清洗油封一體化試驗裝置的設(shè)計

(1. 西安航空學(xué)院， 陜西西安 710077； 2. 西安飛機工業(yè)(集團)有限責任公司， 陜西西安 710089； 3. 西北工業(yè)大學(xué)， 陜西西安 710072； 4. 航空工業(yè)成都飛機工業(yè)(集團)有限責任公司， 四川成都 610015)

引言

作動筒也稱液壓缸，是液壓系統(tǒng)中的執(zhí)行元件，廣泛應(yīng)用在飛機的操控系統(tǒng)中， 控制飛機上的各控制面和運動部件。清洗和油封是作動筒在加工生產(chǎn)過程中的重要工序，影響液壓產(chǎn)品和系統(tǒng)的可靠性和安全性。液壓作動筒的污染雜質(zhì)主要是生產(chǎn)安裝過程以及在作動筒運動過程中產(chǎn)生的金屬粉末、焊圾、電鍍、發(fā)藍層磨削下來的氧化物等[1]。通常采用的清洗辦法是：用清潔的液壓油反復(fù)多次沖洗，依靠清洗設(shè)備上高精度油濾過濾雜質(zhì)，在離線采集油樣，檢測油樣，達標后進入油封工序。操作繁瑣復(fù)雜，生產(chǎn)效率低，工人勞動強度大，為此，研制了清洗油封一體化試驗裝置。

本設(shè)備是一個液壓與氣動相結(jié)合的系統(tǒng)，利用活塞式蓄能器存儲油封用液壓油，通過對不同功能、型號作動筒的一次裝夾，完成給不同作動筒及附件提供清洗及油封功能，并完成作動筒生產(chǎn)中要求的啟動壓力特性試驗、低壓力泄漏試驗、耐壓試驗、內(nèi)泄試驗，具有一定的通用性。試驗臺主要組成包括PLC及觸摸屏構(gòu)成的電氣控制操作系統(tǒng)、傳感器及控制器構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、進行清洗試驗及油封試驗的油源系統(tǒng)以及由便攜式污染度檢測儀表構(gòu)成的污染檢測系統(tǒng)[2]。整個系統(tǒng)通過觸摸屏可進行試驗流程和試驗參數(shù)的設(shè)定；提供手動和自動兩種操作界面。在PLC與傳感器的控制器之間運用RS485通訊，為用戶操作提供指示信息，同時，建立用戶試驗程序和參數(shù)數(shù)據(jù)庫，允許用戶對歷史試驗程序和參數(shù)進行記錄、調(diào)用和編輯等操作，根據(jù)用戶要求的采樣參數(shù)、采樣頻率、采樣時間等要求實時記錄采集數(shù)據(jù)；對采集數(shù)據(jù)進行濾波、分析、繪制曲線等后處理。

本設(shè)備的特點主要有：

操作簡便、自動化程度高。設(shè)備的操作采用手動和自動兩種方式，手動操作手柄、按鈕均有提示標牌。當選擇自動控制時，PLC可以完成油泵的啟、停、調(diào)壓、卸荷等控制，可以依照用戶的設(shè)定自動完成對被試件的清洗，清洗完成后，調(diào)節(jié)清洗油封設(shè)備，進入油封環(huán)節(jié)，對被試件進行約為0.02～0.8 MPa的油封操作，完成油封工序的要求。實驗過程中對有關(guān)壓力、溫度、液位等狀態(tài)進行監(jiān)測，當出現(xiàn)異常時報警或自動進行相應(yīng)處理[3]。結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，易于維護。在液壓系統(tǒng)設(shè)計時，盡量采用集成閥塊安裝，減少外部管路和接頭。在元、部件選型時，選用性能和質(zhì)量有保證的品牌。設(shè)備設(shè)計時充分考慮到拆裝空間，方便拆裝。電液控制系統(tǒng)設(shè)計考慮到一定的通用性，便于升級。在臺架設(shè)計、傳感器和控制閥等選型、控制方案選擇上盡量兼顧不同的被試件和不同的運動控制要求。本系統(tǒng)中應(yīng)用了壓力和溫度控制器，能夠?qū)ζ溥M行閉環(huán)控制，同時該控制器具有RS485通訊端口，可以實現(xiàn)PLC與控制器通訊[4]。

1 作動筒清洗油封一體化試驗裝置的要求

1.1 主要功能

(1) 可實現(xiàn)對被試件進行額定次數(shù)的清洗試驗；

(2) 可實現(xiàn)油源的自動控制；

(3) 可實現(xiàn)通過變頻器實現(xiàn)對電機的無極調(diào)速以滿足試驗所需的連續(xù)可調(diào)的壓力要求；

(4) 可實現(xiàn)電磁換向閥以一定頻率自動換向；

(5) 可檢測壓力、溫度及污染等，可進行故障報警與故障處理；

(6) 可顯示、保存數(shù)據(jù)，以供以后瀏覽與查閱；

(7) 本系統(tǒng)提供了額定的靜態(tài)壓力，可以對被試件進行油封試驗，并且油封完成后在此壓力下保壓5 min[5]；

1.2 主要技術(shù)指標

(1) 供油壓力：清洗試驗5～12 MPa，連續(xù)可調(diào)；油封0.02～0.8 MPa，連續(xù)可調(diào)；

(2) 回油壓力：不大于0.6 MPa；

(3) 供油流量：機械泵流量4～20 L/min；

(4) 油液溫度： +20～+55 ℃；

(5) 管路材料采用1Cr18Ni9Ti制造，法蘭、接頭，緊固件等采用優(yōu)質(zhì)不銹鋼材料；

(6) 輸入電源：三相380 VAC，50 Hz；

(7) 清洗換向頻率：1～10 s/次；

(8) 保護功能：短路保護、過載保護、內(nèi)部過溫保護等；

(9) 試驗臺初次使用能正常工作350 h而不需要修理；平均故障間隔時間MTBF≥1000 h；總使用壽命≥10000 h；

(10) 油液污染度等級：優(yōu)于GJB 420A-6/A級。

2 工作原理

2.1 總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)的核心控制器是PLC控制器，它可以通過觸摸屏對泵站、油箱溫度以及系統(tǒng)供油壓力等進行實時控制，按照設(shè)定的頻率控制電磁換向閥的換向，從而完成被試件的清洗和油封試驗，本方案中溫度的采集使用了溫度控制器來對溫度進行閉環(huán)控制，通過RS485與PLC通訊，壓力信號采用輸入模塊進入PLC進行控制[6]，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 清洗試驗系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2.2 設(shè)備組成

清洗油封設(shè)備主要由液壓油源1、液壓操作臺2、作動筒安裝臺3、琴式電器控制臺4及油冷機組成。清洗試驗系統(tǒng)布局如圖2所示。

圖2 清洗試驗系統(tǒng)布局圖

2.3 液壓系統(tǒng)概述

本動力源為固定式泵源，采用立體安裝結(jié)構(gòu)，即：上部布置油箱，下部布置泵站。采用恒壓變量柱塞泵為系統(tǒng)供油，泵的出油口分別連接板式濾油器，油路控制采用了1個電磁換向閥和2個梭閥完成換向，以此完成對被試件的清洗[7-8]。清洗完成后，調(diào)節(jié)清洗油封設(shè)備，控制氣動系統(tǒng)，進入油封環(huán)節(jié)，對被試件進行約為0.02～0.8 MPa的油封操作，完成油封工序的要求。 系統(tǒng)中配有油冷機，可在系統(tǒng)長時間工作的情況下，可以迅速有效地抑制系統(tǒng)升溫。動力源輸出油液污染度是由便攜式污染度檢測儀表來進行檢測，其單獨配置，獨立使用，并且能夠顯示并打印檢測結(jié)果。液壓安全設(shè)計有帶電磁卸荷的手動溢流閥、電磁比例溢流閥和1個手動截止閥，電氣安全配套有短路、過載和過熱保護[9-10]。

液壓系統(tǒng)主要由以下三部分組成：液壓油源部分、三位四通比例換向閥控制的換向清洗部分、氣動減壓閥和活塞式蓄能器組成的油封部分。液壓系統(tǒng)原理如圖3所示。

1) 工作流程

清洗實驗：油箱→吸油口球閥→油泵→濾油器→單向閥→電磁換向閥→梭閥→被清洗件→梭閥→回油濾→油箱。

油封實驗:氮氣源→氣濾→氣體安全活門→氣液油箱→電控截止閥→試件。

冷卻系統(tǒng)油路為：油箱→油冷器→油箱。

圖3 液壓系統(tǒng)設(shè)計圖

2) 操作步驟

(1) 啟動電機，升壓至規(guī)定壓力；

(2) 開始試驗；

(3) 試驗完畢，分別或同時調(diào)整壓力至極小值；

(4) 卸荷電磁溢流閥；

(5) 關(guān)閉泵。

2.4 電氣控制系統(tǒng)及硬件電路設(shè)計

1) 總體概述

系統(tǒng)設(shè)計采用PLC及其觸摸屏來完成對外部系統(tǒng)的控制，PLC接收來自觸摸屏上的指令信息，以實現(xiàn)對試驗臺的遠程控制、用戶程序的下載、數(shù)據(jù)共享等功能。觸摸屏還能夠連接彩色打印機用于實驗報告的輸出，數(shù)據(jù)信號的采集是通過與PLC配套的各種采集模塊構(gòu)成，包括模擬量輸入模塊、數(shù)字量輸入模塊、模擬量輸出模塊和開關(guān)量輸出模塊，這些模塊分別完成對壓力、流量、溫度、液位的檢測與液壓附件的控制[11-12]。硬件電路總體框圖如圖4所示。

圖4 硬件電路總體框圖

2) 系統(tǒng)配置

本系統(tǒng)采用PLC及觸摸屏構(gòu)成的電氣控制操作系統(tǒng)。所有輸入信號通過PLC模塊進入PLC。通過RS485總線與上位機和觸摸屏連接。

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求，選擇以下PLC系統(tǒng)組件。其中模擬量輸入共6路信號，選擇8路模塊；數(shù)字量輸入共5路信號，采用8路模塊；模擬量輸出共1路，選擇4路模塊；24 V開關(guān)量輸出共2路信號，選擇8路模塊[13]。PLC型號選擇如圖5所示。

3 清洗油封試驗裝置測控界面

清洗油封試驗自動操作界面包括7個部分，最頂部為系統(tǒng)的超限報警，中間一層的左側(cè)部分為清洗試驗控制界面，中間一層的中間部分為系統(tǒng)的壓力、溫度檢測及壓力控制，中間一層的右側(cè)部分是油封試驗操作界面，左下圖為溫控界面，下面中間部分為電機操作界面，右下圖為試驗的啟停界面[14]，清洗油封試驗軟件測控界面如圖6所示。

圖5 PLC型號選擇

歷史數(shù)據(jù)瀏覽界面可完成對所采集的歷史數(shù)據(jù)進行曲線顯示。可以選擇所要瀏覽數(shù)據(jù)的起始時間、時間長度、數(shù)據(jù)所在文件夾、瀏覽數(shù)據(jù)名稱，并可對歷史數(shù)據(jù)打印輸出[15]，傳感器標定界面如圖7所示。

圖6 清洗油封試驗自動操作界面設(shè)計圖

圖7 傳感器標定界面

計算零偏增益，用于修正軟件上的測量值。計算零偏、增益需要至少兩組數(shù)據(jù)，且保證兩組數(shù)據(jù)差距盡量大，避免數(shù)據(jù)接近或相同面[16]，數(shù)據(jù)瀏覽界面如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)瀏覽操作界面

4 結(jié)論

這是一個典型的液壓與氣動相結(jié)合的系統(tǒng)，利用活塞式蓄能器存儲油封用液壓油，通過對不同功能、型號作動筒的一次裝夾，完成清洗、油封兩道工序的復(fù)雜要求。試驗結(jié)果顯示，該設(shè)備通過對作動筒多次往復(fù)的沖洗，生產(chǎn)、組裝過程中的鍍層、氧化物、焊圾等雜質(zhì)得到有效清理，滿足飛機對液壓元件清潔度的要求。設(shè)備大大減輕了操作人員的勞動強度，結(jié)構(gòu)緊湊，人機交互界面良好，功能完善，生產(chǎn)效率及自動化程度較高，具有一定的通用性。