新型电液比例阀的计算机性能测试方法及其实现

易建钢

(江汉大学机电与建筑工程学院，湖北武汉430056)

电液比例阀广泛应用于机床、冶金工业、工程机械、矿山机械、化工机械等行业中，是机械设备液压系统中的重要构件，其质量和性能的好坏直接影响着液压系统的可靠性和稳定性。随着我国工业设备自动化程度的提高，在工业企业液压系统中正在大量使用一类新型电液比例阀，这类元件以多级电反馈、小滞环、高响应为特征，内部带有反馈电路，某些元件甚至带有大型高精度反馈仪器，其本身就相当于一个复杂的系统，是控制整个液压系统正常运行的关键设备。由于这类关键元件长期高负荷工作，易于发生损坏或性能下降。一旦元件性能参数无法满足生产要求，就必须及时进行更换和维修，否则极易出现事故或影响生产。然而，国内现有检测技术尚无法完全满足这类昂贵的新型电液比例阀性能试验要求，相关元件性能参数的检测精度达不到工作要求，甚至部分国外进口的比例阀性能参数无法进行检测。为了满足生产急需，不少元件被迫送往国外生产厂家进行检测，不仅检测费用昂贵，而且常常为此延误或影响生产。因此，对新型电液比例阀的计算机性能测试方法进行深入研究，进而研制相应的计算机测试平台和测试软件，不仅能确保这类液压系统现场生产的正常运行，还能降低维修成本，并为高精度电液比例元件的国产化提供有力的技术支持。

1 新型电液比例阀测试方法

以某国有大型钢铁企业为例，调研发现该企业大量进口及投入使用的新型电液比例阀主要包括方向阀、溢流阀和减压阀3种，如图1所示。它们的共同特征是配备有专用的电控器和外置放大器，且内置了高精度传感器。传统的测试方法和普通液压阀试验台已无法完成其性能技术指标的测试任务，因此必须建立一套新的数据采集和控制系统，由计算机对压力、流量、温度等试验参数进行数据采集、量化和处理，以高速高精度完成电液比例阀的性能测试。

图1 新型电液比例阀类型

图2所示为新型电液比例阀液压系统原理图。系统中的元件3、元件4-1及元件5-1构成压力阀的进口加载装置，用于对比例溢流阀的静态特性和动态特性进行测试;元件7-1、元件7-2、元件4-2和元件5-2构成压力阀的出口加载装置，用于对比例减压阀的静态和动态特性进行测试;上述进口加载装置和出口加载装置构成了比例加载系统，可模拟比例阀的各种负载工况，对比例方向阀的静态和动态特性进行测试。变量泵1作为试验系统的动力源，为保证快速切断阀4的快速开闭，控制油源须按高压设计。

图2 新型电液比例阀液压系统原理图

具体测试方法如下:

(1)比例方向阀测试。将溢流阀2的压力调高，做安全阀用。关闭快速切换阀4-1，调节调速阀3，使试验流量通过被试阀。给被试阀6输入额定电信号，通过计算机采集被试阀输出信号。

(2)比例溢流阀测试。将溢流阀2的压力调高，作安全阀用。关闭快速切换阀4-1，调节调速阀3，使试验流量通过被试阀。通过计算机发出电信号，以小于或等于0.05 Hz的频率在小于起始电信号和额定电信号之间变化，同时测量相应的压力值。

(3)比例减压阀测试。调节泵1的流量为被试阀试验流量的1.25倍。调节溢流阀2为额定压力。关闭调速阀3和快速切换阀4-1、4-2。给被试阀6输入额定电信号，调节节流阀7-1使通过被试阀的流量为试验流量。通过计算机发出信号，使输入电信号以小于或等于0.05 Hz的频率在小于起始电信号和额定电信号之间变化，同时测量相应的压力值。

2 比例阀性能测试系统设计

为了完成上述测试任务，设计了如图3所示的新型比例阀性能测试系统，它主要由计算机测试系统、液压系统、电控系统、可编程控制器 (PLC)和被测元件组成。其中，计算机测试系统主要由工业控制计算机和数据采集卡组成，用于完成监测和管理任务，并能进行静态和动态测试实时采样;液压系统如图2所示，用于实现液压回路的动作;电控系统包括各类开关、继电器和显示灯，用于控制液压系统中的泵、阀的启停及状态显示;PLC用于协调液压系统、计算机测试系统和电控系统，实现系统的全自动控制;被测元件即需测试的方向阀、减压阀或溢流阀。PLC与计算机之间采用MPI(RS485)方式通讯，计算机测试系统采用SIEMENS公司的WINCC软件实现对电控系统和液压系统的状态监控，所有测试参数均由电控系统中数显表显示，能方便地进行观察和记录。采用PLC控制器控制电机启动和停止、油温加热和冷却、液位、过滤器堵塞报警以及液压系统互锁控制。系统压力调节、加热冷却和电机的启停均可通过操作电控系统上的按钮实现。所有测试内容由计算机控制完成，并能显示、保存、打印测试性能曲线。

图3 比例阀性能测试系统图

3 软件实现

根据上述对新型电液比例阀的性能检测要求，作者采用Microsoft公司的Virsual C++编程设计了新型电液比例阀的计算机性能测试软件，对其静态特性及动态特性进行测试和分析，测试内容包括:

(1)流量特性。用于测试新型电液比例阀在给定信号下的流量-电流之间的关系;

(2)压力特性。用于测试新型电液比例阀在给定信号下的压力-电流之间的关系;

(3)静耗特性。用于测试新型电液比例阀在给定信号下的泄漏量-电流之间的关系;

(4)频率特性。用于测试新型电液比例阀在给定信号下的幅值比/相位差-频率之间的关系;

(5)参数设置。用于设置测试信号通道、测试比例尺及坐标范围等参数。

图4为作者为某企业研制开发的新型电液比例阀测试系统计算机软件主界面，图5和图6分别是某比例阀的流量特性和压力特性实测曲线结果。通过与国外生产厂家所提供的原始性能曲线相比较，所开发的系统及软件测试精度高、数据准确，能很好地检测新型电液比例阀的静态及动态性能参数。该系统已投入现场运行1年以上，实际运行情况表明:该系统使用正常，提高了生产效率，降低了维修成本和工作强度，提高了综合经济效益。

图4 计算机测试主界面

图5 流量特性测试

图6 压力特性测试

4 结论

新型电液比例阀以其响应速度快、控制精度高的特点而被广泛地应用于许多液压系统中。为了降低新型电液比例阀的检测费用，提高液压系统可靠性，给设备的检修和维护提供可靠的技术保障，研究新型电液比例阀的计算机测试方法并设计相应的性能测试软件是十分有必要的。作者提出了其静态及动态特性的测试方法，建立了新型电液比例阀的自动测试系统，并开发了计算机测试软件，解决了该类电液比例阀难以维修的难题。

【1】路甬祥.液压气动技术手册［M］.北京:机械工业出版社，2002.

【2】张寒蕾，王春梅.基于电液比例控制的液压试验台的液压泵性能分析［J］.机床与液压，2010，38(3):103-104.

【3】胡学军，滕达，谈宏华.基于MATLAB的电液比例阀测试系统的研究［J］.机床与液压，2010，38(11):42-44.

【4】赵波.150t电弧精炼炉(LF)液压控制系统的设计［J］.液压气动与密封，2006(6):18-20.

【5】彭国朋，曾良才，朱学彪，等.数字式角位置电液伺服装置测试系统的研究［J］.机床与液压，2006(3):193-194.

【6】高英杰，孔祥东.基于小波包分析的液压泵状态监测方法［J］.机械工程学报，2009，45(8):80-88.

【7】李娟.组态技术在液压泵测试系统中的应用［J］.机床与液压，2010，38(8):95-97.

【8】汪书苹，赵争鸣.带修正因子模糊PID控制的PMSM交流伺服系统［J］.清华大学学报:自然科学版，2007，47 (1):9-12.