比例阀在钢管水压机油水压力平衡系统中的应用

王垚

摘 要：介绍了采用可编程控制器（PLC）控制比例阀的基本原理，论述了比例阀在钢管水压机油水压力平衡控制系统中的应用，总结了比例阀调试和控制的一些方法。

关键字：比例阀、PLC、油水平衡

前言

钢管水压试验是钢管生产过程中检验钢管承压能力和消除钢管剩余应力的一个重要工序，按照相关标准要求，在保压规定时间内，不能出现渗漏现象，最终保证出厂钢管在设计的工作压力下有足够的承压能力。不同规格钢管的静水试验压力不同，因而，在每次钢管换型时，都要重新调试主油缸的推力。主油缸推力的大小由液压系统比例溢流阀控制，需要通过人工计算出水压值，输入计算机中，再由计算机输出电信号控制比例溢流阀，由比例溢流阀控制静水压机主油缸推力。主油缸产生的推力是否合适，关系到钢管试压是否能够完成，试压时主油缸的推力过小，静水压机端面就会与钢管端口密封不严产生泄漏，当充满高压水的钢管管端产生泄漏时，就会撕裂密封胶圈造成暴圈；静水压机主油缸推力过大，试验头会顶弯钢管，造成废品。因此对主油缸的压力控制是十分重要的。

比例阀是一种能够按比例地随输入电信号的变化而调节和控制液流压力、方向和流量的液压元件。近年来，随着可编程控制器（PLC）和自动控制技术的发展，比例阀在工业控制系统中得到了广泛的应用。比例阀在钢管水压试验机油水压力平衡（以下简称油水平衡）控制系统中的应用，充分体现了其压力控制方便、调节性能好、控制精度高等优点。

1.水压机油水压力平衡系统简介

水压机的油水平衡，简单的说，就是在水压机前压头推力主缸的油压要随着钢管内水压的变化而成比例变化，始终要与水压保持一种动态平衡。油压太大，会挤伤钢管；油压太小，则会导致主缸后退，管端密封失效，严重时会导致高压水喷出，对周围的设备及人身带来安全风险。在水压机主缸油压控制中采用比例阀，很好地解决了这个问题，实现了油压与水压的适时动态平衡。

1.1.油水压力平衡系数的计算

在水压试验前后压头根据钢管的要求长度通过定位装置锁紧在拉力柱上。要实现油水压力平衡，就要使前压头主缸内的油水随管内水压而变化。

在钢管与前压头的接触面上承受着钢管水压F水与主缸的推力F油，只要满足F水= F油，就可以实现油水压力的动态平衡。

由F水=P水S管，F油=P油S缸 得P油S缸=P水S（1）

式中：

P油——主缸油压； S缸——主缸缸径横截面；

P水——试压管内水压； S管——试压管内径横截面积。

在实际生产中，考虑油缸摩擦力等因素的影响，一般在公式中增加系数α即P油S缸=αP水S管 （2） α一般取1.05～1.1。

从（2）式中可以求得油水压力平衡系数

K= P油/ P水=αS管/ S缸. （3） 因为S管= （4）

式中：D管为钢管外径；t为钢管壁厚。由于t远远小于D管，故S管近似等于 （5）将（5）式代入（3）式，得

K= P油/ P水=αS管/ S缸=αD2管/D2缸，（6）式中：D缸为主缸直径。

水压机主缸缸径是一个不变的已知数，通过公式（6）可计算出不同管径钢管试验时的油水压力平衡系数K。

1.2.油水压力平衡过程分析

水压机油水压力平衡控制系统由压力传感器、PLC和比例阀共同完成。在水压试验过程中，水压传感器将钢管内水的压力变成电信号送入PLC的A/D模块，PLC程序中将水压值与油水压力平衡系数相乘，将乘积通过D/A模块送给比例阀放大板，通过比例阀调节主缸内油的压力。

比例阀的控制采用了闭环控制的方式，在PLC对比例阀压力进行控制的同时，油压传感器将主缸的压力反馈给PLC，PLC对反馈回来的油压实际值与油压的理论值进行比较，调整输出信号，从而实现油压与水压的同比例变化。

2.比例阀控制系统的调试及注意事项

2.1.系统的调试

由于受比例阀输出特性曲线线性的影响，在比例阀控制系统调试过程中往往需要多次反复，调试的周期也较长，针对这种情况，认为调试过程应从以下几个步骤进行：

2.1.1.在比例阀控制中增加手动/自动切换电路。先开启系统同步油泵，将比例阀控制开关切换到手动状态，手动调节比例阀给定模拟信号，并在不同信号下测量同步系统油路油压的大小，根据数值绘制出比列阀的输出特性曲线，将其与理论特性曲线进行比较。

2.1.2.在编程过程中，除了比例阀输出油压采用闭环控制的方式外，还要考虑比例阀输出线性的影响，为了保证水压过程中油压响应的快速性，在编程中用软件对比例阀的特性进行修正。比例阀的特性曲线在压力超过10MPa后斜率变小，因此，在编程时对压力超过10MPa后计算出的油压值进行补充修正。

2.2.系统使用过程的几点注意事项

2.2.1.当试验头密封方式不同时，对预紧压力的要求也不同。径向密封的预紧压力一般设在1.5—2MPa，端面密封的预紧压力一般设在2.5—3MPa，这两种密封的预紧压力控制也略有差别。相比之下，端面密封的预紧压力不足，会影响整个增压过程的密封。

2.2.2.水压机换型时，对同步系统溢流阀的压力调节非常必要。先计算出钢管试压时主缸所需的最大油压，然后采用比例阀手动控制进行压力给定，调节同步系统溢流阀的卸荷值，使其比主缸所需的最大油压高0.5—1MPa为宜。这样做的目的是当比例阀失控时，过高的油压可通过溢流阀卸荷，从而避免挤坏钢管或损坏设备。

2.2.3.在使用量程不同的比列阀时，要注意油水压力平衡系数的变化。如图31.5MPa比例阀替换40MPa比例阀，则应在原来油水压力平衡系数的基础上乘以1.3（40/31.5）系数。

3.结语

比例阀在我公司钢管水压机的油水压力平衡系统中，使用几年来性能稳定可靠，不仅提高了生产效率，也基本避免了钢管因压弯而判废的现象。尤其是在重大管线生产钢管的过程中，由于规格频繁变化而引起试压压力变化频繁的情况下，比例阀控制的先进性及方便性得到了充分体现。实践证明，在液压控制系统中，随着可编程控制器（PLC）的广泛应用，电液比例阀控制技术必将更为广阔的被应用。