基于比例閥控制的液壓附件部件綜合試驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)

羅庚合，王 瑜

(西安航空學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安710077)

1 概述

多數(shù)飛機(jī)作動系統(tǒng)都是電液伺服系統(tǒng)，現(xiàn)代飛機(jī)最主要的飛機(jī)舵面全部采用電液伺服系統(tǒng)驅(qū)動，起落架的收放動作幾乎都是采用液壓傳動系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的，此外液壓系統(tǒng)還擔(dān)負(fù)著飛機(jī)操縱系統(tǒng)、機(jī)輪剎車及地面轉(zhuǎn)向駕駛、發(fā)動機(jī)反推控制等工作，對飛機(jī)的安全飛行極為重要。

本試驗(yàn)臺主要用于對某飛機(jī)液壓系統(tǒng)附部件、輔助件性能檢測、相容性評定、污染等級等的評定。還可以用于自研制的液壓附件、部件的試驗(yàn)，定型、批生產(chǎn)、服役改進(jìn)的試驗(yàn)，可靠性試驗(yàn)等，是一種多功能綜合性的大型液壓試驗(yàn)臺[1]。

2 測試條件與主要技術(shù)指標(biāo)

(1)工作介質(zhì)：YH-10航空液壓油/SH0358-1995

(2)工作介質(zhì)溫度：室溫～100℃；短期125℃

(3)輸入通道：

P=21MPa，Q=120L/min一對

P=32MPa，Q=120L/min一對

(4)輸出通道7對，同時(shí)工作互不干擾

(5)輸出壓力分級調(diào)節(jié)，輸出流量分段調(diào)節(jié)

(6)污染度控制等級GJB420-6/A級

(7)數(shù)顯干路和各支路的壓力、流量、溫度、及設(shè)備電壓、電流、作動筒動作時(shí)間、系統(tǒng)工作時(shí)間等參數(shù)

(8)壓力測量范圍：0～40MPa

(9)流量測量范圍：0.1～120L/min

(10)壓差測量范圍：0～21MPa

(11)溫度測量范圍：0～150℃

(12)測量精度：壓力0.5%、流量0.5%、溫度±1℃

(13)換向活門自動工作狀態(tài)計(jì)時(shí)、計(jì)次數(shù)和作動器動作時(shí)差計(jì)時(shí)

(14)手動泵供保壓回路、冷氣、油液隔離器

(15)試驗(yàn)臺外設(shè)尺寸4×1×1.9m3(參考)

(16)電源種類： AC380V/220V、50HZ

(17)試驗(yàn)臺噪聲不大于70db，壽命不低于1200H

(18)試驗(yàn)環(huán)境：溫度從-55°～150℃

(19)各支路超壓報(bào)警和濾油器壓差報(bào)警和保護(hù)

3 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)方案：

根據(jù)測試條件和性能指標(biāo)的要求，液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要由以下9部分組成[2]:

(1)試驗(yàn)臺體

(2)輸入供壓部分

(3)油液過濾凈化部分

(4)各支路輸出壓力、流量、方向控制及調(diào)節(jié)部分

(5)試驗(yàn)臺壓力、流量和溫度、時(shí)間等參數(shù)的數(shù)顯

(6)手動泵供壓、保壓、卸壓部分

(7)報(bào)警應(yīng)急保護(hù)部分

(8)冷熱油液隔離裝置

(9)液壓增壓氣壓控制裝置

3.2 液壓系統(tǒng)干路和各支路設(shè)計(jì)

3.2.1 輸入供壓部分

圖1 試驗(yàn)臺干路調(diào)壓與選擇圖

圖2 干路供油回油和卸載液壓系統(tǒng)圖

將3號泵源與4號泵源的輸出端各接上一個(gè)高壓球閥，平時(shí)球閥處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)工作時(shí)則打開工作系統(tǒng)的球閥。由于3號泵源與4號泵源都是獨(dú)立的系統(tǒng)，當(dāng)用哪個(gè)系統(tǒng)時(shí)其回油必須回到工作的泵源系統(tǒng)油箱中。當(dāng)起動某一系統(tǒng)時(shí)，雙聯(lián)搖臂手柄使其供回油球閥同時(shí)打開。若采用本實(shí)驗(yàn)臺上的系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)，電氣控制原理上也保證了3號系統(tǒng)和4號系統(tǒng)的互鎖，遠(yuǎn)程、本試驗(yàn)臺控制互鎖，這樣可有效保證工作系統(tǒng)出現(xiàn)誤動作而給產(chǎn)品造成損壞。圖1中RP1、RP3是試驗(yàn)臺壓力調(diào)節(jié)電位計(jì),KA11、KA12是PLC輸出控制的繼電器用來進(jìn)行遠(yuǎn)程控制還是本試驗(yàn)臺控制所選擇的對應(yīng)干路[3]。

3.2.2 干路濾油和流量測量及卸荷保護(hù)回路設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)的過濾精度指標(biāo)是一個(gè)極為重要的指標(biāo)。因?yàn)樵跍y試液壓產(chǎn)品時(shí)必須對試驗(yàn)臺的工作液的清潔度提出要求。其評價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)是GJ-420。對不同的產(chǎn)品都有一個(gè)相應(yīng)的技術(shù)要求。工作液清潔度指標(biāo)如果不滿足被試產(chǎn)品技術(shù)條件的要求，不但影響到被試產(chǎn)品的性能，嚴(yán)重的還可能造成產(chǎn)品的故障。如伺服作動筒就要求GJB-420的6級，電液伺服閥規(guī)范中要求是GJB-420的5級，一般作動筒為7-8級。要想工作液清潔度達(dá)到應(yīng)有的等級，系統(tǒng)過濾是達(dá)到指標(biāo)的必要手段。

如圖2所示，該試驗(yàn)臺供油干路系統(tǒng)過濾采用三級過濾，并在過濾器上加有壓差繼電器，過濾器兩端壓差超過某值時(shí)，輸出信號給PLC，進(jìn)行聲光報(bào)警。

第一級的過濾精度絕對過濾度10μ，第二級的過濾精度絕對過濾度5μ，第三級的過濾精度絕對過濾度3μ。過濾器所承受的最高工作壓力大于32MPa，所有內(nèi)部元器件及密封承受工作液溫度大于120℃，其納污能力高βx≥200。

系統(tǒng)回油在總干路上采用兩級過濾：第一級過濾精度名義濾度5μ；第二級的絕對過濾度3μ。除加裝壓差超限報(bào)警外，在有些過濾器上還加裝了旁通閥，超過0.35MPa旁通開啟保證回油路的始終暢通無阻[4]。

回油路上還安裝了流量計(jì)，并用兩位四通手控閥控制是否進(jìn)行油量測量。

當(dāng)系統(tǒng)有過壓等安全報(bào)警時(shí)，PLC輸出信號控制兩位兩通電磁換向閥DF1動作，進(jìn)行干路卸荷，起到安全保護(hù)作用，如圖3所示。

圖3 輔助油箱多余油回油液壓系統(tǒng)圖

試驗(yàn)臺臺面接油口是將工作臺外泄油接入輔助油箱。當(dāng)油箱液位指示超過某一液面后，起動電機(jī)循環(huán)泵L、再經(jīng)過兩級濾油器過濾后經(jīng)單向閥回到大油箱，以保證回收油液的清潔度。

3.2.3 第一支路充保壓回路設(shè)計(jì)

如圖4所示，為第一支路充保壓回路圖，為了保證油液清潔度在手動泵出口加了一個(gè)精密油濾，過濾精度為3μ(絕對)，當(dāng)作充保試驗(yàn)時(shí)，第一支路供油給被測試件。這時(shí)DF2接通，由L1調(diào)節(jié)比例流量閥流量，由YL調(diào)節(jié)第一支路壓力。經(jīng)過單向閥15回干路。由壓力傳感器和數(shù)顯表顯示第一支路供、回油路壓力。當(dāng)需要保壓試驗(yàn)時(shí)，調(diào)節(jié)節(jié)流閥YL使流量為零，同時(shí)斷開DF2電磁閥，當(dāng)試件泄漏等原因使系統(tǒng)壓力不足時(shí)，手動增壓泵23工作，經(jīng)過濾油器22，經(jīng)過單向閥19，這時(shí)開啟球閥18給儲能器供油加壓，給第一支路保壓，當(dāng)壓力表指示到保壓值時(shí)，停止手動泵23增壓，手動球閥20卸掉手動泵壓力，保壓結(jié)束后利用DF3對第一支路的壓力卸載[5]。

圖4 第一支路充壓保壓支路圖

圖5 支路2～支路6液壓系統(tǒng)圖

3.2.4 油—?dú)庠鰤簹鈮合到y(tǒng)

油—?dú)庠鰤簹鈮合到y(tǒng)主要用于氣動元件的試驗(yàn)，其試驗(yàn)壓力最高為21MPa，通常氮?dú)馄繛?2MPa、氦氣5MPa。因此，為了滿足高壓氣的系統(tǒng)要求, 需將氣源的壓力增壓21MPa，此方案中采用液壓增壓缸原理實(shí)現(xiàn)氣壓系統(tǒng)增壓。

氣動分三路輸出，其中有兩路以快速接頭連接方式，輸入到試驗(yàn)臺體控制面板上，另一路輸入到環(huán)境試驗(yàn)箱內(nèi)，在試驗(yàn)箱內(nèi)有氣動接口，液壓系統(tǒng)總圖如圖7所示。

3.2.5 支路2～6液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖5所示，為支路2～6液壓系統(tǒng)圖，這些支路既要求有流量控制，也要有壓力控制，首先由比例節(jié)流閥進(jìn)行流量調(diào)節(jié)，然后根據(jù)測試件的要求用比例減壓閥進(jìn)行壓力調(diào)整。由壓力傳感器和數(shù)顯表顯示各支路壓力，流量表顯示系統(tǒng)流量，比例節(jié)流閥在無指令信號時(shí)應(yīng)使回路成截止工作狀態(tài)。系統(tǒng)在控制方式上采用的是比例控制技術(shù)，只需通過操控臺上的電位計(jì)就可以達(dá)到控制要求。各支路的流量和壓力調(diào)節(jié)方式基本相同。

系統(tǒng)中高溫支路與常溫支路的控制模式相同，所不同的是高溫支路中選用耐高溫元件。

對于系統(tǒng)原理圖中支路2、4、5通道為高溫支路，工作液溫度為100℃，短期120℃，可集成設(shè)為同一組[6]。

3.2.6 第7支路作動器測試支路

該支路除了具備支路2～6的流量和壓力調(diào)節(jié)功能外還加裝了比例換向閥，可對作動器進(jìn)行自動和手動換向，換向頻率調(diào)整，自動換向時(shí)壓力線性變換。控制用超低頻信號發(fā)生器控制比例換向閥實(shí)現(xiàn)。

由PLC控制比例換向閥是手動還是自動控制，測定作動器的動作時(shí)間差和不同壓力流量下的動作速度。安裝在作動器活塞桿行程始末的接近開關(guān)和PLC及計(jì)時(shí)器計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)時(shí)間差和速度次數(shù)測試，如圖6所示，完整的試驗(yàn)臺液壓系統(tǒng)圖如圖7所示[7]。

3.3 系統(tǒng)管路設(shè)計(jì)

管路設(shè)計(jì)按下式進(jìn)行計(jì)算：

d0=管路內(nèi)徑 單位cm

Q——通過管路的液體流量 單位L/min

V——通過管路的液體流速 單位m/s

按卡套式接頭標(biāo)準(zhǔn),高壓管為重型。其工作壓力PN=400bar，管外徑φ30mm。

由干路進(jìn)入七對支路后支路管路經(jīng)協(xié)調(diào)確認(rèn)如下：

供油支路用φ16×1.5的g鋼管，回油管路為φ16×1的鋼管。

高壓大管路的連接方式采用選進(jìn)的進(jìn)口特型卡套式接頭，可靠無滲漏，管路選用卡套式接頭的專用鋼管。其余可采用卡套式連接，也可用傳統(tǒng)的擴(kuò)口式方案，可根據(jù)施工方的條件而定。為了減小管路噪聲，安裝時(shí)管路每1.5m要用管夾安裝固定[8]。

4 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖8所示，為PLC控制的1、2、7支路的原理框圖，該系統(tǒng)采用比例流量閥、比例減壓閥和比例換向閥，及隨閥配套的PWM調(diào)制放大板進(jìn)行遠(yuǎn)動控制，由操控臺電位計(jì)進(jìn)行調(diào)節(jié)，邏輯控制采用PLC可編程控制器，由操控臺控制各支路起動、停止和保壓、泄壓、報(bào)警等。

所有的壓力、流量、溫度和電壓、電流等顯示采用變送器和數(shù)字化儀表配合，作動器動作時(shí)間用接近開關(guān)、PLC和計(jì)時(shí)器控制，報(bào)警用濾油器繼電器觸點(diǎn)和數(shù)顯表上限報(bào)警輸出聯(lián)合控制。

動作時(shí)差測試，作動器動作時(shí)差對飛行控制起到至關(guān)重要的作用，利用作動器給線圈供電的繼電器KA和接近開關(guān)信號和PLC計(jì)時(shí)器測試動作時(shí)差和動作速度。

5 試驗(yàn)臺測試與調(diào)節(jié)

第一步，首先開啟遠(yuǎn)程控制干路3或4供油，再由操控臺選擇所需的干路，并調(diào)節(jié)干路壓力達(dá)到要求值，用機(jī)械開關(guān)配合控制選通所需干路。

第二步，用快速高壓接頭連接被測件到所需的支路的輸出接口。

第三步，將所有支路的壓力和流量調(diào)節(jié)電位計(jì)調(diào)到最小值。

圖7 多功能液壓附件部件綜合試驗(yàn)臺液壓系統(tǒng)總圖

圖8 多功能液壓附件部件綜合試驗(yàn)臺電氣控制原理框圖

第四步，開啟相應(yīng)支路，首先調(diào)整流量到所需的值，然后調(diào)整壓力到達(dá)給定值，并注意觀察系統(tǒng)和對應(yīng)支路的壓力、流量和溫度等顯示。

6 安全保護(hù)的調(diào)整

干路和各支路的過流過壓報(bào)警保護(hù)可由比例閥放大板的上限設(shè)置和壓力流量溫度的數(shù)顯表的上限設(shè)定來實(shí)現(xiàn)。

用RS232串口線連接計(jì)算機(jī)與相應(yīng)的比例閥放大板，打開放大板軟件，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)控，調(diào)整該支路的壓力和流量到該測試件的上限值，這時(shí)記錄下放大板輸出給比例閥線圈的對應(yīng)的電流，設(shè)定該電流為壓力或流量的上限值，該支路在測試時(shí)不會應(yīng)為電位計(jì)過調(diào)而產(chǎn)生過壓或過流，起到對測試件的保護(hù)。

調(diào)整各支路對應(yīng)的壓力、流量和溫度數(shù)顯表的報(bào)警上限值，當(dāng)實(shí)際值超過上限時(shí)，數(shù)顯表內(nèi)部的壓力繼電器動作向PLC發(fā)出信號，PLC辨別后產(chǎn)生相應(yīng)的聲光報(bào)警和卸荷保護(hù)[9]。

7 結(jié)語

通過對某飛機(jī)液壓系統(tǒng)所用的作動器、閥和集成塊等部件測試，該試驗(yàn)臺基本滿足了對測試件的性能測試要求，而且試驗(yàn)臺工作穩(wěn)定、安全可靠、調(diào)整方便、顯示直觀，振動噪音小，不泄露等特點(diǎn)得到用戶充分肯定。

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