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產品知識

液壓元件與系統測試技術內涵、發展趨勢

2020/4/7

液壓測試的目的

判斷液壓元件的好壞,需要液壓試驗與測試來驗證,但應該把液壓試驗與測試當成實驗科學的一部分來對待,而不是僅當作操作一個試驗臺、完成一個液壓試驗。所以,液壓試驗與測試必須弄清液壓元件或系統的試驗方法、試驗中各種物理量的測量、測量信號的分析與處理,這是進行液壓試驗與測試的三個主要步驟。


液壓試驗與測試中認真做好這三個主要步驟有助于實現液壓測試的主要作用:掌握液壓元件特性、辨別液壓產品性能優劣、找出液壓元件中薄弱環節、優化設計與生產工藝,從而提升產品性能。當然這里面也包括一個液壓元件在系統中應用時,如何避開它的弱點,用好它的長處,這通常也要由試驗技術解決的。


液壓測試的終極目的是研發出更好的產品,但通過測試并不能將不合格的產品變成合格產品!測試的目的就是要找出薄弱環節。大家做試驗臺,你能不能用這個試驗臺發現你生產的元器件性能是否能夠滿足用戶要求、找出產品的薄弱環節,這是衡量一個試驗臺好壞的關鍵。


液壓測試技術的發展趨勢


液壓試驗及測試總的趨勢:

◆從低壓、小流量向高壓、大流量發展,這個趨勢非常明顯。

◆從靜態性能測試向動態測試發展。

◆從傳統的測試向高度集成的計算機測試發展。

◆從單純的測量向測試與控制綜合發展。

◆從離線測試向在線測試發展,與數字信號處理技術、計算機技術、網絡技術等不同學科融合,液壓測試技術已逐漸從傳統手動測量,向著多電化、自動化、網絡化方向發展。



1、多電化體現在兩個方面

(1)傳感器、微電子、計算機技術支撐的檢測與控制,以提高檢測精度、控制性能為目標。

◆傳感器的精度、動態性能、信號調理及采集系統的信噪比顯著提高。

◆利用計算機的強大資源使原來由硬件實現的技術軟件化,使得現代信號分析處理技術成為瞬態、非線性、突變信號強有力的分析工具,為液壓產品的建模及動態補償算法以及液壓的動態參數“在線”實時高精度檢測提供了技術基礎。

◆測試系統的計算機化。一方面體現在測試系統廣泛采用計算機和智能儀表或傳感器;另一方面出現了小型化、便攜式的液壓測試儀器以及嵌入式的液壓控制與檢測設備,為液壓設備的現場測試以及液壓元件的在線可靠性評估和健康管理提供了一種選項。

(2)電力電子和變頻電機為動力元件,以提高動力流的能效為導向。大家看到現在好多泵站,采用了變頻或者伺服電機驅動+定量泵技術,來取代傳統的變量泵。從這方面看,液壓最大的競爭是交流伺服系統,尤其在固定設備里,好多液壓系統被踢出來了。但在移動設備比如工程機械里,液壓的地位還是比較鞏固的。

現代電氣傳動系統以其優良、方便的調速性能,很強的負載動、靜態模擬能力,便于實現能量回收,在液壓測試技術中的應用主要包括:

◆液壓驅動的電氣化。液壓泵試驗臺的交流變頻驅動,泵驅動的調速更加靈活、方便。

◆液壓加載的電氣化。采用交流伺服電機/測功機,即可為被試液壓元件加載,又可進行反拖。從而,理論上可以進行任意負載(包括:慣性、扭矩/力以及兩者的組合)的模擬。

2、自動化:逐漸邁向全自動的測試

液壓測試是一個技術性非常強的工作,是一個交叉學科,除了需要了解液壓,還需了解電、軟件、計算機,對技術人員的綜合素質要求非常高,液壓測試的設計肯定需要專家來做,不是人人都能做好液壓測試。液壓測試要盡量提高自動化水平,大家用自動化的功能來操作,能帶來很大的便利,可以避免誤差,關鍵采用自動化以后,液壓測試系統的動、靜態特性都得到提高,這是用自動化最大的好處,這樣可以把液壓產品的宏觀和微觀特性能都得到完美展現。過去的試驗設備,如果測試系統很慢,靜態特性滿足了但動態就很差,如果測試系統的動態做好了,靜態數據就不行了,很難做到靜、動態性能的兼顧,會給液壓元件性能的全面掌握帶來一些困難。液壓測試的自動化主要工作應體現在:

◆測試數據采集與分析處理的自動化。

◆動力流控制與操作的自動化:驅動、加載、試驗回路組建(包括被測件的自動裝夾)的自動化。

◆測試工藝的自動化及其軟件組態:測試工藝支持軟件組態,自動生成的試驗流程和測試工藝,測試設備可自動執行設定的測試流程與工藝,自動完成測試作業。

◆安全與保護的自動化:高壓、大流量、高動態要求測試設備必須具有快速進行故障報警、緊急停機等安全保護功能,自動化是實現快速有效進行安全與保護的最有效手段,可以最大限度地保證設備和人員安全。

微電子和計算機技術的發展,液壓測試系統已逐漸具備自動故障診斷、自調零、自校準、自動測試等功能,并能進行軟件的組態,在充分考慮用戶使用習慣的同時具備了易用性和操作的人性化。

3、網絡化:助力仿真與測試的協同;推動在線測試與故障診斷實現

現場總線技術、互聯網等通信技術的發展極大地影響著液壓測試系統的變革?,F在,很多液壓數字控制閥是帶CAN總線的,網絡化影響液壓測試體現在:

◆測試設備的網絡化可以實現測試數據庫共享,從而支撐液壓元件的虛擬設計仿真平臺,為液壓元件的性能提高提供試驗依據;同時,通過數據庫的大數據分析,為液壓元件的性能、故障等狀態跟蹤服務。這是它最大一個好處,我們的試驗數據和仿真建??梢酝竭M行,液壓元件或系統的參數(包括故障)可以在仿真與試驗之間實現交互,使得仿真模型更加貼近真實,從而實現液壓元件設計的有效指導,同時,用仿真指導試驗方案,使得從試驗中獲得的數據能被有效地利用。

◆主機液壓元件或系統通過嵌入式控制器在線實時采集主機液壓元件、系統的相關參數,根據其動、靜態性能進行液壓產品的壽命預測、故障診斷與健康管理,為主機的狀態監測、液壓元件壽命的預測、保養、維護提供增值服務。比如如果單獨做可靠性試驗,試驗需要1萬小時,大家想想要做多長時間,每天24小時的話,需要400多天,這是很難的,如果產品實現了數字化,就能在線做測試,實現產品性能的跟蹤,將測試數據拿出來,這就是非常寶貴的財富,是液壓在線測試很有優勢的東西。如果我們主機上有軟件,有數字化的東西,我們通過網絡,可以把它收集到元件廠的數據中心去,我們做一個長時間的壽命預測,包括健康管理。

液壓測試中的關鍵技術

液壓測試技術的趨勢是自動化、網絡化、多電化,隨之,出現很多傻瓜型試驗臺,使用簡單、功能強大,給我們的感覺好像是每個人都可以做好液壓測試了,大家說自動化以后對人的要求降低了,這其實是誤導,甚至會造成危險,因為它讓我們認為不需要思考了。實際上,簡單只是對操作人員,而對液壓測試人員的專業化要求是越來越高。做測試,如果對整個元件、系統,包括試驗裝置不了解的話,要把元件測試做好幾乎是不可能的。如果我們假設被測對象的模型不正確,如果我們用不正確的測量方式,如果我們不考慮測量方法的不確定性,那么我們就可能得到完全錯誤的結果,更可怕的是我們并不知道。傳感器、儀器儀表等測量設備的性能越來越高,過去0.1%的精度就被認為是高精度,今天便宜、簡單數字測量設備就能提供0.05%的測量精度。但是要發揮好這些測量設備的效能,需要液壓測試技術人員測試系統(從傳感器、信號調理器,到儀器儀表、計算機采集系統)對進行正確的精度分析,這對測量至關重要。所以自動化只是對操作人員的要求降低了,但對測試專家來說,它的要求不是降低了而是提高了。這是自動化帶來的問題,我們需要特別重視。


1、關鍵技術之一:加載技術(機械、液壓、測功機)

(1)機械加載??捎糜谝簤厚R達或可通過液壓馬達進行的測試。摩擦片加載、扭板彈簧加載、慣性盤加載等方法。這些方法一般都簡單易行,但由于各種限制均不適合于大功率、無級加載的情況,在工程機械中很少應用。

(2)液壓加載??捎靡缌?、節流、二次調節元件進行加載。

◆溢流閥:受限于最小調節壓力,加載壓力不能從零開始,低壓、大流量特性測試時效果差。

◆節流閥:雖然可從零開始加壓,但加載壓力與流量成平方關系,大流量時節流口微小變化都會引起加載壓力很大變化,加載壓力調節困難;流量變化時,加載壓力需要反復調節。

◆二次調節元件:可恒扭矩和恒轉速加載,四象限工作,具備功率回收能力,但控制復雜,技術難度大。

(3)測功機加載。該加載方式主要是配合液壓馬達一起使用,將液壓能通過液壓馬達轉換為機械能,測功機吸收機械能,從而實現加載,是現在廣泛采用的一種技術,目前常用的測功機主要分為磁滯測功機、磁粉測功機、電渦流測功機、水力測功機、電力測功機。除電力測功機外,磁滯測功機、磁粉測功機、電渦流測功機、水力測功機等都是要耗能的,一般都是講其吸收的機械能轉成熱能給消耗掉了。電力測功機目前在液壓測試領域應用的還不是很多,所謂電力測功機簡單的講就是電力逆變裝置+變頻電機或交流伺服電機,這里變頻電機既可以做發電機,將機械能轉換為電能返回電網,也可以從電網取電將電能轉換為機械能,類似液壓中的二次元件,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。未來,這種加載方式應該會成為液壓試驗與測試裝置加載的主流。


2、關鍵技術之二:信號測量及其數據處理技術

試驗回路確定后,我們就要有各種傳感器,進行信號測量與信號的數據處理,過去大家都用萬能表來做,現在大部分都是“傳感器+信號調理器+信號采集系統+計算機”的方式,這里面每一個都很關鍵。

(1)傳感器選擇。價格、量程、精度,我們需要在三者之間折中,比如用一個扭矩儀,量程是2000Nm,實際只用到200Nm,這個能不能測,能,但是精度不行,所以我要換傳感器,這就有一個成本和操作方便性的問題,所以我們就需要根據我們的需求進行折中。實際上,國標規定的B級精度在全量程實現的話,還是很難達到的,如果僅僅是額定值的話,就很容易,對一個試驗臺來講,這不是常態。再看看用量程2000Nm扭矩儀測200Nm扭矩的情況,如果扭矩儀的精度為0.5%滿量程,測得的200Nm的相對誤差就是5%了,非常差了,已經達不到國標規定的B級精度了。因此,在傳感器選擇時,我們必須懂得傳感器與測量的知識,弄清傳感器所給精度與量程、實際測量精度的關系。另外,如果測試有動態要求,例如:變量泵的變量特性測試、壓力脈動的測試,傳感器的動態響應就需特別關注,許多傳感器沒有給出動態響應指標,像壓力傳感器如果沒有給出動態指標的話,通常頻率響應不超過200Hz,如果用它測量壓力脈動,精度肯定是有問題的,難于真實反映實際的壓力脈動情況。

(2)信號調理及采集。我覺得大家應該注意下面幾個問題。

◆A/D采集卡的合理選擇(量程、位數、采樣速率),數據采集卡,可能有一兩千塊錢的,也有三四萬塊錢的,它的精度與動態性能是完全不一樣的;需要特別注意的是數據采集卡的位數,不是它的精度;數據采集卡上A/D轉換器的速度也不代表能達到的實際采集速度。

◆電磁兼容(隔離、共地、屏蔽等技術),尤其電氣傳動以后,變頻器的影響非常大,處理不好電磁兼容問題(過去叫抗干擾),就不能把精度做上去。

◆信號調理器的合理選擇,主要包括功能,輸入/輸出阻抗,頻帶、精度等。

◆模擬濾波器的合理選擇,主要包括形式、階數、截止頻率等,在選擇濾波器前必須搞清楚信號的特點、加濾波器的目的及其帶來的影響。

◆布線。

◆標定。


(3)信號處理方法。計算機技術給信號處理帶來極大的方便性,一般信號可以從四個域:時間域、幅值域、頻率域、時延域來進行分析。合適的處理處理方法可以大大提高測量精度,例如:采用測量數據的建模技術可以把整個測試的隨機誤差去掉,提高整個測試的動靜態性能。這里面涉及到數字濾波,數學建模、數據分析和數據表達。這是一個泵的液壓試驗臺,軟件是我們開發的,傳統的液壓泵、馬達工作特性測試方法需要大量的實驗數據且只能提供幾種特性曲線,不僅試驗耗時、耗能,而且難于得到準確的泵、馬達工作特性曲線。我們利用多元非線性建模理論,根據多種工況下測得的實驗測試數據,以液壓泵/馬達的扭矩和流量損失為基礎,建立能夠全面反映液壓泵/馬達工作性能的模型,從而可得到任何工況下液壓泵/馬達的工作特性曲線,并可采用圖、表等多種輸出方式。該方法不僅可以減小試驗工作量、縮短測試時間,而且能大大降低實驗數據的隨機誤差,提高測試精度,而且數據表達非常豐富。


3、關鍵技術之三:半實物仿真技術

這是西門子小車加載測試,其特點在于:

動變靜:主機實際工況改為實驗室試驗:有利于數據采集;有利于定性、定量載荷輸入;有利于仿真和試驗結合;安全,效率高、節省能量和費用。

靜變動:由靜載荷改為動載荷:階躍載荷下的動態響應;變載荷下的特性;各種工況下的性能;可靠性測試;

液壓試驗與測試技術,特別是液壓系統采用半實物仿真技術進行試驗與測試,可以在實驗室進行液壓元件性能匹配;電控系統的調試與優化;動力系統的匹配、優化。這一技術對推動液壓元件性能的優化,主機性能的提升的研究具有重要意義。

4、關鍵技術之四:可靠性及壽命測試

(1)可靠性實驗(Reliability Test)。這一塊涉及到的問題很多,主要目的是發現設計、工藝、材料等方面的缺陷,可靠性測試是工程試驗,是統計試驗,一定要做很多樣本,只做一個兩個是不行的,說明不了問題。

(2)加速退化試驗(ADT)與加速壽命(ALT)試驗比較。

相同點:

◆確定產品的可靠性及壽命。

◆基本前提是試驗過程中產品失效機理不能改變。

◆應力的選擇都是在技術規定的范圍內,試驗的周期通常較長,一般要數周到數月。

◆基本思想是一致的,都是通過加大試驗應力來加速產品的退化或失效。

不同點:

◆ADT:性能退化數據;只研究退化性的失效模式;目的是預計產品在設計或使用條件下的失效時間或可靠性指標。

◆ALT:失效壽命數據;除可以研究退化性的失效模式之外還可以研究突發性的失效;目的是度量可靠性或壽命。

(3)液壓元件綜合應力壽命試驗。一般選用壓力、轉速、溫度作為綜合敏感應力,美軍標MIL-P-19692E對壽命試驗條件有比較詳細的規定。

我個人認為在實驗室做一個可靠性試驗臺,進行可靠性試驗,成本太高了,而且試驗樣本不能夠做太多,樣本少的話就說明不了問題,但在實驗室做一些可靠性研究試驗還是非常必要的,建議將實驗室的可靠性試驗與在線測試結合起來進行。如果液壓元件實現了數字化,可以利用嵌入式數字控制器采集產品在使用中的各種性能曲線、參數,做一個長期的跟蹤,結合實驗室的可靠性研究,這可能是可靠性試驗與研究的一個比較可行方案。

5、關鍵技術之五:在線測試技術

線測試技術,多電化、自動化、網絡化為在線測試提供了物質基礎、技術支撐、信息平臺。我們現在正在做一個在線測試項目,將液壓元件的控制與在線測試相結合,利用這樣的系統,我們可以在線測試液動、靜態性能,建立泵的健康管理模型,可進行泵的壽命預測、故障判斷,實現健康管理。正如前面所講,對于像可靠性試驗這樣的耗時試驗,采用在線測試技術,有效利用產品使用過程中的在線測試數據,無疑具有重要的意義。

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