一種電液控制綜合實驗系統(tǒng)研究

曹恒，周為民，孫波，吳帥，徐展，朱鈞

(1.華東理工大學機械與動力工程學院，上海200237;2.寶山鋼鐵股份有限公司，上海201900)

隨著科學技術的迅速發(fā)展和液壓技術的廣泛應用，對液壓系統(tǒng)及液壓元件性能要求愈來愈高。伺服閥是電液控制系統(tǒng)中的核心元件，其性能的好壞直接影響到控制系統(tǒng)的性能。由于使用環(huán)境和油液污染等原因，在使用一定時間后伺服閥動靜態(tài)特性會產生較大的偏差，嚴重時會導致系統(tǒng)無法正常工作［1］。在國家自然科學基金和寶鋼油膜軸承監(jiān)測系統(tǒng)研制項目中，需要測試智能傳感接頭、伺服閥和一些液壓件的性能。為了給液壓測試提供一個試驗平臺，研制了這種電液控制實驗臺，它不僅能夠完成伺服閥性能測試，還能完成其他典型液壓件(方向閥、溢流閥、液壓缸等)的測試。實驗臺結構緊湊，系統(tǒng)具有開放性和可擴展性，可以根據測試需求搭接相應測試回路，滿足不同的測試需求。

1 實驗臺組成

實驗臺主要包括動力源、實驗操作臺、實驗臺電氣系統(tǒng)、實驗臺軟件系統(tǒng)［2］。這幾個部分的設計都考慮到了結構緊湊、使用維護方便，圖1 為實驗臺實物圖。

圖1 實驗臺結構圖

動力源是提供液壓動力的液壓源。考慮測試的通用性，液壓泵選擇軸向柱塞變量泵，這種泵可以手動調節(jié)泵的排量，從而達到改變系統(tǒng)供油量的目的，為不同流量的閥提供了測試條件。動力源泵組布置方式采用分離式液壓動力源結構，這種結構便于維護，傳動功率大，適用于實驗臺的結構設計，而且減小了動力源的振動對測試精度的影響。

實驗操作臺是進行實驗的平臺，主要包括實驗臺臺面、儀表面板、油路系統(tǒng)。實驗臺臺面用來安裝固定被試件、提供不同的連接底板和連接接口以及安裝傳感器、壓力表接頭。儀表面板上安裝了7 個壓力表、1 個流量顯示器、1 個Siemens 觸摸屏和各種繼電器按鈕。油路系統(tǒng)包括液壓油管路系統(tǒng)、實驗臺回油管路系統(tǒng)、臺面回油系統(tǒng)。同時用1 個空氣過濾器過濾臺面回油油液，保證臺面回油的清潔性。實驗臺電氣系統(tǒng)用來控制實驗臺的操作運行。考慮到操作的方便性和結構緊湊性，把電氣系統(tǒng)做成一個電氣柜，安裝在實驗臺一側。

實驗臺軟件系統(tǒng)是基于LabVIEW 平臺開發(fā)的，能夠實時顯示測量的壓力、流量以及相關性能曲線，軟件系統(tǒng)界面友好，操作簡單方便，滿足測試要求。

2 實驗臺工作原理

如圖2所示為實驗臺液壓系統(tǒng)原理圖。由于實驗臺主要測試液壓伺服系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)對液壓油的清潔性有很高的要求，所以在泵的出口設置了2 個壓力管路過濾器，過濾精度為10 μm，先對液壓油進行粗過濾再進行精過濾，保證油液的清潔性。元件11 為減壓閥，用來提供某些被測件需要的外控油源，特別是對某些閥進行外控口性能測試時，需要對外控口進行供油。當不需要減壓壓力時只需要用堵頭堵住，需要時直接用軟管連接即可。元件12 為電磁先導式溢流閥，用來調節(jié)系統(tǒng)供油壓力。元件9a、9b 是用來遠程調節(jié)減壓閥和溢流閥的壓力，電磁換向閥15 用于控制系統(tǒng)的供油方向，T1、T2 兩個節(jié)流閥用于調節(jié)系統(tǒng)負載壓力。系統(tǒng)中的測壓點和傳感器都集成在通徑32 的底板上，并為了測量不同流量的液壓件設計了不同通徑的連接底板，測試時只需要更換不同通徑的底板即可。

為了提高系統(tǒng)回路的可擴展性和多樣性，實驗臺液壓系統(tǒng)借鑒了單向閥橋式換向回路，設計了實驗臺液壓系統(tǒng)的H 橋液壓回路。在H 橋中用2 個流量測量裝置來測量負載流量，用4 個球閥來控制液流流動方向，實現不同的測試功能。根據液壓系統(tǒng)的H 橋回路，液壓油可以有以下幾種流通方式:

(1)關閉J1、J2，打開J3、J4，液壓油不經過2個流量測量裝置，從A 口直接返回到B 口，進行系統(tǒng)加載或者換向等功能。

(2)關閉J3、J4，打開J1、J2，液壓油只流過工業(yè)流量計17，這個油路通路是常用的。

(3)關閉J1、J4，打開J2、J3，液壓油只流過VSE 流量計10。這個油路在系統(tǒng)精確測量負載流量時使用。

(4)關閉J2、J3，打開J1、J4，液壓油流過工業(yè)流量計17 和VSE 流量計10，此時工業(yè)流量計17和VSE 流量計10 串聯在油路上，這個油路一般用來校準工業(yè)流量計17。

如果H 橋回路配上4 個快換接頭A、B、M、Q，通過連接不同的接口，又可以組成更多的測試回路。考慮到實驗臺結構的緊湊和用H 橋回路進行油路切換時方便可靠，選擇了4 個板式連接的球閥來實現油路的通斷。設計的H 橋回路閥塊和蓋板如圖3所示。

圖2 實驗臺液壓系統(tǒng)原理圖

圖3 H 橋回路模塊

回油口上設計了一個流量計底板和蓋板，當需要測試液壓件的內泄漏時可以把流量計安裝在底板上，當不需要時，只需要蓋上蓋板即可。

當測試板式閥時，把板式閥安裝在相應通徑的連接板;當測試管式閥、液壓缸、液壓馬達等元件時，只需要把相應的接口連接到A、B、M、Q 快換接頭。

(1)伺服閥測試

該實驗臺能夠進行伺服閥的動靜態(tài)測試，對伺服閥在使用后產生的偏差或者故障進行測試和維修。下面介紹如何用該實驗臺對伺服閥相關故障檢測［3］。

①零偏調整

最簡單的方法就是把伺服閥固定在連接板上，關閉A、B 口出口處的加載節(jié)流閥T1、T2。慢慢進行系統(tǒng)加載至適當壓力，觀察壓力表13d、13e 讀數是否相等，如果有偏差，可以調節(jié)伺服閥上的調零裝置，直到兩個壓力表讀數相等。在進行伺服閥靜態(tài)空載流量曲線測試時也能夠測出偏差進行零偏調整。

②零漂調整

調節(jié)加載按鈕，觀察壓力表13d、13e 讀數的變化是否同步，若兩個壓力表的讀數變化同步而且是處處都相等或者相近，則說明伺服閥壓力零漂很小或者無壓力零漂。若不是同步變化，則需要進行調節(jié)。

③動作遲緩

靜態(tài)測試時，進行壓力增益測試時，如果得到的壓力增益曲線平緩，滯環(huán)大，輸入微小信號而不動作，說明伺服閥內部受到油液污染或者功率級滑閥磨損嚴重，需要把伺服閥解體進行清洗維修。

④伺服閥閥芯不動作

給伺服閥輸入低頻信號時，觀察兩個壓力表13d、13e，若兩個壓力表讀數沒有變化，則說明伺服閥沒有動作。這時伺服閥的故障可能是伺服閥卡死(可能是由于油液污染引起)或者先導級油路堵塞，需要進行解體檢修。

(2)缸的測試

測試缸時把缸用A、B 處的快換接頭與系統(tǒng)連接起來。

缸的測試主要有以下幾個方面［4］:

①最低啟動壓力

點擊觸摸屏上的電液動換向閥15，使換向后油液流向被測缸的無桿腔，然后點擊加載按鈕，慢慢調整遠程調壓閥，看相對應的壓力表讀數，記錄液壓缸啟動時的壓力值。

②內泄漏測試

對電液動換向閥15 進行連續(xù)換向幾次后，調節(jié)遠程調壓閥，使系統(tǒng)壓力逐漸上升，當液壓缸運動到行程終點，使壓力上升到缸測試的額定壓力，拔掉液壓缸回油管接入量杯，同時用秒表計時。

③耐壓測試

同第②步一樣當缸運動到行程終點，繼續(xù)擰緊遠程調壓閥，使系統(tǒng)壓力為缸測試額定壓力的1.5 倍，觀察缸的變形或者破壞情況。

④外泄漏測試

在第②、③步驟中，查看缸活塞桿或者其他接合處有無滲漏。

在進行其他液壓件測試時只需要測試者通過連接快換接頭或者安裝不同通徑的連接板，組成自己需要的測試回路，完成相關的性能測試。

3 實驗臺軟件模塊分析

實驗臺在進行一些液壓件的測試和維修時，只需要通過搭接成不同的測試回路，觀察相對應的壓力表和流量傳感器，測試人員就可以根據有關知識和實踐經驗得到自己需要的測試參數和查找液壓元件的故障所在。在做伺服閥的測試時，需要測試其靜動態(tài)性能曲線，比如流量特性曲線、壓力增益曲線、幅頻曲線等，這些曲線對測試伺服閥性能和維修伺服閥非常重要。目前實驗室用XY 繪圖儀、低頻信號發(fā)生器和掃頻儀等測試器件來測試，但是這種測試方法繁瑣而且數據處理麻煩。為此設計了實驗臺的軟件模塊，它建立在LabVIEW 軟件平臺上，能夠完成數據采集、激勵信號設定、試驗項目選擇、數據顯示和數據自動保存與處理等功能［5］。

該軟件可以完成伺服閥空載流量特性、壓力增益特性、內泄漏特性以及頻率特性測試等試驗，軟件模塊的結構［6］如圖4所示。

圖4 軟件組成模塊結構

系統(tǒng)軟件采用模塊化設計，每個模塊完成一定測試功能，各個模塊又具有相對的獨立性，這樣的程序設計使得系統(tǒng)軟件容易閱讀、調試方便。每個模塊都有自己的信號采集模塊、信號處理模塊、激勵信號模塊、數據顯示和保存模塊。其中激勵模塊是用Lab-VIEW 編程通過采集卡輸出激勵信號，激勵信號模塊不僅能夠輸出常用的三角波、正弦波、方波等信號，而且還能輸出動態(tài)測試中的掃頻信號。如圖5所示為掃頻信號程序框圖。

圖5 掃頻信號程序框圖

掃頻信號程序設計中，在前面板中設置起始頻率、終止頻率以及掃描步長，然后通過For 循環(huán)的移位寄存器來實現。

軟件系統(tǒng)中每個模塊都包括數據采集、數據處理、曲線顯示和數據的自動保存。采集程序、讀取數據、數據處理、曲線顯示和數據保存，這幾個部分采用“生存者—消費者”編程結構組織起來，這樣的結構采用隊列作為緩存，每個模塊作為一個線程，多個線程同時運行，它們各盡其責，使程序總體運行效率得到提高。這幾個模塊的程序框圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)軟件程序框圖

4 結論

該實驗臺機械結構緊湊合理，可以測試伺服閥動靜態(tài)性能，也可以測試其他諸如缸、閥等液壓件的性能，實驗臺功能具有通用性。設計的H 橋回路加上液壓回路中的其他快換接頭，可以組成不同的測試回路，滿足不同的測試需求。軟件系統(tǒng)建立在圖形化編程語言LabVIEW 平臺上，與傳統(tǒng)測試相比，省去了XY 繪圖儀、信號發(fā)生器和掃頻儀等儀器，使得測試更加方便可靠。

【1】朱新才，周小鵬，肖林.電液伺服閥綜合測試臺的設計［J］.機床與液壓，2001，39(18):60－61.

【2】熊詩波.液壓測試技術［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1982.

【3】吳振順.液壓控制系統(tǒng)［M］.北京:高等教育出版社，2008.

【4】孫永厚.液壓綜合試驗臺設計［J］.工程機械，2003(11):40－42

【5】阮奇楨.我和LabVIEW:一個NI 工程師的十年編程經驗［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2009.

【6】曹恒，吳昊，熊建央.基于無線模塊的反應釜清洗頭實時監(jiān)測系統(tǒng)［J］.工業(yè)儀表與自動化裝置，2009(1):82－84.