時(shí)連君

(山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，山東 青島 266590)

引言

電液比例壓力-流量控制復(fù)合閥(簡(jiǎn)稱P-Q閥)，是由先導(dǎo)式比例溢流閥、先導(dǎo)式比例流量控制閥組成的。P-Q閥集成在同一閥塊內(nèi)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，用兩路電信號(hào)分別控制執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)速度、輸出壓力，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)連續(xù)控制、遠(yuǎn)程控制與程序控制，是一種新型的節(jié)能控制閥。P-Q閥元件數(shù)量少，整體結(jié)構(gòu)尺寸小，簡(jiǎn)化了液壓控制系統(tǒng),所以在各行業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。P-Q閥的性能直接影響到系統(tǒng)工作的可靠性，出廠或維修后都需要對(duì)閥的性能進(jìn)行測(cè)試，保證其性能參數(shù)滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。因此利用各種傳感器與工業(yè)控制機(jī)，基于虛擬儀器的測(cè)試方法對(duì)P-Q閥進(jìn)行壓力特性、流量特性以及壓力-流量特性測(cè)試。

1 閥的性能測(cè)試原理

P-Q閥是一種由比例溢流閥、比例調(diào)速閥、定差溢流閥和安全閥等組成的復(fù)合多參數(shù)控制閥，既可實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行元件(液壓馬達(dá)或液壓缸)輸出流量的比例控制，又能實(shí)現(xiàn)對(duì)其壓力的比例調(diào)節(jié)；既能實(shí)現(xiàn)具有確定增益系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)控制，又能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整的閉環(huán)控制[1]，所以控制器采用雙比例控制器。但是工作時(shí)工作負(fù)載的變化，造成節(jié)流閥出口的流量不穩(wěn)定，所以P-Q閥通常采用具有壓力補(bǔ)償作用的定差溢流閥來(lái)保證節(jié)流閥進(jìn)出口壓差Δp恒定，流量可以表示為：

(1)

A=πdx

(2)

式中，d—— 滑閥直徑

Cd—— 流量系數(shù)

A—— 過(guò)流面積

ρ—— 流體密度

x—— 開(kāi)口量

由上式可以看出，在閥芯直徑不變的情況下，其通過(guò)的流量取決于閥的開(kāi)口量x的大小，也就是比例電磁鐵推桿的位移[2]。通過(guò)閥芯的位移去控制系統(tǒng)的壓力與流量，完成電-機(jī)-液的比例轉(zhuǎn)換。但是在進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)時(shí)，溢流量太小會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)壓力不穩(wěn)定，溢流閥正常工作時(shí)要保持合理的溢流量，否則節(jié)流口會(huì)出現(xiàn)流量脈動(dòng)，使液壓系統(tǒng)中執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)速度不均勻，因此需要對(duì)其參數(shù)進(jìn)行調(diào)試、測(cè)試。

1.1 壓力特性測(cè)試

P-Q閥的壓力特性是指閥的出口壓力隨比例控制器的控制電壓變化的p=f(U)曲線。測(cè)試時(shí)將P-Q閥的出口節(jié)流閥19關(guān)閉，給比例溢流閥的電磁鐵線圈BT1施加由小到大控制電壓，同時(shí)測(cè)量閥的進(jìn)口壓力和出口壓力值[3-4]，這樣獲得了P-Q閥壓力特性。

1.2 流量特性測(cè)試

P-Q閥的流量性能是指其流量隨比例控制器的控制電壓變化的q=f(U)曲線。測(cè)試時(shí)，將P-Q閥的出口打開(kāi)，給電液比例調(diào)速閥的比例電磁鐵線圈施加由小到大控制電壓，同時(shí)測(cè)量相應(yīng)閥流量值，獲得P-Q閥流量特性。

1.3 壓力-流量特性測(cè)試

P-Q閥的壓力-流量特性是指閥出口流量隨閥的出口壓力變化的q=f(p)曲線[5]。測(cè)試時(shí)將P-Q閥的出口接一個(gè)節(jié)流閥作為負(fù)載，給比例溢流閥和比例調(diào)速閥分別施加合適的控制量，調(diào)整節(jié)流閥的開(kāi)度從而使負(fù)載壓力由小到大地逐點(diǎn)增加，即改變P-Q閥出口壓力的大小，同時(shí)測(cè)量其入口壓力、出口壓力及流量，獲得其壓力-流量特性及進(jìn)出口壓力的變化規(guī)律。

2 液壓系統(tǒng)原理及參數(shù)

擬定測(cè)試系統(tǒng)的壓力值最高為25 MPa，流量最大值為25 L/min，液壓原理圖如圖1所示。系統(tǒng)主要有高壓變量柱塞油泵作為動(dòng)力元件給測(cè)試系統(tǒng)提供動(dòng)力；先導(dǎo)式比例溢流閥、電磁先導(dǎo)式溢流閥、節(jié)流閥等作為控制元件控制測(cè)試系統(tǒng)的壓力、流量；P-Q閥為被測(cè)試的控制元件；蓄能器、冷卻器等輔助元件在測(cè)試系統(tǒng)中起到蓄能、冷卻油液的作用[6-7]。

1.吸油過(guò)濾器 2.油泵電機(jī)組 3.單向閥 4.高壓過(guò)濾器 5.電磁溢流閥 6.比例溢流閥 7、9、16、17.壓力傳感器 8、10、12、15.壓力表 11、13、14、19.節(jié)流閥 18.P-Q閥 20.流量傳感器 21.回油過(guò)濾器 22.冷卻器

3 測(cè)試數(shù)據(jù)的采集與處理

3.1 參數(shù)及控制信號(hào)流程

測(cè)試系統(tǒng)中裝有壓力表，用來(lái)顯示液壓系統(tǒng)中各個(gè)位置的壓力值，壓力傳感器用來(lái)傳輸壓力數(shù)據(jù)，流量傳感器用來(lái)測(cè)試被試閥的流量數(shù)值[8]。測(cè)試系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集采用多功能模入模出的PCI-8333卡，D/A通道輸出2個(gè)控制電壓信號(hào)，到雙比例控制閥控制器的【控制輸入】端口，控制器輸出控制電流分別驅(qū)動(dòng)比例溢流閥、比例調(diào)速閥，P-Q閥出口就產(chǎn)生相應(yīng)的輸出壓力、輸出流量數(shù)值。依次給出不同的控制電壓，分別測(cè)量控制電壓與輸出壓力、輸出流量的數(shù)值，得出控制電壓和輸出壓力、控制壓力與輸出流量之間的p=f(U)、q=f(U)曲線[9]，控制信號(hào)流程圖如圖2所示。

圖2 計(jì)算機(jī)測(cè)控信號(hào)圖

3.2 測(cè)試軟件

虛擬儀器測(cè)試平臺(tái)的軟件是基于LabVIEW編寫而成的，是一種直觀的圖形化的編程語(yǔ)言，主要用于測(cè)試、數(shù)據(jù)測(cè)量以及系統(tǒng)控制等。軟件的主要功能：測(cè)試開(kāi)始前顯示液壓原理圖，使測(cè)試者在測(cè)試開(kāi)始前調(diào)整液壓系統(tǒng)；測(cè)試開(kāi)始后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集；測(cè)試結(jié)束后進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，顯示測(cè)試曲線等。

3.3 測(cè)試過(guò)程

1)P-Q閥靜態(tài)特性測(cè)試

根據(jù)要求正確連接測(cè)試系統(tǒng)控制信號(hào)，如圖3所示。

圖3 控制信號(hào)連接

2)測(cè)試系統(tǒng)液壓閥的調(diào)整

啟動(dòng)液壓泵電機(jī)前，安裝好被測(cè)試的P-Q閥，面板上的電磁溢流閥的控制按鈕YA1斷電，使測(cè)試系統(tǒng)卸荷，防止柱塞泵帶壓?jiǎn)?dòng),打開(kāi)節(jié)流閥13，關(guān)閉節(jié)流閥14。啟動(dòng)液壓泵電機(jī)后，待電動(dòng)機(jī)進(jìn)行Y-Δ啟動(dòng)完畢后，按下控制面板上的電磁溢流閥按鈕YA1,調(diào)節(jié)其手柄使測(cè)試系統(tǒng)達(dá)到安全工作壓力12 MPa，然后按擬定的步驟進(jìn)行測(cè)試操作[10-11]。

3)測(cè)試系統(tǒng)軟件界面的操作

(1)P-Q閥的壓力特性測(cè)試：在測(cè)試系統(tǒng)界面上的編輯框內(nèi)填寫相應(yīng)的數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)文件名，按照擬定的步驟進(jìn)行測(cè)試操作，最后得出相應(yīng)的測(cè)試數(shù)據(jù),由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)自動(dòng)繪制出被試閥的特性曲線如圖4所示。圖4中曲線1是閥出口壓力特性曲線，曲線2是閥的進(jìn)口壓力特性實(shí)驗(yàn)曲線，橫坐標(biāo)為電壓(電流)控制量。隨著比例閥的控制電壓的增大，雙比例控制閥輸出的壓力也隨著升高，具有與比例溢流閥相似的特性。

圖4 壓力特性曲線

(2)P-Q閥的流量特性測(cè)試：測(cè)試開(kāi)始前，先打開(kāi)節(jié)流閥19，以便用流量傳感器測(cè)試被試閥的流量，在測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試界面編輯框內(nèi)填寫相應(yīng)的測(cè)試數(shù)據(jù)，然后按照擬定步驟的要求進(jìn)行測(cè)試得出數(shù)據(jù)，最后工業(yè)控制計(jì)算機(jī)根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)自動(dòng)繪制出被試閥的流量特性曲線，如圖5所示。曲線1為閥流量特性擬合曲線，曲線2為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)線，橫坐標(biāo)為電壓(電流)控制量。隨著雙比例控制器輸出控制電壓(控制電流)的增大，被試閥的輸出流量也逐漸增大，與比例調(diào)速閥具有相似的性能。

圖5 流量特性曲線

(3)測(cè)試結(jié)束后，先使面板上的電磁溢流閥的控制按鈕YA1斷電，使溢流閥卸荷，系統(tǒng)壓力降到最低值，停止油泵電動(dòng)機(jī)。

4)P-Q閥壓力-流量特性測(cè)試

(1)根據(jù)要求正確選擇壓力傳感器、流量傳感器，連接測(cè)試系統(tǒng)控制信號(hào)，如圖6所示。

圖6 控制信號(hào)連接

(2)測(cè)試系統(tǒng)液壓閥的調(diào)整:啟動(dòng)液壓泵電機(jī)前，電磁溢流閥的控制按鈕YA1斷電，使溢流閥卸荷，防止液壓泵帶壓?jiǎn)?dòng)。

打開(kāi)節(jié)流閥13、節(jié)流閥19，其余關(guān)閉，啟動(dòng)液壓泵電機(jī)[12]，待電動(dòng)機(jī)Y-Δ啟動(dòng)完畢后，按下電磁溢流閥按鈕YA1,調(diào)節(jié)其手柄使系統(tǒng)達(dá)到安全工作壓力12 MPa，打開(kāi)節(jié)流閥14，進(jìn)行下一步操作。

(3)軟件界面數(shù)據(jù)設(shè)置:在測(cè)試系統(tǒng)界面框內(nèi)填寫相應(yīng)的被試閥參數(shù)數(shù)據(jù)，壓力控制量設(shè)置為系統(tǒng)最高工作壓力，流量控制量設(shè)置為任意允許值，填寫擬定的測(cè)試數(shù)據(jù)等。按【測(cè)試開(kāi)始】鍵，測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量第1個(gè)負(fù)載壓力點(diǎn)，緩慢調(diào)小節(jié)流閥19的開(kāi)度，使負(fù)載壓力上升至下個(gè)測(cè)壓點(diǎn)，重復(fù)上面步驟,直至測(cè)試結(jié)束，點(diǎn)擊界面上【數(shù)據(jù)記錄】鍵，測(cè)試數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄在【測(cè)試數(shù)據(jù)表】?jī)?nèi)，按照規(guī)定的步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)[13]，得出被試閥的輸出壓力和輸出流量測(cè)試數(shù)據(jù)，由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)自動(dòng)繪制出閥特性曲線。

P-Q閥進(jìn)口壓力-負(fù)載壓力特性測(cè)試曲線如圖7所示，曲線1是擬合曲線，曲線2是實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)線，橫坐標(biāo)為被試閥進(jìn)口壓力數(shù)值，縱坐標(biāo)為被試閥負(fù)載壓力數(shù)值。隨著P-Q閥負(fù)載壓力的增大，其進(jìn)口壓力也隨著增大。

圖7 進(jìn)口壓力-負(fù)載壓力特性曲線

P-Q閥壓力-流量特性測(cè)試曲線如圖8所示，曲線1是擬合曲線，曲線2是實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)線，輸出流量隨負(fù)載壓力的增大而減小。由測(cè)試的結(jié)果可以看出，雙比例控制的P-Q閥是一款節(jié)能控制產(chǎn)品。

圖8 壓力-流量特性曲線

4 結(jié)論

由于P-Q閥沒(méi)有國(guó)家測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，所以在測(cè)試中結(jié)合國(guó)家有關(guān)比例溢流閥、比例調(diào)速閥的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行探索性的測(cè)試，通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)以及測(cè)試曲線可以得出如下的結(jié)論：

(1)P-Q閥的輸出壓力、輸出流量基本上隨著比例控制器輸出電壓(電流)的變化而變化，從而改變執(zhí)行元件的壓力及速度，但由于比例電磁鐵存在感抗，導(dǎo)致控制電流延遲了上升時(shí)間。為了提高其動(dòng)態(tài)特性可以串聯(lián)電阻或者提高控制電壓(電流)；

(2)雙比例控制閥的出口壓力隨著負(fù)載變化時(shí)，閥進(jìn)口壓力也隨著變化，從而起到節(jié)能的作用；

(3)閥的控制器件可以通過(guò)采用壓力流量位移內(nèi)反饋與動(dòng)壓反饋等機(jī)電校正措施，使P-Q閥穩(wěn)態(tài)控制精度與動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度接近伺服閥。