某大型装备液压试验台的设计

任丰兰

(1.常德职业技术学院机电系，湖南常德 415000；2.中南大学机电工程学院，湖南长沙 410083)

0 前言

随着液压传动技术的发展，液压技术变得越来越成熟，它在大型装备中也得到了越来越广泛的应用。大型装备如300 MN模锻水压机、125 MN卧式挤压机和250 MN难变形卧式挤压机都是超大型战略性装备，体现了国家极端制造能力和制造水平，关系到国家重要战略装备，其产品质量、生产效率和设备自动化程度对国民经济、国防现代化、航空航天等领域有重大影响。这些大型装备是国家的重要战略装备，生产任务重、影响力巨大，一旦出现问题，将造成严重后果，所以不便直接在这些战略装备上对液压元件进行系统功能和特性分析测试。为从特性与机制上分析这些装备的液压系统的综合性能，需要在实验室构建能反映装备负载特点的试验台，实现对现场情况进行模拟和试验，以真实地再现大型装备的工作过程，实现液压元件性能参数的验证。这对大型装备的故障排除、功能分析及设备性能的提升有重要意义。

1 试验台系统的功能分析和主要参数

1.1 系统功能分析

该试验台以某大型装备液压系统为核心，采用定量泵为系统供油，对顶缸(分别实现系统驱动和加载)模拟大型装备执行机构的工作过程。结合试验台要求，综合考虑，液压试验台功能如图1所示。

图1 液压试验台功能分析

1.2 液压试验台的主要参数要求

液压试验台的主要参数要求：系统额定压力为9.6 MPa；系统额定流量为14 L/min；系统工作负载为8 kN；液压缸工作压力为6 MPa；工作缸行程为500 mm；液压缸前进最大运行速度=0.1 m/s；速度控制精度、位置控制精度、压力控制精度均为0.1。

2 液压试验台的设计

2.1 液压试验台的组成

液压试验台以某大型装备如300 MN模锻水压机、125 MN卧式挤压机和250 MN难变形卧式挤压机的液压系统为对象，采用3个定量泵为系统供油，其中1个为驱动泵，2个为负载泵，3个泵相互独立，互不干涉。大型装备液压试验台由对顶缸试验台架、驱动系统和负载系统3个部分构成，通过对顶缸试验台架(分别实现系统驱动和加载)模拟大型装备执行机构的工作过程。其中，对顶缸试验台架由1个双出杆活塞缸和2个单杆活塞缸组成。负载缸和驱动缸均为单出杆活塞缸，双出杆活塞缸作为驱动缸的更换备件，3个液压缸参数规格相同。驱动系统由驱动泵、溢流阀、电液比例换向阀、驱动缸等组成，负载系统由负载缸、比例压力阀、负载泵等部分组成，液压系统原理如图2所示。

图2 液压系统原理

2.2 试验台的工作原理

试验台采用3个定量泵为系统供油，采用对顶缸加载，利用先导电磁溢流阀实现油泵的空载启动。通过电液比例换向阀实现驱动缸的运动方向控制。通过负载缸进油路和回油路的2个比例压力阀，可以分别调节负载缸两腔的工作压力。利用对顶缸活塞杆之间的拉压力传感器，实现拉力或压力控制。采用截止阀调节驱动液压缸的外泄漏量，以模拟外泄漏情况下液压缸的动态特性。采用压力传感器、位移传感器对压力和位置进行监测，实现压力、位置、速度控制，从而实现对顶缸模拟大型装备执行机构的工作过程。

3 试验台典型元件的计算与选型

3.1 液压缸和液压泵的选型

液压缸是液压系统的执行元件，液压泵为动力元件，根据试验台性能的要求，对液压缸、液压泵的选用原则、主要性能参数提出要求，以选出合适的元件型号。为使液压泵有一定的压力储备，所选泵的额定压力一般比最大工作压力大25%～60%，文中取=1.25，由此可得泵的额定工作压力应大于8.1 MPa。液压缸与液压泵的选用原则、主要性能参数与型号如表1所示。

表1 液压缸与液压泵的选用原则、主要性能参数与型号

3.2 电机的参数计算与选型

3.2.1 转速的计算

根据油泵的输出流量>14 L/min及排量=16.5 mL/r，按公式(1)可确定电机的转速：

(1)

式中：为叶片泵的容积效率。单作用叶片泵取=0.9，代入式(1)得：

则取电机同步转速为1 000 r/min。

3.2.2 电机功率的计算

系统要求油泵的工作压力>8.1 MPa，额定流量>14 L/min，则电机功率计算公式为

(2)

式中:为叶片泵总效率。

3.2.3 电机的选型

电机的选型应满足油泵驱动功率、转速与油泵匹配。根据以上原则，液压系统3台电机均选择Y2系列型号为Y2-132S-6/B5的三相异步电动机， 其功率为3 kW、转速为960 r/min。所选电机具体参数如表2所示。

表2 Y2-132S-6/B5的电动机参数

4 电气控制及监控系统的设计

电气控制及监控系统由电机、上位机、PLC、数据采集卡、各传感器及控制元件等组成。PLC+继电器控制电磁阀的换向动作，采用人机交互式的智能化设计。其中，上位机、PLC和数据采集等通过以太网实现设备之间的通信。该系统工作原理如图3所示。

图3 电气控制和监控系统工作原理

4.1 电气控制系统的设计

电气控制系统主要用于实现对驱动泵、负载泵、电机以及阀位机能的控制。电动机及风冷电机的电气控制原理如图4所示，其中，主电路采用AC 380 V供电，控制电路采用DC 24 V供电。它以PLC可编程控制系统为核心，实现阀、电机、手阀等的控制，进而实现液压系统的控制。可编程控制系统选用S7-1500 PLC，它操作简单快捷，组态效果好，操作稳定、可靠。

图4 电机、风冷电机电气控制原理

4.2 监控系统的设计

监控系统由硬件和软件两部分组成，其中硬件由上位机、PLC、数据采集卡、各传感器及控制元件组成。各传感器把从液压系统检测到的信号通过数据采集卡传送给个人PC机和PLC，进行信号分析和处理，并控制比例阀的输入信号，实现位置、速度和压力等参量控制。采用压力传感器、位移传感器对压力和位置进行监测，实现压力、位置、速度控制。其中，对顶缸活塞杆之间通过拉压力传感器实现两缸的对顶压力与拉力的测量，位移传感器实现对驱动缸活塞杆的位移测量。软件主要采用西门子TIA PORTAL实现PLC程序的编制和监控系统的组态设计，控制软件的操作界面如图5所示。

图5 监控系统的界面

5 结论

为了从特性与机制上分析大型装备如300 MN模锻水压机、125 MN卧式挤压机等液压系统的综合性能，本文作者设计了一个大型装备的液压试验台，介绍了液压试验台的组成和工作原理，进行了液压缸、液压泵和电机参数的计算与选型及电气控制与监控系统的设计，实现了对大型装备液压系统零部件、设备的性能测试和对现场情况的模拟和试验。