王俊秀，王新民，王紀(jì)森

(西北工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，陜西 西安 710072)

1 引言

隨著飛機(jī)液壓系統(tǒng)向高壓、大流量的方向發(fā)展，為保證飛行安全，必須通過(guò)地面測(cè)試來(lái)保證飛機(jī)液壓附件的安全，該試驗(yàn)臺(tái)就是對(duì)飛機(jī)液壓附件進(jìn)行耐壓、密封、壽命等測(cè)試的關(guān)鍵設(shè)備。其主要技術(shù)參數(shù)為：(1)系統(tǒng)工作壓力：0.1～50MPa;(2)最大流量180 L/min;(3)工作介質(zhì)：15#航空液壓油;(4)工作油溫 20±5℃。

2 液壓系統(tǒng)組成及原理

液壓系統(tǒng)主要包括液壓泵站與試驗(yàn)臺(tái)兩部分，兩者之間通過(guò)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(tǒng);試驗(yàn)臺(tái)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(tǒng)原理如圖 1所示。

(1)原理圖左側(cè)為換向工位，做往復(fù)試驗(yàn)時(shí)將液壓元件用軟管通過(guò)快換接頭 27.1與 27.2連接起來(lái)。此時(shí)，當(dāng)壓力為 2～31 MPa時(shí)換向閥 11.1與 11.2不通電，通過(guò)換向閥 13的換向來(lái)做往復(fù)試驗(yàn);當(dāng)壓力為0.1～2 MPa時(shí)換向閥 11.1與 11.2同時(shí)通電將減壓閥接入系統(tǒng)回路輸出低壓油，再通過(guò)換向閥 13換向來(lái)做低壓往復(fù)試驗(yàn)。

(2)原理圖右側(cè)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(tǒng)原理圖

(3)原理圖中間上半部分為增壓子系統(tǒng)，在本試驗(yàn)臺(tái)中 31～50MPa壓力用做保壓試驗(yàn)，故選用氣壓增壓泵產(chǎn)生 31～50 MPa高壓。其工作原理為：氣瓶 15中的壓縮空氣經(jīng)空氣過(guò)濾器 16、氣壓安全閥 17、氣壓減壓閥 18、二位二通閥 19進(jìn)入增壓器的氣腔對(duì)來(lái)自換向工位或保壓工位的低壓油進(jìn)行增壓。通過(guò)調(diào)節(jié)氣壓減壓閥 18的出口壓力即可調(diào)節(jié)增壓腔的油液壓力從而獲得試驗(yàn)所需壓力;高壓安全閥 10.3調(diào)節(jié)為 50 MPa以保證系統(tǒng)安全，當(dāng)試驗(yàn)完成后打開(kāi)針閥 21進(jìn)行卸荷。

(4)在回油支路上通過(guò)調(diào)節(jié)節(jié)流閥 14產(chǎn)生一定的背壓，試驗(yàn)時(shí)，將液壓元件通過(guò)快換接頭 27.3與供油管路的快換接頭連接起來(lái)，用來(lái)做背壓試驗(yàn)，另外支路上安裝有流量計(jì)用來(lái)做流量試驗(yàn)。

3 測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)試驗(yàn)臺(tái)的總體技術(shù)要求及試驗(yàn)設(shè)備分布比較分散，開(kāi)關(guān)信號(hào)、模擬信號(hào)、測(cè)量點(diǎn)比較多等情況，本系統(tǒng)采用基于現(xiàn)場(chǎng)總線 Profibus-DP和 Industrial Ethernet的測(cè)控網(wǎng)絡(luò)。測(cè)控系統(tǒng)原理如圖 2所示。

圖2 測(cè)控系統(tǒng)原理圖

該系統(tǒng)主要由電控柜、上位機(jī)、下位機(jī)及測(cè)控網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，測(cè)控系統(tǒng)功能如下：

1)電機(jī)起動(dòng)時(shí)采用軟起動(dòng)器

電機(jī)起動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的沖擊電流為額定電流的 4～7倍，為了消除電機(jī)起動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)電壓的影響，采用軟啟動(dòng)器恒流起動(dòng)方式起動(dòng)電機(jī)。當(dāng)電機(jī)起動(dòng)時(shí)，軟起動(dòng)器輸出電壓值迅速增加，直到輸出電流達(dá)到設(shè)定的電流限幅值并保持不變，使電動(dòng)機(jī)逐漸加速電壓逐漸升高。當(dāng)電機(jī)接近額定轉(zhuǎn)速時(shí)，輸出電流迅速下降到額定電流完成起動(dòng)過(guò)程。此時(shí)起動(dòng)器停止工作，電機(jī)直接由電網(wǎng)供電。

2)控制回路電源與儀器儀表、傳感器等電源分開(kāi)

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(dāng)電磁閥工作時(shí)線圈會(huì)產(chǎn)生接近 48 V的反向電動(dòng)勢(shì)從而影響電壓穩(wěn)定。如果與傳感器、數(shù)字顯示儀表、壓力、流量調(diào)節(jié)旋鈕等共用一個(gè)電源則會(huì)造成傳感器測(cè)量值產(chǎn)生偏差、壓力與流量調(diào)節(jié)異常等情況，因此兩者要單獨(dú)供電。

3)報(bào)警及急停功能

當(dāng)試件入口壓力超過(guò)設(shè)定值時(shí)，PLC將提供報(bào)警信號(hào)，并立即給換向閥 8通電進(jìn)行卸荷，同時(shí)停泵以達(dá)到保護(hù)系統(tǒng)的目的;當(dāng)油液溫度超出規(guī)定油溫的上下限時(shí)，PLC進(jìn)行報(bào)警并停機(jī)，直到在溫控系統(tǒng)的作用下達(dá)到規(guī)定范圍再進(jìn)行試驗(yàn);當(dāng)油濾發(fā)生阻塞時(shí)，油濾的壓差提示器給 PLC發(fā)送信號(hào)，PLC經(jīng)識(shí)別后進(jìn)行報(bào)警并及時(shí)停機(jī)以免出現(xiàn)事故。

4)計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)功能

傳統(tǒng)的試驗(yàn)臺(tái)做試驗(yàn)時(shí)單純依靠操作人員進(jìn)行計(jì)時(shí)或計(jì)數(shù)容易使操作人員感到疲憊甚至計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)錯(cuò)誤導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。使用本試驗(yàn)臺(tái)做保壓試驗(yàn)時(shí)，手動(dòng)或者自動(dòng)開(kāi)啟計(jì)時(shí)器都可以準(zhǔn)確的記錄試驗(yàn)時(shí)間;做往復(fù)試驗(yàn)時(shí)，電磁換向閥換向的同時(shí) PLC輸出控制信號(hào)給繼電器從而使計(jì)數(shù)器跟隨電磁換向閥的動(dòng)作準(zhǔn)確計(jì)數(shù)。另外，可以通過(guò)上位機(jī)或者觸摸屏設(shè)置保壓時(shí)間或者往復(fù)次數(shù)使系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)完畢后系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行停泵并卸荷。

5)油溫的自動(dòng)控制

在對(duì)試件進(jìn)行測(cè)試時(shí)要求油溫保持在 20±5℃的范圍內(nèi)，利用溫度控制儀表實(shí)現(xiàn)溫度的 PID自動(dòng)控制過(guò)程，將試件入口油溫反饋回來(lái)進(jìn)行計(jì)算處理后輸出 4～20mA電流，控制比例流量水閥的開(kāi)度進(jìn)而控制冷卻水的流量使油溫穩(wěn)定在設(shè)定值附近，從而將油溫控制在規(guī)定范圍內(nèi);冬天當(dāng)環(huán)境溫度很低使油箱油液溫度比較低時(shí)可直接啟動(dòng)離心泵 23對(duì)油液進(jìn)行循環(huán)加熱，將油液加熱到規(guī)定值后啟動(dòng)溫度控制儀然后進(jìn)行試驗(yàn)。

4 軟件設(shè)計(jì)

(1)上位機(jī)采用研華工控機(jī)，監(jiān)控軟件用組態(tài)軟件 WinCC開(kāi)發(fā)，該監(jiān)控軟件包括圖形監(jiān)控系統(tǒng)、報(bào)警監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。圖形監(jiān)控系統(tǒng)將系統(tǒng)原理圖作為主界面可以監(jiān)控試驗(yàn)過(guò)程及試驗(yàn)數(shù)據(jù)、選擇試驗(yàn)方式、標(biāo)定傳感器等;報(bào)警監(jiān)控系統(tǒng)用以監(jiān)控壓力、溫度、流量等值的異常變化并做出相應(yīng)的動(dòng)作以及時(shí)保護(hù)系統(tǒng);數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)包括記錄試驗(yàn)曲線并進(jìn)行數(shù)據(jù)歸檔、生成報(bào)表以及打印等功能。

(2)觸摸屏程序由 MCGS工控組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)，該程序與上位機(jī)監(jiān)控程序相似主要為方便操作人員在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行自動(dòng)控制而設(shè)計(jì)，可單獨(dú)控制系統(tǒng)試驗(yàn)過(guò)程大大增強(qiáng)了操作人員的方便性，其功能基本與上位機(jī)監(jiān)控軟件相同，但數(shù)據(jù)處理功能較弱。在本系統(tǒng)中工控機(jī)與觸摸屏不能同時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操作以防止出現(xiàn)故障。

(3)下位機(jī)采用西門子 S7-300 PLC并運(yùn)用STEP7編程，本系統(tǒng)中多個(gè)控制回路共用一個(gè) PLC如果采用傳統(tǒng)方式設(shè)計(jì)該程序則會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)規(guī)模過(guò)于復(fù)雜不利于使用與維護(hù)，因此采用順序結(jié)構(gòu)與選擇結(jié)構(gòu)相結(jié)合的方式設(shè)計(jì)程序。初始化包括故障診斷、數(shù)據(jù)處理、實(shí)時(shí)通迅等功能采用順序結(jié)構(gòu)串入程序中;參數(shù)設(shè)置主要包括試驗(yàn)類型、壓力設(shè)置、流量設(shè)置、往復(fù)次數(shù)或試驗(yàn)時(shí)間等;系統(tǒng) 3大試驗(yàn)狀態(tài)往復(fù)試驗(yàn)、保壓試驗(yàn)、流量試驗(yàn)則采用選擇結(jié)構(gòu)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(jié)論

本文所設(shè)計(jì)的液壓試驗(yàn)臺(tái)將傳統(tǒng)的液壓、氣動(dòng)技術(shù)結(jié)合在一起并與以 PLC及 Industrial Ethernet為基礎(chǔ)的先進(jìn)測(cè)控技術(shù)有效結(jié)合起來(lái)，代表了新型液壓試驗(yàn)臺(tái)的發(fā)展趨勢(shì)。另外本試驗(yàn)臺(tái)的液壓泵站及操作臺(tái)在設(shè)計(jì)制造過(guò)程中了采用三維虛擬軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，大大縮短了試驗(yàn)臺(tái)的生產(chǎn)周期并且避免了制造過(guò)程中可能產(chǎn)生的問(wèn)題更提升了試驗(yàn)臺(tái)的操作、維護(hù)性能;在測(cè)控系統(tǒng)方面：充分運(yùn)用了上位機(jī)、觸摸屏與人的交互功能使自動(dòng)化程度與數(shù)據(jù)處理能力大大提高，而且 PLC的應(yīng)用使整個(gè)系統(tǒng)更加安全可靠。目前該試驗(yàn)臺(tái)已經(jīng)順利通過(guò)了驗(yàn)收，各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠、測(cè)試精度高、應(yīng)用范圍廣。

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

[2] 杜來(lái)林，楊小林.Z8YT-1A型直升機(jī)液壓附件綜合試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)[J].液壓與氣動(dòng)，2008，(6).

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