飛機液壓附件綜合試驗臺的研制

王俊秀，王新民，王紀森

(西北工業大學 自動化學院，陜西 西安 710072)

1 引言

隨著飛機液壓系統向高壓、大流量的方向發展，為保證飛行安全，必須通過地面測試來保證飛機液壓附件的安全，該試驗臺就是對飛機液壓附件進行耐壓、密封、壽命等測試的關鍵設備。其主要技術參數為：(1)系統工作壓力：0.1～50MPa;(2)最大流量180 L/min;(3)工作介質：15#航空液壓油;(4)工作油溫 20±5℃。

2 液壓系統組成及原理

液壓系統主要包括液壓泵站與試驗臺兩部分，兩者之間通過供油管路與回油管路相連。液壓泵站包括主泵組與冷卻系統;試驗臺包括換向工位、保壓工位共7路，由于基本原理相似本文僅介紹 1路換向工位與 1路保壓工位，系統原理如圖 1所示。

(1)原理圖左側為換向工位，做往復試驗時將液壓元件用軟管通過快換接頭 27.1與 27.2連接起來。此時，當壓力為 2～31 MPa時換向閥 11.1與 11.2不通電，通過換向閥 13的換向來做往復試驗;當壓力為0.1～2 MPa時換向閥 11.1與 11.2同時通電將減壓閥接入系統回路輸出低壓油，再通過換向閥 13換向來做低壓往復試驗。

(2)原理圖右側為保壓工位，其工作原理與換向工位相似這里不做介紹。

圖1 液壓系統原理圖

(3)原理圖中間上半部分為增壓子系統，在本試驗臺中 31～50MPa壓力用做保壓試驗，故選用氣壓增壓泵產生 31～50 MPa高壓。其工作原理為：氣瓶 15中的壓縮空氣經空氣過濾器 16、氣壓安全閥 17、氣壓減壓閥 18、二位二通閥 19進入增壓器的氣腔對來自換向工位或保壓工位的低壓油進行增壓。通過調節氣壓減壓閥 18的出口壓力即可調節增壓腔的油液壓力從而獲得試驗所需壓力;高壓安全閥 10.3調節為 50 MPa以保證系統安全，當試驗完成后打開針閥 21進行卸荷。

(4)在回油支路上通過調節節流閥 14產生一定的背壓，試驗時，將液壓元件通過快換接頭 27.3與供油管路的快換接頭連接起來，用來做背壓試驗，另外支路上安裝有流量計用來做流量試驗。

3 測控系統設計

根據試驗臺的總體技術要求及試驗設備分布比較分散，開關信號、模擬信號、測量點比較多等情況，本系統采用基于現場總線 Profibus-DP和 Industrial Ethernet的測控網絡。測控系統原理如圖 2所示。

圖2 測控系統原理圖

該系統主要由電控柜、上位機、下位機及測控網絡構成，測控系統功能如下：

1)電機起動時采用軟起動器

電機起動時產生的沖擊電流為額定電流的 4～7倍，為了消除電機起動時對電網電壓的影響，采用軟啟動器恒流起動方式起動電機。當電機起動時，軟起動器輸出電壓值迅速增加，直到輸出電流達到設定的電流限幅值并保持不變，使電動機逐漸加速電壓逐漸升高。當電機接近額定轉速時，輸出電流迅速下降到額定電流完成起動過程。此時起動器停止工作，電機直接由電網供電。

2)控制回路電源與儀器儀表、傳感器等電源分開

控制回路中繼電器控制電壓為 24 V直流電壓主要用于控制電磁換向閥換向，電磁卸荷等，當電磁閥工作時線圈會產生接近 48 V的反向電動勢從而影響電壓穩定。如果與傳感器、數字顯示儀表、壓力、流量調節旋鈕等共用一個電源則會造成傳感器測量值產生偏差、壓力與流量調節異常等情況，因此兩者要單獨供電。

3)報警及急停功能

當試件入口壓力超過設定值時，PLC將提供報警信號，并立即給換向閥 8通電進行卸荷，同時停泵以達到保護系統的目的;當油液溫度超出規定油溫的上下限時，PLC進行報警并停機，直到在溫控系統的作用下達到規定范圍再進行試驗;當油濾發生阻塞時，油濾的壓差提示器給 PLC發送信號，PLC經識別后進行報警并及時停機以免出現事故。

4)計時、計數功能

傳統的試驗臺做試驗時單純依靠操作人員進行計時或計數容易使操作人員感到疲憊甚至計時、計數錯誤導致試驗數據不準確。使用本試驗臺做保壓試驗時，手動或者自動開啟計時器都可以準確的記錄試驗時間;做往復試驗時，電磁換向閥換向的同時 PLC輸出控制信號給繼電器從而使計數器跟隨電磁換向閥的動作準確計數。另外，可以通過上位機或者觸摸屏設置保壓時間或者往復次數使系統自動進行試驗，試驗完畢后系統自動進行停泵并卸荷。

5)油溫的自動控制

在對試件進行測試時要求油溫保持在 20±5℃的范圍內，利用溫度控制儀表實現溫度的 PID自動控制過程，將試件入口油溫反饋回來進行計算處理后輸出 4～20mA電流，控制比例流量水閥的開度進而控制冷卻水的流量使油溫穩定在設定值附近，從而將油溫控制在規定范圍內;冬天當環境溫度很低使油箱油液溫度比較低時可直接啟動離心泵 23對油液進行循環加熱，將油液加熱到規定值后啟動溫度控制儀然后進行試驗。

4 軟件設計

(1)上位機采用研華工控機，監控軟件用組態軟件 WinCC開發，該監控軟件包括圖形監控系統、報警監控系統、數據處理系統。圖形監控系統將系統原理圖作為主界面可以監控試驗過程及試驗數據、選擇試驗方式、標定傳感器等;報警監控系統用以監控壓力、溫度、流量等值的異常變化并做出相應的動作以及時保護系統;數據處理系統包括記錄試驗曲線并進行數據歸檔、生成報表以及打印等功能。

(2)觸摸屏程序由 MCGS工控組態軟件開發，該程序與上位機監控程序相似主要為方便操作人員在現場進行自動控制而設計，可單獨控制系統試驗過程大大增強了操作人員的方便性，其功能基本與上位機監控軟件相同，但數據處理功能較弱。在本系統中工控機與觸摸屏不能同時對系統進行操作以防止出現故障。

(3)下位機采用西門子 S7-300 PLC并運用STEP7編程，本系統中多個控制回路共用一個 PLC如果采用傳統方式設計該程序則會導致系統規模過于復雜不利于使用與維護，因此采用順序結構與選擇結構相結合的方式設計程序。初始化包括故障診斷、數據處理、實時通迅等功能采用順序結構串入程序中;參數設置主要包括試驗類型、壓力設置、流量設置、往復次數或試驗時間等;系統 3大試驗狀態往復試驗、保壓試驗、流量試驗則采用選擇結構并入程序流程中。程序流程圖如圖 3所示。

圖3 PLC程序流程圖

5 結論

本文所設計的液壓試驗臺將傳統的液壓、氣動技術結合在一起并與以 PLC及 Industrial Ethernet為基礎的先進測控技術有效結合起來，代表了新型液壓試驗臺的發展趨勢。另外本試驗臺的液壓泵站及操作臺在設計制造過程中了采用三維虛擬軟件進行設計，大大縮短了試驗臺的生產周期并且避免了制造過程中可能產生的問題更提升了試驗臺的操作、維護性能;在測控系統方面：充分運用了上位機、觸摸屏與人的交互功能使自動化程度與數據處理能力大大提高，而且 PLC的應用使整個系統更加安全可靠。目前該試驗臺已經順利通過了驗收，各項性能指標均達到了設計要求，系統工作穩定可靠、測試精度高、應用范圍廣。

[1] 雷天覺.新編液壓工程手冊[M].北京：北京理工大學出版社，1998.

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[3] 桑勇，王占林.航空液壓泵加速壽命試驗臺的研制[J].液壓氣動與密封，2009，(1).