新型電液比例閥的計(jì)算機(jī)性能測(cè)試方法及其實(shí)現(xiàn)

易建鋼

(江漢大學(xué)機(jī)電與建筑工程學(xué)院，湖北武漢430056)

電液比例閥廣泛應(yīng)用于機(jī)床、冶金工業(yè)、工程機(jī)械、礦山機(jī)械、化工機(jī)械等行業(yè)中，是機(jī)械設(shè)備液壓系統(tǒng)中的重要構(gòu)件，其質(zhì)量和性能的好壞直接影響著液壓系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。隨著我國(guó)工業(yè)設(shè)備自動(dòng)化程度的提高，在工業(yè)企業(yè)液壓系統(tǒng)中正在大量使用一類新型電液比例閥，這類元件以多級(jí)電反饋、小滯環(huán)、高響應(yīng)為特征，內(nèi)部帶有反饋電路，某些元件甚至帶有大型高精度反饋儀器，其本身就相當(dāng)于一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，是控制整個(gè)液壓系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備。由于這類關(guān)鍵元件長(zhǎng)期高負(fù)荷工作，易于發(fā)生損壞或性能下降。一旦元件性能參數(shù)無(wú)法滿足生產(chǎn)要求，就必須及時(shí)進(jìn)行更換和維修，否則極易出現(xiàn)事故或影響生產(chǎn)。然而，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有檢測(cè)技術(shù)尚無(wú)法完全滿足這類昂貴的新型電液比例閥性能試驗(yàn)要求，相關(guān)元件性能參數(shù)的檢測(cè)精度達(dá)不到工作要求，甚至部分國(guó)外進(jìn)口的比例閥性能參數(shù)無(wú)法進(jìn)行檢測(cè)。為了滿足生產(chǎn)急需，不少元件被迫送往國(guó)外生產(chǎn)廠家進(jìn)行檢測(cè)，不僅檢測(cè)費(fèi)用昂貴，而且常常為此延誤或影響生產(chǎn)。因此，對(duì)新型電液比例閥的計(jì)算機(jī)性能測(cè)試方法進(jìn)行深入研究，進(jìn)而研制相應(yīng)的計(jì)算機(jī)測(cè)試平臺(tái)和測(cè)試軟件，不僅能確保這類液壓系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的正常運(yùn)行，還能降低維修成本，并為高精度電液比例元件的國(guó)產(chǎn)化提供有力的技術(shù)支持。

1 新型電液比例閥測(cè)試方法

以某國(guó)有大型鋼鐵企業(yè)為例，調(diào)研發(fā)現(xiàn)該企業(yè)大量進(jìn)口及投入使用的新型電液比例閥主要包括方向閥、溢流閥和減壓閥3種，如圖1所示。它們的共同特征是配備有專用的電控器和外置放大器，且內(nèi)置了高精度傳感器。傳統(tǒng)的測(cè)試方法和普通液壓閥試驗(yàn)臺(tái)已無(wú)法完成其性能技術(shù)指標(biāo)的測(cè)試任務(wù)，因此必須建立一套新的數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)，由計(jì)算機(jī)對(duì)壓力、流量、溫度等試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、量化和處理，以高速高精度完成電液比例閥的性能測(cè)試。

圖1 新型電液比例閥類型

圖2所示為新型電液比例閥液壓系統(tǒng)原理圖。系統(tǒng)中的元件3、元件4-1及元件5-1構(gòu)成壓力閥的進(jìn)口加載裝置，用于對(duì)比例溢流閥的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行測(cè)試;元件7-1、元件7-2、元件4-2和元件5-2構(gòu)成壓力閥的出口加載裝置，用于對(duì)比例減壓閥的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行測(cè)試;上述進(jìn)口加載裝置和出口加載裝置構(gòu)成了比例加載系統(tǒng)，可模擬比例閥的各種負(fù)載工況，對(duì)比例方向閥的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行測(cè)試。變量泵1作為試驗(yàn)系統(tǒng)的動(dòng)力源，為保證快速切斷閥4的快速開閉，控制油源須按高壓設(shè)計(jì)。

圖2 新型電液比例閥液壓系統(tǒng)原理圖

具體測(cè)試方法如下:

(1)比例方向閥測(cè)試。將溢流閥2的壓力調(diào)高，做安全閥用。關(guān)閉快速切換閥4-1，調(diào)節(jié)調(diào)速閥3，使試驗(yàn)流量通過(guò)被試閥。給被試閥6輸入額定電信號(hào)，通過(guò)計(jì)算機(jī)采集被試閥輸出信號(hào)。

(2)比例溢流閥測(cè)試。將溢流閥2的壓力調(diào)高，作安全閥用。關(guān)閉快速切換閥4-1，調(diào)節(jié)調(diào)速閥3，使試驗(yàn)流量通過(guò)被試閥。通過(guò)計(jì)算機(jī)發(fā)出電信號(hào)，以小于或等于0.05 Hz的頻率在小于起始電信號(hào)和額定電信號(hào)之間變化，同時(shí)測(cè)量相應(yīng)的壓力值。

(3)比例減壓閥測(cè)試。調(diào)節(jié)泵1的流量為被試閥試驗(yàn)流量的1.25倍。調(diào)節(jié)溢流閥2為額定壓力。關(guān)閉調(diào)速閥3和快速切換閥4-1、4-2。給被試閥6輸入額定電信號(hào)，調(diào)節(jié)節(jié)流閥7-1使通過(guò)被試閥的流量為試驗(yàn)流量。通過(guò)計(jì)算機(jī)發(fā)出信號(hào)，使輸入電信號(hào)以小于或等于0.05 Hz的頻率在小于起始電信號(hào)和額定電信號(hào)之間變化，同時(shí)測(cè)量相應(yīng)的壓力值。

2 比例閥性能測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了完成上述測(cè)試任務(wù)，設(shè)計(jì)了如圖3所示的新型比例閥性能測(cè)試系統(tǒng)，它主要由計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、可編程控制器 (PLC)和被測(cè)元件組成。其中，計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)主要由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡組成，用于完成監(jiān)測(cè)和管理任務(wù)，并能進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)試實(shí)時(shí)采樣;液壓系統(tǒng)如圖2所示，用于實(shí)現(xiàn)液壓回路的動(dòng)作;電控系統(tǒng)包括各類開關(guān)、繼電器和顯示燈，用于控制液壓系統(tǒng)中的泵、閥的啟停及狀態(tài)顯示;PLC用于協(xié)調(diào)液壓系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)和電控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的全自動(dòng)控制;被測(cè)元件即需測(cè)試的方向閥、減壓閥或溢流閥。PLC與計(jì)算機(jī)之間采用MPI(RS485)方式通訊，計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)采用SIEMENS公司的WINCC軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)電控系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)控，所有測(cè)試參數(shù)均由電控系統(tǒng)中數(shù)顯表顯示，能方便地進(jìn)行觀察和記錄。采用PLC控制器控制電機(jī)啟動(dòng)和停止、油溫加熱和冷卻、液位、過(guò)濾器堵塞報(bào)警以及液壓系統(tǒng)互鎖控制。系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)、加熱冷卻和電機(jī)的啟停均可通過(guò)操作電控系統(tǒng)上的按鈕實(shí)現(xiàn)。所有測(cè)試內(nèi)容由計(jì)算機(jī)控制完成，并能顯示、保存、打印測(cè)試性能曲線。

圖3 比例閥性能測(cè)試系統(tǒng)圖

3 軟件實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上述對(duì)新型電液比例閥的性能檢測(cè)要求，作者采用Microsoft公司的Virsual C++編程設(shè)計(jì)了新型電液比例閥的計(jì)算機(jī)性能測(cè)試軟件，對(duì)其靜態(tài)特性及動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行測(cè)試和分析，測(cè)試內(nèi)容包括:

(1)流量特性。用于測(cè)試新型電液比例閥在給定信號(hào)下的流量-電流之間的關(guān)系;

(2)壓力特性。用于測(cè)試新型電液比例閥在給定信號(hào)下的壓力-電流之間的關(guān)系;

(3)靜耗特性。用于測(cè)試新型電液比例閥在給定信號(hào)下的泄漏量-電流之間的關(guān)系;

(4)頻率特性。用于測(cè)試新型電液比例閥在給定信號(hào)下的幅值比/相位差-頻率之間的關(guān)系;

(5)參數(shù)設(shè)置。用于設(shè)置測(cè)試信號(hào)通道、測(cè)試比例尺及坐標(biāo)范圍等參數(shù)。

圖4為作者為某企業(yè)研制開發(fā)的新型電液比例閥測(cè)試系統(tǒng)計(jì)算機(jī)軟件主界面，圖5和圖6分別是某比例閥的流量特性和壓力特性實(shí)測(cè)曲線結(jié)果。通過(guò)與國(guó)外生產(chǎn)廠家所提供的原始性能曲線相比較，所開發(fā)的系統(tǒng)及軟件測(cè)試精度高、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，能很好地檢測(cè)新型電液比例閥的靜態(tài)及動(dòng)態(tài)性能參數(shù)。該系統(tǒng)已投入現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行1年以上，實(shí)際運(yùn)行情況表明:該系統(tǒng)使用正常，提高了生產(chǎn)效率，降低了維修成本和工作強(qiáng)度，提高了綜合經(jīng)濟(jì)效益。

圖4 計(jì)算機(jī)測(cè)試主界面

圖5 流量特性測(cè)試

圖6 壓力特性測(cè)試

4 結(jié)論

新型電液比例閥以其響應(yīng)速度快、控制精度高的特點(diǎn)而被廣泛地應(yīng)用于許多液壓系統(tǒng)中。為了降低新型電液比例閥的檢測(cè)費(fèi)用，提高液壓系統(tǒng)可靠性，給設(shè)備的檢修和維護(hù)提供可靠的技術(shù)保障，研究新型電液比例閥的計(jì)算機(jī)測(cè)試方法并設(shè)計(jì)相應(yīng)的性能測(cè)試軟件是十分有必要的。作者提出了其靜態(tài)及動(dòng)態(tài)特性的測(cè)試方法，建立了新型電液比例閥的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，并開發(fā)了計(jì)算機(jī)測(cè)試軟件，解決了該類電液比例閥難以維修的難題。

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