一種高性能液壓閥綜合試驗臺設(shè)計

李祥陽，花同賓

(1.西安建筑科技大學(xué)機電工程學(xué)院，陜西西安 710055；2.西安航空學(xué)院液壓技術(shù)研究院，陜西西安 710077)

引言

隨著液壓技術(shù)的發(fā)展，先進液壓技術(shù)在諸多工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛[1]。液壓閥是液壓系統(tǒng)中的控制元件，用于控制液壓系統(tǒng)油路的方向、壓力、流量，按功能不同可分為方向閥、流量閥等[2]。液壓閥作為液壓系統(tǒng)的重要元件，其性能直接影響液壓系統(tǒng)整體性能，因此對液壓閥進行性能測試是一項重要工作，液壓閥綜合試驗臺能夠滿足多種液壓閥性能測試要求[3]。

1 試驗臺技術(shù)參數(shù)要求與試驗項目

技術(shù)參數(shù)要求：

(1) 系統(tǒng)供油壓力：0～35 MPa(電比例可調(diào))；

(2) 系統(tǒng)供油流量：0～80 L/min(電比例可調(diào))；

(3) 先導(dǎo)供油壓力：0～21 MPa；

(4) 先導(dǎo)供油流量：0～20 L/min；

(5) 回油壓力：0～5 MPa；

(6) 油箱容積：1000 L；

(7) 液壓油：10#航空液壓油；

(8) 油液溫度：15～80 ℃；

(9) 電力柜電壓：AC 380 V；

(10) 控制電路電壓：DC 24 V；

(11) 冷卻功率：30 kW；

(12) 系統(tǒng)噪聲：≤68 dB；

(13) 油液溫度控制精度:±1.5 ℃；

(14) 油液清潔度：≥NSA 6級；

(15) 壓力控制精度：<0.1 MPa；

(16) 吸油過濾器精度：100 μm；

(17) 高壓過濾器精度：3 μm；

(18) 回油過濾器精度：5 μm。

試驗臺試驗項目：

(1) 壓力控制閥試驗項目：壓差-流量特性試驗、調(diào)壓范圍及壓力穩(wěn)定性試驗、內(nèi)泄漏量試驗、減壓卸荷可靠性(電磁溢流閥)試驗；

(2) 流量控制閥試驗項目：壓差-流量特性試驗、內(nèi)泄漏量試驗；

(3) 方向控制閥試驗項目：滑閥機能試驗、換向機能試驗、內(nèi)泄漏量試驗、壓力損失試驗。

2 液壓系統(tǒng)設(shè)計

液壓系統(tǒng)設(shè)計準(zhǔn)則：GB/T 8105—1987《壓力控制閥試驗方法》、GB/T 8106—1987《方向控制閥試驗方法》、GB/T 3766—2015 《液壓傳動系統(tǒng)及其元件的通用規(guī)則和安全要求》、JB/T 7033—2007《液壓傳動測量技術(shù)通則》、《液壓技術(shù)手冊》[4]、《液壓系統(tǒng)設(shè)計簡明手冊》[5]。

根據(jù)液壓系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)要求、試驗項目及設(shè)計準(zhǔn)則，并結(jié)合模塊化設(shè)計思想，將液壓系統(tǒng)設(shè)計為主供油、先導(dǎo)供油、加載測試、集油回收4個模塊[6]。

2.1 主供油模塊設(shè)計

主供油模塊采用主泵與輔泵相結(jié)合的結(jié)構(gòu)設(shè)計[7]，其液壓原理如圖1所示。根據(jù)液壓系統(tǒng)供油壓力、流量要求與液壓系統(tǒng)設(shè)計準(zhǔn)則，主泵電機組選用A10VSO45DFR1/31R-PPA12N00比例變量泵與37 kW的1TL0001-2BB03-3JA4-Z電動機，主泵提供0～28 MPa供油壓力、0～117 L/min供油流量；輔泵電機組選用RK3-8.5/1.93高壓小流量泵與2.2 kW的1TL0001-1AB42-1AA5-Z電動機，輔泵提供0～35 MPa供油壓力、0～3.8 L/min供油流量。該模塊主要為加載測試模塊提供測試所需油液流量與壓力，根據(jù)不同試驗項目要求，控制插裝式無泄漏電磁閥可自主切換比例變量泵與高壓小流量泵之間合流供油與分流供油，通過變頻器無級穩(wěn)定調(diào)控其流量輸出，通過比例溢流閥精確控制其壓力輸出。

主泵與輔泵進油管均選用帶有行程開關(guān)的手動蝶閥，保證試驗設(shè)備不使用時，油箱油液無泄漏情況發(fā)生；試驗設(shè)備使用時若蝶閥處于關(guān)閉狀態(tài)，則系統(tǒng)會發(fā)出相應(yīng)的報警提示并切斷控制電路，保證液壓系統(tǒng)安全。

根據(jù)油液過濾精度技術(shù)參數(shù)要求，油泵進油管選用100 μm過濾精度吸油過濾器，出油管選用3 μm過濾精度高壓過濾器，保證液壓回路油液清潔度滿足試驗臺工作要求。

1.油箱 2.電加熱器 3.磁鐵 4.液位計 5.溫度計6.空氣過濾器 7.吸油過濾器 8.蝶閥 9.避震喉10. 37 kW電動機 11.比例變量泵 12.單向閥 13.高壓過濾器14.比例溢流閥 15.壓力表 16.測壓接頭 17.壓力傳感器18.液控單向閥 19.齒輪流量計 20.溢流閥21.高壓小流量泵 22. 2.2 kW電動機圖1 主供油模塊液壓原理圖

2.2 先導(dǎo)供油模塊設(shè)計

根據(jù)先導(dǎo)供油壓力、流量要求與液壓系統(tǒng)設(shè)計準(zhǔn)則，先導(dǎo)泵電機組選用A10VSO28 DFR1/31R-PPA12N00先導(dǎo)泵與3.7 kW的1TL0001-1DC23-3JA4-Z電動機，先導(dǎo)泵提供0～21 MPa供油壓力、0～20 L/min供油流量。先導(dǎo)供油模塊液壓原理如圖2所示。

1.吸油過濾器 2.蝶閥 3.避震喉 4. 3.7 kW電動機5.先導(dǎo)泵 6.單向閥 7.高壓過濾器 8.比例溢流閥9.壓力表 10.測壓接頭 11.壓力傳感器 12.截止閥13、14.電磁換向閥圖2 先導(dǎo)供油模塊液壓原理圖

先導(dǎo)控制油路設(shè)計為兩路：一路連接電磁換向閥13，電磁換向閥通過換向?qū)⒖刂朴鸵狠斔椭帘粶y件，實現(xiàn)對被測件油路控制；另一路連接電磁換向閥14，電磁換向閥通過換向控制液控單向閥開啟或關(guān)閉，液控單向閥開啟時，油液經(jīng)其回流至油箱，主供油模塊系統(tǒng)壓力快速下降，液控單向閥關(guān)閉時，主供油模塊系統(tǒng)壓力快速升高，實現(xiàn)壓力階躍。

2.3 加載測試模塊設(shè)計

加載測試模塊采用操作臺獨立設(shè)置的結(jié)構(gòu)設(shè)計，可方便快速拆裝試驗閥塊，其內(nèi)部包含覆蓋所有測試功能的測試集成塊，原理如圖3所示。

該模塊由主供油模塊提供試驗所需流量壓力，由先導(dǎo)供油模塊提供控制油源，具備測試伺服閥與常規(guī)閥的功能，加載油路均可實現(xiàn)相關(guān)工況負(fù)載模擬。通過控制多個插裝式無泄漏電磁閥，可切換多種液壓測試回路，完成多種液壓閥測試。X，Y，A，B，P，T，L端口接入被測閥塊，X，Y可控制被測閥塊油路，從而完成被測件加載測試試驗。

2.4 集油回收模塊設(shè)計

集油回收模塊采用自動啟停的工作方式[8]，其液壓原理如圖4所示。油泵電機組選用BB-BN25集油泵與1.5 kW的YE2-90L-4電動機。

更換測試閥或液壓管過程中會有液壓油泄漏到臺架或工作臺上，在其底部均設(shè)置集油槽，集油槽油液達到一定液位時，液位繼電器報警系統(tǒng)開啟并自動啟動集油泵，將集油槽內(nèi)油液經(jīng)三級過濾后回收至油箱，該集油回收系統(tǒng)在集油回收工作完成后自動關(guān)閉，并解除報警信號，三級過濾器過濾精度分別為100, 10, 5 μm。

1.截止閥 2、9.溢流閥 3.二通插裝閥 4.溫度傳感器 5.測壓接頭 6.壓力表 7.壓力傳感器 8.比例節(jié)流閥10.蓄能器 11.位移傳感器 12.伺服液壓缸 圖3 加載測試模塊液壓原理圖

1.工作臺集油槽 2.臺架集油槽 3. 100 μm吸油過濾器4.液位繼電器 5.集油泵 6. 1.5 kW電動機7.單向閥 8. 10 μm過濾器 9. 5 μm過濾器 10.油箱圖4 集油回收模塊液壓原理圖

3 油液溫度控制系統(tǒng)設(shè)計

油液溫度控制系統(tǒng)設(shè)計為冷卻與加熱2個子系統(tǒng)[9-10]，其工作原理如圖5所示。

1.吸油過濾器 2.蝶閥 3.避震喉 4.油液循環(huán)泵5. 3 kW電動機 6.單向閥 7. 20 μm過濾器8. 10 μm過濾器 9.釬焊式熱交換器 10. 5 μm過濾器11.截止閥 12.換向閥 13.水循環(huán)泵 14. 2.1 kW電動機15.冷水機 16.水箱 17.溫度傳感器圖5 油液溫度控制系統(tǒng)原理圖

冷卻系統(tǒng)采用水-油換熱、冷卻水箱與工業(yè)冷水機相結(jié)合的冷卻方式，冷卻效率高、冷卻跨度大，該系統(tǒng)主要由吸油過濾器、油液循環(huán)泵、釬焊式熱交換器、冷水機等組成。循環(huán)冷卻油路與工作油路設(shè)計為相互獨立的兩部分，二者在試驗中互不干擾。

根據(jù)30 kW冷卻功率要求，選用PV2R3-76油液循環(huán)葉片泵與3 kW的1TL0001-1AB52-1JA4-Z電動機，油液循環(huán)流量為174 L/min；選用40-16立式水循環(huán)泵浦，水循環(huán)流量為240 L/min；選用SLD80PAX工業(yè)冷水機。該冷卻系統(tǒng)油溫控制范圍為15～80 ℃、溫度控制精度為±1.5 ℃。

冷卻系統(tǒng)工作時，冷水機自動將水溫冷卻至電腦預(yù)設(shè)溫度，而后開啟水循環(huán)泵與油液循環(huán)泵，循環(huán)冷卻水經(jīng)由釬焊式熱交換器帶走液壓油熱量，直至將油溫降至試驗要求溫度。循環(huán)冷卻油路中設(shè)置多重精度過濾器，包括1個吸油過濾器、2個管路過濾器與1個回油過濾器，過濾精度分別為100, 20, 10, 5 μm。

加熱系統(tǒng)選用2組16 kW電加熱器，分別布置在油箱兩側(cè)位置，發(fā)熱功率大，加熱效率高。該系統(tǒng)工作時，電加熱器根據(jù)上位機設(shè)定溫度加熱油液，油液升至預(yù)設(shè)溫度時系統(tǒng)自動關(guān)閉，系統(tǒng)油溫控制范圍為15～80 ℃、溫度控制精度為±1.5 ℃。

4 電氣控制及數(shù)據(jù)采集顯示系統(tǒng)設(shè)計

電氣控制及數(shù)據(jù)采集顯示系統(tǒng)采用智能化設(shè)計[11-12]，上位機、PLC、數(shù)據(jù)采集卡等主要元器件之間采用以太網(wǎng)通訊，三者聯(lián)合共享試驗臺各系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息，聯(lián)合控制試驗臺各系統(tǒng)元件，其工作原理如圖6所示。

圖6 電氣控制及數(shù)據(jù)采集顯示系統(tǒng)工作原理圖

4.1 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

電氣控制系統(tǒng)主要用于泵、電機以及閥位機能控制，電動機及冷水機電氣原理如圖7所示。根據(jù)試驗臺技術(shù)參數(shù)要求，電力控制柜采用AC 380 V供電，控制電路采用DC 24 V供電。

圖7 電動機及冷水機電氣原理圖

上位機選用IPC-610H工控計算機，其通過以太網(wǎng)下發(fā)指令至S7-200 smart PLC，指令所對應(yīng)電路無報警信號，PLC將下達指令至電力控制柜并接通相應(yīng)電路，完成操作指令；指令所對應(yīng)電路有報警信號(如閥門未打開、管路堵塞、液位警戒、電動機故障、高壓保護等信號)，PLC將終止下達指令，解除相關(guān)報警信號后，方可將指令下達至指定電路，此設(shè)計可最大程度上保護試驗設(shè)備。

PLC具有可靠性高、易于調(diào)試、比繼電器控制系統(tǒng)穩(wěn)定并且抗干擾能力強等優(yōu)點，故系統(tǒng)選用S7-200 smart PLC，該PLC集成了運動控制、信息安全、故障安全等功能，可保證設(shè)備運行的可靠性與穩(wěn)定性。

測試操作臺選用10寸觸摸屏，其通過以太網(wǎng)與上位機通訊，試驗人員可通過觸摸屏完成各項試驗操作。

4.2 數(shù)據(jù)采集顯示系統(tǒng)設(shè)計

數(shù)據(jù)采集顯示系統(tǒng)由采集卡、采集控制軟件、傳感器等組成。傳感器包括壓力傳感器、流量傳感器、溫度傳感器等。

采集卡選用NI PCIe-6353高性能數(shù)據(jù)采集卡，可實現(xiàn)多路模擬信號A/D采集和D/A輸出，具備多路數(shù)字I/O輸出功能，可將采集系統(tǒng)模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后傳送至上位機并顯示、存儲。采用NI系列采集卡，可保證信號傳輸?shù)膶崟r性與可靠性，完全滿足數(shù)據(jù)采集顯示系統(tǒng)對信號給定、反饋、控制的要求。

采集控制軟件采用LabVIEW自行編寫，可實現(xiàn)自主標(biāo)定傳感器數(shù)據(jù)、自由選擇顯示曲線、主程序便捷修改、自定義報警信息、自動生成伯德圖等功能。采集控制軟件操作界面如圖8所示。

圖8 采集控制軟件操作界面

傳感器性能直接影響數(shù)據(jù)采集顯示系統(tǒng)整體性能，其在量程、靈敏度、精度滿足技術(shù)參數(shù)要求的同時，亦需保證穩(wěn)定可靠、與采集系統(tǒng)兼容性好，故該采集系統(tǒng)選用4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號傳感器。

5 結(jié)論

該液壓閥綜合試驗臺完全自主設(shè)計，采用模塊化液壓系統(tǒng)、水-油熱交換溫度控制系統(tǒng)、智能化電氣控制及數(shù)據(jù)采集顯示系統(tǒng)設(shè)計，可有效縮小試驗臺結(jié)構(gòu)尺寸、提高系統(tǒng)運行效率、控制與數(shù)據(jù)采集更加自動化，并具備一定的擴展空間，是研究液壓閥的重要試驗平臺。與傳統(tǒng)試驗臺相比，該試驗臺具有安全可靠、操作簡便、測試精度高等優(yōu)點，具有良好推廣價值。