新型電液比例閥的計算機性能測試方法及其實現

易建鋼

(江漢大學機電與建筑工程學院，湖北武漢430056)

電液比例閥廣泛應用于機床、冶金工業、工程機械、礦山機械、化工機械等行業中，是機械設備液壓系統中的重要構件，其質量和性能的好壞直接影響著液壓系統的可靠性和穩定性。隨著我國工業設備自動化程度的提高，在工業企業液壓系統中正在大量使用一類新型電液比例閥，這類元件以多級電反饋、小滯環、高響應為特征，內部帶有反饋電路，某些元件甚至帶有大型高精度反饋儀器，其本身就相當于一個復雜的系統，是控制整個液壓系統正常運行的關鍵設備。由于這類關鍵元件長期高負荷工作，易于發生損壞或性能下降。一旦元件性能參數無法滿足生產要求，就必須及時進行更換和維修，否則極易出現事故或影響生產。然而，國內現有檢測技術尚無法完全滿足這類昂貴的新型電液比例閥性能試驗要求，相關元件性能參數的檢測精度達不到工作要求，甚至部分國外進口的比例閥性能參數無法進行檢測。為了滿足生產急需，不少元件被迫送往國外生產廠家進行檢測，不僅檢測費用昂貴，而且常常為此延誤或影響生產。因此，對新型電液比例閥的計算機性能測試方法進行深入研究，進而研制相應的計算機測試平臺和測試軟件，不僅能確保這類液壓系統現場生產的正常運行，還能降低維修成本，并為高精度電液比例元件的國產化提供有力的技術支持。

1 新型電液比例閥測試方法

以某國有大型鋼鐵企業為例，調研發現該企業大量進口及投入使用的新型電液比例閥主要包括方向閥、溢流閥和減壓閥3種，如圖1所示。它們的共同特征是配備有專用的電控器和外置放大器，且內置了高精度傳感器。傳統的測試方法和普通液壓閥試驗臺已無法完成其性能技術指標的測試任務，因此必須建立一套新的數據采集和控制系統，由計算機對壓力、流量、溫度等試驗參數進行數據采集、量化和處理，以高速高精度完成電液比例閥的性能測試。

圖1 新型電液比例閥類型

圖2所示為新型電液比例閥液壓系統原理圖。系統中的元件3、元件4-1及元件5-1構成壓力閥的進口加載裝置，用于對比例溢流閥的靜態特性和動態特性進行測試;元件7-1、元件7-2、元件4-2和元件5-2構成壓力閥的出口加載裝置，用于對比例減壓閥的靜態和動態特性進行測試;上述進口加載裝置和出口加載裝置構成了比例加載系統，可模擬比例閥的各種負載工況，對比例方向閥的靜態和動態特性進行測試。變量泵1作為試驗系統的動力源，為保證快速切斷閥4的快速開閉，控制油源須按高壓設計。

圖2 新型電液比例閥液壓系統原理圖

具體測試方法如下:

(1)比例方向閥測試。將溢流閥2的壓力調高，做安全閥用。關閉快速切換閥4-1，調節調速閥3，使試驗流量通過被試閥。給被試閥6輸入額定電信號，通過計算機采集被試閥輸出信號。

(2)比例溢流閥測試。將溢流閥2的壓力調高，作安全閥用。關閉快速切換閥4-1，調節調速閥3，使試驗流量通過被試閥。通過計算機發出電信號，以小于或等于0.05 Hz的頻率在小于起始電信號和額定電信號之間變化，同時測量相應的壓力值。

(3)比例減壓閥測試。調節泵1的流量為被試閥試驗流量的1.25倍。調節溢流閥2為額定壓力。關閉調速閥3和快速切換閥4-1、4-2。給被試閥6輸入額定電信號，調節節流閥7-1使通過被試閥的流量為試驗流量。通過計算機發出信號，使輸入電信號以小于或等于0.05 Hz的頻率在小于起始電信號和額定電信號之間變化，同時測量相應的壓力值。

2 比例閥性能測試系統設計

為了完成上述測試任務，設計了如圖3所示的新型比例閥性能測試系統，它主要由計算機測試系統、液壓系統、電控系統、可編程控制器 (PLC)和被測元件組成。其中，計算機測試系統主要由工業控制計算機和數據采集卡組成，用于完成監測和管理任務，并能進行靜態和動態測試實時采樣;液壓系統如圖2所示，用于實現液壓回路的動作;電控系統包括各類開關、繼電器和顯示燈，用于控制液壓系統中的泵、閥的啟停及狀態顯示;PLC用于協調液壓系統、計算機測試系統和電控系統，實現系統的全自動控制;被測元件即需測試的方向閥、減壓閥或溢流閥。PLC與計算機之間采用MPI(RS485)方式通訊，計算機測試系統采用SIEMENS公司的WINCC軟件實現對電控系統和液壓系統的狀態監控，所有測試參數均由電控系統中數顯表顯示，能方便地進行觀察和記錄。采用PLC控制器控制電機啟動和停止、油溫加熱和冷卻、液位、過濾器堵塞報警以及液壓系統互鎖控制。系統壓力調節、加熱冷卻和電機的啟停均可通過操作電控系統上的按鈕實現。所有測試內容由計算機控制完成，并能顯示、保存、打印測試性能曲線。

圖3 比例閥性能測試系統圖

3 軟件實現

根據上述對新型電液比例閥的性能檢測要求，作者采用Microsoft公司的Virsual C++編程設計了新型電液比例閥的計算機性能測試軟件，對其靜態特性及動態特性進行測試和分析，測試內容包括:

(1)流量特性。用于測試新型電液比例閥在給定信號下的流量-電流之間的關系;

(2)壓力特性。用于測試新型電液比例閥在給定信號下的壓力-電流之間的關系;

(3)靜耗特性。用于測試新型電液比例閥在給定信號下的泄漏量-電流之間的關系;

(4)頻率特性。用于測試新型電液比例閥在給定信號下的幅值比/相位差-頻率之間的關系;

(5)參數設置。用于設置測試信號通道、測試比例尺及坐標范圍等參數。

圖4為作者為某企業研制開發的新型電液比例閥測試系統計算機軟件主界面，圖5和圖6分別是某比例閥的流量特性和壓力特性實測曲線結果。通過與國外生產廠家所提供的原始性能曲線相比較，所開發的系統及軟件測試精度高、數據準確，能很好地檢測新型電液比例閥的靜態及動態性能參數。該系統已投入現場運行1年以上，實際運行情況表明:該系統使用正常，提高了生產效率，降低了維修成本和工作強度，提高了綜合經濟效益。

圖4 計算機測試主界面

圖5 流量特性測試

圖6 壓力特性測試

4 結論

新型電液比例閥以其響應速度快、控制精度高的特點而被廣泛地應用于許多液壓系統中。為了降低新型電液比例閥的檢測費用，提高液壓系統可靠性，給設備的檢修和維護提供可靠的技術保障，研究新型電液比例閥的計算機測試方法并設計相應的性能測試軟件是十分有必要的。作者提出了其靜態及動態特性的測試方法，建立了新型電液比例閥的自動測試系統，并開發了計算機測試軟件，解決了該類電液比例閥難以維修的難題。

【1】路甬祥.液壓氣動技術手冊［M］.北京:機械工業出版社，2002.

【2】張寒蕾，王春梅.基于電液比例控制的液壓試驗臺的液壓泵性能分析［J］.機床與液壓，2010，38(3):103-104.

【3】胡學軍，滕達，談宏華.基于MATLAB的電液比例閥測試系統的研究［J］.機床與液壓，2010，38(11):42-44.

【4】趙波.150t電弧精煉爐(LF)液壓控制系統的設計［J］.液壓氣動與密封，2006(6):18-20.

【5】彭國朋，曾良才，朱學彪，等.數字式角位置電液伺服裝置測試系統的研究［J］.機床與液壓，2006(3):193-194.

【6】高英杰，孔祥東.基于小波包分析的液壓泵狀態監測方法［J］.機械工程學報，2009，45(8):80-88.

【7】李娟.組態技術在液壓泵測試系統中的應用［J］.機床與液壓，2010，38(8):95-97.

【8】汪書蘋，趙爭鳴.帶修正因子模糊PID控制的PMSM交流伺服系統［J］.清華大學學報:自然科學版，2007，47 (1):9-12.