比例溢流閥性能測(cè)試系統(tǒng)的研究與開發(fā)

宗舒陽，韓 軍，周文強(qiáng)，李鳳志，劉 春

（內(nèi)蒙古科技大學(xué)信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭014010）

1　設(shè)計(jì)需求和現(xiàn)狀

作為液壓系統(tǒng)關(guān)鍵元件之一的比例溢流閥，其質(zhì)量好壞直接影響著整個(gè)液壓系統(tǒng)控制的精度和穩(wěn)定性[1]，因此，各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)﹄娨罕壤欧y的工作特性要求也越來越高，對(duì)此類閥進(jìn)行定期的檢測(cè)和調(diào)整，是確保伺服系統(tǒng)快速、準(zhǔn)確做出響應(yīng)的必要手段和措施。

對(duì)生產(chǎn)廠家來說，比例溢流閥性能測(cè)試系統(tǒng)的研究對(duì)于比例溢流閥出廠時(shí)的質(zhì)量檢測(cè)是非常必要的，只有擁有良好的測(cè)試系統(tǒng)，并且研究好才能保證高質(zhì)量的伺服閥出廠。另外，對(duì)于現(xiàn)代冶金等企業(yè)，比例溢流閥的使用量非常的大，對(duì)其進(jìn)行性能測(cè)試也便于使用者對(duì)液壓回路故障診斷、進(jìn)行改造等。

經(jīng)過調(diào)研發(fā)現(xiàn)目前市面上的電液比例伺服閥測(cè)試系統(tǒng)中，有相當(dāng)一部分是靠人工手動(dòng)操作，且只能夠完成靜態(tài)測(cè)試，而無法完成動(dòng)態(tài)測(cè)試。人工手動(dòng)測(cè)試的效率和測(cè)試精度都不高。因此需要一個(gè)可以將液壓系統(tǒng)及電氣系統(tǒng)有效結(jié)合在一起，可以精確并高效完成性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)的測(cè)試系統(tǒng)。

2　系統(tǒng)的總體方案

設(shè)計(jì)的系統(tǒng)總體方案如圖1所示。在該系統(tǒng)液壓回路中，進(jìn)油回路是：粗過濾器—變量泵—精過濾器—比例溢流閥。回油路線是：比例溢流閥—油箱。本回路主要是測(cè)試比例溢流閥電壓信號(hào)及比例溢流閥進(jìn)油口的比例特性，所以系統(tǒng)省略執(zhí)行元件液壓缸或液壓馬達(dá)。PLC控制系統(tǒng)接收觸摸屏PID參數(shù)后發(fā)出控制信號(hào)經(jīng)放大電路功率放大后控制比例溢流閥[2]。比例溢流閥進(jìn)口接壓力傳感器測(cè)量進(jìn)口壓力，反饋到PLC系統(tǒng)形成閉環(huán)及壓力表可供讀取壓力數(shù)值。

圖1　系統(tǒng)總體方案

3　液壓系統(tǒng)元件選型及相關(guān)計(jì)算

3.1　液壓泵站

本系統(tǒng)液壓回路部分包括定量葉片泵、變量葉片泵、定量泵電機(jī)、變量泵電機(jī)、濾油器以及液壓油等。為滿足系統(tǒng)需要，各部件選型：變量葉片泵排量6.67 ml/r，額定壓力6.3 MPa；定量葉片泵排量8.0 ml/r，額定壓力7 MPa；定量葉片泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)2.2 kW；變量葉片泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)1.5 kW；液壓油選擇10#抗磨液壓油；高壓精吸油濾油器過濾精度10 μm，不低于HB5930-6/A級(jí)；吸油精濾油器：過濾精度10 μm，不低于HB5930-6/A級(jí)；回油精濾油器：過濾精度10 μm，不低于HB5930-6/A級(jí)。

另外，每個(gè)液壓元件均配有油路過渡底板，采用專用彈卡式底板固定，可方便、隨意地將液壓元件固定在鋁合金型材面板上；油路搭接采用開閉式快換接頭，拆接方便[3]。

3.2　測(cè)試用傳感變送器

壓力傳感變送器：

傳感變送器量程范圍為0～10 MPa，在量程范圍內(nèi)的最大絕對(duì)誤差為0.02 MPa.

因此選擇準(zhǔn)確度等級(jí)為0.2級(jí)（0.2%）的壓力傳感變送器。

3.3　PLC電氣控制單元

可編程控制器（PLC）包括主CPU模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊。本系統(tǒng)PLC電氣控制單元為西門子S7-200系列，電源電壓為AC 220 V/50 Hz，控制電壓為DC24 V；模擬量控制模塊：EM231+EM232；24 V直流電源用于提供控制電壓、傳感器所需電源等；電氣控制線路設(shè)有短路保護(hù)、過載保護(hù)等功能，所使用的電氣元器件全部符合IEC標(biāo)準(zhǔn)。

3.4　油箱容量計(jì)算

油箱的主要功用是存儲(chǔ)供系統(tǒng)循環(huán)所需要的油液。油箱中的油液高度應(yīng)為油箱高度的80%，油箱的容量應(yīng)根據(jù)液壓系統(tǒng)的發(fā)熱、散熱平衡的原則來計(jì)算。其估算公式為：

其中，V為油箱容量，ξ為與壓力有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，低壓系統(tǒng)選2-4，中壓系統(tǒng)選5-7，高壓系統(tǒng)選10-12，本文中選取6.qp為系統(tǒng)流量，其計(jì)算公式為：

公式中n為電機(jī)轉(zhuǎn)速，E為泵的排量。根據(jù)前面選取的電機(jī)功率及額定轉(zhuǎn)速最后計(jì)算出油箱容量為80 L.并附帶上液位、油溫指示計(jì)、吸油濾油器、空氣濾清器等元件。

3.5　管道計(jì)算

系統(tǒng)中管道的規(guī)格尺寸是指其內(nèi)徑和壁厚，從液壓手冊(cè)中查取計(jì)算公式為：

公式中d為管道內(nèi)徑；q為管內(nèi)流量；v為管道中的油液流速，吸油管取0.5～1.5 M/S；δ為管道壁厚；p為管內(nèi)工作壓力；n為安全系數(shù)。σb為管道材料的抗拉強(qiáng)度。根據(jù)測(cè)試系統(tǒng)的相關(guān)要求及查閱液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)最終計(jì)算出d=32 mm，δ=10 mm，且處于經(jīng)濟(jì)考慮選用尼龍管。

4　比例溢流閥測(cè)試系統(tǒng)電氣及PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PLC基本模塊及輸入/輸出模塊選擇如圖2所示。CPU主模塊選擇西門子S7-200的CPU224.該模塊具有數(shù)字量輸入點(diǎn)14個(gè)，數(shù)字量輸出點(diǎn)10個(gè)，本系統(tǒng)中泵站電機(jī)共4個(gè)，分別是定量泵電機(jī)、變量泵電機(jī)、輔助泵電機(jī)、風(fēng)冷卻扇電機(jī)。每臺(tái)電機(jī)啟停按鈕兩個(gè)，共用8個(gè)輸入點(diǎn)，其余6個(gè)輸入點(diǎn)用于擴(kuò)展時(shí)使用。輸出點(diǎn)控制4個(gè)24 V繼電器，4個(gè)電機(jī)運(yùn)行指示燈，空余兩個(gè)輸出點(diǎn)用于擴(kuò)展時(shí)使用。本系統(tǒng)中需要接受液壓系統(tǒng)中壓力傳感器，所以模擬量輸入擴(kuò)展模塊選擇EM231CN模塊。模擬量輸出模塊選擇EM232CN，用于對(duì)模擬式執(zhí)行器比例閥進(jìn)行控制[4]。

圖2　PLC基本模塊及輸入/輸出模塊

泵站電機(jī)運(yùn)行控制子程序如圖3所示。PLC輸入/輸出點(diǎn)安排如下。

圖3　泵站電機(jī)運(yùn)行控制子程序

I0.0/I0.1定量泵電機(jī)啟停 Q0.0/Q0.4定量泵電機(jī)及指示燈控制點(diǎn)

I0.2/I0.3變量泵電機(jī)啟停 Q0.1/Q0.5變量泵電機(jī)及指示燈控制點(diǎn)

I0.4/I0.5輔助泵電機(jī)啟停 Q0.2/Q0.6輔助泵電機(jī)及指示燈控制點(diǎn)

I0.6/I0.7冷卻風(fēng)扇電機(jī)啟停 Q0.3/Q0.7冷卻風(fēng)扇電機(jī)及指示燈控制點(diǎn)

5　比例溢流閥性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)分析（給出實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)）

比例溢流閥的標(biāo)準(zhǔn)特性是輸入電流信號(hào)與其進(jìn)口壓力成線性關(guān)系。為驗(yàn)證本文開發(fā)的測(cè)試系統(tǒng)的有效性，選用了實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)使用了3年的比例溢流閥1只（南京609研究所FF102型）作為測(cè)試對(duì)象，測(cè)試的液壓回路搭建如圖4所示。在不同指令值的控制下，通過觀察比例溢流閥進(jìn)口安裝的壓力表，記錄壓力值變化，繪制壓力/指令值特性曲線[5]。

圖4　比例溢流閥測(cè)試回路

測(cè)試前，先關(guān)閉泵站，使的系統(tǒng)處于無壓狀態(tài)，按照本文開發(fā)的電氣控制線路搭接好控制回路并檢查連接確保無誤，運(yùn)行本文開發(fā)的PLC程序，通過上位機(jī)輸入不同的指令值，觀察不同的指令值所對(duì)應(yīng)的比例溢流閥進(jìn)口壓力的值（進(jìn)口裝有壓力表可供觀察）。測(cè)試結(jié)果記錄如表1所示。系統(tǒng)最大供油壓力6.3 MPa.

表1　比例溢流閥性能測(cè)試結(jié)果記錄表

根據(jù)測(cè)試結(jié)果記錄繪制比例溢流閥壓力特性曲線如圖5所示（其中實(shí)線為被測(cè)閥理想狀態(tài)特性，點(diǎn)狀線為被測(cè)閥實(shí)際狀態(tài)特性）。

圖5　比例溢流閥測(cè)試結(jié)果

根據(jù)測(cè)試結(jié)果來看，運(yùn)用本文開發(fā)的系統(tǒng)對(duì)被測(cè)對(duì)象比例溢流閥的比例特性進(jìn)行了有效的測(cè)試。在指令值是0～3 V時(shí)，比例溢流閥的進(jìn)口壓力保持了良好的線性特性，在指令值是3～6 V時(shí)，該閥的線性特性有所下降，比例閥出廠時(shí)規(guī)定的線性誤差為3.5%，從測(cè)試的結(jié)果來看，該閥的線性誤差為（5～4.3）/5×100%=14%，不在規(guī)定的線性誤差3.5%范圍內(nèi)。說明運(yùn)用該系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)采用的比例溢流閥進(jìn)行了有效測(cè)試，且該閥比例特性使用三年后比例性能有所下降。

6　結(jié)束語

本文自主開發(fā)了一款能夠測(cè)試比例溢流閥性能的測(cè)試系統(tǒng)；搭建了比例溢流閥性能測(cè)試液壓回路，并對(duì)所用到的元件進(jìn)行了選型及計(jì)算；設(shè)計(jì)了能夠控制比例溢流閥的電氣PLC系統(tǒng)；最后選用已經(jīng)使用了三年的比例溢流閥1只作為測(cè)試對(duì)象進(jìn)行了測(cè)試實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文自主開發(fā)的比例溢流閥測(cè)試系統(tǒng)操作簡(jiǎn)便，工作可靠，能夠達(dá)到良好的測(cè)試效果，對(duì)比例溢流閥的性能測(cè)試具有重要的工程實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]王繼偉.液壓傳動(dòng)與控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[2]譚 心.機(jī)械工程控制基礎(chǔ)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2012.

[3]嚴(yán)普強(qiáng).工程機(jī)械測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[4]楊鋒俞.電液伺服與電液比例控制技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010.

[5]楊 智，范正平.自動(dòng)控制原理[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010.