基于比例阀控制的液压附件部件综合试验台的设计

罗庚合，王 瑜

(西安航空学院 机械工程学院，陕西 西安710077)

1 概述

多数飞机作动系统都是电液伺服系统，现代飞机最主要的飞机舵面全部采用电液伺服系统驱动，起落架的收放动作几乎都是采用液压传动系统实现的，此外液压系统还担负着飞机操纵系统、机轮刹车及地面转向驾驶、发动机反推控制等工作，对飞机的安全飞行极为重要。

本试验台主要用于对某飞机液压系统附部件、辅助件性能检测、相容性评定、污染等级等的评定。还可以用于自研制的液压附件、部件的试验，定型、批生产、服役改进的试验，可靠性试验等，是一种多功能综合性的大型液压试验台[1]。

2 测试条件与主要技术指标

(1)工作介质：YH-10航空液压油/SH0358-1995

(2)工作介质温度：室温～100℃；短期125℃

(3)输入通道：

P=21MPa，Q=120L/min一对

P=32MPa，Q=120L/min一对

(4)输出通道7对，同时工作互不干扰

(5)输出压力分级调节，输出流量分段调节

(6)污染度控制等级GJB420-6/A级

(7)数显干路和各支路的压力、流量、温度、及设备电压、电流、作动筒动作时间、系统工作时间等参数

(8)压力测量范围：0～40MPa

(9)流量测量范围：0.1～120L/min

(10)压差测量范围：0～21MPa

(11)温度测量范围：0～150℃

(12)测量精度：压力0.5%、流量0.5%、温度±1℃

(13)换向活门自动工作状态计时、计次数和作动器动作时差计时

(14)手动泵供保压回路、冷气、油液隔离器

(15)试验台外设尺寸4×1×1.9m3(参考)

(16)电源种类： AC380V/220V、50HZ

(17)试验台噪声不大于70db，寿命不低于1200H

(18)试验环境：温度从-55°～150℃

(19)各支路超压报警和滤油器压差报警和保护

3 液压系统设计

3.1 设计方案：

根据测试条件和性能指标的要求，液压系统的设计主要由以下9部分组成[2]:

(1)试验台体

(2)输入供压部分

(3)油液过滤净化部分

(4)各支路输出压力、流量、方向控制及调节部分

(5)试验台压力、流量和温度、时间等参数的数显

(6)手动泵供压、保压、卸压部分

(7)报警应急保护部分

(8)冷热油液隔离装置

(9)液压增压气压控制装置

3.2 液压系统干路和各支路设计

3.2.1 输入供压部分

图1 试验台干路调压与选择图

图2 干路供油回油和卸载液压系统图

将3号泵源与4号泵源的输出端各接上一个高压球阀，平时球阀处于关闭状态。当工作时则打开工作系统的球阀。由于3号泵源与4号泵源都是独立的系统，当用哪个系统时其回油必须回到工作的泵源系统油箱中。当起动某一系统时，双联摇臂手柄使其供回油球阀同时打开。若采用本实验台上的系统压力调节，电气控制原理上也保证了3号系统和4号系统的互锁，远程、本试验台控制互锁，这样可有效保证工作系统出现误动作而给产品造成损坏。图1中RP1、RP3是试验台压力调节电位计,KA11、KA12是PLC输出控制的继电器用来进行远程控制还是本试验台控制所选择的对应干路[3]。

3.2.2 干路滤油和流量测量及卸荷保护回路设计

液压系统的过滤精度指标是一个极为重要的指标。因为在测试液压产品时必须对试验台的工作液的清洁度提出要求。其评价的标准是GJ-420。对不同的产品都有一个相应的技术要求。工作液清洁度指标如果不满足被试产品技术条件的要求，不但影响到被试产品的性能，严重的还可能造成产品的故障。如伺服作动筒就要求GJB-420的6级，电液伺服阀规范中要求是GJB-420的5级，一般作动筒为7-8级。要想工作液清洁度达到应有的等级，系统过滤是达到指标的必要手段。

如图2所示，该试验台供油干路系统过滤采用三级过滤，并在过滤器上加有压差继电器，过滤器两端压差超过某值时，输出信号给PLC，进行声光报警。

第一级的过滤精度绝对过滤度10μ，第二级的过滤精度绝对过滤度5μ，第三级的过滤精度绝对过滤度3μ。过滤器所承受的最高工作压力大于32MPa，所有内部元器件及密封承受工作液温度大于120℃，其纳污能力高βx≥200。

系统回油在总干路上采用两级过滤：第一级过滤精度名义滤度5μ；第二级的绝对过滤度3μ。除加装压差超限报警外，在有些过滤器上还加装了旁通阀，超过0.35MPa旁通开启保证回油路的始终畅通无阻[4]。

回油路上还安装了流量计，并用两位四通手控阀控制是否进行油量测量。

当系统有过压等安全报警时，PLC输出信号控制两位两通电磁换向阀DF1动作，进行干路卸荷，起到安全保护作用，如图3所示。

图3 辅助油箱多余油回油液压系统图

试验台台面接油口是将工作台外泄油接入辅助油箱。当油箱液位指示超过某一液面后，起动电机循环泵L、再经过两级滤油器过滤后经单向阀回到大油箱，以保证回收油液的清洁度。

3.2.3 第一支路充保压回路设计

如图4所示，为第一支路充保压回路图，为了保证油液清洁度在手动泵出口加了一个精密油滤，过滤精度为3μ(绝对)，当作充保试验时，第一支路供油给被测试件。这时DF2接通，由L1调节比例流量阀流量，由YL调节第一支路压力。经过单向阀15回干路。由压力传感器和数显表显示第一支路供、回油路压力。当需要保压试验时，调节节流阀YL使流量为零，同时断开DF2电磁阀，当试件泄漏等原因使系统压力不足时，手动增压泵23工作，经过滤油器22，经过单向阀19，这时开启球阀18给储能器供油加压，给第一支路保压，当压力表指示到保压值时，停止手动泵23增压，手动球阀20卸掉手动泵压力，保压结束后利用DF3对第一支路的压力卸载[5]。

图4 第一支路充压保压支路图

图5 支路2～支路6液压系统图

3.2.4 油—气增压气压系统

油—气增压气压系统主要用于气动元件的试验，其试验压力最高为21MPa，通常氮气瓶为12MPa、氦气5MPa。因此，为了满足高压气的系统要求, 需将气源的压力增压21MPa，此方案中采用液压增压缸原理实现气压系统增压。

气动分三路输出，其中有两路以快速接头连接方式，输入到试验台体控制面板上，另一路输入到环境试验箱内，在试验箱内有气动接口，液压系统总图如图7所示。

3.2.5 支路2～6液压系统设计

如图5所示，为支路2～6液压系统图，这些支路既要求有流量控制，也要有压力控制，首先由比例节流阀进行流量调节，然后根据测试件的要求用比例减压阀进行压力调整。由压力传感器和数显表显示各支路压力，流量表显示系统流量，比例节流阀在无指令信号时应使回路成截止工作状态。系统在控制方式上采用的是比例控制技术，只需通过操控台上的电位计就可以达到控制要求。各支路的流量和压力调节方式基本相同。

系统中高温支路与常温支路的控制模式相同，所不同的是高温支路中选用耐高温元件。

对于系统原理图中支路2、4、5通道为高温支路，工作液温度为100℃，短期120℃，可集成设为同一组[6]。

3.2.6 第7支路作动器测试支路

该支路除了具备支路2～6的流量和压力调节功能外还加装了比例换向阀，可对作动器进行自动和手动换向，换向频率调整，自动换向时压力线性变换。控制用超低频信号发生器控制比例换向阀实现。

由PLC控制比例换向阀是手动还是自动控制，测定作动器的动作时间差和不同压力流量下的动作速度。安装在作动器活塞杆行程始末的接近开关和PLC及计时器计数器实现时间差和速度次数测试，如图6所示，完整的试验台液压系统图如图7所示[7]。

3.3 系统管路设计

管路设计按下式进行计算：

d0=管路内径 单位cm

Q——通过管路的液体流量 单位L/min

V——通过管路的液体流速 单位m/s

按卡套式接头标准,高压管为重型。其工作压力PN=400bar，管外径φ30mm。

由干路进入七对支路后支路管路经协调确认如下：

供油支路用φ16×1.5的g钢管，回油管路为φ16×1的钢管。

高压大管路的连接方式采用选进的进口特型卡套式接头，可靠无渗漏，管路选用卡套式接头的专用钢管。其余可采用卡套式连接，也可用传统的扩口式方案，可根据施工方的条件而定。为了减小管路噪声，安装时管路每1.5m要用管夹安装固定[8]。

4 电气控制系统设计

如图8所示，为PLC控制的1、2、7支路的原理框图，该系统采用比例流量阀、比例减压阀和比例换向阀，及随阀配套的PWM调制放大板进行远动控制，由操控台电位计进行调节，逻辑控制采用PLC可编程控制器，由操控台控制各支路起动、停止和保压、泄压、报警等。

所有的压力、流量、温度和电压、电流等显示采用变送器和数字化仪表配合，作动器动作时间用接近开关、PLC和计时器控制，报警用滤油器继电器触点和数显表上限报警输出联合控制。

动作时差测试，作动器动作时差对飞行控制起到至关重要的作用，利用作动器给线圈供电的继电器KA和接近开关信号和PLC计时器测试动作时差和动作速度。

5 试验台测试与调节

第一步，首先开启远程控制干路3或4供油，再由操控台选择所需的干路，并调节干路压力达到要求值，用机械开关配合控制选通所需干路。

第二步，用快速高压接头连接被测件到所需的支路的输出接口。

第三步，将所有支路的压力和流量调节电位计调到最小值。

图7 多功能液压附件部件综合试验台液压系统总图

图8 多功能液压附件部件综合试验台电气控制原理框图

第四步，开启相应支路，首先调整流量到所需的值，然后调整压力到达给定值，并注意观察系统和对应支路的压力、流量和温度等显示。

6 安全保护的调整

干路和各支路的过流过压报警保护可由比例阀放大板的上限设置和压力流量温度的数显表的上限设定来实现。

用RS232串口线连接计算机与相应的比例阀放大板，打开放大板软件，实现在线监控，调整该支路的压力和流量到该测试件的上限值，这时记录下放大板输出给比例阀线圈的对应的电流，设定该电流为压力或流量的上限值，该支路在测试时不会应为电位计过调而产生过压或过流，起到对测试件的保护。

调整各支路对应的压力、流量和温度数显表的报警上限值，当实际值超过上限时，数显表内部的压力继电器动作向PLC发出信号，PLC辨别后产生相应的声光报警和卸荷保护[9]。

7 结语

通过对某飞机液压系统所用的作动器、阀和集成块等部件测试，该试验台基本满足了对测试件的性能测试要求，而且试验台工作稳定、安全可靠、调整方便、显示直观，振动噪音小，不泄露等特点得到用户充分肯定。

[1] 李艳军.飞机液压传动与控制[M].北京:科学出版社，2009:150-163.

[2] 李培滋,王占林.飞机液压传动与伺服控制[M].北京:国防工业出版社，2007:23-33.

[3] 许箐,刘振兴. 液压与气动技术[M].北京:机械工业出版社，2011:18-27.

[4] 杨培元,朱福元.液压系统设计简明手册[M].北京:机械工业出版社，1994:140-160.

[5] 濮良贵,纪明刚.机械设计[M].北京:高等教育出版，2001:310-330.

[6] 许福玲,陈尧明.液压与气压传动[M].北京:机械工业出版，2005:25-37.

[7] 林建亚,何存兴.液压元件[M].北京:机械工业出版社，1988:40-48.

[8] 王春行.液压控制系统[M].北京:机械工业出版，2004:121-134.

[9] 雷天觉.新编液压工程手册[M].北京:北京理工大学出版社，1988:1008-1110.