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      比例溢流閥性能測(cè)試系統(tǒng)的研究與開發(fā)

      2018-04-02 07:17:16宗舒陽周文強(qiáng)李鳳志
      裝備制造技術(shù) 2018年1期
      關(guān)鍵詞:油箱液壓比例

      宗舒陽,韓 軍,周文強(qiáng),李鳳志,劉 春

      (內(nèi)蒙古科技大學(xué)信息工程學(xué)院,內(nèi)蒙古 包頭014010)

      1 設(shè)計(jì)需求和現(xiàn)狀

      作為液壓系統(tǒng)關(guān)鍵元件之一的比例溢流閥,其質(zhì)量好壞直接影響著整個(gè)液壓系統(tǒng)控制的精度和穩(wěn)定性[1],因此,各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)﹄娨罕壤欧y的工作特性要求也越來越高,對(duì)此類閥進(jìn)行定期的檢測(cè)和調(diào)整,是確保伺服系統(tǒng)快速、準(zhǔn)確做出響應(yīng)的必要手段和措施。

      對(duì)生產(chǎn)廠家來說,比例溢流閥性能測(cè)試系統(tǒng)的研究對(duì)于比例溢流閥出廠時(shí)的質(zhì)量檢測(cè)是非常必要的,只有擁有良好的測(cè)試系統(tǒng),并且研究好才能保證高質(zhì)量的伺服閥出廠。另外,對(duì)于現(xiàn)代冶金等企業(yè),比例溢流閥的使用量非常的大,對(duì)其進(jìn)行性能測(cè)試也便于使用者對(duì)液壓回路故障診斷、進(jìn)行改造等。

      經(jīng)過調(diào)研發(fā)現(xiàn)目前市面上的電液比例伺服閥測(cè)試系統(tǒng)中,有相當(dāng)一部分是靠人工手動(dòng)操作,且只能夠完成靜態(tài)測(cè)試,而無法完成動(dòng)態(tài)測(cè)試。人工手動(dòng)測(cè)試的效率和測(cè)試精度都不高。因此需要一個(gè)可以將液壓系統(tǒng)及電氣系統(tǒng)有效結(jié)合在一起,可以精確并高效完成性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)的測(cè)試系統(tǒng)。

      2 系統(tǒng)的總體方案

      設(shè)計(jì)的系統(tǒng)總體方案如圖1所示。在該系統(tǒng)液壓回路中,進(jìn)油回路是:粗過濾器—變量泵—精過濾器—比例溢流閥?;赜吐肪€是:比例溢流閥—油箱。本回路主要是測(cè)試比例溢流閥電壓信號(hào)及比例溢流閥進(jìn)油口的比例特性,所以系統(tǒng)省略執(zhí)行元件液壓缸或液壓馬達(dá)。PLC控制系統(tǒng)接收觸摸屏PID參數(shù)后發(fā)出控制信號(hào)經(jīng)放大電路功率放大后控制比例溢流閥[2]。比例溢流閥進(jìn)口接壓力傳感器測(cè)量進(jìn)口壓力,反饋到PLC系統(tǒng)形成閉環(huán)及壓力表可供讀取壓力數(shù)值。

      圖1 系統(tǒng)總體方案

      3 液壓系統(tǒng)元件選型及相關(guān)計(jì)算

      3.1 液壓泵站

      本系統(tǒng)液壓回路部分包括定量葉片泵、變量葉片泵、定量泵電機(jī)、變量泵電機(jī)、濾油器以及液壓油等。為滿足系統(tǒng)需要,各部件選型:變量葉片泵排量6.67 ml/r,額定壓力6.3 MPa;定量葉片泵排量8.0 ml/r,額定壓力7 MPa;定量葉片泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)2.2 kW;變量葉片泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)1.5 kW;液壓油選擇10#抗磨液壓油;高壓精吸油濾油器過濾精度10 μm,不低于HB5930-6/A級(jí);吸油精濾油器:過濾精度10 μm,不低于HB5930-6/A級(jí);回油精濾油器:過濾精度10 μm,不低于HB5930-6/A級(jí)。

      另外,每個(gè)液壓元件均配有油路過渡底板,采用專用彈卡式底板固定,可方便、隨意地將液壓元件固定在鋁合金型材面板上;油路搭接采用開閉式快換接頭,拆接方便[3]。

      3.2 測(cè)試用傳感變送器

      壓力傳感變送器:

      傳感變送器量程范圍為0~10 MPa,在量程范圍內(nèi)的最大絕對(duì)誤差為0.02 MPa.

      因此選擇準(zhǔn)確度等級(jí)為0.2級(jí)(0.2%)的壓力傳感變送器。

      3.3 PLC電氣控制單元

      可編程控制器(PLC)包括主CPU模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊。本系統(tǒng)PLC電氣控制單元為西門子S7-200系列,電源電壓為AC 220 V/50 Hz,控制電壓為DC24 V;模擬量控制模塊:EM231+EM232;24 V直流電源用于提供控制電壓、傳感器所需電源等;電氣控制線路設(shè)有短路保護(hù)、過載保護(hù)等功能,所使用的電氣元器件全部符合IEC標(biāo)準(zhǔn)。

      3.4 油箱容量計(jì)算

      油箱的主要功用是存儲(chǔ)供系統(tǒng)循環(huán)所需要的油液。油箱中的油液高度應(yīng)為油箱高度的80%,油箱的容量應(yīng)根據(jù)液壓系統(tǒng)的發(fā)熱、散熱平衡的原則來計(jì)算。其估算公式為:

      其中,V為油箱容量,ξ為與壓力有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),低壓系統(tǒng)選2-4,中壓系統(tǒng)選5-7,高壓系統(tǒng)選10-12,本文中選取6.qp為系統(tǒng)流量,其計(jì)算公式為:

      公式中n為電機(jī)轉(zhuǎn)速,E為泵的排量。根據(jù)前面選取的電機(jī)功率及額定轉(zhuǎn)速最后計(jì)算出油箱容量為80 L.并附帶上液位、油溫指示計(jì)、吸油濾油器、空氣濾清器等元件。

      3.5 管道計(jì)算

      系統(tǒng)中管道的規(guī)格尺寸是指其內(nèi)徑和壁厚,從液壓手冊(cè)中查取計(jì)算公式為:

      公式中d為管道內(nèi)徑;q為管內(nèi)流量;v為管道中的油液流速,吸油管取0.5~1.5 M/S;δ為管道壁厚;p為管內(nèi)工作壓力;n為安全系數(shù)。σb為管道材料的抗拉強(qiáng)度。根據(jù)測(cè)試系統(tǒng)的相關(guān)要求及查閱液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)最終計(jì)算出d=32 mm,δ=10 mm,且處于經(jīng)濟(jì)考慮選用尼龍管。

      4 比例溢流閥測(cè)試系統(tǒng)電氣及PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)

      PLC基本模塊及輸入/輸出模塊選擇如圖2所示。CPU主模塊選擇西門子S7-200的CPU224.該模塊具有數(shù)字量輸入點(diǎn)14個(gè),數(shù)字量輸出點(diǎn)10個(gè),本系統(tǒng)中泵站電機(jī)共4個(gè),分別是定量泵電機(jī)、變量泵電機(jī)、輔助泵電機(jī)、風(fēng)冷卻扇電機(jī)。每臺(tái)電機(jī)啟停按鈕兩個(gè),共用8個(gè)輸入點(diǎn),其余6個(gè)輸入點(diǎn)用于擴(kuò)展時(shí)使用。輸出點(diǎn)控制4個(gè)24 V繼電器,4個(gè)電機(jī)運(yùn)行指示燈,空余兩個(gè)輸出點(diǎn)用于擴(kuò)展時(shí)使用。本系統(tǒng)中需要接受液壓系統(tǒng)中壓力傳感器,所以模擬量輸入擴(kuò)展模塊選擇EM231CN模塊。模擬量輸出模塊選擇EM232CN,用于對(duì)模擬式執(zhí)行器比例閥進(jìn)行控制[4]。

      圖2 PLC基本模塊及輸入/輸出模塊

      泵站電機(jī)運(yùn)行控制子程序如圖3所示。PLC輸入/輸出點(diǎn)安排如下。

      圖3 泵站電機(jī)運(yùn)行控制子程序

      I0.0/I0.1定量泵電機(jī)啟停 Q0.0/Q0.4定量泵電機(jī)及指示燈控制點(diǎn)

      I0.2/I0.3變量泵電機(jī)啟停 Q0.1/Q0.5變量泵電機(jī)及指示燈控制點(diǎn)

      I0.4/I0.5輔助泵電機(jī)啟停 Q0.2/Q0.6輔助泵電機(jī)及指示燈控制點(diǎn)

      I0.6/I0.7冷卻風(fēng)扇電機(jī)啟停 Q0.3/Q0.7冷卻風(fēng)扇電機(jī)及指示燈控制點(diǎn)

      5 比例溢流閥性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)分析(給出實(shí)驗(yàn)系統(tǒng))

      比例溢流閥的標(biāo)準(zhǔn)特性是輸入電流信號(hào)與其進(jìn)口壓力成線性關(guān)系。為驗(yàn)證本文開發(fā)的測(cè)試系統(tǒng)的有效性,選用了實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)使用了3年的比例溢流閥1只(南京609研究所FF102型)作為測(cè)試對(duì)象,測(cè)試的液壓回路搭建如圖4所示。在不同指令值的控制下,通過觀察比例溢流閥進(jìn)口安裝的壓力表,記錄壓力值變化,繪制壓力/指令值特性曲線[5]。

      圖4 比例溢流閥測(cè)試回路

      測(cè)試前,先關(guān)閉泵站,使的系統(tǒng)處于無壓狀態(tài),按照本文開發(fā)的電氣控制線路搭接好控制回路并檢查連接確保無誤,運(yùn)行本文開發(fā)的PLC程序,通過上位機(jī)輸入不同的指令值,觀察不同的指令值所對(duì)應(yīng)的比例溢流閥進(jìn)口壓力的值(進(jìn)口裝有壓力表可供觀察)。測(cè)試結(jié)果記錄如表1所示。系統(tǒng)最大供油壓力6.3 MPa.

      表1 比例溢流閥性能測(cè)試結(jié)果記錄表

      根據(jù)測(cè)試結(jié)果記錄繪制比例溢流閥壓力特性曲線如圖5所示(其中實(shí)線為被測(cè)閥理想狀態(tài)特性,點(diǎn)狀線為被測(cè)閥實(shí)際狀態(tài)特性)。

      圖5 比例溢流閥測(cè)試結(jié)果

      根據(jù)測(cè)試結(jié)果來看,運(yùn)用本文開發(fā)的系統(tǒng)對(duì)被測(cè)對(duì)象比例溢流閥的比例特性進(jìn)行了有效的測(cè)試。在指令值是0~3 V時(shí),比例溢流閥的進(jìn)口壓力保持了良好的線性特性,在指令值是3~6 V時(shí),該閥的線性特性有所下降,比例閥出廠時(shí)規(guī)定的線性誤差為3.5%,從測(cè)試的結(jié)果來看,該閥的線性誤差為(5~4.3)/5×100%=14%,不在規(guī)定的線性誤差3.5%范圍內(nèi)。說明運(yùn)用該系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)采用的比例溢流閥進(jìn)行了有效測(cè)試,且該閥比例特性使用三年后比例性能有所下降。

      6 結(jié)束語

      本文自主開發(fā)了一款能夠測(cè)試比例溢流閥性能的測(cè)試系統(tǒng);搭建了比例溢流閥性能測(cè)試液壓回路,并對(duì)所用到的元件進(jìn)行了選型及計(jì)算;設(shè)計(jì)了能夠控制比例溢流閥的電氣PLC系統(tǒng);最后選用已經(jīng)使用了三年的比例溢流閥1只作為測(cè)試對(duì)象進(jìn)行了測(cè)試實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文自主開發(fā)的比例溢流閥測(cè)試系統(tǒng)操作簡(jiǎn)便,工作可靠,能夠達(dá)到良好的測(cè)試效果,對(duì)比例溢流閥的性能測(cè)試具有重要的工程實(shí)用價(jià)值。

      參考文獻(xiàn):

      [1]王繼偉.液壓傳動(dòng)與控制[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012.

      [2]譚 心.機(jī)械工程控制基礎(chǔ)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2012.

      [3]嚴(yán)普強(qiáng).工程機(jī)械測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

      [4]楊鋒俞.電液伺服與電液比例控制技術(shù)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2010.

      [5]楊 智,范正平.自動(dòng)控制原理[M].北京:清華大學(xué)出版社,2010.

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