唯一的，而多種可能發(fā)生的結果是一個隨機過程，此前，載荷譜模擬實驗中往往是通過概率統(tǒng)計的方法分析隨機載荷并在實驗室環(huán)境下進行加載實驗，其需要采集大量實驗數據且數據處理方法較為復雜，而得到的結果與實際情況有一定偏差，因此，在研究工程機械變轉速控制中，脫離實際工況將無法全面、系統(tǒng)的解決問題。
[0004]通過檢索，發(fā)現與液壓系統(tǒng)加載及控制方法的專利申請如下:
[0005]1)中國專利(專利申請?zhí)?CN 201410073704.1)，提出一種液壓缸實驗臺負載模擬裝置及其控制方法，僅針對液壓缸性能測試。
[0006]2)中國專利(專利申請?zhí)?CN201410430823.8)，提出一種液壓試驗臺系統(tǒng)，結合油溫對液壓缸進行測試，并沒有涉及工況載荷模擬。
[0007]3)中國專利(專利申請?zhí)?CN201110042582.6)，提出可控載荷譜液壓加載方法及其加載裝置，并沒有涉及旋轉加載系統(tǒng)。
[0008]4)中國專利(專利申請?zhí)?CN201010176051.1)，提出一種模擬工況的液壓缸試驗裝置及實驗方法，僅針對液壓缸性能測試，且沒有涉及控制技術。
[0009]5)中國專利(專利申請?zhí)?CN201010109165.2)，提出一種動態(tài)沖擊加載試驗臺及其試驗系統(tǒng)，僅針對沖擊過程。
[0010]綜上所述，從已查到的國內專利申請文獻來看，還沒有涉及針對工程機械作業(yè)過程進行虛擬加載來研究工程機械變轉速控制技術。

【發(fā)明內容】

[0011]本發(fā)明的目的在于提供一種工程機械作業(yè)工況虛擬加載與控制實驗平臺及其實驗方法，以滿足學校研究人員和工程技術人員對工程機械變轉速控制技術研究的需要。本發(fā)明結合虛擬仿真技術，將工程機械基本運行規(guī)律和作業(yè)載荷譜模擬成電液控制輸出信號，并加載于實際液壓系統(tǒng)，利用信號采集及處理技術獲取系統(tǒng)運行狀態(tài)信息，實時對電機進行控制，以此達到變轉速跟蹤控制的目的。
[0012]為了實現上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案:
[0013]工程機械作業(yè)工況虛擬加載與控制實驗平臺，包括油箱、驅動液壓回路、往復式加載回路、旋轉加載系統(tǒng)及實驗平臺測控系統(tǒng)；其中:
[0014]驅動液壓回路包括永磁同步電機、第一吸油過濾器、第一截止閥、第一齒輪栗、第一單向閥、第一三位四通電磁換向閥、第二三位四通電磁換向閥、液壓馬達和驅動液壓缸；第一吸油過濾器的一端連接油箱，另一端通過第一截止閥連接第一齒輪栗的入口，第一齒輪栗的出口通過第一單向閥連接第一三位四通電磁換向閥的P 口 ；永磁同步電機的輸出端連接第一齒輪栗；第一三位四通電磁換向閥的A 口和B 口分別連接液壓馬達的兩個油口 ；第一三位四通電磁換向閥的T 口和P 口連接第二三位四通電磁換向閥的T 口和P 口；第二三位四通電磁換向閥的A 口和B 口分別連接驅動液壓缸的有桿腔和無桿腔；第二三位四通電磁換向閥的T 口、第一三位四通電磁換向閥的T 口通過冷卻器連接油箱；
[0015]旋轉加載系統(tǒng)包括磁粉制動器和慣量裝置；液壓馬達的輸出端連接慣量裝置，慣量裝置和磁粉制動器連接；
[0016]往復式加載回路包括第二吸油過濾器、第二截止閥、第二齒輪栗、變頻異步電機、第二單向閥、第三三位四通電磁比例換向閥、背壓加載閥組和第二加載液壓缸；第二吸油過濾器一端連接油箱，另一端通過第二截止閥連接第二齒輪栗的入口，第二齒輪栗的出口通過第二單向閥連接第三三位四通電磁比例換向閥的P 口；第三三位四通電磁比例換向閥的T 口和P 口通過背壓加載閥組連接加載液壓缸的有桿腔和無桿腔；加載液壓缸的活塞桿通過質量塊連接驅動液壓缸的活塞桿；變頻異步電機的輸出端連接齒輪栗；
[0017]所述移動式支架包括平板移動小車、油箱支架、動力源支架；油箱支架和動力源支架與平板移動小車下底板通過螺栓連接，平板移動小車下底板表面和動力源支架上表面放置滑道機構；油箱與油箱支架通過螺栓進行連接；滑道機構由倒T型滑道、滑道內置滑塊以及滑板組成，滑塊上有內螺紋孔，通過螺栓固定滑板；永磁同步電機的支架、第一齒輪栗、變頻異步電機的支架、第二齒輪栗的支架、驅動液壓缸的支架、加載液壓缸的支架、旋轉加載系統(tǒng)置、液壓馬達的支架、慣量裝置的支架安裝在滑道機構上。
[0018]進一步的，移動式支架包括平板移動小車、油箱支架、動力源支架。支架與小車下底板通過螺栓連接，下底板表面放置滑道機構，便于驅動液壓缸、加載液壓缸以及旋轉負載系統(tǒng)的快速裝卸。油箱與油箱支架通過螺栓進行連接。動力源支架上表面放置滑道機構，便于對永磁同步電機、齒輪栗、變頻異步電機、齒輪栗、轉速傳感器進行快速裝卸。
[0019]進一步的，油箱包括油溫傳感器、油液加熱器、液位計。油箱上蓋板表面放置滑道裝置，便于對閥塊的快速裝卸及二次開發(fā)。
[0020]所述蓄能器回路包括蓄能器和電磁球閥；電磁球閥的A 口連接蓄能器，P 口連接驅動液壓回路或往復式加載回路口連接T 口，T 口連接油箱。
[0021]實驗平臺測控系統(tǒng)用于控制驅動液壓回路、旋轉加載系統(tǒng)、往復式加載回路工作。
[0022]進一步的，永磁同步電機通過電機伺服控制器連接實驗平臺測控系統(tǒng)；永磁同步電機的電壓、電流通過電機伺服控制器進行直接測取并傳輸給實驗平臺測控系統(tǒng)；
[0023]液壓馬達通過慣量裝置連接磁粉制動器；轉速轉矩傳感器安裝在液壓馬達與慣量裝置之間，用于測量液壓馬達輸出轉速及力矩；轉速轉矩傳感器連接實驗平臺測控系統(tǒng)；
[0024]變頻異步電機通過變頻器連接實驗平臺測控系統(tǒng)；
[0025]進一步的，第一單向閥與第一三位四通電磁換向閥之間的管路上設有第一流量表；第一齒輪栗的輸出端還連接有第一壓力變送器和第一電磁比例溢流閥，第一齒輪栗與第一電磁比例溢流閥之間設有第一指針式壓力表；
[0026]第二單向閥的輸出端連接有第二壓力變送器和第二電磁比例溢流閥；背壓加載閥組連接有第三壓力變送器。所述第一、第二、第三壓力變送器連接測控系統(tǒng)。
[0027]第二加載液壓缸的活塞桿與質量塊之間設有拉壓傳感器；所述拉壓傳感器連接實驗平臺測控系統(tǒng)。
[0028]進一步的，所述質量塊包括第一質量塊與第二質量塊；驅動液壓缸的活塞桿通過螺紋與第一質量塊相連，拉壓傳感器在驅動液壓缸側與第二質量塊相連，第一質量塊與第二質量塊通過螺栓與螺母相連接，螺栓無螺紋處套入彈簧，彈簧自由長度等于螺栓無螺紋處長度。
[0029]針對旋轉加載系統(tǒng)，實驗平臺測控系統(tǒng)中工控機通過模擬工程機械作業(yè)過程，將作業(yè)過程中的壓力模擬信號輸出給控制板卡，控制板卡將信號輸入給磁粉制動器，改變負載轉矩；通過測取液壓馬達的實時轉速轉矩信號，由采集板卡輸入工控機內模糊PID控制器，將輸出目標轉速信號送給電機伺服控制器，以此改變永磁同步電機轉速，形