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(jī)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(yàn)是鋼管生產(chǎn)過(guò)程中檢驗(yàn)鋼管承壓能力和消除鋼管剩余應(yīng)力的一個(gè)重要工序，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，在保壓規(guī)定時(shí)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(jì)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(yàn)壓力不同，因而，在每次鋼管換型時(shí)，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(guò)人工計(jì)算出水壓值，輸入計(jì)算機(jī)中，再由計(jì)算機(jī)輸出電信號(hào)控制比例溢流閥，由比例溢流閥控制靜水壓機(jī)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(shí)主油缸的推力過(guò)小，靜水壓機(jī)端面就會(huì)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(shí)，就會(huì)撕裂密封膠圈造成暴圈；靜水壓機(jī)主油缸推力過(guò)大，試驗(yàn)頭會(huì)頂彎鋼管，造成廢品。因此對(duì)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(hào)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(lái)，隨著可編程控制器（PLC）和自動(dòng)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(yàn)機(jī)油水壓力平衡（以下簡(jiǎn)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(diǎn)。

1.水壓機(jī)油水壓力平衡系統(tǒng)簡(jiǎn)介

水壓機(jī)的油水平衡，簡(jiǎn)單的說(shuō)，就是在水壓機(jī)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(dòng)態(tài)平衡。油壓太大，會(huì)擠傷鋼管；油壓太小，則會(huì)導(dǎo)致主缸后退，管端密封失效，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致高壓水噴出，對(duì)周圍的設(shè)備及人身帶來(lái)安全風(fēng)險(xiǎn)。在水壓機(jī)主缸油壓控制中采用比例閥，很好地解決了這個(gè)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了油壓與水壓的適時(shí)動(dòng)態(tài)平衡。

1.1.油水壓力平衡系數(shù)的計(jì)算

在水壓試驗(yàn)前后壓頭根據(jù)鋼管的要求長(zhǎng)度通過(guò)定位裝置鎖緊在拉力柱上。要實(shí)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(shí)現(xiàn)油水壓力的動(dòng)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(shí)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?yàn)镾管= （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(jī)主缸缸徑是一個(gè)不變的已知數(shù)，通過(guò)公式（6）可計(jì)算出不同管徑鋼管試驗(yàn)時(shí)的油水壓力平衡系數(shù)K。

1.2.油水壓力平衡過(guò)程分析

水壓機(jī)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(yàn)過(guò)程中，水壓傳感器將鋼管內(nèi)水的壓力變成電信號(hào)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(guò)D/A模塊送給比例閥放大板，通過(guò)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(duì)比例閥壓力進(jìn)行控制的同時(shí)，油壓傳感器將主缸的壓力反饋給PLC，PLC對(duì)反饋回來(lái)的油壓實(shí)際值與油壓的理論值進(jìn)行比較，調(diào)整輸出信號(hào)，從而實(shí)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(xiàng)

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(guò)程中往往需要多次反復(fù)，調(diào)試的周期也較長(zhǎng)，針對(duì)這種情況，認(rèn)為調(diào)試過(guò)程應(yīng)從以下幾個(gè)步驟進(jìn)行：

2.1.1.在比例閥控制中增加手動(dòng)/自動(dòng)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(dòng)狀態(tài)，手動(dòng)調(diào)節(jié)比例閥給定模擬信號(hào)，并在不同信號(hào)下測(cè)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(jìn)行比較。

2.1.2.在編程過(guò)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(guò)程中油壓響應(yīng)的快速性，在編程中用軟件對(duì)比例閥的特性進(jìn)行修正。比例閥的特性曲線在壓力超過(guò)10MPa后斜率變小，因此，在編程時(shí)對(duì)壓力超過(guò)10MPa后計(jì)算出的油壓值進(jìn)行補(bǔ)充修正。

2.2.系統(tǒng)使用過(guò)程的幾點(diǎn)注意事項(xiàng)

2.2.1.當(dāng)試驗(yàn)頭密封方式不同時(shí)，對(duì)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(huì)影響整個(gè)增壓過(guò)程的密封。

2.2.2.水壓機(jī)換型時(shí)，對(duì)同步系統(tǒng)溢流閥的壓力調(diào)節(jié)非常必要。先計(jì)算出鋼管試壓時(shí)主缸所需的最大油壓，然后采用比例閥手動(dòng)控制進(jìn)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(shí)，過(guò)高的油壓可通過(guò)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(shí)，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(lái)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(yǔ)

比例閥在我公司鋼管水壓機(jī)的油水壓力平衡系統(tǒng)中，使用幾年來(lái)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(guò)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(jìn)性及方便性得到了充分體現(xiàn)。實(shí)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。