大型轧制伺服液压缸试验台系统的设计与研究

曹立波，林君哲

（1.吉林广播电视大学 白山分校，吉林 白山 134300；2.东北大学，辽宁 沈阳 110819）

1 引言

随着国家装备制造业的不断发展壮大，钢铁行业一直保持高速发展，尤其是大型轧制生产线的不断投产，使得应用轧制伺服液压缸的数量越来越多，对伺服液压缸的质量要求也越来越高，其性能的好坏成为了轧制钢材质量和产量的关键因素。但是到目前为止，大型轧制伺服液压缸产品质量的检测还没有统一的试验方法和试验标准。因此，无论是从科学角度还是从实用角度来说，设计一套用来专门检测伺服液压缸性能的试验系统就显得格外重要[1-3]。

2 伺服液压缸试验台系统设计

2.1 基本要求

试验台要求伺服液压缸的动静态测试试验项目能够结合在一起，同时具备自动化操作和测试的高精度要求，并能够实现手动和自动两种模式的切换。其中，测试内容主要包括测试被测液压缸的耐压能力，静动摩擦力大小，是否有外泄漏、内泄漏以及爬行、最低启动压力大小和规定行程内的偏摆值等[4-6]。

2.2 伺服液压缸试验台系统原理设计

试验台液压系统原理图，如图1所示。采用比例伺服控制方式，原理设计充分考虑系统的性能及各液压元件的匹配问题[7]。如图1所示，系统采用三通阀控不对称缸的控制模式，即采用标准四通伺服阀充当三通阀使用，设定伺服液压缸的无杆腔为工作腔，有杆腔通恒定低压。考虑试验台的体积不易过大，采用两缸对顶结构，即将标准伺服液压缸的缸体安装固定在牌坊下的地沟里，被测伺服液压缸安装在标准伺服液压缸的上方，两个活塞杆之间连接有压力传感器。试验台计算机控制部分硬件部分由各类传感器、伺服放大模块、信号调理模块、多功能A/D和D/A转换模块等组成。

图1 试验台液压系统原理图Fig．1 Diagram of the Servo Hydraulic Cylinder Test Platform

2.3 系统主要参数计算及元件选择

为防止标准伺服液压缸的尺寸、伺服阀流量和液压系统压力等参数过大，综合衡量系统要求、设备参数以及技术水平等，选取系统压力ps=30MPa[8]。为保证伺服阀的控制能力，取工作压力PL=22MPa。根据牛顿第二定理，负载力：

式中：Ac—标准缸无杆腔工作面积（m2）；Ar—标准缸有杆腔面积（m2）；Pr—液压缸背压。

令面积比 α=Ac/Ar，取 α=4，F=30MN，内径 D=（4Ac/π）0．5=1．3219m。查手册圆整，D=1320mm，d=1140mm。

式中：βe—有效体积弹性模量，取值 1000MPa，Ac=1．372m2，Vtmax=0．2744m3，mt=5000kg。计算的得，转化为频率，由于，能够满足系统的动态响应。

系统要求最大速度为vmax＞60mm/s，则伺服阀的最大负载流量为442．8L/min。系统采用三级电反馈式电液伺服阀，选用型号为D792-S-400-JOQA-4-VSX-2-B的MOOG伺服阀。比例溢流阀采用北京华德生产的先导式比例溢流阀，泵采用A7V500型斜轴式变量柱塞泵。

3 液压试验系统模型的建立

液压试验系统包括两个闭环回路，压力闭环和位移闭环。系统压力和位移闭环控制原理图，如图2所示。

经计算得，液压位置控制开环传递函数为：

经计算得，液压压力控制开环传递函数为：

图2 位移与压力控制原理图Fig．2 Control Diagram of Displacement and Pressure

4 系统参数确定与系统仿真

4.1 伺服液压缸系统参数确定

根据提供的技术参数、设计要求以及伺阀控液压缸系统的技术标准，确定伺服液压缸系统的动力机构仿真参数，如表1所示。

表1 动力机构参数表Tab.1 Power Mechanism Parameters Table

4.2 位移控制闭环系统仿真

数学模型采用MATLAB/Simulink软件进行仿真分析。对位移控制系统引入PID控制算法，仿真结果，如图3所示。从校正后的阶跃响应曲线可以看出系统的上升时间为16ms，调整时间45ms。系统稳定并符合要求。

图3 校正后的位置阶跃响应曲线Fig．3 Curve of the Adjusted Position Step Response

4.3 压力控制闭环系统仿真

对压力控制闭环系统同样采用PI控制器进行校正，如图4所示。从图4可知，校正后系统有小的压力波动，但系统的快速性得到很大提高，在0．15s即达到压力稳定。

图4 校正后的压力阶跃响应曲线Fig．4 Curve of the Adjusted Press Step Response

5 伺服液压缸试验方法研究

液压测试系统采用比例伺服控制技术，结合计算机辅助测试技术，能对直径在1500mm以下的各类伺服液压缸进行测试。现以动摩擦力测试项目为例进行试验方法说明。动摩擦力测试示意图，如图5所示。

动摩擦力测试试验项目操作界面，如图6所示。系统采用VB语言设计人机交互界面，通过编写代码程序，将应用程序编译成可执行文件，可直接在Windows环境下安装运行。

图6 伺服液压缸动摩擦力试验界面Fig．6 Interface of Kinetic Friction Force Test

动摩擦力测试系统流程，如图7所示。

根据动摩擦力测试流程图可知：

S-1：变量初始化，回程标记flag=0，被测缸位移量Δsmax=5mm；

S-2：扫描A/D-1、2通道，记录并显示A/D-1通道活塞初始位移s0和A/D-2通道无杆腔初始压力P0；

S-3：D/A 通道输送控制电压，un+1=un+Δu；

S-4：扫描A/D-1、2通道，记录活塞位移sn和无杆腔压力Pn；

S-5：计算位移量 Δs=sn-s0，判断 Δs≥Δsmax，若不是则返回 S-4，若是则继续下一步；

S-6：判断回程标记flag=0，若不是进入S-8，若是则继续下一步；

S-7：令控制电压 Δu=-Δu，回程标记 flag=1；

S-8：判断位移量Δs＞0，若不是则继续下一步，若是则返回S-3；

S-9：以位移sn为横坐标，压力Pn与无杆腔面积A的乘积PnA为纵坐标，绘制曲线；

S-10：从曲线上读取sn点处的两个PnA值，计算其和值并除以2，即为动摩擦力f。

图7 动摩擦力测试流程图Fig．7 Flow Diagram of Kinetic Friction Force Test

通过对动摩擦力测试的流程设计，能够完成动摩擦力测试项目的所需内容。

6 结论

（1）针对大型轧制伺服液压缸的性能测试技术要求，设计了试验台液压控制系统，通过参数计算，建立了准确的数学模型。（2）通过仿真分析，验证了液压系统的快速性、稳定性和可靠性。（3）对液压控制系统进行了PI校正优化，拓宽了液压控制系统的频宽，提高了系统的动态响应。为进一步完善伺服液压缸试验台设计和实验方法提供一些理论和试验基础。