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          軋制伺服油缸試驗(yàn)臺(tái)研究

      曾良才, 王曉東, 黃富, 陳燦軍, 陳奎生
  (1.武漢科技大學(xué)機(jī)械自動(dòng)化學(xué)院,湖北武漢430081；2.武漢鋼鐵(集團(tuán))公司,湖北武漢430080)
摘要: 軋制伺服油缸軋制力大、行程短、頻率響應(yīng)高, 測(cè)試難度較大。本文針對(duì)這些特點(diǎn), 提出了軋制伺服油缸的試驗(yàn)必須進(jìn)行全行程摩擦力和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的測(cè)試; 研究了其試驗(yàn)方法、試驗(yàn)液壓系統(tǒng)的組成及CAT 測(cè)試系統(tǒng)的配置, 所研制的軋制伺服油缸試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)試精度達(dá)到了國家B 級(jí)精度。
關(guān)鍵詞: 液壓試驗(yàn)臺(tái); 伺服油缸; 液壓AGC; 液壓CAT
   The Research on the Hydraulic Testing Rig of Rolling Servo Cylinder
Abstract: The rolling servo cylinder’s rolling force is great , stroke is short , frequency response is rapid and testing is difficult. According to
these features , this article puts forward that in this kind of cylinder’s testing , the frictions and dynamic responds of the whole stroke must be tested. In this article , we have studied the testing methods , the constitution of the testing hydraulic systems and the configuration of the CAT testing system. The testing precision of the rolling servo hydraulic cylinder testing rig reached our national class B precision.
Keywords: Hydraulic testing rig ; Servo cylinder ; Hydraulic AGC; Hydraulic CAT
     1.概述
  軋機(jī)液壓AGC 系統(tǒng)具有響應(yīng)快、精度高等特點(diǎn),目前正在逐步取代電動(dòng)AGC 而成為高精度快速軋制的核心設(shè)備。而系統(tǒng)中的關(guān)鍵元件軋制伺服油缸載荷大, 頻率響應(yīng)高, 結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 調(diào)試及故障診斷難度很大, 常常因無法預(yù)測(cè)故障或不能判斷故障部位而被迫停產(chǎn)檢修, 由于缺乏試驗(yàn)手段, 經(jīng)常送往國外進(jìn)行試驗(yàn)與維修。因此, 國內(nèi)急需能夠?qū)σ簤篈GC 系統(tǒng)中軋制伺服油缸進(jìn)行動(dòng)態(tài)和靜態(tài)試驗(yàn)的技術(shù)與設(shè)備, 以解決事故停產(chǎn)檢修過多的問題。目前已有的各種液壓試驗(yàn)臺(tái)均不適用于軋機(jī)液壓AGC 系統(tǒng)及其關(guān)鍵元件的測(cè)試。特別是對(duì)于軋制用大型伺服液壓缸, 目前還沒有可行的試驗(yàn)方法與標(biāo)準(zhǔn)。下面主要介紹所研制的高精度軋制伺服油缸試驗(yàn)臺(tái)。
    2.試驗(yàn)臺(tái)的主要試驗(yàn)內(nèi)容
  軋制伺服油缸與普通油缸有很大差別, 其特點(diǎn)是軋制力大、行程短、頻率響應(yīng)高。許多軋制伺服油缸缸徑大于1000mm 以上, 而工作行程小于±100mm。它的檢測(cè)方法、檢測(cè)項(xiàng)目及測(cè)試方案均應(yīng)與普通油缸有所不同。其試驗(yàn)不僅能包含普通液壓缸的試驗(yàn)內(nèi)容,更重要的是要進(jìn)行伺服液壓缸的摩擦力與動(dòng)態(tài)特性測(cè)試。
  在液壓AGC 系統(tǒng)中, 軋制伺服液壓缸的摩擦力大小是至關(guān)重要的, 特別是在啟動(dòng)階段, 摩擦力是影響低速性能及穩(wěn)態(tài)精度的重要因素之一。為了軋制超薄板材, 必須使伺服缸達(dá)到1μm 以上的定位精度并無爬行現(xiàn)象。很顯然, 過大的摩擦力是很難保證的。目前, 這種伺服缸主要依賴于進(jìn)口, 通過采用特殊的密封材料及溝槽尺寸、提高加工精度等措施來減小摩擦力, 在出廠時(shí)已將AGC 油缸摩擦力的允許值控制在最大軋制力的0. 2 %～0. 4 %之內(nèi)。由于摩擦力相對(duì)于軋制力很小, 對(duì)測(cè)試精度有很高要求。如果按普通油缸啟動(dòng)摩擦力的測(cè)試方法進(jìn)行的話, 根本測(cè)不出大型重載伺服油缸的摩擦力, 因此, 軋制伺服液壓缸的摩擦力測(cè)試不僅十分重要, 而且研究它的測(cè)試方法具有較大的意義.
  另一方面, 還必須檢測(cè)軋制伺服液壓缸的動(dòng)態(tài)特性, 以確定其響應(yīng)速度是否能夠滿足軋機(jī)快速軋制的需要, 并確定其響應(yīng)曲線在高頻段是否有平頂現(xiàn)象,因?yàn)槠巾敩F(xiàn)象是引起極限環(huán)振蕩及影響動(dòng)態(tài)精度的重要因素。
  總之, 試驗(yàn)臺(tái)應(yīng)能完成以下主要內(nèi)容。
  (1) 能完成伺服油缸的動(dòng)態(tài)特性測(cè)試: 頻率響應(yīng)測(cè)試(主要檢測(cè)工作頻帶以內(nèi)的頻率特性) 的范圍達(dá)到10Hz 以上, 測(cè)試精度符合國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求, 繪制幅頻特性與相頻特性波德圖。
  (2) 能完成伺服油缸的靜態(tài)特性測(cè)試: 內(nèi)泄漏測(cè)試、外泄漏測(cè)試、耐壓試驗(yàn)、最低啟動(dòng)壓力試驗(yàn)、爬行測(cè)試、摩擦力特性測(cè)試等, 并繪制有關(guān)曲線。
     3.試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)與試驗(yàn)方法
  試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖1 所示, 它由泵組1(總流量250 L/ min、壓力31. 5MPa) 、泵組2 (總流量250 L/ min、壓力31. 5MPa) 、泵組3 (總流量15 L/min、壓力31. 5MPa) 、油箱及附件、三級(jí)電反饋電液伺服閥及由其構(gòu)成的位置伺服控制系統(tǒng)、二級(jí)電液伺服閥及由其構(gòu)成的力伺服控制系統(tǒng)、試驗(yàn)牌坊、加載缸、被試缸及摩擦力測(cè)試缸等構(gòu)成。試驗(yàn)系統(tǒng)額定壓力達(dá)31. 5MPa , 總流量達(dá)500L/ min , 靜態(tài)負(fù)載試驗(yàn)力達(dá)30MN , 動(dòng)態(tài)加載力達(dá)15MN , 是目前我國規(guī)模大、技術(shù)先進(jìn)的液壓AGC 試驗(yàn)設(shè)備, 其精度達(dá)到了國家B級(jí)精度要求。

  軋制伺服油缸的試驗(yàn)項(xiàng)目如內(nèi)泄漏測(cè)試、外泄漏測(cè)試、耐壓試驗(yàn)、最低啟動(dòng)壓力試驗(yàn)、爬行測(cè)試, 其試驗(yàn)方法與普通油缸相同, 在這里不再講述, 下面主要介紹軋制伺服油缸的動(dòng)態(tài)特性與摩擦力特性的試驗(yàn)方法。
  (1) 動(dòng)態(tài)試驗(yàn)方法
  動(dòng)態(tài)加載油缸4 工作腔由泵組1 通恒壓油, 提供被試缸柱塞回程力; 被試油缸5 放置于動(dòng)態(tài)加載油缸上, 其柱塞頂在閉式機(jī)架6 橫粱上, 被試油缸的壓力油由泵組2提供,并由三級(jí)電反饋伺服閥7, 位移變送器(行程為±1mm , 測(cè)量被試油缸缸體與機(jī)架之間的位移, 圖中未畫出) 、高壓球閥8、9、10、壓力傳感器11 等元件構(gòu)成的位置伺服系統(tǒng)控制被試油缸的動(dòng)作。試驗(yàn)時(shí), 由CAT 軟件及硬件產(chǎn)生0. 01～20Hz 掃頻正弦信號(hào), 信號(hào)幅值可根據(jù)被試油缸的不同而輸入不同的值, 其變化范圍為0. 01～0. 1V , 幅值的上限設(shè)置為0. 17V (對(duì)應(yīng)于活塞0. 06mm 的振幅) 是為了防止信號(hào)幅值超過系統(tǒng)“速度限”而產(chǎn)生畸變的正弦波響應(yīng)。此掃頻正弦信號(hào)通過伺服放大器驅(qū)動(dòng)三級(jí)電液伺服閥7 , 從而使被試油缸作相應(yīng)運(yùn)動(dòng)。由CAT 測(cè)試系統(tǒng)采集被試缸柱塞的位移信號(hào), 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析, 即可得到被試缸的頻率特性, 繪制波德圖。
   在測(cè)試過程中, 因伺服油缸活塞升起時(shí)可能出現(xiàn)歪斜, 為消除因歪斜而產(chǎn)生的檢測(cè)誤差, 在伺服油缸的兩側(cè)對(duì)稱裝兩只位移傳感器, 取位移信號(hào)的平均值進(jìn)行控制。同時(shí),用位移傳感器的信號(hào)作為反饋信號(hào), 構(gòu)成低增益的位置伺服系統(tǒng), 保證伺服油缸的活塞桿或柱塞處于中位附近,以免撞缸。
  (2) 全行程摩擦力測(cè)試
  測(cè)摩擦力時(shí)所用到的液壓元件有被試伺服油缸5、摩擦力測(cè)試油缸13、二級(jí)電液伺服閥14、三級(jí)電液伺服閥7、壓力變送器15、16、位移傳感器(行程為±10mm) 、高壓球閥17、18 等元器件構(gòu)成, 加載缸放在試驗(yàn)機(jī)架底部不工作, 相當(dāng)于一個(gè)大墊塊。將被試缸5 放置于動(dòng)態(tài)加載缸4 上, 并將被試缸5 的壓油口與單獨(dú)泄油口相接。其測(cè)試方法是由摩擦力缸向被試缸加載, 使被試缸向下或向上運(yùn)動(dòng), 由位移傳感器檢測(cè)位移, 由兩個(gè)壓力變送器測(cè)出摩擦力缸的負(fù)載壓差,然后由計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算處理, 獲得精確的被試伺服油缸的靜摩擦力及動(dòng)摩擦力, 或者由壓頭12 測(cè)出。
   這種用一小伺服油缸作為加載缸, 對(duì)被試伺服油缸進(jìn)行緩慢加載(能上拉或下壓) 的摩擦力測(cè)試方法, 比之普通油缸的啟動(dòng)摩擦力測(cè)試方法, 從測(cè)試精度上來說要高得多。其次在加載過程中, 采用了力閉環(huán)伺服控制系統(tǒng), 它由力傳感器、前置放大器、電液伺服閥等元件構(gòu)成, 實(shí)現(xiàn)對(duì)被試柱塞油缸精確的力給定, 保證摩擦力測(cè)試的順利完成。
     4.計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)
   (1) CAT 系統(tǒng)的組成及配置
  目前, 國內(nèi)很多單位的CAT 系統(tǒng)大都是前些年研制的,硬件性能差,數(shù)據(jù)采集通道精度低,干擾大。本CAT 系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)及其外圍設(shè)備、數(shù)據(jù)采集卡、檢測(cè)元件、儀器儀表等構(gòu)成, 如圖2所示。

  為了滿足液壓測(cè)試采樣速度及實(shí)時(shí)性、數(shù)據(jù)運(yùn)算處理的可靠性、儀器界面顯示的美觀性、測(cè)試報(bào)告清晰性等要求以及將來儀器升級(jí)的需要, 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及基本外設(shè)配置為: CPU-PentimnⅢ/RAM128M
/20G/17 寸AGP 彩顯/ HP Laser Jet 6L 。采用了高精度數(shù)據(jù)采集放大器, 選用研華生產(chǎn)的高速A/ D 轉(zhuǎn)換器, 以保證測(cè)試可靠性。如圖2 所示為軋制伺服缸計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試系統(tǒng)的組成與配置。
   (2) CAT 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
  以往的CAT 測(cè)試軟件基本上是在DOS 平臺(tái)下進(jìn)行開發(fā)的, 測(cè)試系統(tǒng)操作界面單一且不友好, 實(shí)用性不強(qiáng)。本測(cè)試系統(tǒng)采用Windows 編程, 利用計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)中的面向?qū)ο蠹夹g(shù), 開發(fā)出界面友好的測(cè)試軟件。為提高Windows 環(huán)境下數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性, 采用定時(shí)啟動(dòng)中斷管理的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集; 為解決Windows 操作系統(tǒng)不能直接對(duì)硬件進(jìn)行操作這一難題, 將對(duì)硬件的編程(主要是數(shù)據(jù)采集程序) 以動(dòng)態(tài)鏈接庫(DLL) 的方式進(jìn)行編寫。為解決Windows系統(tǒng)的計(jì)時(shí)器不能準(zhǔn)確計(jì)時(shí)的問題, 本測(cè)試系統(tǒng)采用外部計(jì)時(shí)器來實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí), 使計(jì)時(shí)的準(zhǔn)確性得到極大地提高。
   CAT軟件系統(tǒng)采用了基于虛擬儀器設(shè)計(jì)方法, 打破傳統(tǒng)儀器功能不全的現(xiàn)狀, 將信號(hào)的分析、顯示、存貯、打印和其它管理集中由計(jì)算機(jī)來完成。操作簡(jiǎn)單, 儀器開發(fā)期短, 升級(jí)容易, 價(jià)格低廉, 便于組建自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng), 并可很方便地對(duì)測(cè)試方案進(jìn)行修改與編程, 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程測(cè)試及故障診斷。
     5.結(jié)束語
  此試驗(yàn)臺(tái)研制成功以來, 在大型鋼鐵企業(yè)得到推廣應(yīng)用。實(shí)際應(yīng)用情況表明, 試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)先進(jìn), 性能可靠, 解決了因伺服油缸事故而停產(chǎn)檢修的問題, 它為現(xiàn)場(chǎng)軋機(jī)液壓AGC 故障診斷提供了有力手段, 保障了工廠正常生產(chǎn), 經(jīng)濟(jì)效益顯著。
  參考文獻(xiàn)
【1】曾良才等1 大型軋機(jī)液壓AGC 油缸的摩擦力自動(dòng)測(cè)試.液壓與氣動(dòng), 2002 (1)