比例閥在鋼管水壓機油水壓力平衡系統中的應用

王垚

摘 要：介紹了采用可編程控制器（PLC）控制比例閥的基本原理，論述了比例閥在鋼管水壓機油水壓力平衡控制系統中的應用，總結了比例閥調試和控制的一些方法。

關鍵字：比例閥、PLC、油水平衡

前言

鋼管水壓試驗是鋼管生產過程中檢驗鋼管承壓能力和消除鋼管剩余應力的一個重要工序，按照相關標準要求，在保壓規定時間內，不能出現滲漏現象，最終保證出廠鋼管在設計的工作壓力下有足夠的承壓能力。不同規格鋼管的靜水試驗壓力不同，因而，在每次鋼管換型時，都要重新調試主油缸的推力。主油缸推力的大小由液壓系統比例溢流閥控制，需要通過人工計算出水壓值，輸入計算機中，再由計算機輸出電信號控制比例溢流閥，由比例溢流閥控制靜水壓機主油缸推力。主油缸產生的推力是否合適，關系到鋼管試壓是否能夠完成，試壓時主油缸的推力過小，靜水壓機端面就會與鋼管端口密封不嚴產生泄漏，當充滿高壓水的鋼管管端產生泄漏時，就會撕裂密封膠圈造成暴圈；靜水壓機主油缸推力過大，試驗頭會頂彎鋼管，造成廢品。因此對主油缸的壓力控制是十分重要的。

比例閥是一種能夠按比例地隨輸入電信號的變化而調節和控制液流壓力、方向和流量的液壓元件。近年來，隨著可編程控制器（PLC）和自動控制技術的發展，比例閥在工業控制系統中得到了廣泛的應用。比例閥在鋼管水壓試驗機油水壓力平衡（以下簡稱油水平衡）控制系統中的應用，充分體現了其壓力控制方便、調節性能好、控制精度高等優點。

1.水壓機油水壓力平衡系統簡介

水壓機的油水平衡，簡單的說，就是在水壓機前壓頭推力主缸的油壓要隨著鋼管內水壓的變化而成比例變化，始終要與水壓保持一種動態平衡。油壓太大，會擠傷鋼管；油壓太小，則會導致主缸后退，管端密封失效，嚴重時會導致高壓水噴出，對周圍的設備及人身帶來安全風險。在水壓機主缸油壓控制中采用比例閥，很好地解決了這個問題，實現了油壓與水壓的適時動態平衡。

1.1.油水壓力平衡系數的計算

在水壓試驗前后壓頭根據鋼管的要求長度通過定位裝置鎖緊在拉力柱上。要實現油水壓力平衡，就要使前壓頭主缸內的油水隨管內水壓而變化。

在鋼管與前壓頭的接觸面上承受著鋼管水壓F水與主缸的推力F油，只要滿足F水= F油，就可以實現油水壓力的動態平衡。

由F水=P水S管，F油=P油S缸 得P油S缸=P水S（1）

式中：

P油——主缸油壓； S缸——主缸缸徑橫截面；

P水——試壓管內水壓； S管——試壓管內徑橫截面積。

在實際生產中，考慮油缸摩擦力等因素的影響，一般在公式中增加系數α即P油S缸=αP水S管 （2） α一般取1.05～1.1。

從（2）式中可以求得油水壓力平衡系數

K= P油/ P水=αS管/ S缸. （3） 因為S管= （4）

式中：D管為鋼管外徑；t為鋼管壁厚。由于t遠遠小于D管，故S管近似等于 （5）將（5）式代入（3）式，得

K= P油/ P水=αS管/ S缸=αD2管/D2缸，（6）式中：D缸為主缸直徑。

水壓機主缸缸徑是一個不變的已知數，通過公式（6）可計算出不同管徑鋼管試驗時的油水壓力平衡系數K。

1.2.油水壓力平衡過程分析

水壓機油水壓力平衡控制系統由壓力傳感器、PLC和比例閥共同完成。在水壓試驗過程中，水壓傳感器將鋼管內水的壓力變成電信號送入PLC的A/D模塊，PLC程序中將水壓值與油水壓力平衡系數相乘，將乘積通過D/A模塊送給比例閥放大板，通過比例閥調節主缸內油的壓力。

比例閥的控制采用了閉環控制的方式，在PLC對比例閥壓力進行控制的同時，油壓傳感器將主缸的壓力反饋給PLC，PLC對反饋回來的油壓實際值與油壓的理論值進行比較，調整輸出信號，從而實現油壓與水壓的同比例變化。

2.比例閥控制系統的調試及注意事項

2.1.系統的調試

由于受比例閥輸出特性曲線線性的影響，在比例閥控制系統調試過程中往往需要多次反復，調試的周期也較長，針對這種情況，認為調試過程應從以下幾個步驟進行：

2.1.1.在比例閥控制中增加手動/自動切換電路。先開啟系統同步油泵，將比例閥控制開關切換到手動狀態，手動調節比例閥給定模擬信號，并在不同信號下測量同步系統油路油壓的大小，根據數值繪制出比列閥的輸出特性曲線，將其與理論特性曲線進行比較。

2.1.2.在編程過程中，除了比例閥輸出油壓采用閉環控制的方式外，還要考慮比例閥輸出線性的影響，為了保證水壓過程中油壓響應的快速性，在編程中用軟件對比例閥的特性進行修正。比例閥的特性曲線在壓力超過10MPa后斜率變小，因此，在編程時對壓力超過10MPa后計算出的油壓值進行補充修正。

2.2.系統使用過程的幾點注意事項

2.2.1.當試驗頭密封方式不同時，對預緊壓力的要求也不同。徑向密封的預緊壓力一般設在1.5—2MPa，端面密封的預緊壓力一般設在2.5—3MPa，這兩種密封的預緊壓力控制也略有差別。相比之下，端面密封的預緊壓力不足，會影響整個增壓過程的密封。

2.2.2.水壓機換型時，對同步系統溢流閥的壓力調節非常必要。先計算出鋼管試壓時主缸所需的最大油壓，然后采用比例閥手動控制進行壓力給定，調節同步系統溢流閥的卸荷值，使其比主缸所需的最大油壓高0.5—1MPa為宜。這樣做的目的是當比例閥失控時，過高的油壓可通過溢流閥卸荷，從而避免擠壞鋼管或損壞設備。

2.2.3.在使用量程不同的比列閥時，要注意油水壓力平衡系數的變化。如圖31.5MPa比例閥替換40MPa比例閥，則應在原來油水壓力平衡系數的基礎上乘以1.3（40/31.5）系數。

3.結語

比例閥在我公司鋼管水壓機的油水壓力平衡系統中，使用幾年來性能穩定可靠，不僅提高了生產效率，也基本避免了鋼管因壓彎而判廢的現象。尤其是在重大管線生產鋼管的過程中，由于規格頻繁變化而引起試壓壓力變化頻繁的情況下，比例閥控制的先進性及方便性得到了充分體現。實踐證明，在液壓控制系統中，隨著可編程控制器（PLC）的廣泛應用，電液比例閥控制技術必將更為廣闊的被應用。