某大型裝備液壓試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)

任豐蘭

(1.常德職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系，湖南常德 415000；2.中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410083)

0 前言

隨著液壓傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，液壓技術(shù)變得越來越成熟，它在大型裝備中也得到了越來越廣泛的應(yīng)用。大型裝備如300 MN模鍛水壓機(jī)、125 MN臥式擠壓機(jī)和250 MN難變形臥式擠壓機(jī)都是超大型戰(zhàn)略性裝備，體現(xiàn)了國(guó)家極端制造能力和制造水平，關(guān)系到國(guó)家重要戰(zhàn)略裝備，其產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率和設(shè)備自動(dòng)化程度對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)、國(guó)防現(xiàn)代化、航空航天等領(lǐng)域有重大影響。這些大型裝備是國(guó)家的重要戰(zhàn)略裝備，生產(chǎn)任務(wù)重、影響力巨大，一旦出現(xiàn)問題，將造成嚴(yán)重后果，所以不便直接在這些戰(zhàn)略裝備上對(duì)液壓元件進(jìn)行系統(tǒng)功能和特性分析測(cè)試。為從特性與機(jī)制上分析這些裝備的液壓系統(tǒng)的綜合性能，需要在實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建能反映裝備負(fù)載特點(diǎn)的試驗(yàn)臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行模擬和試驗(yàn)，以真實(shí)地再現(xiàn)大型裝備的工作過程，實(shí)現(xiàn)液壓元件性能參數(shù)的驗(yàn)證。這對(duì)大型裝備的故障排除、功能分析及設(shè)備性能的提升有重要意義。

1 試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)的功能分析和主要參數(shù)

1.1 系統(tǒng)功能分析

該試驗(yàn)臺(tái)以某大型裝備液壓系統(tǒng)為核心，采用定量泵為系統(tǒng)供油，對(duì)頂缸(分別實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)和加載)模擬大型裝備執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作過程。結(jié)合試驗(yàn)臺(tái)要求，綜合考慮，液壓試驗(yàn)臺(tái)功能如圖1所示。

圖1 液壓試驗(yàn)臺(tái)功能分析

1.2 液壓試驗(yàn)臺(tái)的主要參數(shù)要求

液壓試驗(yàn)臺(tái)的主要參數(shù)要求：系統(tǒng)額定壓力為9.6 MPa；系統(tǒng)額定流量為14 L/min；系統(tǒng)工作負(fù)載為8 kN；液壓缸工作壓力為6 MPa；工作缸行程為500 mm；液壓缸前進(jìn)最大運(yùn)行速度=0.1 m/s；速度控制精度、位置控制精度、壓力控制精度均為0.1。

2 液壓試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)

2.1 液壓試驗(yàn)臺(tái)的組成

液壓試驗(yàn)臺(tái)以某大型裝備如300 MN模鍛水壓機(jī)、125 MN臥式擠壓機(jī)和250 MN難變形臥式擠壓機(jī)的液壓系統(tǒng)為對(duì)象，采用3個(gè)定量泵為系統(tǒng)供油，其中1個(gè)為驅(qū)動(dòng)泵，2個(gè)為負(fù)載泵，3個(gè)泵相互獨(dú)立，互不干涉。大型裝備液壓試驗(yàn)臺(tái)由對(duì)頂缸試驗(yàn)臺(tái)架、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和負(fù)載系統(tǒng)3個(gè)部分構(gòu)成，通過對(duì)頂缸試驗(yàn)臺(tái)架(分別實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)和加載)模擬大型裝備執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作過程。其中，對(duì)頂缸試驗(yàn)臺(tái)架由1個(gè)雙出桿活塞缸和2個(gè)單桿活塞缸組成。負(fù)載缸和驅(qū)動(dòng)缸均為單出桿活塞缸，雙出桿活塞缸作為驅(qū)動(dòng)缸的更換備件，3個(gè)液壓缸參數(shù)規(guī)格相同。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)泵、溢流閥、電液比例換向閥、驅(qū)動(dòng)缸等組成，負(fù)載系統(tǒng)由負(fù)載缸、比例壓力閥、負(fù)載泵等部分組成，液壓系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 液壓系統(tǒng)原理

2.2 試驗(yàn)臺(tái)的工作原理

試驗(yàn)臺(tái)采用3個(gè)定量泵為系統(tǒng)供油，采用對(duì)頂缸加載，利用先導(dǎo)電磁溢流閥實(shí)現(xiàn)油泵的空載啟動(dòng)。通過電液比例換向閥實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)缸的運(yùn)動(dòng)方向控制。通過負(fù)載缸進(jìn)油路和回油路的2個(gè)比例壓力閥，可以分別調(diào)節(jié)負(fù)載缸兩腔的工作壓力。利用對(duì)頂缸活塞桿之間的拉壓力傳感器，實(shí)現(xiàn)拉力或壓力控制。采用截止閥調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)液壓缸的外泄漏量，以模擬外泄漏情況下液壓缸的動(dòng)態(tài)特性。采用壓力傳感器、位移傳感器對(duì)壓力和位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)壓力、位置、速度控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)頂缸模擬大型裝備執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作過程。

3 試驗(yàn)臺(tái)典型元件的計(jì)算與選型

3.1 液壓缸和液壓泵的選型

液壓缸是液壓系統(tǒng)的執(zhí)行元件，液壓泵為動(dòng)力元件，根據(jù)試驗(yàn)臺(tái)性能的要求，對(duì)液壓缸、液壓泵的選用原則、主要性能參數(shù)提出要求，以選出合適的元件型號(hào)。為使液壓泵有一定的壓力儲(chǔ)備，所選泵的額定壓力一般比最大工作壓力大25%～60%，文中取=1.25，由此可得泵的額定工作壓力應(yīng)大于8.1 MPa。液壓缸與液壓泵的選用原則、主要性能參數(shù)與型號(hào)如表1所示。

表1 液壓缸與液壓泵的選用原則、主要性能參數(shù)與型號(hào)

3.2 電機(jī)的參數(shù)計(jì)算與選型

3.2.1 轉(zhuǎn)速的計(jì)算

根據(jù)油泵的輸出流量>14 L/min及排量=16.5 mL/r，按公式(1)可確定電機(jī)的轉(zhuǎn)速：

(1)

式中：為葉片泵的容積效率。單作用葉片泵取=0.9，代入式(1)得：

則取電機(jī)同步轉(zhuǎn)速為1 000 r/min。

3.2.2 電機(jī)功率的計(jì)算

系統(tǒng)要求油泵的工作壓力>8.1 MPa，額定流量>14 L/min，則電機(jī)功率計(jì)算公式為

(2)

式中:為葉片泵總效率。

3.2.3 電機(jī)的選型

電機(jī)的選型應(yīng)滿足油泵驅(qū)動(dòng)功率、轉(zhuǎn)速與油泵匹配。根據(jù)以上原則，液壓系統(tǒng)3臺(tái)電機(jī)均選擇Y2系列型號(hào)為Y2-132S-6/B5的三相異步電動(dòng)機(jī)， 其功率為3 kW、轉(zhuǎn)速為960 r/min。所選電機(jī)具體參數(shù)如表2所示。

表2 Y2-132S-6/B5的電動(dòng)機(jī)參數(shù)

4 電氣控制及監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

電氣控制及監(jiān)控系統(tǒng)由電機(jī)、上位機(jī)、PLC、數(shù)據(jù)采集卡、各傳感器及控制元件等組成。PLC+繼電器控制電磁閥的換向動(dòng)作，采用人機(jī)交互式的智能化設(shè)計(jì)。其中，上位機(jī)、PLC和數(shù)據(jù)采集等通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的通信。該系統(tǒng)工作原理如圖3所示。

圖3 電氣控制和監(jiān)控系統(tǒng)工作原理

4.1 電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

電氣控制系統(tǒng)主要用于實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)泵、負(fù)載泵、電機(jī)以及閥位機(jī)能的控制。電動(dòng)機(jī)及風(fēng)冷電機(jī)的電氣控制原理如圖4所示，其中，主電路采用AC 380 V供電，控制電路采用DC 24 V供電。它以PLC可編程控制系統(tǒng)為核心，實(shí)現(xiàn)閥、電機(jī)、手閥等的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)的控制?？删幊炭刂葡到y(tǒng)選用S7-1500 PLC，它操作簡(jiǎn)單快捷，組態(tài)效果好，操作穩(wěn)定、可靠。

圖4 電機(jī)、風(fēng)冷電機(jī)電氣控制原理

4.2 監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，其中硬件由上位機(jī)、PLC、數(shù)據(jù)采集卡、各傳感器及控制元件組成。各傳感器把從液壓系統(tǒng)檢測(cè)到的信號(hào)通過數(shù)據(jù)采集卡傳送給個(gè)人PC機(jī)和PLC，進(jìn)行信號(hào)分析和處理，并控制比例閥的輸入信號(hào)，實(shí)現(xiàn)位置、速度和壓力等參量控制。采用壓力傳感器、位移傳感器對(duì)壓力和位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)壓力、位置、速度控制。其中，對(duì)頂缸活塞桿之間通過拉壓力傳感器實(shí)現(xiàn)兩缸的對(duì)頂壓力與拉力的測(cè)量，位移傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)缸活塞桿的位移測(cè)量。軟件主要采用西門子TIA PORTAL實(shí)現(xiàn)PLC程序的編制和監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)設(shè)計(jì)，控制軟件的操作界面如圖5所示。

圖5 監(jiān)控系統(tǒng)的界面

5 結(jié)論

為了從特性與機(jī)制上分析大型裝備如300 MN模鍛水壓機(jī)、125 MN臥式擠壓機(jī)等液壓系統(tǒng)的綜合性能，本文作者設(shè)計(jì)了一個(gè)大型裝備的液壓試驗(yàn)臺(tái)，介紹了液壓試驗(yàn)臺(tái)的組成和工作原理，進(jìn)行了液壓缸、液壓泵和電機(jī)參數(shù)的計(jì)算與選型及電氣控制與監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大型裝備液壓系統(tǒng)零部件、設(shè)備的性能測(cè)試和對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況的模擬和試驗(yàn)。