王豐

（福建省機械科學研究院，福建 福州 350005）

現(xiàn)有設備配套液壓動力源一般根據(jù)設備工作狀態(tài)設計，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械設備或工作裝置的試驗，則現(xiàn)有液壓站因工作參數(shù)無法完全與設備需求相配套而可能無法適用。因此需要開發(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，實現(xiàn)多功能的液壓動力源作為試驗臺用液壓站。

1 設計思路

液壓系統(tǒng)工作時，最重要的兩個參數(shù)是工作壓力和流量。工作壓力一般是由負荷決定，因此為保證系統(tǒng)不超出額定壓力，可采取設置溢流閥進行壓力限制。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，因此大多應用于中低壓小功率場合。雖然也可采用改變液壓泵工作容積方式進行流量調(diào)節(jié)以減小溢流損失，但液壓裝置制造精度高，結(jié)構(gòu)較復雜，造價較高?？紤]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)速也可達到調(diào)節(jié)流量的目的。目前，變頻調(diào)速技術已經(jīng)成熟并得到大量應用，結(jié)合計算機控制技術可實現(xiàn)更加精確的控制，因此，采取變頻調(diào)速電機驅(qū)動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、過濾器、單向閥、安全閥、電比例溢流閥、輸出電磁閥連接，兩個液壓回路之間通過合流閥相連通。在液壓泵與輸出電磁閥之間的管道上設置壓力傳感器和流量傳感器進行信號采集。

圖1 液壓原理圖

當需進行恒流量輸出即模擬定量泵時，控制器中選定恒流量模式并設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)輸出模擬量信號控制電比例溢流閥，使系統(tǒng)壓力工作在設定壓力及之下。根據(jù)流量傳感器采集的實際流量與設置的流量參數(shù)進行“PID”運算，輸出轉(zhuǎn)速控制信號控制變頻器頻率，從而調(diào)節(jié)變頻電機轉(zhuǎn)速，使液壓管路中流量符合設定值。

當需進行恒功率輸出時，在控制器中設定恒功率模式并設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)輸出模擬量信號控制電比例溢流閥，使系統(tǒng)壓力工作在設定壓力及之下。再根據(jù)設置功率參數(shù)和壓力傳感器采集的實際工作壓力計算流量參數(shù)，再由流量傳感器采集的實際流量與設置的流量參數(shù)進行“PID”運算，輸出轉(zhuǎn)速控制信號控制變頻器頻率，從而調(diào)節(jié)變頻電機轉(zhuǎn)速，使管路中流量符合計算值。通過實時采集壓力傳感器和流量傳感器數(shù)據(jù)，經(jīng)運算即可實時調(diào)整系統(tǒng)流量，從而實現(xiàn)恒功率運轉(zhuǎn)的模擬。

當需進行恒壓力輸出時，在控制器中設定恒壓力模式并設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)輸出模擬量信號控制電比例溢流閥，使系統(tǒng)壓力工作在設定壓力及之下。當實際工作壓力在設定壓力之下時，調(diào)節(jié)變頻器轉(zhuǎn)速使液壓系統(tǒng)流量在最大流量設定值。當實際工作壓力達到設定壓力時，將會有部分液壓油從電比例溢流閥返回油箱，此時經(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計算出理論流量Q并與實測流量進行比較，若理論流量遠高于實測流量則適當調(diào)低變頻器頻率以減小功率損耗。

液壓泵理論流量：

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

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

2 主參數(shù)及配件選型

2.1 主要技術參數(shù)的確定

由于本液壓動力源主要用于不同類型的農(nóng)業(yè)機械裝備或工作裝置試驗時的動力源，因此綜合現(xiàn)有常見農(nóng)機裝備的工作參數(shù)進行主參數(shù)的確定。考慮到試驗時較小的裝置可以用實物進行試驗，較大的裝置往往取部分工作裝置或模型試驗，因此液壓動力源功率不必以裝備的最大功率確定。根據(jù)統(tǒng)計，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最大流量為10 L/min。在泵和電機選取時，可將電機額定轉(zhuǎn)速選取低于泵額定轉(zhuǎn)速，當液壓系統(tǒng)在中低壓區(qū)域運行時，可將電機轉(zhuǎn)速調(diào)高使流量提高。

為滿足不同設備試驗需求，液壓系統(tǒng)設定為工作壓力在3～31.5 MPa可調(diào)，單路流量在2.5～10 L/min可調(diào)，以此為主要技術參數(shù)進行設計。

2.2 泵及電機的選取

根據(jù)主要技術參數(shù)選取的思路，初步選取電機同步轉(zhuǎn)速為1000 r/min，由流量及電機轉(zhuǎn)速選擇型號為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計算電動機功率，考慮電機需留有裕量，選取型號為YVP160M2-6的變頻電動機，該型電動機功率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，測量誤差≤±0.5%FS，輸出0～10 V標準模擬電壓量，儀表自帶4位LED顯示，有利于設備調(diào)試時進行數(shù)據(jù)比對。

根據(jù)系統(tǒng)工作流量，選用FQT-100-A-20-P2-001型標準型流量變送器，配用FQD-300型數(shù)顯儀。數(shù)顯儀將變送器輸出的脈沖信號轉(zhuǎn)換為0～10 V標準模擬電壓量，并作為二次儀表同時顯示流量值。流量變送器屬速度式流量儀表，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，渦輪旋轉(zhuǎn)，使線圈產(chǎn)生一個與流量成正比的測量信號，該信號經(jīng)后續(xù)處理后轉(zhuǎn)換為標準脈沖信號輸出。其量程可達20 L/min，測量誤差≤±3%FS。

2.4 電比例溢流閥的選取

根據(jù)系統(tǒng)的工作壓力和通過的最大流量，選用MA-RZMO-TES-PS-030/315/U0/32型先導式電比例溢流閥。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)設計

根據(jù)液壓原理圖及選型的配件，進行液壓動力源的結(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，提高散熱能力。

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

液壓動力源總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 液壓動力源總體結(jié)構(gòu)圖

4 運行驗證

液壓動力源經(jīng)實測，在流量2.5～10 L/min時，工作壓力可在3～31.5 MPa范圍內(nèi)任意設定，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，流量在2.5～10 L/min可任意設定，工作壓力20 MPa以下時，流量調(diào)至14 L/min仍可運轉(zhuǎn)正常。運行中，流量大幅度調(diào)節(jié)時穩(wěn)定時間不超過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”算法運行有效。模擬恒功率運行測試結(jié)果如圖3所示，各測試點與理論值偏差很小，表明控制有效。在測試過程中，電動機運行平穩(wěn)、工作正常，表明電機及液壓元件選型合理。

圖3 模擬恒功率運行測試結(jié)果

5 結(jié)束語

本文所設計的多功能液壓動力源采用變頻電機驅(qū)動液壓泵實現(xiàn)流量調(diào)節(jié)，通過流量及壓力傳感器進行信息采集，運用計算機技術進行運行控制，可很好地實現(xiàn)液壓動力源變流量、調(diào)壓力的多功能運行模式。多功能液壓動力源的可調(diào)節(jié)范圍大、控制精準、運行穩(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)常變換的試驗臺的液壓動力源，也適用于各種特殊需求的專用設備。