基于比例閥控制的液壓附件部件綜合試驗臺的設計

羅庚合，王 瑜

(西安航空學院 機械工程學院，陜西 西安710077)

1 概述

多數(shù)飛機作動系統(tǒng)都是電液伺服系統(tǒng)，現(xiàn)代飛機最主要的飛機舵面全部采用電液伺服系統(tǒng)驅動，起落架的收放動作幾乎都是采用液壓傳動系統(tǒng)實現(xiàn)的，此外液壓系統(tǒng)還擔負著飛機操縱系統(tǒng)、機輪剎車及地面轉向駕駛、發(fā)動機反推控制等工作，對飛機的安全飛行極為重要。

本試驗臺主要用于對某飛機液壓系統(tǒng)附部件、輔助件性能檢測、相容性評定、污染等級等的評定。還可以用于自研制的液壓附件、部件的試驗，定型、批生產、服役改進的試驗，可靠性試驗等，是一種多功能綜合性的大型液壓試驗臺[1]。

2 測試條件與主要技術指標

(1)工作介質：YH-10航空液壓油/SH0358-1995

(2)工作介質溫度：室溫～100℃；短期125℃

(3)輸入通道：

P=21MPa，Q=120L/min一對

P=32MPa，Q=120L/min一對

(4)輸出通道7對，同時工作互不干擾

(5)輸出壓力分級調節(jié)，輸出流量分段調節(jié)

(6)污染度控制等級GJB420-6/A級

(7)數(shù)顯干路和各支路的壓力、流量、溫度、及設備電壓、電流、作動筒動作時間、系統(tǒng)工作時間等參數(shù)

(8)壓力測量范圍：0～40MPa

(9)流量測量范圍：0.1～120L/min

(10)壓差測量范圍：0～21MPa

(11)溫度測量范圍：0～150℃

(12)測量精度：壓力0.5%、流量0.5%、溫度±1℃

(13)換向活門自動工作狀態(tài)計時、計次數(shù)和作動器動作時差計時

(14)手動泵供保壓回路、冷氣、油液隔離器

(15)試驗臺外設尺寸4×1×1.9m3(參考)

(16)電源種類： AC380V/220V、50HZ

(17)試驗臺噪聲不大于70db，壽命不低于1200H

(18)試驗環(huán)境：溫度從-55°～150℃

(19)各支路超壓報警和濾油器壓差報警和保護

3 液壓系統(tǒng)設計

3.1 設計方案：

根據(jù)測試條件和性能指標的要求，液壓系統(tǒng)的設計主要由以下9部分組成[2]:

(1)試驗臺體

(2)輸入供壓部分

(3)油液過濾凈化部分

(4)各支路輸出壓力、流量、方向控制及調節(jié)部分

(5)試驗臺壓力、流量和溫度、時間等參數(shù)的數(shù)顯

(6)手動泵供壓、保壓、卸壓部分

(7)報警應急保護部分

(8)冷熱油液隔離裝置

(9)液壓增壓氣壓控制裝置

3.2 液壓系統(tǒng)干路和各支路設計

3.2.1 輸入供壓部分

圖1 試驗臺干路調壓與選擇圖

圖2 干路供油回油和卸載液壓系統(tǒng)圖

將3號泵源與4號泵源的輸出端各接上一個高壓球閥，平時球閥處于關閉狀態(tài)。當工作時則打開工作系統(tǒng)的球閥。由于3號泵源與4號泵源都是獨立的系統(tǒng)，當用哪個系統(tǒng)時其回油必須回到工作的泵源系統(tǒng)油箱中。當起動某一系統(tǒng)時，雙聯(lián)搖臂手柄使其供回油球閥同時打開。若采用本實驗臺上的系統(tǒng)壓力調節(jié)，電氣控制原理上也保證了3號系統(tǒng)和4號系統(tǒng)的互鎖，遠程、本試驗臺控制互鎖，這樣可有效保證工作系統(tǒng)出現(xiàn)誤動作而給產品造成損壞。圖1中RP1、RP3是試驗臺壓力調節(jié)電位計,KA11、KA12是PLC輸出控制的繼電器用來進行遠程控制還是本試驗臺控制所選擇的對應干路[3]。

3.2.2 干路濾油和流量測量及卸荷保護回路設計

液壓系統(tǒng)的過濾精度指標是一個極為重要的指標。因為在測試液壓產品時必須對試驗臺的工作液的清潔度提出要求。其評價的標準是GJ-420。對不同的產品都有一個相應的技術要求。工作液清潔度指標如果不滿足被試產品技術條件的要求，不但影響到被試產品的性能，嚴重的還可能造成產品的故障。如伺服作動筒就要求GJB-420的6級，電液伺服閥規(guī)范中要求是GJB-420的5級，一般作動筒為7-8級。要想工作液清潔度達到應有的等級，系統(tǒng)過濾是達到指標的必要手段。

如圖2所示，該試驗臺供油干路系統(tǒng)過濾采用三級過濾，并在過濾器上加有壓差繼電器，過濾器兩端壓差超過某值時，輸出信號給PLC，進行聲光報警。

第一級的過濾精度絕對過濾度10μ，第二級的過濾精度絕對過濾度5μ，第三級的過濾精度絕對過濾度3μ。過濾器所承受的最高工作壓力大于32MPa，所有內部元器件及密封承受工作液溫度大于120℃，其納污能力高βx≥200。

系統(tǒng)回油在總干路上采用兩級過濾：第一級過濾精度名義濾度5μ；第二級的絕對過濾度3μ。除加裝壓差超限報警外，在有些過濾器上還加裝了旁通閥，超過0.35MPa旁通開啟保證回油路的始終暢通無阻[4]。

回油路上還安裝了流量計，并用兩位四通手控閥控制是否進行油量測量。

當系統(tǒng)有過壓等安全報警時，PLC輸出信號控制兩位兩通電磁換向閥DF1動作，進行干路卸荷，起到安全保護作用，如圖3所示。

圖3 輔助油箱多余油回油液壓系統(tǒng)圖

試驗臺臺面接油口是將工作臺外泄油接入輔助油箱。當油箱液位指示超過某一液面后，起動電機循環(huán)泵L、再經過兩級濾油器過濾后經單向閥回到大油箱，以保證回收油液的清潔度。

3.2.3 第一支路充保壓回路設計

如圖4所示，為第一支路充保壓回路圖，為了保證油液清潔度在手動泵出口加了一個精密油濾，過濾精度為3μ(絕對)，當作充保試驗時，第一支路供油給被測試件。這時DF2接通，由L1調節(jié)比例流量閥流量，由YL調節(jié)第一支路壓力。經過單向閥15回干路。由壓力傳感器和數(shù)顯表顯示第一支路供、回油路壓力。當需要保壓試驗時，調節(jié)節(jié)流閥YL使流量為零，同時斷開DF2電磁閥，當試件泄漏等原因使系統(tǒng)壓力不足時，手動增壓泵23工作，經過濾油器22，經過單向閥19，這時開啟球閥18給儲能器供油加壓，給第一支路保壓，當壓力表指示到保壓值時，停止手動泵23增壓，手動球閥20卸掉手動泵壓力，保壓結束后利用DF3對第一支路的壓力卸載[5]。

圖4 第一支路充壓保壓支路圖

圖5 支路2～支路6液壓系統(tǒng)圖

3.2.4 油—氣增壓氣壓系統(tǒng)

油—氣增壓氣壓系統(tǒng)主要用于氣動元件的試驗，其試驗壓力最高為21MPa，通常氮氣瓶為12MPa、氦氣5MPa。因此，為了滿足高壓氣的系統(tǒng)要求, 需將氣源的壓力增壓21MPa，此方案中采用液壓增壓缸原理實現(xiàn)氣壓系統(tǒng)增壓。

氣動分三路輸出，其中有兩路以快速接頭連接方式，輸入到試驗臺體控制面板上，另一路輸入到環(huán)境試驗箱內，在試驗箱內有氣動接口，液壓系統(tǒng)總圖如圖7所示。

3.2.5 支路2～6液壓系統(tǒng)設計

如圖5所示，為支路2～6液壓系統(tǒng)圖，這些支路既要求有流量控制，也要有壓力控制，首先由比例節(jié)流閥進行流量調節(jié)，然后根據(jù)測試件的要求用比例減壓閥進行壓力調整。由壓力傳感器和數(shù)顯表顯示各支路壓力，流量表顯示系統(tǒng)流量，比例節(jié)流閥在無指令信號時應使回路成截止工作狀態(tài)。系統(tǒng)在控制方式上采用的是比例控制技術，只需通過操控臺上的電位計就可以達到控制要求。各支路的流量和壓力調節(jié)方式基本相同。

系統(tǒng)中高溫支路與常溫支路的控制模式相同，所不同的是高溫支路中選用耐高溫元件。

對于系統(tǒng)原理圖中支路2、4、5通道為高溫支路，工作液溫度為100℃，短期120℃，可集成設為同一組[6]。

3.2.6 第7支路作動器測試支路

該支路除了具備支路2～6的流量和壓力調節(jié)功能外還加裝了比例換向閥，可對作動器進行自動和手動換向，換向頻率調整，自動換向時壓力線性變換?？刂朴贸皖l信號發(fā)生器控制比例換向閥實現(xiàn)。

由PLC控制比例換向閥是手動還是自動控制，測定作動器的動作時間差和不同壓力流量下的動作速度。安裝在作動器活塞桿行程始末的接近開關和PLC及計時器計數(shù)器實現(xiàn)時間差和速度次數(shù)測試，如圖6所示，完整的試驗臺液壓系統(tǒng)圖如圖7所示[7]。

3.3 系統(tǒng)管路設計

管路設計按下式進行計算：

d0=管路內徑 單位cm

Q——通過管路的液體流量 單位L/min

V——通過管路的液體流速 單位m/s

按卡套式接頭標準,高壓管為重型。其工作壓力PN=400bar，管外徑φ30mm。

由干路進入七對支路后支路管路經協(xié)調確認如下：

供油支路用φ16×1.5的g鋼管，回油管路為φ16×1的鋼管。

高壓大管路的連接方式采用選進的進口特型卡套式接頭，可靠無滲漏，管路選用卡套式接頭的專用鋼管。其余可采用卡套式連接，也可用傳統(tǒng)的擴口式方案，可根據(jù)施工方的條件而定。為了減小管路噪聲，安裝時管路每1.5m要用管夾安裝固定[8]。

4 電氣控制系統(tǒng)設計

如圖8所示，為PLC控制的1、2、7支路的原理框圖，該系統(tǒng)采用比例流量閥、比例減壓閥和比例換向閥，及隨閥配套的PWM調制放大板進行遠動控制，由操控臺電位計進行調節(jié)，邏輯控制采用PLC可編程控制器，由操控臺控制各支路起動、停止和保壓、泄壓、報警等。

所有的壓力、流量、溫度和電壓、電流等顯示采用變送器和數(shù)字化儀表配合，作動器動作時間用接近開關、PLC和計時器控制，報警用濾油器繼電器觸點和數(shù)顯表上限報警輸出聯(lián)合控制。

動作時差測試，作動器動作時差對飛行控制起到至關重要的作用，利用作動器給線圈供電的繼電器KA和接近開關信號和PLC計時器測試動作時差和動作速度。

5 試驗臺測試與調節(jié)

第一步，首先開啟遠程控制干路3或4供油，再由操控臺選擇所需的干路，并調節(jié)干路壓力達到要求值，用機械開關配合控制選通所需干路。

第二步，用快速高壓接頭連接被測件到所需的支路的輸出接口。

第三步，將所有支路的壓力和流量調節(jié)電位計調到最小值。

圖7 多功能液壓附件部件綜合試驗臺液壓系統(tǒng)總圖

圖8 多功能液壓附件部件綜合試驗臺電氣控制原理框圖

第四步，開啟相應支路，首先調整流量到所需的值，然后調整壓力到達給定值，并注意觀察系統(tǒng)和對應支路的壓力、流量和溫度等顯示。

6 安全保護的調整

干路和各支路的過流過壓報警保護可由比例閥放大板的上限設置和壓力流量溫度的數(shù)顯表的上限設定來實現(xiàn)。

用RS232串口線連接計算機與相應的比例閥放大板，打開放大板軟件，實現(xiàn)在線監(jiān)控，調整該支路的壓力和流量到該測試件的上限值，這時記錄下放大板輸出給比例閥線圈的對應的電流，設定該電流為壓力或流量的上限值，該支路在測試時不會應為電位計過調而產生過壓或過流，起到對測試件的保護。

調整各支路對應的壓力、流量和溫度數(shù)顯表的報警上限值，當實際值超過上限時，數(shù)顯表內部的壓力繼電器動作向PLC發(fā)出信號，PLC辨別后產生相應的聲光報警和卸荷保護[9]。

7 結語

通過對某飛機液壓系統(tǒng)所用的作動器、閥和集成塊等部件測試，該試驗臺基本滿足了對測試件的性能測試要求，而且試驗臺工作穩(wěn)定、安全可靠、調整方便、顯示直觀，振動噪音小，不泄露等特點得到用戶充分肯定。

[1] 李艷軍.飛機液壓傳動與控制[M].北京:科學出版社，2009:150-163.

[2] 李培滋,王占林.飛機液壓傳動與伺服控制[M].北京:國防工業(yè)出版社，2007:23-33.

[3] 許箐,劉振興. 液壓與氣動技術[M].北京:機械工業(yè)出版社，2011:18-27.

[4] 楊培元,朱福元.液壓系統(tǒng)設計簡明手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社，1994:140-160.

[5] 濮良貴,紀明剛.機械設計[M].北京:高等教育出版，2001:310-330.

[6] 許福玲,陳堯明.液壓與氣壓傳動[M].北京:機械工業(yè)出版，2005:25-37.

[7] 林建亞,何存興.液壓元件[M].北京:機械工業(yè)出版社，1988:40-48.

[8] 王春行.液壓控制系統(tǒng)[M].北京:機械工業(yè)出版，2004:121-134.

[9] 雷天覺.新編液壓工程手冊[M].北京:北京理工大學出版社，1988:1008-1110.