基于LabVIEW的P-Q阀性能测试

时连君

(山东科技大学 机械电子工程学院，山东 青岛 266590)

引言

电液比例压力-流量控制复合阀(简称P-Q阀)，是由先导式比例溢流阀、先导式比例流量控制阀组成的。P-Q阀集成在同一阀块内，结构简单，用两路电信号分别控制执行元件的运动速度、输出压力，容易实现自动连续控制、远程控制与程序控制，是一种新型的节能控制阀。P-Q阀元件数量少，整体结构尺寸小，简化了液压控制系统,所以在各行业中的应用越来越广泛。P-Q阀的性能直接影响到系统工作的可靠性，出厂或维修后都需要对阀的性能进行测试，保证其性能参数满足相关标准的要求。因此利用各种传感器与工业控制机，基于虚拟仪器的测试方法对P-Q阀进行压力特性、流量特性以及压力-流量特性测试。

1 阀的性能测试原理

P-Q阀是一种由比例溢流阀、比例调速阀、定差溢流阀和安全阀等组成的复合多参数控制阀，既可实现对执行元件(液压马达或液压缸)输出流量的比例控制，又能实现对其压力的比例调节；既能实现具有确定增益系统的开环控制，又能实现自动调整的闭环控制[1]，所以控制器采用双比例控制器。但是工作时工作负载的变化，造成节流阀出口的流量不稳定，所以P-Q阀通常采用具有压力补偿作用的定差溢流阀来保证节流阀进出口压差Δp恒定，流量可以表示为：

(1)

A=πdx

(2)

式中，d—— 滑阀直径

Cd—— 流量系数

A—— 过流面积

ρ—— 流体密度

x—— 开口量

由上式可以看出，在阀芯直径不变的情况下，其通过的流量取决于阀的开口量x的大小，也就是比例电磁铁推杆的位移[2]。通过阀芯的位移去控制系统的压力与流量，完成电-机-液的比例转换。但是在进行压力调节时，溢流量太小会导致系统压力不稳定，溢流阀正常工作时要保持合理的溢流量，否则节流口会出现流量脉动，使液压系统中执行元件的运动速度不均匀，因此需要对其参数进行调试、测试。

1.1 压力特性测试

P-Q阀的压力特性是指阀的出口压力随比例控制器的控制电压变化的p=f(U)曲线。测试时将P-Q阀的出口节流阀19关闭，给比例溢流阀的电磁铁线圈BT1施加由小到大控制电压，同时测量阀的进口压力和出口压力值[3-4]，这样获得了P-Q阀压力特性。

1.2 流量特性测试

P-Q阀的流量性能是指其流量随比例控制器的控制电压变化的q=f(U)曲线。测试时，将P-Q阀的出口打开，给电液比例调速阀的比例电磁铁线圈施加由小到大控制电压，同时测量相应阀流量值，获得P-Q阀流量特性。

1.3 压力-流量特性测试

P-Q阀的压力-流量特性是指阀出口流量随阀的出口压力变化的q=f(p)曲线[5]。测试时将P-Q阀的出口接一个节流阀作为负载，给比例溢流阀和比例调速阀分别施加合适的控制量，调整节流阀的开度从而使负载压力由小到大地逐点增加，即改变P-Q阀出口压力的大小，同时测量其入口压力、出口压力及流量，获得其压力-流量特性及进出口压力的变化规律。

2 液压系统原理及参数

拟定测试系统的压力值最高为25 MPa，流量最大值为25 L/min，液压原理图如图1所示。系统主要有高压变量柱塞油泵作为动力元件给测试系统提供动力；先导式比例溢流阀、电磁先导式溢流阀、节流阀等作为控制元件控制测试系统的压力、流量；P-Q阀为被测试的控制元件；蓄能器、冷却器等辅助元件在测试系统中起到蓄能、冷却油液的作用[6-7]。

1.吸油过滤器 2.油泵电机组 3.单向阀 4.高压过滤器 5.电磁溢流阀 6.比例溢流阀 7、9、16、17.压力传感器 8、10、12、15.压力表 11、13、14、19.节流阀 18.P-Q阀 20.流量传感器 21.回油过滤器 22.冷却器

3 测试数据的采集与处理

3.1 参数及控制信号流程

测试系统中装有压力表，用来显示液压系统中各个位置的压力值，压力传感器用来传输压力数据，流量传感器用来测试被试阀的流量数值[8]。测试系统数据采集采用多功能模入模出的PCI-8333卡，D/A通道输出2个控制电压信号，到双比例控制阀控制器的【控制输入】端口，控制器输出控制电流分别驱动比例溢流阀、比例调速阀，P-Q阀出口就产生相应的输出压力、输出流量数值。依次给出不同的控制电压，分别测量控制电压与输出压力、输出流量的数值，得出控制电压和输出压力、控制压力与输出流量之间的p=f(U)、q=f(U)曲线[9]，控制信号流程图如图2所示。

图2 计算机测控信号图

3.2 测试软件

虚拟仪器测试平台的软件是基于LabVIEW编写而成的，是一种直观的图形化的编程语言，主要用于测试、数据测量以及系统控制等。软件的主要功能：测试开始前显示液压原理图，使测试者在测试开始前调整液压系统；测试开始后进行实验数据的采集；测试结束后进行数据的处理，显示测试曲线等。

3.3 测试过程

1)P-Q阀静态特性测试

根据要求正确连接测试系统控制信号，如图3所示。

图3 控制信号连接

2)测试系统液压阀的调整

启动液压泵电机前，安装好被测试的P-Q阀，面板上的电磁溢流阀的控制按钮YA1断电，使测试系统卸荷，防止柱塞泵带压启动,打开节流阀13，关闭节流阀14。启动液压泵电机后，待电动机进行Y-Δ启动完毕后，按下控制面板上的电磁溢流阀按钮YA1,调节其手柄使测试系统达到安全工作压力12 MPa，然后按拟定的步骤进行测试操作[10-11]。

3)测试系统软件界面的操作

(1)P-Q阀的压力特性测试：在测试系统界面上的编辑框内填写相应的数据及数据文件名，按照拟定的步骤进行测试操作，最后得出相应的测试数据,由工业控制计算机自动绘制出被试阀的特性曲线如图4所示。图4中曲线1是阀出口压力特性曲线，曲线2是阀的进口压力特性实验曲线，横坐标为电压(电流)控制量。随着比例阀的控制电压的增大，双比例控制阀输出的压力也随着升高，具有与比例溢流阀相似的特性。

图4 压力特性曲线

(2)P-Q阀的流量特性测试：测试开始前，先打开节流阀19，以便用流量传感器测试被试阀的流量，在测试系统的测试界面编辑框内填写相应的测试数据，然后按照拟定步骤的要求进行测试得出数据，最后工业控制计算机根据测试数据自动绘制出被试阀的流量特性曲线，如图5所示。曲线1为阀流量特性拟合曲线，曲线2为实测数据点线，横坐标为电压(电流)控制量。随着双比例控制器输出控制电压(控制电流)的增大，被试阀的输出流量也逐渐增大，与比例调速阀具有相似的性能。

图5 流量特性曲线

(3)测试结束后，先使面板上的电磁溢流阀的控制按钮YA1断电，使溢流阀卸荷，系统压力降到最低值，停止油泵电动机。

4)P-Q阀压力-流量特性测试

(1)根据要求正确选择压力传感器、流量传感器，连接测试系统控制信号，如图6所示。

图6 控制信号连接

(2)测试系统液压阀的调整:启动液压泵电机前，电磁溢流阀的控制按钮YA1断电，使溢流阀卸荷，防止液压泵带压启动。

打开节流阀13、节流阀19，其余关闭，启动液压泵电机[12]，待电动机Y-Δ启动完毕后，按下电磁溢流阀按钮YA1,调节其手柄使系统达到安全工作压力12 MPa，打开节流阀14，进行下一步操作。

(3)软件界面数据设置:在测试系统界面框内填写相应的被试阀参数数据，压力控制量设置为系统最高工作压力，流量控制量设置为任意允许值，填写拟定的测试数据等。按【测试开始】键，测试系统测量第1个负载压力点，缓慢调小节流阀19的开度，使负载压力上升至下个测压点，重复上面步骤,直至测试结束，点击界面上【数据记录】键，测试数据自动记录在【测试数据表】内，按照规定的步骤进行实验[13]，得出被试阀的输出压力和输出流量测试数据，由工业控制计算机根据测试数据自动绘制出阀特性曲线。

P-Q阀进口压力-负载压力特性测试曲线如图7所示，曲线1是拟合曲线，曲线2是实测数据点线，横坐标为被试阀进口压力数值，纵坐标为被试阀负载压力数值。随着P-Q阀负载压力的增大，其进口压力也随着增大。

图7 进口压力-负载压力特性曲线

P-Q阀压力-流量特性测试曲线如图8所示，曲线1是拟合曲线，曲线2是实测数据线，输出流量随负载压力的增大而减小。由测试的结果可以看出，双比例控制的P-Q阀是一款节能控制产品。

图8 压力-流量特性曲线

4 结论

由于P-Q阀没有国家测试标准，所以在测试中结合国家有关比例溢流阀、比例调速阀的测试标准要求进行探索性的测试，通过测试数据以及测试曲线可以得出如下的结论：

(1)P-Q阀的输出压力、输出流量基本上随着比例控制器输出电压(电流)的变化而变化，从而改变执行元件的压力及速度，但由于比例电磁铁存在感抗，导致控制电流延迟了上升时间。为了提高其动态特性可以串联电阻或者提高控制电压(电流)；

(2)双比例控制阀的出口压力随着负载变化时，阀进口压力也随着变化，从而起到节能的作用；

(3)阀的控制器件可以通过采用压力流量位移内反馈与动压反馈等机电校正措施，使P-Q阀稳态控制精度与动态响应速度接近伺服阀。