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液压元件与系统测试技术内涵、发展趋势

2020/4/7

液压测试的目的

判断液压元件的好坏,需要液压试验与测试来验证,但应该把液压试验与测试当成实验科学的一部分来对待,而不是仅当作操作一个试验台、完成一个液压试验。所以,液压试验与测试必须弄清液压元件或系统的试验方法、试验中各种物理量的测量、测量信号的分析与处理,这是进行液压试验与测试的三个主要步骤。


液压试验与测试中认真做好这三个主要步骤有助于实现液压测试的主要作用:掌握液压元件特性、辨别液压产品性能优劣、找出液压元件中薄弱环节、优化设计与生产工艺,从而提升产品性能。当然这里面也包括一个液压元件在系统中应用时,如何避开它的弱点,用好它的长处,这通常也要由试验技术解决的。


液压测试的终极目的是研发出更好的产品,但通过测试并不能将不合格的产品变成合格产品!测试的目的就是要找出薄弱环节。大家做试验台,你能不能用这个试验台发现你生产的元器件性能是否能够满足用户要求、找出产品的薄弱环节,这是衡量一个试验台好坏的关键。


液压测试技术的发展趋势


液压试验及测试总的趋势:

◆从低压、小流量向高压、大流量发展,这个趋势非常明显。

◆从静态性能测试向动态测试发展。

◆从传统的测试向高度集成的计算机测试发展。

◆从单纯的测量向测试与控制综合发展。

◆从离线测试向在线测试发展,与数字信号处理技术、计算机技术、网络技术等不同学科融合,液压测试技术已逐渐从传统手动测量,向着多电化、自动化、网络化方向发展。



1、多电化体现在两个方面

(1)传感器、微电子、计算机技术支撑的检测与控制,以提高检测精度、控制性能为目标。

◆传感器的精度、动态性能、信号调理及采集系统的信噪比显著提高。

◆利用计算机的强大资源使原来由硬件实现的技术软件化,使得现代信号分析处理技术成为瞬态、非线性、突变信号强有力的分析工具,为液压产品的建模及动态补偿算法以及液压的动态参数“在线”实时高精度检测提供了技术基础。

◆测试系统的计算机化。一方面体现在测试系统广泛采用计算机和智能仪表或传感器;另一方面出现了小型化、便携式的液压测试仪器以及嵌入式的液压控制与检测设备,为液压设备的现场测试以及液压元件的在线可靠性评估和健康管理提供了一种选项。

(2)电力电子和变频电机为动力元件,以提高动力流的能效为导向。大家看到现在好多泵站,采用了变频或者伺服电机驱动+定量泵技术,来取代传统的变量泵。从这方面看,液压最大的竞争是交流伺服系统,尤其在固定设备里,好多液压系统被踢出来了。但在移动设备比如工程机械里,液压的地位还是比较巩固的。

现代电气传动系统以其优良、方便的调速性能,很强的负载动、静态模拟能力,便于实现能量回收,在液压测试技术中的应用主要包括:

◆液压驱动的电气化。液压泵试验台的交流变频驱动,泵驱动的调速更加灵活、方便。

◆液压加载的电气化。采用交流伺服电机/测功机,即可为被试液压元件加载,又可进行反拖。从而,理论上可以进行任意负载(包括:惯性、扭矩/力以及两者的组合)的模拟。

2、自动化:逐渐迈向全自动的测试

液压测试是一个技术性非常强的工作,是一个交叉学科,除了需要了解液压,还需了解电、软件、计算机,对技术人员的综合素质要求非常高,液压测试的设计肯定需要专家来做,不是人人都能做好液压测试。液压测试要尽量提高自动化水平,大家用自动化的功能来操作,能带来很大的便利,可以避免误差,关键采用自动化以后,液压测试系统的动、静态特性都得到提高,这是用自动化最大的好处,这样可以把液压产品的宏观和微观特性能都得到完美展现。过去的试验设备,如果测试系统很慢,静态特性满足了但动态就很差,如果测试系统的动态做好了,静态数据就不行了,很难做到静、动态性能的兼顾,会给液压元件性能的全面掌握带来一些困难。液压测试的自动化主要工作应体现在:

◆测试数据采集与分析处理的自动化。

◆动力流控制与操作的自动化:驱动、加载、试验回路组建(包括被测件的自动装夹)的自动化。

◆测试工艺的自动化及其软件组态:测试工艺支持软件组态,自动生成的试验流程和测试工艺,测试设备可自动执行设定的测试流程与工艺,自动完成测试作业。

◆安全与保护的自动化:高压、大流量、高动态要求测试设备必须具有快速进行故障报警、紧急停机等安全保护功能,自动化是实现快速有效进行安全与保护的最有效手段,可以最大限度地保证设备和人员安全。

微电子和计算机技术的发展,液压测试系统已逐渐具备自动故障诊断、自调零、自校准、自动测试等功能,并能进行软件的组态,在充分考虑用户使用习惯的同时具备了易用性和操作的人性化。

3、网络化:助力仿真与测试的协同;推动在线测试与故障诊断实现

现场总线技术、互联网等通信技术的发展极大地影响着液压测试系统的变革。现在,很多液压数字控制阀是带CAN总线的,网络化影响液压测试体现在:

◆测试设备的网络化可以实现测试数据库共享,从而支撑液压元件的虚拟设计仿真平台,为液压元件的性能提高提供试验依据;同时,通过数据库的大数据分析,为液压元件的性能、故障等状态跟踪服务。这是它最大一个好处,我们的试验数据和仿真建模可以同步进行,液压元件或系统的参数(包括故障)可以在仿真与试验之间实现交互,使得仿真模型更加贴近真实,从而实现液压元件设计的有效指导,同时,用仿真指导试验方案,使得从试验中获得的数据能被有效地利用。

◆主机液压元件或系统通过嵌入式控制器在线实时采集主机液压元件、系统的相关参数,根据其动、静态性能进行液压产品的寿命预测、故障诊断与健康管理,为主机的状态监测、液压元件寿命的预测、保养、维护提供增值服务。比如如果单独做可靠性试验,试验需要1万小时,大家想想要做多长时间,每天24小时的话,需要400多天,这是很难的,如果产品实现了数字化,就能在线做测试,实现产品性能的跟踪,将测试数据拿出来,这就是非常宝贵的财富,是液压在线测试很有优势的东西。如果我们主机上有软件,有数字化的东西,我们通过网络,可以把它收集到元件厂的数据中心去,我们做一个长时间的寿命预测,包括健康管理。

液压测试中的关键技术

液压测试技术的趋势是自动化、网络化、多电化,随之,出现很多傻瓜型试验台,使用简单、功能强大,给我们的感觉好像是每个人都可以做好液压测试了,大家说自动化以后对人的要求降低了,这其实是误导,甚至会造成危险,因为它让我们认为不需要思考了。实际上,简单只是对操作人员,而对液压测试人员的专业化要求是越来越高。做测试,如果对整个元件、系统,包括试验装置不了解的话,要把元件测试做好几乎是不可能的。如果我们假设被测对象的模型不正确,如果我们用不正确的测量方式,如果我们不考虑测量方法的不确定性,那么我们就可能得到完全错误的结果,更可怕的是我们并不知道。传感器、仪器仪表等测量设备的性能越来越高,过去0.1%的精度就被认为是高精度,今天便宜、简单数字测量设备就能提供0.05%的测量精度。但是要发挥好这些测量设备的效能,需要液压测试技术人员测试系统(从传感器、信号调理器,到仪器仪表、计算机采集系统)对进行正确的精度分析,这对测量至关重要。所以自动化只是对操作人员的要求降低了,但对测试专家来说,它的要求不是降低了而是提高了。这是自动化带来的问题,我们需要特别重视。


1、关键技术之一:加载技术(机械、液压、测功机)

(1)机械加载。可用于液压马达或可通过液压马达进行的测试。摩擦片加载、扭板弹簧加载、惯性盘加载等方法。这些方法一般都简单易行,但由于各种限制均不适合于大功率、无级加载的情况,在工程机械中很少应用。

(2)液压加载。可用溢流、节流、二次调节元件进行加载。

◆溢流阀:受限于最小调节压力,加载压力不能从零开始,低压、大流量特性测试时效果差。

◆节流阀:虽然可从零开始加压,但加载压力与流量成平方关系,大流量时节流口微小变化都会引起加载压力很大变化,加载压力调节困难;流量变化时,加载压力需要反复调节。

◆二次调节元件:可恒扭矩和恒转速加载,四象限工作,具备功率回收能力,但控制复杂,技术难度大。

(3)测功机加载。该加载方式主要是配合液压马达一起使用,将液压能通过液压马达转换为机械能,测功机吸收机械能,从而实现加载,是现在广泛采用的一种技术,目前常用的测功机主要分为磁滞测功机、磁粉测功机、电涡流测功机、水力测功机、电力测功机。除电力测功机外,磁滞测功机、磁粉测功机、电涡流测功机、水力测功机等都是要耗能的,一般都是讲其吸收的机械能转成热能给消耗掉了。电力测功机目前在液压测试领域应用的还不是很多,所谓电力测功机简单的讲就是电力逆变装置+变频电机或交流伺服电机,这里变频电机既可以做发电机,将机械能转换为电能返回电网,也可以从电网取电将电能转换为机械能,类似液压中的二次元件,可以在四象限工作,可以能量回收,而且扭矩控制精度可以到千分之二。未来,这种加载方式应该会成为液压试验与测试装置加载的主流。


2、关键技术之二:信号测量及其数据处理技术

试验回路确定后,我们就要有各种传感器,进行信号测量与信号的数据处理,过去大家都用万能表来做,现在大部分都是“传感器+信号调理器+信号采集系统+计算机”的方式,这里面每一个都很关键。

(1)传感器选择。价格、量程、精度,我们需要在三者之间折中,比如用一个扭矩仪,量程是2000Nm,实际只用到200Nm,这个能不能测,能,但是精度不行,所以我要换传感器,这就有一个成本和操作方便性的问题,所以我们就需要根据我们的需求进行折中。实际上,国标规定的B级精度在全量程实现的话,还是很难达到的,如果仅仅是额定值的话,就很容易,对一个试验台来讲,这不是常态。再看看用量程2000Nm扭矩仪测200Nm扭矩的情况,如果扭矩仪的精度为0.5%满量程,测得的200Nm的相对误差就是5%了,非常差了,已经达不到国标规定的B级精度了。因此,在传感器选择时,我们必须懂得传感器与测量的知识,弄清传感器所给精度与量程、实际测量精度的关系。另外,如果测试有动态要求,例如:变量泵的变量特性测试、压力脉动的测试,传感器的动态响应就需特别关注,许多传感器没有给出动态响应指标,像压力传感器如果没有给出动态指标的话,通常频率响应不超过200Hz,如果用它测量压力脉动,精度肯定是有问题的,难于真实反映实际的压力脉动情况。

(2)信号调理及采集。我觉得大家应该注意下面几个问题。

◆A/D采集卡的合理选择(量程、位数、采样速率),数据采集卡,可能有一两千块钱的,也有三四万块钱的,它的精度与动态性能是完全不一样的;需要特别注意的是数据采集卡的位数,不是它的精度;数据采集卡上A/D转换器的速度也不代表能达到的实际采集速度。

◆电磁兼容(隔离、共地、屏蔽等技术),尤其电气传动以后,变频器的影响非常大,处理不好电磁兼容问题(过去叫抗干扰),就不能把精度做上去。

◆信号调理器的合理选择,主要包括功能,输入/输出阻抗,频带、精度等。

◆模拟滤波器的合理选择,主要包括形式、阶数、截止频率等,在选择滤波器前必须搞清楚信号的特点、加滤波器的目的及其带来的影响。

◆布线。

◆标定。


(3)信号处理方法。计算机技术给信号处理带来极大的方便性,一般信号可以从四个域:时间域、幅值域、频率域、时延域来进行分析。合适的处理处理方法可以大大提高测量精度,例如:采用测量数据的建模技术可以把整个测试的随机误差去掉,提高整个测试的动静态性能。这里面涉及到数字滤波,数学建模、数据分析和数据表达。这是一个泵的液压试验台,软件是我们开发的,传统的液压泵、马达工作特性测试方法需要大量的实验数据且只能提供几种特性曲线,不仅试验耗时、耗能,而且难于得到准确的泵、马达工作特性曲线。我们利用多元非线性建模理论,根据多种工况下测得的实验测试数据,以液压泵/马达的扭矩和流量损失为基础,建立能够全面反映液压泵/马达工作性能的模型,从而可得到任何工况下液压泵/马达的工作特性曲线,并可采用图、表等多种输出方式。该方法不仅可以减小试验工作量、缩短测试时间,而且能大大降低实验数据的随机误差,提高测试精度,而且数据表达非常丰富。


3、关键技术之三:半实物仿真技术

这是西门子小车加载测试,其特点在于:

动变静:主机实际工况改为实验室试验:有利于数据采集;有利于定性、定量载荷输入;有利于仿真和试验结合;安全,效率高、节省能量和费用。

静变动:由静载荷改为动载荷:阶跃载荷下的动态响应;变载荷下的特性;各种工况下的性能;可靠性测试;

液压试验与测试技术,特别是液压系统采用半实物仿真技术进行试验与测试,可以在实验室进行液压元件性能匹配;电控系统的调试与优化;动力系统的匹配、优化。这一技术对推动液压元件性能的优化,主机性能的提升的研究具有重要意义。

4、关键技术之四:可靠性及寿命测试

(1)可靠性实验(Reliability Test)。这一块涉及到的问题很多,主要目的是发现设计、工艺、材料等方面的缺陷,可靠性测试是工程试验,是统计试验,一定要做很多样本,只做一个两个是不行的,说明不了问题。

(2)加速退化试验(ADT)与加速寿命(ALT)试验比较。

相同点:

◆确定产品的可靠性及寿命。

◆基本前提是试验过程中产品失效机理不能改变。

◆应力的选择都是在技术规定的范围内,试验的周期通常较长,一般要数周到数月。

◆基本思想是一致的,都是通过加大试验应力来加速产品的退化或失效。

不同点:

◆ADT:性能退化数据;只研究退化性的失效模式;目的是预计产品在设计或使用条件下的失效时间或可靠性指标。

◆ALT:失效寿命数据;除可以研究退化性的失效模式之外还可以研究突发性的失效;目的是度量可靠性或寿命。

(3)液压元件综合应力寿命试验。一般选用压力、转速、温度作为综合敏感应力,美军标MIL-P-19692E对寿命试验条件有比较详细的规定。

我个人认为在实验室做一个可靠性试验台,进行可靠性试验,成本太高了,而且试验样本不能够做太多,样本少的话就说明不了问题,但在实验室做一些可靠性研究试验还是非常必要的,建议将实验室的可靠性试验与在线测试结合起来进行。如果液压元件实现了数字化,可以利用嵌入式数字控制器采集产品在使用中的各种性能曲线、参数,做一个长期的跟踪,结合实验室的可靠性研究,这可能是可靠性试验与研究的一个比较可行方案。

5、关键技术之五:在线测试技术

线测试技术,多电化、自动化、网络化为在线测试提供了物质基础、技术支撑、信息平台。我们现在正在做一个在线测试项目,将液压元件的控制与在线测试相结合,利用这样的系统,我们可以在线测试液动、静态性能,建立泵的健康管理模型,可进行泵的寿命预测、故障判断,实现健康管理。正如前面所讲,对于像可靠性试验这样的耗时试验,采用在线测试技术,有效利用产品使用过程中的在线测试数据,无疑具有重要的意义。

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