一種液壓多功能集成閥試驗臺設計與研究*

黃 浩,陳義訓,金曉宏

(武漢科技大學 機械自動化學院,湖北 武漢 430081)

0 引 言

當前,隨著液壓技術的快速發展,液壓傳動技術的運用范圍也越來越廣,同時許多新型的液壓閥也應運而生。

為了研究一種新型比例壓力流量集成閥的特性,筆者專門為這種新型比例壓力流量集成閥設計了一個試驗臺。

比例壓力流量集成閥是可用電信號分別控制液壓系統壓力和流量的比例閥,同時比例壓力流量集成閥也是一種復合閥。它具有性能穩定、復合度高、能耗低、節能等特點。

目前已有研究人員對比例閥進行了研究。凌俊杰等人[1]對一種兩路信號控制的比例閥進行了研究,并開發了該比例閥的控制系統;但是,在該研究中,研究人員并未對實際的比例閥控制系統元件進行設計。張弓等人[2]分析了比例閥在壓力流量方面的進展,并對比例閥的發展進行了展望。成國真等人[3]提出了一種推廣型電液比例溢流閥,并試圖將其用于取代老款系列比例閥。霍沅明等人[4]設計了一款新型液壓電梯系統,并運用復合閥,解決了節流調速系統能耗高的問題。劉忠等人[5]在對復合閥進行分析的基礎上,設計了一款新型的液壓電梯驅動系統。霍沅明等人[6]利用虛擬儀器,對比例閥進行了性能測試,但并未對比例閥進行實際的實驗研究。

在比例壓力流量集成閥控制精度提升、虛擬儀器性能測試等方面,不少學者開展了大量的研究,并取得了一定的成績。但是,相關的研究基本都是面向比例壓力流量集成閥的設計、仿真和加工,很少有研究涉及比例閥的試驗和軟件程序設計。

因此,筆者針對比例壓力流量集成閥試驗臺液壓系統,設計電氣控制系統的硬件和軟件;采用計算機輔助技術實現數據采集、顯示和數據控制處理功能;實現對某型比例壓力流量集成閥液壓試驗臺的設計,并對其進行性能測試。

1 液壓試驗臺系統設計

1.1 系統概述

該壓力流量集成閥液壓試驗臺系統由液壓試驗系統、電氣控制系統和操作顯示系統組成[7]。其中,液壓試驗臺系統的液壓部分運用了模塊化的設計,主要是由油源、調壓閥塊1、被試閥測試閥塊2、回油及泄漏流量測試閥塊3組成,如圖1所示。

圖1 某型比例壓力流量集成閥液壓試驗原理圖1,34—油箱;2—電機;3—單向閥;4,8,10,23,25,26—耐震壓力表;5,33—電磁溢流閥;6,19,20—比例溢流閥;9,11,22,25,27—壓力傳感器;7,12,13,15,16—管式截止閥;14,28—板式高壓球閥;17,30,31—高精度流量計;18,21—單向閥;29,32—板式球閥

該液壓測試系統包含了壓力和流量傳感器,用于試驗數據的測量[8-10]。

液壓試驗臺系統的電氣控制系統及數據采集顯示系統采用了上位機系統、PLC、數據采集卡等主要元器件,通過以太網進行通訊,用于實現數據的上傳與下載,具有數據儲存、性能曲線繪制、報告生成及打印功能。

液壓試驗臺選用了一種10″的帶有觸摸屏操作顯示系統,試驗人員可以利用以太網與上位機的通訊,并通過觸摸屏完成各項試驗的操作。

1.2 系統主要參數

試驗臺系統主要技術參數如下:

(1)主油路額定壓力:20 MPa;

(2)主油路額定流量:150 L/min;

(3)系統最大承受壓力:35 MPa;

(4)系統測量準確等級:B級;

(5)介質工作溫度:50±2 ℃;

(6)電磁閥電磁鐵電流:0.88 A;

(7)流體粘度:32×10-6±5×10-6m2·s-1。

1.3 液壓系統設計

根據國家標準和機械行業標準,某型比例壓力流量集成閥的液壓試驗臺需要滿足以下幾個試驗方法的國家標準:

流量控制閥使用GB 8104—87;壓力控制閥使用GB 8105—87;方向控制閥使用GB 8106—87。同時,該試驗臺也需要滿足比例多路閥機械行業試驗標準(JB/T 8729—2013)。

液壓試驗原理圖中,閥塊1主要起調節液壓系統壓力的作用,閥塊2主要起對被試集成閥測試的作用,閥塊3主要起回油、泄漏流量測試及背壓的作用。

液壓系統建設實物圖如圖2所示。

圖2 液壓系統建設實物圖

1.4 主要液壓元件選型

(1)液壓泵的選型是由液壓系統的工況決定的[11]。根據液壓系統的壓力流量要求,液壓泵的驅動功率為:

(1)

式中:Pi—液壓泵輸入功率,kW;p—系統額定壓力,MPa;qp—系統額定流量,L/min;ηm—液壓泵機械效率,取0.90;ηv—液壓泵容積效率,取0.90。

通過求解上式可以得出液壓泵的輸入功率為Pi=61.73 kW。

液壓泵選用的品牌:四海,型號:Y-315M-4,額定功率:132 kW,額定電壓:380 V,額定轉速:1 450 r/min的三相異步電動機。

根據液壓系統試驗臺所要求的公稱壓力20 MPa,公稱流量小于150 L/min的要求,筆者選擇BIERI-SRK702-3徑向柱塞泵。該柱塞泵的體積效率高,具有自吸和通風的功能、低脈動、噪音低等特點,其最大連續運營壓力為70 MPa,使用壽命較長;

(2)比例溢流閥通過比例電磁鐵作用在彈簧上的力,即根據比例來調節系統的公稱壓力為20 MPa。根據試驗臺要求,筆者選擇了HYDAC的PBD 16P型比例溢流閥,它的最大承受壓力為35 MPa,最大額定流量為250 L/min。它起到穩壓、卸荷和安全保護的作用,在整個流量范圍內均具有出色的穩定性;

(3)電磁溢流閥在液壓系統中主要起兩個作用:調壓和卸荷。根據試驗臺要求,筆者選擇了華德液壓的DBW20B型電磁溢流閥。它的公稱壓力為31.5 MPa,最大額定流量為600 L/min。它具有穩定性強、控制精準、響應速度快等特點[12];

(4)壓力計和流量計。此處采用品牌為HYDAC的HDA7446-A-400-000型的壓力傳感器,承受壓力范圍為0 MPa～40 MPa;它結構設計緊湊,精度在0.5%。

流量計選擇了兩款高精度流量計:

一款為德國KRACHT克拉克的VC12F1PS,它是一款根據齒輪馬達原理運作的齒輪高精度流量計,其測量范圍廣、靈敏度好,可在高壓力環境中工作,整個測量范圍的線性誤差<±0.1%,測量值的重復性<0.1%;

另一款是德國KRACHT克拉克VC0.025F1PS,也是一款高精度測量體積流量的齒輪流量計,其體積小、重量輕,運行時噪聲小[13-15]。在讀取精度為0.3%的條件下,此款流量計的測量范圍為:0.008 L/min～2 L/min,且線性重復性為0.1%。

2 控制系統設計

2.1 電氣控制系統硬件

試驗臺電氣控制系統主要由工控機、傳感器輸入、模擬輸出控制以及開關量輸入輸出控制組成,用于泵、電機以及閥位機能控制[16]。根據液壓試驗臺技術參數的要求,此處電力控制柜采用AC380 V供電,控制電路采用DC24 V供電。

測控系統選用西門子S7-200 smart PLC為系統的下位機,其具有可靠性高、易于調試的特點。該電器控制系統穩定,同時其抗干擾能力強,并且集成了運動控制、信息安全、故障安全等功能,可以保證設備可靠與穩定地運行;PLC編程用于控制試驗臺的各個控制對象。

上位機選用的是配備研華工業級電源的研華IPC-610H工控計算機,i5處理器4核心,4 G內存,500 G硬盤,其通過以太網下發指令至S7-200 smart PLC,指令所對應電路無報警信號,PLC將下達指令至電力控制柜并接通相應電路,操作指令被相應完成;閥門未打開、管路堵塞、液位警戒、電動機故障、高壓保護等信號均被集成在指令所對應電路上。為了在最大程度上保護試驗設備,該設計在PLC下達終止指令,解除相關的報警信號之后,再將指令下達到指定的電路。

筆者采用了NI PCI系列，可實現多路模擬信號A/D采集和D/A輸出,具備多路數字I/O輸出功能的高性能數據采集卡作為數據采集卡[17]。其作用是將采集系統模擬量轉換為數字量后,傳送至上位機,并顯示、存儲。為了保證信號傳輸的實時與可靠,此處選用NI系列采集卡,選用標準為該數據采集顯示系統是否含有信號給定、反饋、控制的功能。

為了使數據采集顯示系統在量程、靈敏度、精度方面滿足技術參數要求,同時保證穩定、可靠與采集系統兼容性好等方面的性能,筆者設計選擇采集系統4 mA～20 mA標準電流信號的傳感器[18]486-487。

采用的電氣控制系統的實物圖如圖3所示。

圖3 控制系統建設實物圖

2.2 控制系統軟件

該試驗臺的操作顯示系統選用的是一個10″的觸摸屏,因此需要考慮到操作的簡便性。根據該試驗臺的要求,人機界面設計分為登陸界面、手動操作界面、參數設定界面、試驗數據顯示界面、報警界面和各種試驗界面。

測試控制系統框圖如圖4所示。

圖4 測試控制系統框圖

系統運行界面如圖5所示。

圖5 系統運行界面

該試驗臺的軟件AI與DI的程序如下:

(1)試驗臺軟件程序DI段:

Array* supportedDevices = Di->getSupportedDevices();

if (supportedDevices->getCount() != 0)

{qDebug()<<"getSupportedDe";

Device Tree Node const &node = supportedDevices->getItem(0);

qDebug("%d,%ls ",node.DeviceNumber,node.Description);

c1727.deviceName = QString::fromWCharArray(node.Description);

std::wstring description = c1727.deviceName.toStdWString();

DeviceInformation selected90(description.c_str());

ErrorCodeerrorCode = Success;

errorCode = Di->setSelectedDevice(selected90);

CheckError(errorCode);

std::wstring profile = c1727.profilePath.toStdWString();

errorCode = Di->LoadProfile(profile.c_str());

CheckError(errorCode);

errorCode = Do->setSelectedDevice(selected90);

CheckError(errorCode);

errorCode = Do->LoadProfile(profile.c_str());

CheckError(errorCode);

(2)試驗臺軟件程序AI段:

Array*supportedDevices1 = Ai->getSupportedDevices();

if (supportedDevices->getCount() != 0)

{DeviceTreeNodeconst&node=supportedDevices1->getItem(0);

qDebug("%d,%ls ",node.DeviceNumber,node.Description);c1805.deviceName=QString::fromWCharArray(node.Description);

std::wstring description = c1805.deviceName.toStdWString();DeviceInformation selected91(description.c_str());

ErrorCodeerrorCode = Success;errorCode = Ai->setSelectedDevice(selected91);

CheckError(errorCode);

std::wstring profile = c1805.profilePath.toStdWString();

errorCode = Ai->LoadProfile(profile.c_str());

CheckError(errorCode);

errorCode=

waveformAiCtrl->setSelectedDevice(selected91);

CheckError(errorCode);

errorCode = waveformAiCtrl->LoadProfile(profile.c_str());

CheckError(errorCode);

3 液壓試驗臺效果驗證

3.1 穩態壓力-流量特性試驗

根據國家標準和機械行業標準,筆者將被測試的某型比例壓力流量集成閥調整到實際情況所需的流量和壓力值,其中就包括閥的最高和最低壓力值[18]488-489。

筆者依次分別設定供油壓力為額定壓力的25%、50%、75%、100%,然后在每一種試驗壓力值上,使流量從零增加到最大值,再從最大值減小到零,測試該過程中被試閥的出口流量Q[19],并繪制出集成閥壓力-流量特性曲線圖。

系統的額定壓力為20 MPa,在此基礎上,筆者進行不同供油壓力下流量的試驗。

系統的額定流量為150 L/min,分別依次設定供油壓力為5 MPa、10 MPa、15 MPa、20 MPa,測量比例壓力流量集成閥的出口流量Q,并得到試驗結果。

定差減壓閥在常開狀態下,某型比例壓力流量集成閥壓力-流量特性曲線圖如圖6所示。

圖6 定差減壓閥在常開狀態下某型比例壓力流量集成閥壓力-流量特性曲線圖

由圖6可知:此時某型集成閥中的定差減壓閥為常開狀態,沒有起到作用,隨著供油壓力依次分別調至5 MPa、10 MPa、15 MPa、20 MPa時,比例壓力流量集成閥的流量會隨著供油壓力的增大而增大;同時,滿足隨著控制壓力的增大,流量[20，21]也隨之增大的規律。

筆者通過定差減壓閥上的調節螺桿,將定差減壓閥的壓差條件調至1 MPa進行試驗。

定差減壓閥壓差在1 MPa情況下,某型比例壓力流量集成閥壓力-流量特性曲線圖如圖7所示。

圖7 定差減壓閥壓差在1 MPa情況下某型比例壓力流量集成閥壓力-流量特性曲線圖

從圖7中可知:隨著供油壓力分別依次調至5 MPa、10 MPa、15 MPa、20 MPa,某型比例壓力流量集成閥的流量依舊會隨著供油壓力的增大而增大;同時,也滿足隨著控制壓力的增大,流量也增大的規律。

但是,在圖7中,供油壓力在15 MPa和20 MPa時,測試流量到達最大值150 L/min的情況下[22],比例壓力流量集成閥的壓力還未達到1 MPa。

3.2 流量微動特性試驗

筆者使得通過某型比例壓力流量集成閥的進油口P口時,流量為公稱流量;設定并保持A(B)口負載壓力為公稱壓力的75%,滑閥由中立位置緩慢移動到各換向位置,測出隨電流信號(行程)變化時,A(B)口對應的流量值變化,并繪制出某型比例壓力流量集成閥的流量微動特性曲線圖。

依托上文中搭建好的比例壓力流量集成閥試驗臺,筆者研究了比例壓力流量集成閥節流口的流量微動特性的變化。

定差減壓閥的壓差在0.5 MPa時,可得到閥芯流量微動特性曲線,如圖8所示。

圖8 某型比例壓力流量集成閥流量微動特性曲線圖

由圖8可知:比例壓力流量集成閥的開啟電流為232 mA,全開電流為560 mA。閥口打開以及關閉時,隨著電流的增大,流量也隨之緩慢平穩變化,負載平穩起動,流量比較容易控制;

當電流在0.88 A左右時,從P口到A(B)口的流量曲線趨于平穩。

4 結束語

筆者通過對液壓系統的液壓元件選型,選擇電氣控制的硬件以及控制系統的軟件程序,并以此搭建比例壓力流量集成閥的試驗臺;在滿足試驗的條件下,進行了液壓試驗臺的試驗,即穩態壓力-流量特性試驗和流量微動力特性試驗,以此對其性能進行測試。

研究結果表明:

(1)在穩態壓力一流量特性的試驗中,比例壓力流量集成閥在5 MPa、10 MPa、15 MPa及20 MPa的供油壓力下,且在沒有壓差的條件下,液壓集成閥的流量逐漸增大;流量會隨著壓差的增大而增大;

(2)在壓差為1 MPa的條件下,壓差與流量的關系也滿足有壓差條件下的規律;但是供油壓力不宜過大,過大的供油壓力會導致過大的流量,使定差減壓閥不起作用;

(3)隨著滑閥由中立位置緩慢移動到各換向位置,根據試驗方法測得隨電流信號(行程)變大時,A(B)口對應的流量值緩慢平穩變大,符合試驗臺流量微動力要求。

在后續的工作中,筆者將在試驗臺電氣控制系統的優化、電路的更新以及軟件程序的改進等方面進行深入的研究。