基于LabVIEW的P-Q閥性能測試

時連君

(山東科技大學 機械電子工程學院，山東 青島 266590)

引言

電液比例壓力-流量控制復合閥(簡稱P-Q閥)，是由先導式比例溢流閥、先導式比例流量控制閥組成的。P-Q閥集成在同一閥塊內，結構簡單，用兩路電信號分別控制執行元件的運動速度、輸出壓力，容易實現自動連續控制、遠程控制與程序控制，是一種新型的節能控制閥。P-Q閥元件數量少，整體結構尺寸小，簡化了液壓控制系統,所以在各行業中的應用越來越廣泛。P-Q閥的性能直接影響到系統工作的可靠性，出廠或維修后都需要對閥的性能進行測試，保證其性能參數滿足相關標準的要求。因此利用各種傳感器與工業控制機，基于虛擬儀器的測試方法對P-Q閥進行壓力特性、流量特性以及壓力-流量特性測試。

1 閥的性能測試原理

P-Q閥是一種由比例溢流閥、比例調速閥、定差溢流閥和安全閥等組成的復合多參數控制閥，既可實現對執行元件(液壓馬達或液壓缸)輸出流量的比例控制，又能實現對其壓力的比例調節；既能實現具有確定增益系統的開環控制，又能實現自動調整的閉環控制[1]，所以控制器采用雙比例控制器。但是工作時工作負載的變化，造成節流閥出口的流量不穩定，所以P-Q閥通常采用具有壓力補償作用的定差溢流閥來保證節流閥進出口壓差Δp恒定，流量可以表示為：

(1)

A=πdx

(2)

式中，d—— 滑閥直徑

Cd—— 流量系數

A—— 過流面積

ρ—— 流體密度

x—— 開口量

由上式可以看出，在閥芯直徑不變的情況下，其通過的流量取決于閥的開口量x的大小，也就是比例電磁鐵推桿的位移[2]。通過閥芯的位移去控制系統的壓力與流量，完成電-機-液的比例轉換。但是在進行壓力調節時，溢流量太小會導致系統壓力不穩定，溢流閥正常工作時要保持合理的溢流量，否則節流口會出現流量脈動，使液壓系統中執行元件的運動速度不均勻，因此需要對其參數進行調試、測試。

1.1 壓力特性測試

P-Q閥的壓力特性是指閥的出口壓力隨比例控制器的控制電壓變化的p=f(U)曲線。測試時將P-Q閥的出口節流閥19關閉，給比例溢流閥的電磁鐵線圈BT1施加由小到大控制電壓，同時測量閥的進口壓力和出口壓力值[3-4]，這樣獲得了P-Q閥壓力特性。

1.2 流量特性測試

P-Q閥的流量性能是指其流量隨比例控制器的控制電壓變化的q=f(U)曲線。測試時，將P-Q閥的出口打開，給電液比例調速閥的比例電磁鐵線圈施加由小到大控制電壓，同時測量相應閥流量值，獲得P-Q閥流量特性。

1.3 壓力-流量特性測試

P-Q閥的壓力-流量特性是指閥出口流量隨閥的出口壓力變化的q=f(p)曲線[5]。測試時將P-Q閥的出口接一個節流閥作為負載，給比例溢流閥和比例調速閥分別施加合適的控制量，調整節流閥的開度從而使負載壓力由小到大地逐點增加，即改變P-Q閥出口壓力的大小，同時測量其入口壓力、出口壓力及流量，獲得其壓力-流量特性及進出口壓力的變化規律。

2 液壓系統原理及參數

擬定測試系統的壓力值最高為25 MPa，流量最大值為25 L/min，液壓原理圖如圖1所示。系統主要有高壓變量柱塞油泵作為動力元件給測試系統提供動力；先導式比例溢流閥、電磁先導式溢流閥、節流閥等作為控制元件控制測試系統的壓力、流量；P-Q閥為被測試的控制元件；蓄能器、冷卻器等輔助元件在測試系統中起到蓄能、冷卻油液的作用[6-7]。

1.吸油過濾器 2.油泵電機組 3.單向閥 4.高壓過濾器 5.電磁溢流閥 6.比例溢流閥 7、9、16、17.壓力傳感器 8、10、12、15.壓力表 11、13、14、19.節流閥 18.P-Q閥 20.流量傳感器 21.回油過濾器 22.冷卻器

3 測試數據的采集與處理

3.1 參數及控制信號流程

測試系統中裝有壓力表，用來顯示液壓系統中各個位置的壓力值，壓力傳感器用來傳輸壓力數據，流量傳感器用來測試被試閥的流量數值[8]。測試系統數據采集采用多功能模入模出的PCI-8333卡，D/A通道輸出2個控制電壓信號，到雙比例控制閥控制器的【控制輸入】端口，控制器輸出控制電流分別驅動比例溢流閥、比例調速閥，P-Q閥出口就產生相應的輸出壓力、輸出流量數值。依次給出不同的控制電壓，分別測量控制電壓與輸出壓力、輸出流量的數值，得出控制電壓和輸出壓力、控制壓力與輸出流量之間的p=f(U)、q=f(U)曲線[9]，控制信號流程圖如圖2所示。

圖2 計算機測控信號圖

3.2 測試軟件

虛擬儀器測試平臺的軟件是基于LabVIEW編寫而成的，是一種直觀的圖形化的編程語言，主要用于測試、數據測量以及系統控制等。軟件的主要功能：測試開始前顯示液壓原理圖，使測試者在測試開始前調整液壓系統；測試開始后進行實驗數據的采集；測試結束后進行數據的處理，顯示測試曲線等。

3.3 測試過程

1)P-Q閥靜態特性測試

根據要求正確連接測試系統控制信號，如圖3所示。

圖3 控制信號連接

2)測試系統液壓閥的調整

啟動液壓泵電機前，安裝好被測試的P-Q閥，面板上的電磁溢流閥的控制按鈕YA1斷電，使測試系統卸荷，防止柱塞泵帶壓啟動,打開節流閥13，關閉節流閥14。啟動液壓泵電機后，待電動機進行Y-Δ啟動完畢后，按下控制面板上的電磁溢流閥按鈕YA1,調節其手柄使測試系統達到安全工作壓力12 MPa，然后按擬定的步驟進行測試操作[10-11]。

3)測試系統軟件界面的操作

(1)P-Q閥的壓力特性測試：在測試系統界面上的編輯框內填寫相應的數據及數據文件名，按照擬定的步驟進行測試操作，最后得出相應的測試數據,由工業控制計算機自動繪制出被試閥的特性曲線如圖4所示。圖4中曲線1是閥出口壓力特性曲線，曲線2是閥的進口壓力特性實驗曲線，橫坐標為電壓(電流)控制量。隨著比例閥的控制電壓的增大，雙比例控制閥輸出的壓力也隨著升高，具有與比例溢流閥相似的特性。

圖4 壓力特性曲線

(2)P-Q閥的流量特性測試：測試開始前，先打開節流閥19，以便用流量傳感器測試被試閥的流量，在測試系統的測試界面編輯框內填寫相應的測試數據，然后按照擬定步驟的要求進行測試得出數據，最后工業控制計算機根據測試數據自動繪制出被試閥的流量特性曲線，如圖5所示。曲線1為閥流量特性擬合曲線，曲線2為實測數據點線，橫坐標為電壓(電流)控制量。隨著雙比例控制器輸出控制電壓(控制電流)的增大，被試閥的輸出流量也逐漸增大，與比例調速閥具有相似的性能。

圖5 流量特性曲線

(3)測試結束后，先使面板上的電磁溢流閥的控制按鈕YA1斷電，使溢流閥卸荷，系統壓力降到最低值，停止油泵電動機。

4)P-Q閥壓力-流量特性測試

(1)根據要求正確選擇壓力傳感器、流量傳感器，連接測試系統控制信號，如圖6所示。

圖6 控制信號連接

(2)測試系統液壓閥的調整:啟動液壓泵電機前，電磁溢流閥的控制按鈕YA1斷電，使溢流閥卸荷，防止液壓泵帶壓啟動。

打開節流閥13、節流閥19，其余關閉，啟動液壓泵電機[12]，待電動機Y-Δ啟動完畢后，按下電磁溢流閥按鈕YA1,調節其手柄使系統達到安全工作壓力12 MPa，打開節流閥14，進行下一步操作。

(3)軟件界面數據設置:在測試系統界面框內填寫相應的被試閥參數數據，壓力控制量設置為系統最高工作壓力，流量控制量設置為任意允許值，填寫擬定的測試數據等。按【測試開始】鍵，測試系統測量第1個負載壓力點，緩慢調小節流閥19的開度，使負載壓力上升至下個測壓點，重復上面步驟,直至測試結束，點擊界面上【數據記錄】鍵，測試數據自動記錄在【測試數據表】內，按照規定的步驟進行實驗[13]，得出被試閥的輸出壓力和輸出流量測試數據，由工業控制計算機根據測試數據自動繪制出閥特性曲線。

P-Q閥進口壓力-負載壓力特性測試曲線如圖7所示，曲線1是擬合曲線，曲線2是實測數據點線，橫坐標為被試閥進口壓力數值，縱坐標為被試閥負載壓力數值。隨著P-Q閥負載壓力的增大，其進口壓力也隨著增大。

圖7 進口壓力-負載壓力特性曲線

P-Q閥壓力-流量特性測試曲線如圖8所示，曲線1是擬合曲線，曲線2是實測數據線，輸出流量隨負載壓力的增大而減小。由測試的結果可以看出，雙比例控制的P-Q閥是一款節能控制產品。

圖8 壓力-流量特性曲線

4 結論

由于P-Q閥沒有國家測試標準，所以在測試中結合國家有關比例溢流閥、比例調速閥的測試標準要求進行探索性的測試，通過測試數據以及測試曲線可以得出如下的結論：

(1)P-Q閥的輸出壓力、輸出流量基本上隨著比例控制器輸出電壓(電流)的變化而變化，從而改變執行元件的壓力及速度，但由于比例電磁鐵存在感抗，導致控制電流延遲了上升時間。為了提高其動態特性可以串聯電阻或者提高控制電壓(電流)；

(2)雙比例控制閥的出口壓力隨著負載變化時，閥進口壓力也隨著變化，從而起到節能的作用；

(3)閥的控制器件可以通過采用壓力流量位移內反饋與動壓反饋等機電校正措施，使P-Q閥穩態控制精度與動態響應速度接近伺服閥。