CN109441912A - 一种智能型液压加载试验机 - Google Patents

Abstract

智能型液压加载机，是为原位建筑结构试验而开发的，具备体态小型化、加载能力大型化、加载控制智能化的特点。本系统是由油压机械系统和微处理控制器两部分组成。其中，机械部分包括液压油箱1、伺服电机4、电磁换向阀14、高速开关阀15、油缸12及位移20、力传感器21。首先由助推泵将油注入油缸，方向控制阀来控制加载的方向，位移、力传感器来监测一起的工作状态。后由主加压泵即油泵变频电机与高速开关阀协同工作，整个过程由微处理控制器协调控制；控制算法方面采用PID算法和自适应模糊控制结合的方法，这种简易、方便、可移植、易维护的控制系统，克服了已有方法精度低、故障率高、工作压力较低的缺陷，实现了液压加载的智能化。

Description

一种智能型液压加载试验机

技术领域

本发明是一种采用嵌入式微处理系统控制变频调速电机，自动完成预定加载动作的液压加载系统，可用于大吨位土木工程试验，属于自动化控制和液压控制领域。

背景技术

建筑工程领域在进行建筑结构损伤机理和倒塌机制的研究时，会对高烈度区典型建筑进行力学加载实验，以观察结构损伤发展和内力重分布，在此基础上初步判断结构的薄弱环节和潜在的破坏模式。这就要求加载控制设备具有高精度、全自动、体态小、加载能力大、加载控制智能化的特点，并根据建筑试验技术规范要求具备位移控制、力控制或者混合控制等功能。

目前已有的设备中，常用的是电液伺服式全自动加载装置。这种装置采用稳压油源，一般可以提供21Mpa-28MPa的压力，液压缸由伺服阀进行控制，从而完成拉压动作，通常采用PID控制方法，结合高精度的传感器，完成动作的精度较高。但是这种加载设备比较昂贵，维护条件较高，还需要敷设硬管油路，而且稳压油源功率很大，这就使得加载装置难以自由移动，很难满足原位加载试验的要求。

传统的智能型液压加载试验机，是依靠液压油推动油缸产生推或拉的力，根据实际需要，在物体形变到一定形状时，可以保持一定的作用力。但是液压油不能贮存能量，一般保压的方法是采用压缩空气蓄能器、皮囊贮油蓄能器，或采用频繁启动电机的方法。这些方法系统复杂，控制精度低，故障率高，而且工作压力受到蓄能器限制不能过高。为了解决技术上的难点，本发明采用嵌入式微处理系统，控制变频调速电机的技术路线，其工作压力与力的输出都有显著提升。

发明内容

本发明对现有的加载机和加载控制系统做了较大改进，旨在克服电液伺服式全自动加载装置不方便移动、维护成本高，压缩空气蓄能器保压系统复杂、精度低的缺点，能更广泛的适用于工程抗震试验领域。

本发明的智能液压加载系统由液压油箱1、液位计2、空气过滤器3、伺服电机4、联轴器5、压力补偿变量柱塞泵6、单向阀7、电磁溢流阀8、压力表开关9、压力表10、双液控单向阀11、油缸12、压力继电器13、电磁换向阀14、电磁换向阀15、高速开关阀16、比例减压阀17、回油过滤器18、放油塞19、助推泵20、位移传感器21、力传感器22组成。

本发明采用的技术方案如下：

可以将液压油箱1、液位计2、空气过滤器3、回油过滤器18和放油塞19视为一个整体，液压油箱1用来存放液压油，液位计2可以显示油量，空气过滤器3、回油过滤器18可以过滤杂质，防止液压油污染，放油塞19用来释放油箱中的液压油。液压油箱1与助推泵20、伺服电机4相连，智能液压加载系统启动时，首先关闭高速开关阀16，打开电磁换向阀14，助推泵20首先运行，控制液压油的流向，对油缸12注油。电磁换向阀14和双液控单向阀11连接在油缸12与伺服电机4之间，当电磁换向阀14切换通道时，液压油会流入油缸12不同的腔内，从而控制加载的方向，并且本系统采用伺服电机4控制油压的方法对油缸12位移或力的输出进行控制，通过改变伺服电机4的供电频率，就能调节电动机的转速，从而调节压力补偿变量柱塞泵6的给进油压，达到调节油缸12的给进速度的目的。此系统中可以将油缸12，力传感器22和位移传感器21视为一个整体，传感器收集到的数据传回电脑计算，并反馈给控制器控制下一步的加载。卸载时，高压液压油通过高速开关阀16、比例减压阀17，液压降低到安全范围内，输送回液压油箱1。

图2说明了控制器30与加载装置的连接及功能关系，来自加载部分传感器的信号（位移反馈、负荷反馈、油压监测、油温监测）经过A/D转化传入51单片机31，经过处理计算后，通过D/A转化发送到伺服电机4和电磁换向阀14，控制装置进行加载。同时配备有LCD显示器32，键盘33等硬件，方便人员操作。外部信号主要是指网络信号，本系统设有RS485通迅接口30，可以通过网络实现多机控制。

上述控制系统38所采用的算法，其特点是结合PID算法和自适应模糊控制结合的控制算法的优点，使其兼具模糊控制适应性强，PID控制精度高的特点。根据压力继电器13、位移传感器21、力传感器22反馈来的数据变化，动态地自适应调整加载装置，完成各类加载任务。另外在实际工程中，可能需要同时进行多个位置和方向的加载，在控制器上设置有通讯网口，从而可以通过一台电脑23同时控制多个加载装置，满足各类加载方案。

这个控制过程是将整个过程分为若干个步骤，每一步的控制是根据设定输出力的大小和从ADC反馈来的数据，先模糊计算出这一步所需要的DAC中的增量。在微处理中，我们根据设定值和经验数据预设了一个增量,对这个增量进行比较。力的设置越大，或者油缸12在推或拉过程中的负荷越大，要完成这一步所需要的时间就越长，DAC中的增量就越大，反之就越小。如果在每一步中所增加或减少的DAC中的增量是不同，那么就可以让电机在整个控制过程中根据需要输出不同的给进速度。

电机在刚起步时，给进速度很快，但力的输出并不大。在到达一定值时电机的给进不能再增加，反而要减少。因为，其一电机转动本身有惯性作用;其二油缸12中的油压己经建立，在到达一定值时也会对油泵产反作用力。因此，此时要让电机的转数降下来，慢慢去接近力的设定值。在到达力的设定值后，电机的转数将保持恒定，油缸12输出的力也将保持恒定。如果由于环境因素或工件形变导致力的输出改变，控制器30将对DAC增量进行加、减，以保持力的输出恒定。

上述动力部分35由助推泵20、伺服电机4、压力补偿变量柱塞泵6组成，其中伺服电机4与压力补偿变量柱塞泵6通过联轴器5连接。其特点在于，通过助推泵20提供初始供油，并确定液压油的流动方向。后随着回路压力增大，伺服电机4与压力补偿变量柱塞泵6加入工作，通过改变伺服电机4的供电频率，就能调节电动机的转速，从而调节压力补偿变量柱塞泵6的给进油压，达到调节油缸12的给进速度的目的。

上述回油部分36由高速开关阀16、比例减压阀17、回油过滤器18组成，其特点在于三者协同工作，使得油缸12右侧的油，经减压流回液压油箱2。此外，当力的输出超过设定值时，高速开关阀16以每秒20次频率迅速打开，卸掉一部分压力从而保护系统的安全运行。

上述加载部分37由油缸12、位移传感器21、力传感器22、压力表10和电磁换向阀14组成，其特点是加载方向由电磁换向阀14控制，调节液压油流向油缸12的不同腔内，进而调节油缸推杆的走向。传感器可将数据返回处理器，实现反馈和下一步计算。

上述系统控制器30设有RS485通迅接口34，其特点是可以多台组网连接到电脑23上，在电脑23传输的数据和指令下工作。当要推举超大型物体时，需要多台加载机26工作，而每台加载机26的加载负荷会有不同，上位机可以给每台加载机26输入不同参数，同时加载机26的输出数据也可以上传上位机，这样上位机可以监控每台加载机的工作状态。

本系统的创新之处在于采用伺服电机4控制油路压力的技术方案，并利用模糊控制与PID控制结合对加载机26进行控制，同时可以联网控制多机加载。本发明具有高精度、全自动、维护要求低、方便移动、多机同时加载的特点可以适应大型钢结构的卸载、楼房的整体平移、大型重物的提升、大型结构试验等等诸多领域，应用范围广阔。

附图说明

图1：机械结构图。

图2：控制系统图。

图3：单轴加载示意图

图4：多轴加载示意图

图中：1-液压油箱；2-液位计；3-空气过滤器；4-伺服电机；5-联轴器；6-压力补偿变量柱塞泵；7-单向阀；8-电磁溢流阀；9-压力表开关；10-压力表；11-双液控单向阀；12-油缸；13-压力继电器；14-电磁换向阀；15-电磁换向阀；16-高速开关阀；17-比例减压阀；18-回油过滤器；19-放油塞；20-助推泵；21-位移传感器；22-力传感器；23-电脑；24-加载对象；25-网线；26-加载机；27-油管；28-网络分线器；29-加载对象；30-控制器；31-51单片机；32-显示器；33-键盘；34-RS485通讯接口；35-动力部分；36-回油部分；37-加载部分；38-控制系统。

具体实施方式

图2：加载机微处理控制器的原理框图：

力、位移、油压等信息从外部传感器收集，经A/D转化发送给单片机，单片机计算出下一步的加载方案，再经过D/A转换，发送给伺服电机4，助推泵20，电磁换向阀15和快速开关阀16，加载机26进行下一步加载动作。同时在机器上开设RS485通讯接口34，使得一台电脑23可以同时控制多台加载装置加载。

实施例1：

图3中：将电脑23与加载机26相连，加载机26与油缸12通过油管17相连，将油缸12的推杆一端与加载对象24（一榀框架）的上部连接，对加载对象24上部进行加载。具体工作流程如下：设置好加载机26的运行参数，启动加载机26。

此时油缸12两端的压力为零,活塞处于静止状态，尚未对加载对象24加载。助推泵20运行初期，其最大流量为 2.2L/min，最大压力2Mpa，对油缸12注油，同单向阀7和电磁换向阀14共同控制油的流动方向，压力继电器13可以感应回路中的液压。当压力达到限值后，主加压泵（压力补偿变量柱赛6）开始工作，伺服电机4启动工作，为回路提供较大的压力。启动初期，回路压力较，压力补偿变量柱塞泵6的工作频率低,转速慢；之后回路压力逐渐增大，当回路压力超过限值时，开始为回路加压。加压油缸12的活塞移位到指定位置或负载载荷达到预定值。如果此时选择的电磁换向阀14是推,那么液压力油经推阀注入油缸12后油腔内,后油腔压力逐渐增高使活塞向右侧移动, 油缸12右侧的油,经另一关闭的方向控制阀的回油口,流回油缸12。油缸12上的位移传感器21、力传感器22测量出位移和力的数据传至微处理器，经过计算控制伺服电机4(主油泵)的转数从而控制油缸12位移和力的输出，使油泵和油缸12之间形成闭环的控制回路。

完成对加载对象14的精确加载。

加载范例2：

同图3所示，电脑23通过数据线与加载机26相连，加载机26通过油管27向千斤顶（油缸12）供油，千斤顶的推或拉直接作用在加载对象29上，与图4不同的是，如果需要同时多个加载，则添加一个网络分线器28，将上位机与多台加载机相连，同时控制两台加载机，按照各自的加载方式施加在加载对象29实现多个加载任务的同时进行。

Claims (6)

1.本发明主要是由液压油箱1、动力部分35、回油部分36、加载部分37和控制系统38五部分组成，并设置有RS485通讯接口34。

2.根据权利要求1所述，所述动力部分35，由助推泵20、伺服电机4、压力补偿变量柱塞泵6组成，其中伺服电机4与压力补偿变量柱塞泵6通过联轴器5连接，并整体与助推泵20串联；其特点在于，通过助推泵20提供初始供油，并确定液压油的流动方向；后随着回路压力增大，伺服电机4与压力补偿变量柱塞泵6加入工作，通过改变伺服电机4的供电频率，就能调节电动机的转速，从而调节压力补偿变量柱塞泵6的给进油压，调节油缸12的给进速度。

3.根据权利要求1所述所述回油部分36，由高速开关阀16、比例减压阀17、回油过滤器18组成，高速开关阀16与比例减压阀17串联并整体与回油过滤器18串联；其特点在于三者协同工作，使得油缸12右侧的油，经减压流回液压油箱2；当力的输出超过设定值时，高速开关阀16以每秒某设定频率迅速打开，卸掉一部分压力从而保护系统的安全运行。

4.根据权利要求1所述所述加载部分37，由油缸12、位移传感器21、力传感器22、压力表10和电磁换向阀14组成，其特点是加载方向由电磁换向阀控制14，调节液压油流向油缸12的不同腔内，调节油缸推杆的走向；位移传感器21与力传感器22分别装在推杆的两端，可将测量到的数据返回处理器，实现加载反馈和下一步计算。

5.根据权利要求1所述所述控制系统38，所采用的算法，其特点是由PID算法与自适应模糊控制结合的控制算法结合而成，可以根据压力继电器13、位移传感器21、力传感器22反馈来的数据变化，动态地自适应调整加载装置。

6.根据权利要求1所述所述系统控制器30设有RS485通讯接口34，其特点是可以多台组网连接到上位机上，在上位机传输的数据和指令下工作；有多台加载急同时工作时，上位机可以给每台加载机输入不同参数，同时加载机的输出数据也可以上传上位机，通过上位机可以监控每台加载机的工作状态。