小型隨車起重機(jī)性能檢測(cè)液壓試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)與測(cè)試

劉朋 單根立

摘 要：為了提高小型隨車起重機(jī)出廠起重性能測(cè)試的方便性和高效性，依照隨車起重機(jī)自身的車載吊臂工作性能，設(shè)計(jì)了一種基于PLC控制的液壓試驗(yàn)平臺(tái)檢測(cè)設(shè)備。根據(jù)隨車起重機(jī)在工作中需要完成的動(dòng)作和性能參數(shù)要求，設(shè)計(jì)了平臺(tái)的電-液控制系統(tǒng)，描述了液壓試驗(yàn)平臺(tái)結(jié)合多傳感器實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)與PLC進(jìn)行RS485通信的過程，并對(duì)液壓系統(tǒng)中電磁閥電信號(hào)進(jìn)行調(diào)控，以此檢測(cè)隨車起重機(jī)的起重性能狀況。結(jié)果表明：應(yīng)用設(shè)計(jì)的液壓試驗(yàn)臺(tái)對(duì)2 t和3.5 t小型隨車起重機(jī)進(jìn)行起重性能測(cè)試，其結(jié)果符合廠家設(shè)定的起重機(jī)性能參數(shù)范圍。研制的液壓檢測(cè)設(shè)備采用觸摸屏進(jìn)行人機(jī)交互，界面操作簡單、系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，既保證了性能檢測(cè)的準(zhǔn)確度，又可以有效縮短檢測(cè)周期，提高了出廠性能檢測(cè)的效率。

關(guān)鍵詞： 流體傳動(dòng)與控制；PLC；隨車起重機(jī)；性能檢測(cè)；數(shù)據(jù)采集；RS485通信

中圖分類號(hào)：TH137

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI： 10.7535/hbgykj.2023yx02002

Design and detection of hydraulic test bench for performance testing of small truck mounted crane

LIU Peng，SHAN Genli

（School of Mechanical Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang，Hebei? 050018，China）

Abstract：In order to improve the convenience and efficiency of factory lifting performance test of small truck mounted cranes， according to the working performance of truck mounted jib of truck mounted crane， a detection equipment of hydraulic test platform based on PLC control was designed. According to the action and performance parameter requirements that the truck mounted crane needs to complete in work， an electro-hydraulic control system was designed， the RS485 communication between the hydraulic test platform and PLC with multi-sensor real-time data acquisition was described， and the electrical signal of the solenoid valve in the hydraulic system was regulated to detect the lifting performance of the truck mounted crane. The results show that the lifting performance test results of 2 t and 3.5 t small truck mounted cranes on the hydraulic test bench are in line with the range of crane performance parameters designed by the manufacturer. This set of hydraulic testing equipment adopts touch screen for human-computer interaction， with simple interface operation and stable system operation， which not only ensures the accuracy of performance testing， but also effectively shortens the testing cycle and improves the efficiency of delivery performance testing.

Keywords：fluid transmission and control； PLC；truck mounted crane；performance testing；data acquisition；RS485 communication

隨著社會(huì)不斷發(fā)展，工程施工作業(yè)越來越離不開隨車起重機(jī)，其出廠質(zhì)量檢測(cè)也是重中之重。每臺(tái)隨車起重機(jī)在出廠時(shí)都必須經(jīng)過反復(fù)測(cè)試來檢驗(yàn)其是否達(dá)到可正常完成所具備功能的標(biāo)準(zhǔn)，隨車起重機(jī)的大多數(shù)功能都是通過液壓驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，所以液壓檢測(cè)扮演著一個(gè)非常重要的角色［1］。

國內(nèi)現(xiàn)有的液壓試驗(yàn)平臺(tái)是將液壓技術(shù)與計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、傳感器檢測(cè)技術(shù)、集成網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、電氣控制技術(shù)等技術(shù)緊密結(jié)合，形成一個(gè)高效、智能的控制系統(tǒng)。與早期傳感器模擬二次儀表模式液壓試驗(yàn)系統(tǒng)相比，實(shí)現(xiàn)了高速、高效、智能化、多功能化的發(fā)展［2-3］。國外發(fā)達(dá)國家在液壓技術(shù)領(lǐng)域取得了很大的進(jìn)展，先進(jìn)的系列應(yīng)變單元、數(shù)據(jù)采集處理模塊以及高效寬頻的傳感器檢測(cè)技術(shù)都已被運(yùn)用到液壓系統(tǒng)中。此外，國外許多公司還致力于開發(fā)配套使用的軟件系統(tǒng)［4］，從而真正構(gòu)建一套試驗(yàn)過程智能化、數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)性強(qiáng)的液壓CAT（computer aid test）系統(tǒng)來滿足當(dāng)下液壓試驗(yàn)的高效測(cè)控需求［5］，比如：德國REXROTH公司用于液壓比例閥、比例泵等測(cè)試的試驗(yàn)臺(tái)，日本制鋼所的柱塞泵效率試驗(yàn)臺(tái)；而目前國外大多數(shù)液壓件廠商都有自己的液壓CAT系統(tǒng)［6-7］。

隨車起重機(jī)的出廠液壓檢測(cè)效率對(duì)生產(chǎn)廠家的生產(chǎn)制造有著重要意義，因此需要尋求一種操作簡便、精確度高的液壓試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)方案。針對(duì)這一問題，設(shè)計(jì)了一套面向小型隨車起重機(jī)（其吊臂結(jié)構(gòu)如圖1所示）的出廠性能檢測(cè)液壓試驗(yàn)平臺(tái)，來判定隨車起重機(jī)的性能參數(shù)是否達(dá)到設(shè)計(jì)和出廠要求［8］。為了更好地適應(yīng)工廠車間內(nèi)的復(fù)雜環(huán)境，使操作更加靈敏，將以往的繼電器控制換為PLC控制，并通過PLC控制與傳感器檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合，來控制和檢測(cè)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的執(zhí)行狀態(tài)，有效提升了生產(chǎn)的速度和效率，

降低了發(fā)生不可控性系統(tǒng)故障的頻率［9］，并且適用于5 t內(nèi)的不同型號(hào)和不同性能、小型隨車起重機(jī)的出廠性能測(cè)試。

1 液壓試驗(yàn)平臺(tái)性能檢測(cè)和工作原理

1.1 液壓試驗(yàn)平臺(tái)性能檢測(cè)

液壓試驗(yàn)平臺(tái)是隨車起重機(jī)出廠檢測(cè)的重要設(shè)備，需要完成的性能檢測(cè)有以下5項(xiàng)：1）額定起升質(zhì)量檢測(cè)，即在不同工作幅度下安全作業(yè)所允許起吊重物的最大總質(zhì)量，以及伸縮臂在不同臂長下的額定起升質(zhì)量測(cè)試；2）運(yùn)行角度、速度檢測(cè)，即對(duì)變幅角度、回轉(zhuǎn)角度以及執(zhí)行端的運(yùn)行速度進(jìn)行檢測(cè)；3）工作幅度檢測(cè)，其中工作幅度又稱為工作半徑，指在能夠有效工作時(shí)，吊具中心垂線至回轉(zhuǎn)中心線的水平距離；4）起升高度檢測(cè)，即檢測(cè)在最大臂長、最大仰角且為整車整備質(zhì)量工況下，吊具位于上極限位置時(shí)吊鉤中心到隨車起重運(yùn)輸車所處地平面的垂線距離；5）對(duì)試驗(yàn)臺(tái)自身油箱內(nèi)油溫、液位的測(cè)量，即使用PLC和傳感器對(duì)油箱內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)油溫和液壓油油量的把控。前4項(xiàng)檢測(cè)為隨車起重機(jī)的主要性能測(cè)試，其中起重質(zhì)量和工作幅度的乘積稱為起重力矩，其最大起重力矩是額定起升載荷與相應(yīng)工作幅度乘積的最大值，也是反映隨車起重機(jī)的最直接參數(shù)。

1.2 工作原理

針對(duì)起升質(zhì)量檢測(cè)所需壓力的不同，可通過調(diào)節(jié)多級(jí)調(diào)壓回路來控制系統(tǒng)的壓力值，以便完成不同工況所需不同壓力的測(cè)試?；芈分锌墒褂秒姶疟壤龘Q向閥對(duì)變幅、伸縮、回轉(zhuǎn)回路進(jìn)行通斷控制和流量控制，在變幅、伸縮回路中可使用平衡閥來平衡設(shè)備在不工作時(shí)的吊臂質(zhì)量，防止下落?；剞D(zhuǎn)回路中可使用液控單向閥完成對(duì)吊臂的回轉(zhuǎn)角度鎖定，防止在工作時(shí)外部因素對(duì)吊臂角度的影響。在進(jìn)行速度測(cè)試時(shí)，可采用閥控調(diào)節(jié)［10-11］的方法，對(duì)主要功能回路中電磁比例換向閥的兩端電流進(jìn)行調(diào)節(jié)來控制換向閥的開口大小，起到流量調(diào)節(jié)的效果。可通過編寫的計(jì)算程序測(cè)出執(zhí)行端運(yùn)行時(shí)間以及相應(yīng)傳感器采集的距離信息，進(jìn)而推導(dǎo)出平均速度的大小。在進(jìn)行運(yùn)行角度、工作幅度、起升高度測(cè)試時(shí)，可采用多傳感器對(duì)回轉(zhuǎn)角度、傾角、距離值進(jìn)行實(shí)時(shí)采集并通過相應(yīng)的三角函數(shù)算出。以上參數(shù)信息均可使用觸摸屏和PLC來顯示和控制，使設(shè)備更加智能化。

2 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為使小型隨車起重機(jī)車載吊臂系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行，根據(jù)其功能特性和所需檢測(cè)的性能標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)了一套液壓系統(tǒng)，如圖2所示。實(shí)現(xiàn)了隨車起重機(jī)吊臂正常變幅、伸縮、回轉(zhuǎn)功能，保證了設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性。該套液壓系統(tǒng)主要由變幅回路、伸縮回路、回轉(zhuǎn)回路、多級(jí)溢流調(diào)壓回路組成。

1，2，3—三位四通電磁比例換向閥； 4，5—平衡閥； 6，7—液控單向閥；8，9—過濾器；10—液壓泵；11—冷卻器； 12，13—二位二通電磁換向閥；14—先導(dǎo)式溢流閥；15，16—直動(dòng)式溢流閥；17，18，19，20—壓力表；21—單向閥；22，23—蓄能器；24—變幅液壓缸；25—伸縮液壓缸；26—回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)；27，28，29，30—流量傳感器；31，32，33，34—壓力傳感器。

2.1 變幅回路

1）工作原理 電磁比例換向閥1切換到左位時(shí)，液壓油經(jīng)主油路進(jìn)入變幅回路，流過電磁比例換向閥1、平衡閥4的單向閥，進(jìn)入變幅液壓缸完成液壓缸的向上變幅動(dòng)作。電磁比例換向閥1切換到右位時(shí)，液壓油流入變幅液壓缸24，油路壓力達(dá)到平衡閥內(nèi)部順序閥的壓力值后，平衡閥4內(nèi)部導(dǎo)通完成液壓缸向下變幅動(dòng)作。當(dāng)電磁比例換向閥1處于中位時(shí)可保證變幅液壓缸24兩腔壓力相同，變幅缸不動(dòng)作。

2）技術(shù)特點(diǎn) 變幅回路中設(shè)有平衡閥和用來進(jìn)行換向和流量調(diào)節(jié)的電磁比例換向閥，其中平衡閥的作用是當(dāng)起重機(jī)吊臂需保持在一定幅值上不動(dòng)時(shí)，可由平衡閥進(jìn)行平衡負(fù)載，使吊臂保持在該位置上。電磁比例換向閥與功率放大器和PLC三者依次相連接，改變PLC模擬量模塊輸出的電信號(hào)大小以調(diào)節(jié)電磁比例換向閥的開口大小，使控制精度更加準(zhǔn)確可靠［12-13］。

2.2 伸縮回路

1）工作原理 伸縮回路與變幅回路的工作原理相同，都是通過控制電磁比例換向閥閥芯移動(dòng)來調(diào)節(jié)液壓油走向。當(dāng)檢測(cè)伸縮功能時(shí)，變幅和回轉(zhuǎn)回路的電磁比例換向閥閥芯均處于中位，因功能所需壓力不同由多級(jí)調(diào)壓回路完成壓力調(diào)定后，液壓油流經(jīng)伸縮回路配合平衡閥完成功能運(yùn)行。

2）技術(shù)特點(diǎn) 伸縮回路與變幅回路的技術(shù)特點(diǎn)相同，一方面是在電磁比例換向閥回到中位時(shí)，通過平衡閥保持液壓缸兩腔的壓力，防止負(fù)載下落；另一方面是用PLC作為主控制元件發(fā)出電信號(hào)，由功率放大器對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大、縮小來控制電磁力大小，從而調(diào)節(jié)閥口開度，以此進(jìn)行流量調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。

2.3 回轉(zhuǎn)回路

1）工作原理 電磁比例換向閥3切換到左位時(shí)，液壓油經(jīng)主油路進(jìn)入回轉(zhuǎn)油路，流過電磁比例換向閥3以及液控單向閥6，進(jìn)入回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)26內(nèi)，壓力達(dá)到液控單向閥7的液控壓力后，回路導(dǎo)通完成液壓馬達(dá)順時(shí)針回轉(zhuǎn)動(dòng)作。同理，電磁比例換向閥3切換到右位時(shí)，油壓達(dá)到液控單向閥6液控壓力后，油路導(dǎo)通完成逆時(shí)針回轉(zhuǎn)動(dòng)作，可改變電磁比例換向閥3的閥內(nèi)電磁鐵電信號(hào)大小，完成閥芯移動(dòng)。

2）技術(shù)特點(diǎn) 回轉(zhuǎn)油路中設(shè)有液控單向閥和電磁比例換向閥進(jìn)行換向和流量調(diào)節(jié)，以此來適應(yīng)不同型號(hào)的設(shè)備試驗(yàn)。利用液控單向閥的互鎖特性，完成對(duì)回轉(zhuǎn)功能的回轉(zhuǎn)角度把控，防止外部影響對(duì)回轉(zhuǎn)角度的干擾。另外，在電磁比例換向閥的調(diào)節(jié)方面，與變幅、伸縮回路的技術(shù)特點(diǎn)相同。

2.4 多級(jí)溢流閥調(diào)壓回路

1）工作原理 工作時(shí)的起始油壓為最低檔油壓，只需二位二通電磁換向閥12電磁鐵得電，閥位右移，系統(tǒng)油壓就會(huì)降低至設(shè)定的壓力值；若需升高油壓，只需二位二通電磁換向閥11電磁鐵得電，閥位左移，完成中擋油壓的切換。當(dāng)二位二通電磁換向閥電磁鐵不得電時(shí)，液壓系統(tǒng)切換到高擋油壓。

2）技術(shù)特點(diǎn) 該回路可完成系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)，因先導(dǎo)式溢流閥的先導(dǎo)閥部分可以完成低壓力調(diào)節(jié)，故可搭配二位二通換向閥和直動(dòng)式溢流閥實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的多級(jí)壓力調(diào)節(jié)［14］，以適應(yīng)不同工況。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)搭建

根據(jù)小型隨車起重機(jī)設(shè)備運(yùn)行的工作原理，該設(shè)計(jì)采用臺(tái)達(dá)PLC作為主控單元，對(duì)試驗(yàn)平臺(tái)的液壓系統(tǒng)進(jìn)行功能控制和數(shù)據(jù)采集，系統(tǒng)中的電磁比例換向閥采用模擬量輸出模塊配合功率放大器進(jìn)行電信號(hào)調(diào)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的控制。通過對(duì)起重機(jī)功能特性分析得出，輸入信號(hào)4個(gè)，輸出信號(hào)4個(gè)。I/O接口分配點(diǎn)如表1所示。根據(jù)需要選取PLC型號(hào)為AS228T-A、模擬量輸出模塊型號(hào)為AS04DA-A、溫度采集模塊型號(hào)為AS04RTD-A及觸摸屏型號(hào)為DOP-107WV的臺(tái)達(dá)系列控制元件。電控接線圖如圖3所示。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用傳感器檢測(cè)，在液壓系統(tǒng)的主油路和功能油路壓力表附近安裝油壓、流量傳感器；在油箱上安裝溫度傳感器、液位傳感器，以及測(cè)距傳感器、傾角傳感器和角度傳感器；所有傳感器的技術(shù)參數(shù)如表2所示。以上除溫度傳感器外其他均可與PLC進(jìn)行485通信，PLC的485口連接一個(gè)一分12口的485集線器，再通過集線器與所有的傳感器進(jìn)行連接，溫度傳感器是模擬量輸出，需與PLC的溫度采集模塊相連接。傳感器接線圖如圖4所示。

3.2 控制系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

為方便人員操作，設(shè)計(jì)了觸摸屏用戶操作界面，如圖5所示。1）在電控方面：點(diǎn)選界面上的相應(yīng)功能按鍵，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)液壓缸、液壓馬達(dá)、溫度調(diào)控系統(tǒng)運(yùn)行及多級(jí)溢流系統(tǒng)對(duì)油路油壓的控制。2）在液壓控制方面：發(fā)動(dòng)機(jī)泵組作為動(dòng)力源，通過切換比例換向閥的左、中、右位實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓缸的伸縮和液壓馬達(dá)的正反向回轉(zhuǎn)進(jìn)行控制和驅(qū)動(dòng)。所有數(shù)據(jù)經(jīng)過傳感器采集后均可上傳至觸摸屏界面顯示，反映整套液壓系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)［15-17］。

為適應(yīng)不同性能、不同型號(hào)的設(shè)備檢測(cè)，該套液壓系統(tǒng)設(shè)有油壓調(diào)節(jié)、流量調(diào)節(jié)。1）油壓調(diào)節(jié)：通過對(duì)二位二通電磁換向閥的位控制實(shí)現(xiàn)多級(jí)溢流閥的調(diào)壓功能，操作界面中的低檔、中檔、高檔即為不同油壓。2）流量調(diào)節(jié)：在設(shè)備檢測(cè)試驗(yàn)中對(duì)速度調(diào)節(jié)以及對(duì)流量節(jié)約的把控問題都是不容忽視的，利用電磁比例閥參照流量傳感器檢測(cè)值進(jìn)行調(diào)節(jié)?？刂屏鞒倘鐖D6所示。

4 理論計(jì)算與測(cè)試實(shí)驗(yàn)

4.1 理論計(jì)算

車載起重吊臂空間示意圖如圖7所示，可計(jì)算車載吊臂的運(yùn)行速度、工作幅度、起升高度及起重力矩。提升重物時(shí)壓力和流量可由壓力、流量傳感器測(cè)得；吊臂工作角度范圍以及臂長可由傾角傳感器、角度傳感器和測(cè)距傳感器測(cè)得。

1）工作幅度

G2R=nG1r ，（1）

式中：r為工作幅度，m；G1為吊物重力，N；G2為車輛自重，N；R為臂旋轉(zhuǎn)中心至支腿外側(cè)距離，m；n為安全系數(shù)，取1.2。

2）起升高度

H=h+l=Lsin α+l ，（2）

式中：h為變幅高度，m；l為支撐臂和車底盤高度之和，m；α為變幅角度，（°）。

3）運(yùn)行速度

式中：Q為流量，m3/s；v為活塞桿運(yùn)動(dòng)速度，m/s；D為液壓缸內(nèi)徑，m。

在進(jìn)行回轉(zhuǎn)速度檢測(cè)時(shí)，需要分別進(jìn)行左回轉(zhuǎn)和右回轉(zhuǎn)速度測(cè)試，其回轉(zhuǎn)速度：

式中：n為回轉(zhuǎn)速度，r/min；q0為理論流量，L/min；q為實(shí)際流量，L/min；ηmV為容積效率；V為排量，mL/min。

4）起重力矩

M=Gr ，（7）

式中：M為起升力矩，t·m；G為起升質(zhì)量，t。

4.2 測(cè)試實(shí)驗(yàn)

4.2.1 2 t小型隨車起重機(jī)測(cè)試

對(duì)一臺(tái)2節(jié)伸縮臂、起升質(zhì)量為2 t、本身伸縮臂基本臂長3.1 m、自重3.6 t的小型隨車起重機(jī)進(jìn)行性能測(cè)試。通過液壓試驗(yàn)臺(tái)對(duì)起重機(jī)的各項(xiàng)功能進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)數(shù)據(jù)通過PLC數(shù)據(jù)處理，最終以具體數(shù)值上傳至觸摸屏界面顯示，測(cè)試過程簡單、便捷，主要性能參數(shù)的出廠設(shè)定值與測(cè)試結(jié)果對(duì)比如表3所示。

使用特定的質(zhì)量測(cè)試砝碼對(duì)車載吊臂的起升性能做了更加精細(xì)的測(cè)試，具體分為對(duì)不同臂長和不同工作幅度下的最大起升質(zhì)量測(cè)試^［18］，具體參數(shù)如表4所示。

4.2.2 3.5 t小型隨車起重機(jī)測(cè)試

對(duì)一臺(tái)同樣為2節(jié)伸縮臂、起升質(zhì)量為3.5 t，本身伸縮臂基本臂長3.5 m、自重4.7 t的小型隨車起重機(jī)進(jìn)行性能測(cè)試。測(cè)得的主要性能參數(shù)如表5所示。

同樣，對(duì)車載吊臂的起升質(zhì)量又做了多組測(cè)試，其不同臂長和不同工作幅度下的最大起升質(zhì)量測(cè)試參數(shù)如表6所示。

由表3—表6可知，2，3.5 t小型隨車起重機(jī)所測(cè)得的性能參數(shù)值均在廠家設(shè)計(jì)的起重機(jī)具體性能參數(shù)誤差許可范圍。經(jīng)過測(cè)試證明所設(shè)計(jì)的液壓試驗(yàn)臺(tái)可完成對(duì)該類型隨車起重機(jī)車載吊臂起升功能的性能測(cè)試。

5 結(jié) 語

根據(jù)小型隨車起重機(jī)的功能特點(diǎn)，合理設(shè)計(jì)電-液系統(tǒng)，有效解決了新設(shè)備在剛出廠時(shí)的實(shí)時(shí)檢測(cè)難題，保證了對(duì)功能運(yùn)行測(cè)試的準(zhǔn)確性和安全性，提高了對(duì)新出廠設(shè)備的檢測(cè)效率。該套試驗(yàn)平臺(tái)運(yùn)行平穩(wěn)、安全可靠，通過進(jìn)行相關(guān)測(cè)試，所測(cè)檢測(cè)值與出廠設(shè)定值的誤差小于1%，符合誤差范圍標(biāo)準(zhǔn)。

本研究僅完成了對(duì)起重機(jī)臂的性能測(cè)試，且針對(duì)的是2節(jié)伸縮臂的小型隨車起重機(jī)，還無法完成對(duì)3節(jié)折疊臂隨車起重機(jī)的相關(guān)測(cè)試，今后會(huì)針對(duì)3節(jié)折疊臂隨車起重機(jī)進(jìn)行性能檢測(cè)液壓試驗(yàn)臺(tái)的進(jìn)一步研究完善。

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