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电液伺服阀静态性能测试系统的可行性研究

2020-09-03 272 上传者：管理员

摘要：由于电液伺服阀具有抗污染能力差、易出现故障且不易判断、需要频繁检修的问题,为方便其性能测试,设计一种电液伺服阀静态性能测试试验台。该试验台通过比例溢流阀进行液压油源压力调节控制,测控系统采用精密压力传感器和流量传感器采集信号,将工控机与可编程控制器相结合进行信号传递,并基于组态王开发测试软件,使测试系统具有开发周期短、人机交互性能好、实用性强等优点。通过实际的电液伺服阀性能测试试验,验证了测试系统的可行性和合理性。

关键词：
工业技术应用
测试系统
电液伺服阀
组态王
静态性能
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电液伺服阀是电液伺服系统中最关键的控制元件[1],直接影响电液伺服系统的控制性能,但它对工作介质和使用环境要求苛刻。据统计,电液伺服阀的故障率约80%是因污染而导致的,维修方法以清洗为主[2],然后主要进行静态性能测试。静态性能由测得的空载流量特性、负载流量特性、压力特性、内泄漏特性等曲线加以评定。

为满足实际生产需要,近年来国内外不少研究单位对电液伺服阀测试系统进行了不同程度的优化,主要是将计算机辅助测试技术和虚拟仪器技术加入到试验台的设计,测控系统采用工控机与数据采集设备相结合的形式进行数据采集及信号传输。李藤飞和石博强[3]将计算机数控系统与PLC控制相结合开发测试系统,实现试验台状态自动或手动控制;北京理工大学研究团队研制出多功能信号发生器,产生伺服阀性能测试的给定信号,并采用压力闭环控制技术,保证伺服阀静态试验时的压力恒定[4,5];郭栋、王建军、左智飞等基于LabVIEW软件平台开发测控系统[6,7,8];王磊[9]将myRIO嵌入到测试系统中,实现了在线移动测试。

本文作者基于组态王软件与PLC结合设计测控系统,组态软件具有良好的人机交互特点,而PLC高度集成的多功能模块易于编程调用,两者结合使得测试系统界面友好,开发周期短。

1、液压控制系统

测试系统中的液压控制系统由液压油源系统、试验台液压系统两部分组成。液压控制系统原理如图1所示。

图1液压系统原理

液压油源系统中液压泵为轴向变量柱塞泵,额定压力21MPa,额定流量100L/min,满足相应规格的各类伺服阀性能测试需要;在泵出口处设有单向阀、进油油滤、压力传感器、压力表等;主油路上设置有比例溢流阀、电磁溢流阀,比例溢流阀可实现远程调压,电磁溢流阀工作中作为安全阀使用,同时起主泵电机空载启动及系统卸载的作用;为防止油液温度过高,在回油路上安装风冷散热器。

电液伺服阀静态性能测试时需先将被测伺服阀安装在试验台液压系统测试工位,同时使球阀4处于开通状态,采用比例溢流阀,实现系统压力无级调节并确保测试过程中压力恒定。通过切换截止阀V1、V2、V3、V4、V5的开关状态及调节电液比例节流阀的开口大小,完成空载流量特性、负载流量特性、压力特性、泄漏特性测试。各测试项目的元器件动作顺序如表1所示,试验台实物照片如图2所示。

图2试验台液压控制系统

2、测控系统

测控系统由工控机、可编程控制器、伺服放大器、传感器等硬件组成,结构如图3所示。

图3测控系统结构

可编程控制器为S7-200SMART,并扩展模拟量输入、模拟量输出两个模块,用以太网端口在工控机与CPU之间建立物理连接进行数据交换,方便快捷;SVA-Ⅲ-S型伺服放大器带有位置解调器,同时具有PID控制功能,对伺服阀线圈内环实现闭环控制;压力和流量传感器均为4～20mA变送输出,压力传感器精度0.5级,流量传感器精度0.2。测控系统实物照片如图4所示。

图4测控系统实物

测试过程通过软件编程实现,程序设计流程如图5所示。试验准备阶段,打开工控机,启动液压泵为系统提供压力油,根据测试项目手动开启或关闭截止阀V1、V2、V3、V4、V5,以确保油液按既定方向流动,然后通过比例溢流阀调节系统压力,压力恒定后开始测试;试验测试程序经以太网端口自动下载到PLC并运行,通过其模拟量输出模块输出电压控制信号,经伺服放大器调理、转换成电流信号进而控制伺服阀阀芯运动;压力传感器与流量传感器不断进行数据采集,将试验中测得的压力、流量数据以电流的形式经模拟量输入模块传递到PLC,又经以太网端口上传到工控机;打开组态软件,设置采样频率和采样周期,然后根据选择的测试项目读取相应的压力、流量数据并绘制特性曲线,完成测试。报表界面功能模块可进行数据查询、报表打印等操作,为后续的数据分析提供方便。

图5程序流程

试验过程中依据测试要求采样频率设定为20ms,采样周期需大于一个完整的阀控周期,伺服阀控制信号的变化速度应尽可能平缓,这样不仅能提高测试精度,同时也避免了油液压力突变带来的液压冲击对系统的干扰。此外,梯形图程序中用取平均值的办法对采样数据进行数据滤波处理。

组态软件的功能是实时监控和模拟伺服阀静态性能的测试过程,不断读取压力、流量数据并绘制曲线。应用程序的编制步骤:设计图形界面,用来演示工控现场;创建数据库,实时记录工控对象的状态属性;建立动画连接,实现人机互动;最后调试运行[10,11,12,13]。组态软件开发过程,首先在图形组态界面中选择液压泵、伺服阀、压力表、流量计等虚拟元件,并按液压系统设计原理依次连接各模块,由于图形界面不能动态监控,需要将图形与数据库中的数据建立相关联系,同时在显示框中显示具体数据。倘若动画模拟测控过程,需打开设置窗口进行相应的动画属性设置并联机调试。在组态界面中设有“空载流量特性”“负载流量特性”“压力特性”“内泄漏特性”测试入口,选择测试项目,点击开始测试按钮,系统即可自动完成测试[14,15]。

3、测试试验

以某一伺服阀为测试对象,在供油压力7.0MPa下,额定电流为10mA,测得的空载流量特性曲线如图6(a)所示,纵轴Q表示流量,单位为L/min;横轴I/In表示伺服阀的实际电流与额定电流的百分比。图中曲线为阀芯由中位先右移至左开口最大然后回到中位,再由中位左移至右开口最大最后回中位所测得的空载流量特性曲线。在供油压力14.5MPa、额定电流为10mA时,测得的压力特性曲线如图6(b)所示,纵轴P表示压力,单位为MPa;横轴同图(a)。图中曲线为阀芯由中位先右移至左开口最大然后回中位,再由中位左移至右开口最大最后回中位所测得的压力特性曲线。由于力矩马达的磁滞、伺服阀的游隙等产生的滞环,伺服阀测试的特性曲线未能重合,在图上呈现为“两条曲线”。

图6静态特性试验结果

4、结论

基于可视化设计的电液伺服阀静态性能测试系统,软硬件模块化程度高、安装调试方便、开发周期短、开放性好、可扩展性强。开发的电液伺服阀静态性能测试系统目前已经投入使用,运行状态良好,具有很好的推广利用价值。

参考文献：

[1]王卓,黄川,申振丰,等.小流量电液伺服阀叠合量气动测量台的研制[J].液压与气动,2017(5):113-119.

[2]杜方辉,马善斌,李兴勇,等.双喷嘴-挡板电液伺服阀抗污染能力研究[J].液压与气动,2018(12):108-114.

[3]李藤飞,石博强.电液伺服阀静态性能测试台的设计[J].液压与气动,2012(4):11-13.

[4]汪首坤,王军政,赵江波,等.电液伺服阀静动态性能测试系统的研制[J].液压与气动,2003(2):18-20.

[5]陈昌,王军政,彭熙伟,等.可编程控制器在电液伺服阀性能测试中的应用[J].液压与气动,2003(6):57-60.

[6]邹方晨,郭栋.电液伺服阀静动态性能测试台的设计[J].辽宁工业大学学报(自然科学版),2016,36(3):156-159.

[7]王建军,袁帮谊,刘欣玉.电液伺服阀动静态特性检测实训台研制[J].机床与液压,2017,45(10):167-169.

[8]左智飞.电液伺服阀试验台的开发与研究[D].广州:广东工业大学,2014.