王豐

（福建省機(jī)械科學(xué)研究院，福建 福州 350005）

現(xiàn)有設(shè)備配套液壓動(dòng)力源一般根據(jù)設(shè)備工作狀態(tài)設(shè)計(jì)，因此其工作參數(shù)較為確定，參數(shù)調(diào)節(jié)范圍小并且工作模式固定。如果用作不同類型的機(jī)械設(shè)備或工作裝置的試驗(yàn)，則現(xiàn)有液壓站因工作參數(shù)無(wú)法完全與設(shè)備需求相配套而可能無(wú)法適用。因此需要開(kāi)發(fā)能大范圍調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)工作壓力、流量或輸出功率，以及具有恒流量、恒功率及恒壓力等工作模式，實(shí)現(xiàn)多功能的液壓動(dòng)力源作為試驗(yàn)臺(tái)用液壓站。

1 設(shè)計(jì)思路

液壓系統(tǒng)工作時(shí)，最重要的兩個(gè)參數(shù)是工作壓力和流量。工作壓力一般是由負(fù)荷決定，因此為保證系統(tǒng)不超出額定壓力，可采取設(shè)置溢流閥進(jìn)行壓力限制。在流量調(diào)節(jié)方面，目前常用的節(jié)流調(diào)速回路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單也可獲較大的調(diào)速范圍，但系統(tǒng)中節(jié)流損失大、效率低，容易引起油液發(fā)熱，因此大多應(yīng)用于中低壓小功率場(chǎng)合。雖然也可采用改變液壓泵工作容積方式進(jìn)行流量調(diào)節(jié)以減小溢流損失，但液壓裝置制造精度高，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，造價(jià)較高。考慮到液壓泵的輸出流量是排量與轉(zhuǎn)速的乘積，因此在不改變排量情況下改變轉(zhuǎn)速也可達(dá)到調(diào)節(jié)流量的目的。目前，變頻調(diào)速技術(shù)已經(jīng)成熟并得到大量應(yīng)用，結(jié)合計(jì)算機(jī)控制技術(shù)可實(shí)現(xiàn)更加精確的控制，因此，采取變頻調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵可以較好地大范圍精確調(diào)節(jié)流量。

多功能液壓動(dòng)力源的液壓原理如圖1所示，包括兩路液壓回路，每路的液壓回路依次由液壓泵、過(guò)濾器、單向閥、安全閥、電比例溢流閥、輸出電磁閥連接，兩個(gè)液壓回路之間通過(guò)合流閥相連通。在液壓泵與輸出電磁閥之間的管道上設(shè)置壓力傳感器和流量傳感器進(jìn)行信號(hào)采集。

圖1 液壓原理圖

當(dāng)需進(jìn)行恒流量輸出即模擬定量泵時(shí)，控制器中選定恒流量模式并設(shè)置流量和最大工作壓力參數(shù)，控制器根據(jù)最大工作壓力參數(shù)輸出模擬量信號(hào)控制電比例溢流閥，使系統(tǒng)壓力工作在設(shè)定壓力及之下。根據(jù)流量傳感器采集的實(shí)際流量與設(shè)置的流量參數(shù)進(jìn)行“PID”運(yùn)算，輸出轉(zhuǎn)速控制信號(hào)控制變頻器頻率，從而調(diào)節(jié)變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速，使液壓管路中流量符合設(shè)定值。

當(dāng)需進(jìn)行恒功率輸出時(shí)，在控制器中設(shè)定恒功率模式并設(shè)置功率和最大工作壓力參數(shù)，控制器仍根據(jù)最大工作壓力參數(shù)輸出模擬量信號(hào)控制電比例溢流閥，使系統(tǒng)壓力工作在設(shè)定壓力及之下。再根據(jù)設(shè)置功率參數(shù)和壓力傳感器采集的實(shí)際工作壓力計(jì)算流量參數(shù)，再由流量傳感器采集的實(shí)際流量與設(shè)置的流量參數(shù)進(jìn)行“PID”運(yùn)算，輸出轉(zhuǎn)速控制信號(hào)控制變頻器頻率，從而調(diào)節(jié)變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速，使管路中流量符合計(jì)算值。通過(guò)實(shí)時(shí)采集壓力傳感器和流量傳感器數(shù)據(jù)，經(jīng)運(yùn)算即可實(shí)時(shí)調(diào)整系統(tǒng)流量，從而實(shí)現(xiàn)恒功率運(yùn)轉(zhuǎn)的模擬。

當(dāng)需進(jìn)行恒壓力輸出時(shí)，在控制器中設(shè)定恒壓力模式并設(shè)置工作壓力和最大流量參數(shù)，控制器根據(jù)工作壓力參數(shù)輸出模擬量信號(hào)控制電比例溢流閥，使系統(tǒng)壓力工作在設(shè)定壓力及之下。當(dāng)實(shí)際工作壓力在設(shè)定壓力之下時(shí)，調(diào)節(jié)變頻器轉(zhuǎn)速使液壓系統(tǒng)流量在最大流量設(shè)定值。當(dāng)實(shí)際工作壓力達(dá)到設(shè)定壓力時(shí)，將會(huì)有部分液壓油從電比例溢流閥返回油箱，此時(shí)經(jīng)流量傳感器的液壓油將低于理論流量，控制器根據(jù)式⑴計(jì)算出理論流量Q并與實(shí)測(cè)流量進(jìn)行比較，若理論流量遠(yuǎn)高于實(shí)測(cè)流量則適當(dāng)調(diào)低變頻器頻率以減小功率損耗。

液壓泵理論流量：

當(dāng)需要的工作流量超出單回路所能提供的最大流量時(shí)，可采用雙回路合流輸出實(shí)現(xiàn)供油量的增大。在應(yīng)用時(shí)，使一臺(tái)泵工作于最大輸出流量狀態(tài)，另一臺(tái)泵進(jìn)行流量調(diào)節(jié)。

當(dāng)需進(jìn)行壓力沖擊試驗(yàn)時(shí)，可先使一回路處于測(cè)試初始工作參數(shù)狀態(tài)，另一回路將輸出回路截止并處于輸出狀態(tài)使該回路建立相應(yīng)的壓力與流量。當(dāng)合流閥合流時(shí)，2路液壓油匯流后進(jìn)入測(cè)試回路，從而形成壓力沖擊。

2 主參數(shù)及配件選型

2.1 主要技術(shù)參數(shù)的確定

由于本液壓動(dòng)力源主要用于不同類型的農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備或工作裝置試驗(yàn)時(shí)的動(dòng)力源，因此綜合現(xiàn)有常見(jiàn)農(nóng)機(jī)裝備的工作參數(shù)進(jìn)行主參數(shù)的確定?？紤]到試驗(yàn)時(shí)較小的裝置可以用實(shí)物進(jìn)行試驗(yàn)，較大的裝置往往取部分工作裝置或模型試驗(yàn)，因此液壓動(dòng)力源功率不必以裝備的最大功率確定。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)有裝備一般工作于16 MPa及以下的中低壓區(qū)域，少部分會(huì)工作于25 MPa的高壓環(huán)境。配套功率一般在5 kW左右即可滿足大部分的試驗(yàn)需求。

因此，確定液壓系統(tǒng)的額定壓力為31.5 MPa，由功率和壓力確定額定壓力時(shí)最大流量為10 L/min。在泵和電機(jī)選取時(shí)，可將電機(jī)額定轉(zhuǎn)速選取低于泵額定轉(zhuǎn)速，當(dāng)液壓系統(tǒng)在中低壓區(qū)域運(yùn)行時(shí)，可將電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)高使流量提高。

為滿足不同設(shè)備試驗(yàn)需求，液壓系統(tǒng)設(shè)定為工作壓力在3～31.5 MPa可調(diào)，單路流量在2.5～10 L/min可調(diào)，以此為主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.2 泵及電機(jī)的選取

根據(jù)主要技術(shù)參數(shù)選取的思路，初步選取電機(jī)同步轉(zhuǎn)速為1000 r/min，由流量及電機(jī)轉(zhuǎn)速選擇型號(hào)為10CY14-1B的柱塞泵，該泵排量為10 mL/r，額定工作壓力為31.5 MPa，額定轉(zhuǎn)速為1500 r/min，可滿足使用需求。

由式⑵計(jì)算電動(dòng)機(jī)功率，考慮電機(jī)需留有裕量，選取型號(hào)為YVP160M2-6的變頻電動(dòng)機(jī)，該型電動(dòng)機(jī)功率7.5 kW，同步轉(zhuǎn)速1000 r/min，可滿足使用需求。

2.3 傳感器的選取

根據(jù)系統(tǒng)工作壓力，選用FPC-200-40-000型壓力控制儀，其量程范圍0～40 MPa，測(cè)量誤差≤±0.5%FS，輸出0～10 V標(biāo)準(zhǔn)模擬電壓量，儀表自帶4位LED顯示，有利于設(shè)備調(diào)試時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)。

根據(jù)系統(tǒng)工作流量，選用FQT-100-A-20-P2-001型標(biāo)準(zhǔn)型流量變送器，配用FQD-300型數(shù)顯儀。數(shù)顯儀將變送器輸出的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為0～10 V標(biāo)準(zhǔn)模擬電壓量，并作為二次儀表同時(shí)顯示流量值。流量變送器屬速度式流量?jī)x表，內(nèi)部渦輪采用不銹鋼材料，渦輪軸承采用止推式人造金剛石軸承，回轉(zhuǎn)靈敏度高，耐磨性好。液體流經(jīng)管道時(shí)，渦輪旋轉(zhuǎn)，使線圈產(chǎn)生一個(gè)與流量成正比的測(cè)量信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)后續(xù)處理后轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)輸出。其量程可達(dá)20 L/min，測(cè)量誤差≤±3%FS。

2.4 電比例溢流閥的選取

根據(jù)系統(tǒng)的工作壓力和通過(guò)的最大流量，選用MA-RZMO-TES-PS-030/315/U0/32型先導(dǎo)式電比例溢流閥。該閥配有內(nèi)裝位置傳感器及集成式數(shù)字放大器，可在閥內(nèi)部實(shí)現(xiàn)壓力閉環(huán)控制，大大減小了閥的滯環(huán)及線性誤差，能很好地降低壓力控制要求。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)液壓原理圖及選型的配件，進(jìn)行液壓動(dòng)力源的結(jié)構(gòu)布置?？紤]到柱塞式液壓泵吸油能力較差的因素，因此采取動(dòng)力源下置式結(jié)構(gòu)，即將2組液壓泵置于油箱之下，采取該形式還能使液壓油箱六面通風(fēng)，提高散熱能力。

根據(jù)流量變送器的安裝要求，進(jìn)油管上游端應(yīng)有至少20倍公稱通徑長(zhǎng)度的直管段，下游端應(yīng)有不少于5倍公稱通徑的直管段，因此將流量變送器布設(shè)于油箱上部的長(zhǎng)度方向。為減少管件及接頭，將安全閥、電比例溢流閥等通過(guò)集成塊連接。所有配件及聯(lián)接件均布設(shè)于易于接觸位置，以提高裝配及維護(hù)的可達(dá)性。

液壓動(dòng)力源總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 液壓動(dòng)力源總體結(jié)構(gòu)圖

4 運(yùn)行驗(yàn)證

液壓動(dòng)力源經(jīng)實(shí)測(cè)，在流量2.5～10 L/min時(shí)，工作壓力可在3～31.5 MPa范圍內(nèi)任意設(shè)定，且溢流壓力偏差均不大于0.3 MPa，表明采用帶壓力閉環(huán)的電比例溢流閥具有良好的調(diào)壓性能；在工作壓力31.5 MPa以下時(shí)，流量在2.5～10 L/min可任意設(shè)定，工作壓力20 MPa以下時(shí)，流量調(diào)至14 L/min仍可運(yùn)轉(zhuǎn)正常。運(yùn)行中，流量大幅度調(diào)節(jié)時(shí)穩(wěn)定時(shí)間不超過(guò)5 s，穩(wěn)定后流量偏差不大于0.2 L/min，表明控制系統(tǒng)“PID”算法運(yùn)行有效。模擬恒功率運(yùn)行測(cè)試結(jié)果如圖3所示，各測(cè)試點(diǎn)與理論值偏差很小，表明控制有效。在測(cè)試過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)、工作正常，表明電機(jī)及液壓元件選型合理。

圖3 模擬恒功率運(yùn)行測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的多功能液壓動(dòng)力源采用變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵實(shí)現(xiàn)流量調(diào)節(jié)，通過(guò)流量及壓力傳感器進(jìn)行信息采集，運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行運(yùn)行控制，可很好地實(shí)現(xiàn)液壓動(dòng)力源變流量、調(diào)壓力的多功能運(yùn)行模式。多功能液壓動(dòng)力源的可調(diào)節(jié)范圍大、控制精準(zhǔn)、運(yùn)行穩(wěn)定及操作方便，使其非常適合作為參數(shù)調(diào)節(jié)范圍廣及工作模式需經(jīng)常變換的試驗(yàn)臺(tái)的液壓動(dòng)力源，也適用于各種特殊需求的專用設(shè)備。