比例閥在鋼管水壓機油水壓力平衡系統(tǒng)中的應(yīng)用

王垚

摘 要：介紹了采用可編程控制器（PLC）控制比例閥的基本原理，論述了比例閥在鋼管水壓機油水壓力平衡控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，總結(jié)了比例閥調(diào)試和控制的一些方法。

關(guān)鍵字：比例閥、PLC、油水平衡

前言

鋼管水壓試驗是鋼管生產(chǎn)過程中檢驗鋼管承壓能力和消除鋼管剩余應(yīng)力的一個重要工序，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，在保壓規(guī)定時間內(nèi)，不能出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象，最終保證出廠鋼管在設(shè)計的工作壓力下有足夠的承壓能力。不同規(guī)格鋼管的靜水試驗壓力不同，因而，在每次鋼管換型時，都要重新調(diào)試主油缸的推力。主油缸推力的大小由液壓系統(tǒng)比例溢流閥控制，需要通過人工計算出水壓值，輸入計算機中，再由計算機輸出電信號控制比例溢流閥，由比例溢流閥控制靜水壓機主油缸推力。主油缸產(chǎn)生的推力是否合適，關(guān)系到鋼管試壓是否能夠完成，試壓時主油缸的推力過小，靜水壓機端面就會與鋼管端口密封不嚴(yán)產(chǎn)生泄漏，當(dāng)充滿高壓水的鋼管管端產(chǎn)生泄漏時，就會撕裂密封膠圈造成暴圈；靜水壓機主油缸推力過大，試驗頭會頂彎鋼管，造成廢品。因此對主油缸的壓力控制是十分重要的。

比例閥是一種能夠按比例地隨輸入電信號的變化而調(diào)節(jié)和控制液流壓力、方向和流量的液壓元件。近年來，隨著可編程控制器（PLC）和自動控制技術(shù)的發(fā)展，比例閥在工業(yè)控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。比例閥在鋼管水壓試驗機油水壓力平衡（以下簡稱油水平衡）控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，充分體現(xiàn)了其壓力控制方便、調(diào)節(jié)性能好、控制精度高等優(yōu)點。

1.水壓機油水壓力平衡系統(tǒng)簡介

水壓機的油水平衡，簡單的說，就是在水壓機前壓頭推力主缸的油壓要隨著鋼管內(nèi)水壓的變化而成比例變化，始終要與水壓保持一種動態(tài)平衡。油壓太大，會擠傷鋼管；油壓太小，則會導(dǎo)致主缸后退，管端密封失效，嚴(yán)重時會導(dǎo)致高壓水噴出，對周圍的設(shè)備及人身帶來安全風(fēng)險。在水壓機主缸油壓控制中采用比例閥，很好地解決了這個問題，實現(xiàn)了油壓與水壓的適時動態(tài)平衡。

1.1.油水壓力平衡系數(shù)的計算

在水壓試驗前后壓頭根據(jù)鋼管的要求長度通過定位裝置鎖緊在拉力柱上。要實現(xiàn)油水壓力平衡，就要使前壓頭主缸內(nèi)的油水隨管內(nèi)水壓而變化。

在鋼管與前壓頭的接觸面上承受著鋼管水壓F水與主缸的推力F油，只要滿足F水= F油，就可以實現(xiàn)油水壓力的動態(tài)平衡。

由F水=P水S管，F(xiàn)油=P油S缸 得P油S缸=P水S（1）

式中：

P油——主缸油壓； S缸——主缸缸徑橫截面；

P水——試壓管內(nèi)水壓； S管——試壓管內(nèi)徑橫截面積。

在實際生產(chǎn)中，考慮油缸摩擦力等因素的影響，一般在公式中增加系數(shù)α即P油S缸=αP水S管 （2） α一般取1.05～1.1。

從（2）式中可以求得油水壓力平衡系數(shù)

K= P油/ P水=αS管/ S缸. （3） 因為S管= （4）

式中：D管為鋼管外徑；t為鋼管壁厚。由于t遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于D管，故S管近似等于 （5）將（5）式代入（3）式，得

K= P油/ P水=αS管/ S缸=αD2管/D2缸，（6）式中：D缸為主缸直徑。

水壓機主缸缸徑是一個不變的已知數(shù)，通過公式（6）可計算出不同管徑鋼管試驗時的油水壓力平衡系數(shù)K。

1.2.油水壓力平衡過程分析

水壓機油水壓力平衡控制系統(tǒng)由壓力傳感器、PLC和比例閥共同完成。在水壓試驗過程中，水壓傳感器將鋼管內(nèi)水的壓力變成電信號送入PLC的A/D模塊，PLC程序中將水壓值與油水壓力平衡系數(shù)相乘，將乘積通過D/A模塊送給比例閥放大板，通過比例閥調(diào)節(jié)主缸內(nèi)油的壓力。

比例閥的控制采用了閉環(huán)控制的方式，在PLC對比例閥壓力進行控制的同時，油壓傳感器將主缸的壓力反饋給PLC，PLC對反饋回來的油壓實際值與油壓的理論值進行比較，調(diào)整輸出信號，從而實現(xiàn)油壓與水壓的同比例變化。

2.比例閥控制系統(tǒng)的調(diào)試及注意事項

2.1.系統(tǒng)的調(diào)試

由于受比例閥輸出特性曲線線性的影響，在比例閥控制系統(tǒng)調(diào)試過程中往往需要多次反復(fù)，調(diào)試的周期也較長，針對這種情況，認(rèn)為調(diào)試過程應(yīng)從以下幾個步驟進行：

2.1.1.在比例閥控制中增加手動/自動切換電路。先開啟系統(tǒng)同步油泵，將比例閥控制開關(guān)切換到手動狀態(tài)，手動調(diào)節(jié)比例閥給定模擬信號，并在不同信號下測量同步系統(tǒng)油路油壓的大小，根據(jù)數(shù)值繪制出比列閥的輸出特性曲線，將其與理論特性曲線進行比較。

2.1.2.在編程過程中，除了比例閥輸出油壓采用閉環(huán)控制的方式外，還要考慮比例閥輸出線性的影響，為了保證水壓過程中油壓響應(yīng)的快速性，在編程中用軟件對比例閥的特性進行修正。比例閥的特性曲線在壓力超過10MPa后斜率變小，因此，在編程時對壓力超過10MPa后計算出的油壓值進行補充修正。

2.2.系統(tǒng)使用過程的幾點注意事項

2.2.1.當(dāng)試驗頭密封方式不同時，對預(yù)緊壓力的要求也不同。徑向密封的預(yù)緊壓力一般設(shè)在1.5—2MPa，端面密封的預(yù)緊壓力一般設(shè)在2.5—3MPa，這兩種密封的預(yù)緊壓力控制也略有差別。相比之下，端面密封的預(yù)緊壓力不足，會影響整個增壓過程的密封。

2.2.2.水壓機換型時，對同步系統(tǒng)溢流閥的壓力調(diào)節(jié)非常必要。先計算出鋼管試壓時主缸所需的最大油壓，然后采用比例閥手動控制進行壓力給定，調(diào)節(jié)同步系統(tǒng)溢流閥的卸荷值，使其比主缸所需的最大油壓高0.5—1MPa為宜。這樣做的目的是當(dāng)比例閥失控時，過高的油壓可通過溢流閥卸荷，從而避免擠壞鋼管或損壞設(shè)備。

2.2.3.在使用量程不同的比列閥時，要注意油水壓力平衡系數(shù)的變化。如圖31.5MPa比例閥替換40MPa比例閥，則應(yīng)在原來油水壓力平衡系數(shù)的基礎(chǔ)上乘以1.3（40/31.5）系數(shù)。

3.結(jié)語

比例閥在我公司鋼管水壓機的油水壓力平衡系統(tǒng)中，使用幾年來性能穩(wěn)定可靠，不僅提高了生產(chǎn)效率，也基本避免了鋼管因壓彎而判廢的現(xiàn)象。尤其是在重大管線生產(chǎn)鋼管的過程中，由于規(guī)格頻繁變化而引起試壓壓力變化頻繁的情況下，比例閥控制的先進性及方便性得到了充分體現(xiàn)。實踐證明，在液壓控制系統(tǒng)中，隨著可編程控制器（PLC）的廣泛應(yīng)用，電液比例閥控制技術(shù)必將更為廣闊的被應(yīng)用。