□ 呂永福 □ 高施琛 □ 邢科禮

上海大學(xué)機(jī)電工程與自動化學(xué)院 上海 200072

液壓換向閥是液壓系統(tǒng)中的關(guān)鍵元件，對系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性有著決定性的作用。液壓換向閥的出廠試驗(yàn)主要用于檢測換向閥裝配的質(zhì)量以及各項(xiàng)功能是否正常，以提高產(chǎn)品的出廠合格率。目前液壓換向閥測試系統(tǒng)自動化程度不高，測試精度較低。而隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，虛擬儀器技術(shù)在數(shù)據(jù)采集、自動測試和測量儀器領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，促進(jìn)和推動了測試系統(tǒng)和測量儀器的設(shè)計(jì)方法與實(shí)現(xiàn)技術(shù)的發(fā)展，“軟件就是儀器”已經(jīng)成為測試與測量技術(shù)發(fā)展的重要標(biāo)志［1］。為了提高測試的自動化程度和測試精度，減少人為因素對試驗(yàn)結(jié)果的影響，筆者以LabVIEW為開發(fā)平臺，研制了一套全自動液壓換向閥測控系統(tǒng)。

1 測試液壓系統(tǒng)及主要試驗(yàn)內(nèi)容

1.1 液壓系統(tǒng)

根據(jù)液壓換向閥的檢驗(yàn)要求，設(shè)計(jì)了測試液壓系統(tǒng)，原理如圖1所示，液壓系統(tǒng)分為以下幾個(gè)回路。

（1）主回路。測試液壓系統(tǒng)主回路由手動球閥、斜軸柱塞泵、單向閥、過濾器、比例溢流閥、流量計(jì)、壓力表、壓力傳感器、二通電磁螺紋插裝閥等組成。為滿足不同通徑的被試液壓換向閥對不同測試流量的要求，主回路采用兩個(gè)40 L/min排量的斜軸柱塞泵供油，動力由變頻電機(jī)提供，其中在被試閥安裝閥板的P、A、B口處設(shè)置的二通電磁螺紋插裝閥可在需要的時(shí)候開啟，以給被試閥P、A、B口單獨(dú)加壓。

（2）橋式加載回路。測試液壓系統(tǒng)橋式加載回路由 4 個(gè)單向閥（12.4、12.5、12.6、12.7），高壓過濾器 7.4，比例溢流閥13.2等組成。橋式加載回路通過單向閥12.4和12.7的開啟實(shí)現(xiàn)油液從A到B的流動，通過單向閥12.5和12.6的開啟實(shí)現(xiàn)油液從B到A的流動，其中通過比例溢流閥建立A、B口之間的壓差，模擬被試閥在實(shí)際工作中的負(fù)載。

（3）自動夾緊回路。測試液壓系統(tǒng)自動夾緊回路由齒輪泵、過濾器、單向閥、調(diào)壓組合閥、壓力傳感器、蓄能器、三位四通電磁換向閥、液壓鎖、壓緊油缸等組成。通過調(diào)壓組合閥可滿足不同被試閥對不同夾緊壓力的要求；回路中蓄能器可實(shí)現(xiàn)保壓功能，蓄能器充能后可關(guān)閉供油電機(jī)；回路中的壓力傳感器可反饋壓力信號，實(shí)時(shí)監(jiān)測夾緊回路的壓力情況，確保測試的安全進(jìn)行。

（4）泄漏測試回路。泄漏測試回路由 3個(gè)二通電磁螺紋插裝閥（17.7、17.8、17.9），三通電磁閥、流量計(jì)14.2 等組成。 二通閥（17.7、17.8、17.9）開啟后可分別測試B、A、T口的泄漏量，在泄漏測試前讓三通電磁閥保持失電狀態(tài)，待管路中的油液排出后讓三通電磁閥得電，此時(shí)被試閥的泄漏油液可流過流量計(jì)。

（5）吹氣排油回路。吹氣排油回路主要由4個(gè)二通電磁螺紋插裝閥（17.10、17.11、17.12、17.13 ）組成。電磁螺紋插裝閥得電后，氣源可分別將殘留在被試閥P、A、B、T口中的油液全部排出，測試完成后，避免被試閥帶走殘留在閥體內(nèi)的油液，從而阻止液壓油的浪費(fèi)。

1.2 主要試驗(yàn)內(nèi)容

根據(jù)液壓換向閥企業(yè)測試標(biāo)準(zhǔn)，B級測試項(xiàng)目主要包括：耐壓測試、滑閥機(jī)能測試、換向性能測試、壓力損失測試、內(nèi)泄漏測試、密封性測試等，其中以機(jī)能測試、換向性能測試、內(nèi)泄漏測試尤為關(guān)鍵。本文對一般性的測試項(xiàng)目不再贅述，以主要測試內(nèi)容論述如下。

（1）電磁鐵測試。為了防止線圈電磁鐵裝配錯(cuò)誤或電磁鐵鐵芯接觸不良［2］，需要對電磁鐵進(jìn)行測試。采取的方法是先提供線圈87%的額定電壓，測量線圈的電流。電磁鐵測試必須在室溫下進(jìn)行，以免線圈通電后因發(fā)熱而引起電流的變化。

（2）閥芯中位機(jī)能測試。為了防止閥芯裝錯(cuò)或閥芯尺寸過長等情況的發(fā)生，需要對閥進(jìn)行中位機(jī)能測試。采取的方法是依次給P、A、B 3個(gè)口單獨(dú)加壓，單獨(dú)給其中一個(gè)口加壓時(shí)，從其它3個(gè)口的壓力變化判斷出閥芯的機(jī)能。

（3）閥芯換向性能測試。為了檢測被試閥是否存在閥芯裝反或卡閥情況，需要進(jìn)行換向性能測試。在換向性能測試時(shí)，在一定試驗(yàn)壓力流量下，來回?fù)Q向10次左右，通過在每一個(gè)位置上的壓力流量變化，判斷換向是否正常。

（4）泄漏測試。為了檢測閥體和閥芯的配合精度是否滿足要求，需要對其進(jìn)行泄漏測試，泄漏測試前需要將閥內(nèi)的油排出。

2 測控系統(tǒng)組成及功能

換向閥測試時(shí)，為了自動完成裝夾固定、自動完成各項(xiàng)測試內(nèi)容、自動判斷保存測試結(jié)果等測試過程，以最大限度地減少測試過程的人為參與，確保測試過程的穩(wěn)定性和測試結(jié)果的可靠性，系統(tǒng)組成及功能如下。

（1）以工控機(jī)作為上位機(jī)、PLC作為下位機(jī)構(gòu)成整個(gè)測控系統(tǒng)，通過自動程序準(zhǔn)確地執(zhí)行試驗(yàn)流程，可靠地實(shí)現(xiàn)測試的自動化。

（2）上位機(jī)測控軟件采用LabVIEW11.0編制，可設(shè)置試驗(yàn)參數(shù)、實(shí)時(shí)顯示試驗(yàn)數(shù)據(jù)、跟蹤試驗(yàn)進(jìn)度、保存并查詢試驗(yàn)結(jié)果、生成試驗(yàn)報(bào)表。

（3）通過采集現(xiàn)場的壓力反饋信號，系統(tǒng)可自動做出相應(yīng)的處理，出現(xiàn)故障時(shí)，操作人員也可以清晰地看到報(bào)警信號。

2.1 硬件組成

▲圖1 液壓系統(tǒng)原理圖

測控系統(tǒng)的硬件主要由工控機(jī)、模擬量輸入/輸出卡、二次儀表、壓力傳感器、流量傳感器、溫度傳感器、變頻器、比例放大器、PLC等組成，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。硬件的選用必須在滿足測試要求的前提下綜合考慮成本因素，因此從最優(yōu)性價(jià)比角度出發(fā)，工控機(jī)選用15"XGA TFT LCD工業(yè)等級擴(kuò)展型平板電腦IPPC-6152A；模擬量輸入卡選用PCI-1710多功能PCI總線數(shù)據(jù)采集卡，模擬量輸出卡選用PCI-1720U。根據(jù)控制要求統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)所需的輸入點(diǎn)數(shù)與輸出點(diǎn)數(shù)，并考慮要有10%的余量，在本系統(tǒng)中采用三菱FX3U-64MR型PLC。測試過程中為了準(zhǔn)確地判斷被試閥是否存在卡閥現(xiàn)象，因此測控系統(tǒng)對壓力頻響要求較高，壓力傳感器采用德國HYDAC壓力變送器，壓力范圍在0～40 MPa，過載能力為1.5倍滿量程壓力，綜合精度為±0.15%FS，工作溫度為-40～85℃，響應(yīng)時(shí)間為≤0.5 ms。高壓流量傳感器選用派克齒輪流量計(jì)SCVF150，量程范圍為 0～150 L/min，精度為±0.25%FS。用于泄漏試驗(yàn)的流量計(jì)選用德國VS0.1，測量范圍為0.01～10 L/min，精度為±0.3%R（相對測量值）。 溫度傳感器選用派克SCT-150-14-00，測量范圍為-25～125℃，精度為±2%FS。二次儀表選用昌輝SWP系列，變頻器選用博世力士樂G5系列。

▲圖2 測控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)組成框圖

▲圖3 數(shù)據(jù)采集模塊程序框圖

2.2 軟件設(shè)計(jì)

測控系統(tǒng)軟件采用美國NI公司的產(chǎn)品LabVIEW，按軟件規(guī)范編寫。LabVIEW的編程方式區(qū)別于傳統(tǒng)的編程語言，它是一種圖形語言，易學(xué)易用，使編程效率得到了明顯提高。作為一個(gè)業(yè)界領(lǐng)先的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)軟件工具，LabVIEW繼承和發(fā)展了結(jié)構(gòu)化和模塊化程序設(shè)計(jì)的概念，其強(qiáng)大的硬件驅(qū)動和圖形顯示能力能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)測試、控制和仿真等各種應(yīng)用［3］。

本測控系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、電磁鐵測試模塊、閥芯中位機(jī)能測試模塊、閥芯換向性能測試模塊、泄漏測試模塊等，每個(gè)模塊具有相對獨(dú)立性，在軟件中完成各自的測試功能。

（1）數(shù)據(jù)采集模塊。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集任務(wù)利用PCI-1710數(shù)據(jù)采集卡完成，其提供LabVIEW驅(qū)動程序，供LabVIEW語言對其板卡編程使用。采集卡提供了3種信號采集方式，即軟件觸發(fā)方式、中斷方式、DMA方式［4］，筆者選用軟件觸發(fā)方式即可滿足測試要求，部分程序框圖如圖3所示。

（2）電磁鐵測試模塊。選擇電磁鐵測試后，首先給被試閥每一個(gè)位置輪流通上87%的額定電壓，采集通過線圈的電流大小，然后與理論的電流值進(jìn)行比較，若在要求的范圍內(nèi)，則記錄測試結(jié)果后，結(jié)束測試；若不在要求的范圍內(nèi)，則選擇是否重新測試一次，然后記錄實(shí)際測試結(jié)果，最后結(jié)束測試。程序流程如圖4所示。

（3）閥芯中位機(jī)能測試模塊。選擇閥芯中位機(jī)能測試后，首先依次給 P、A、B 口加壓，同時(shí)采集 P、A、B、T 4個(gè)口的壓力值，直到判斷出閥芯機(jī)能為止，若與實(shí)際閥芯機(jī)能一致，則記錄測試結(jié)果后結(jié)束測試；若與實(shí)際閥芯機(jī)能不符則選擇是否重新測試一次，然后記錄實(shí)際測試結(jié)果，最后結(jié)束測試。程序流程如圖5所示。

（4）閥芯換向性能測試模塊。選擇閥芯換向性能測試后，首先在被試閥工作口A、B之間建立起一定的額定壓差，然后使被試閥來回?fù)Q向10次左右，根據(jù)壓力流量數(shù)據(jù)判斷換向是否正常，若換向正常，則記錄測試結(jié)果后，結(jié)束測試；若換向不正常，則選擇是否重新測試一次，然后記錄實(shí)際測試結(jié)果，最后結(jié)束測試。程序流程如圖6所示。

▲圖4 電磁鐵測試程序流程圖

▲圖5 閥芯中位機(jī)能測試程序流程圖

▲圖6 閥芯換向性能測試程序流程圖

▲圖7 泄漏測試程序流程圖

▲圖8 操作顯示界面

（5）泄漏測試模塊。選擇泄漏試驗(yàn)后，首先在被試閥的P口加上一定的泄漏試驗(yàn)壓力，然后根據(jù)測試位置選擇打開泄漏測試口記錄泄漏量，若泄漏量在允許范圍內(nèi)，則記錄測試結(jié)果后結(jié)束測試；若泄漏量超出允許值，則選擇是否重新測試一次，然后記錄實(shí)際測試結(jié)果，最后結(jié)束測試，程序流程如圖7所示。

3 試驗(yàn)過程舉例分析

如圖8操作顯示界面所示，系統(tǒng)正在執(zhí)行閥芯中位機(jī)能測試，從顯示界面上可以清楚地看到試驗(yàn)過程中的壓力、流量數(shù)據(jù)以及自動判斷的試驗(yàn)結(jié)果。由于此試驗(yàn)過程被試閥A、B、T口關(guān)閉，系統(tǒng)油液溢流，故系統(tǒng)流量顯示為零。

4 總結(jié)

本文研究的液壓換向閥全自動測控系統(tǒng)采用了先進(jìn)的傳感技術(shù)和測控技術(shù)，測控系統(tǒng)硬件的組成充分保證了系統(tǒng)的可靠性，軟件的設(shè)計(jì)運(yùn)用LabVIEW強(qiáng)大的測試功能，完成了數(shù)據(jù)的采集與處理，提高了測試的精度和速度。通過硬件和軟件的相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了液壓換向閥出廠試驗(yàn)的全自動測試，具有實(shí)際生產(chǎn)指導(dǎo)意義和實(shí)用價(jià)值。

［1］商偉娜，高寶成.基于LabVIEW的虛擬儀器自動測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.機(jī)床與液壓，2007，35（7）：160-164.

［2］王洪波.電磁換向閥的故障分析 ［J］.液壓氣動與密封，2012（9）：41-43.

［3］楊樂平.LabVIEW高級程序設(shè)計(jì)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005.

［4］俞平，杜群貴，黃曉東.氣動電磁換向閥可靠性試驗(yàn)臺自動測控系統(tǒng)［J］.機(jī)床與液壓，2009，37（10）：155-158.