机床液压节流调速性能测试系统研究

金利珩

液压传动以运动传递平稳、均匀、调速范围广、传递扭矩大、易于实现自动化，越来越广泛地被用在机床的调速系统中。机床的主运动、进给运动对速度有很高的要求，在机床液压系统中，调速回路占有相当重要的地位，它的工作性能的优劣对系统有着决定性的影响。目前机床液压系统中调速回路主要有以下三种：（1）节流调速回路；（2）容积调速回路；（3）容积节流调速回路。本文主要介绍了计算机测试技术在节流调速回路中测试速度—负载特性、功率特性中的应用，测试相关参数点，描绘实际测试曲线与理论曲线进行比较，以检验评定所设计调试回路性能的好坏。
1　节流调速回路特性分析
1.1　工作原理和回路参数（图1）
2 s7 {  q; r; p- b9 |& z6 _　　执行元件的各种速度v由通过节流阀进入执行元件的流量Q1和工作腔有效工作面积A1决定，即
3 U( M# Z. ^5 P# J$ e8 T; |v=Q1/A1（1）
& s# n3 M; z4 I% x7 h式中　v——执行元件速度，m/s
Q1——执行元件流量，m3/s
& j$ e( ^( z+ A  AA1——工作腔有效面积，m2
/ v8 \) l! p3 |% F
4 k" s  D% G7 ^1 h# J/ l调节节流阀的开度，即可调节Q1，从而调节执行元件的运动速度v，多余的油液ΔQ经溢流阀流回油箱。不考虑泄漏时，由连续方程可得
　　Qp=Q1+ΔQ
式中　Qp——泵出口流量，m3/s
7 Q1 R' O- C% y# B6 uΔQ——溢流阀流回油箱的流量，m3/s
/ M& L$ a( n4 R活塞受力平衡方程式为
2 x$ _" X; B! J* R* H% bp1A1=F+p2A2（3）
1 f) s) M- N) j式中　p1——执行元件工作压力，Pa
9 B6 \2 N: y* H- ]- ]F——负载，N
p2——回油腔压力（常称背压），Pa
9 ?+ R9 U$ Q* ?/ P% d  B  b不计管道压力损失时，p2≈0，则得
p1=F/A1（4）
　　式（4）说明工作压力p1随着负载F而变。液压泵出口压力pp由溢流阀调定。为了保证油液流过节流阀进入执行元件，pp必须大于p1，即节流阀上应有一个压力差
  c0 z! h. E& S: KΔpj=pp-p1=pp-F/A1（5）
1 S; J3 c7 k' D( y6 {2 x! _; u4 @或　　　　pp=p1+Δpj=F/A1+Δpj
式中　Δpj——节流阀两端压力差，Pa
- J& K- n2 D3 d' \pp——泵出口压力，Pa
　　若忽略管路的压力损失，溢流阀的调整压力pp应根据最大负载下所需的最大压力加上节流阀的压力差调定。工作进给时，为了实现调速，总有一部分多余的油液通过溢流阀流回油箱，故溢流阀是处于常开状态，节流阀进口压力由溢流阀调定后基本保持不变。进入执行元件的流量计算公式为
Q1=CAjΔpφj=CAj（pp-F/A1）φ（7）
4 T9 K5 l' D; F: J$ Y4 [式中　C——由节流口形式、液体状态、油液性质等因素决定的系数
　　　φ——节流阀指数。对于细长孔φ=1，对于薄板孔φ=0.5，介于两者之间的取φ=0.5～1
Aj——节流口通流面积，m2

! t  k' j5 ?; G! u, n　　由式（8）看出，当节流阀的开度一定时，执行元件的速度随着负载的变化而变化。为了测量的准确，负载由电液比例溢流阀提供，把油缸出口接到电液比例溢流阀的入口，负载F由进油腔的工作压力p1代替进行测试。
1.2　速度—负载特性
　　调速回路中执行元件速度与负载之间的关系，称为速度—负载特性。速度—负载特性曲线进一步用速度刚性指标来评定，可反映出调速回路在该点处的速度受负载的影响以及该点处的速度稳定性。
& M. ^# u: D- q% A1.3　功率特性
( f4 e: r2 I. S# H9 }0 M+ t' M　　液压泵的输出功率为
) M$ O7 R2 O" ~# I# g* ]8 V3 GNp=ppQp（9）
3 F2 b' O2 J6 N0 p8 `+ h式中　Np——液压泵的输出功率，W
2 P4 n+ H4 w" h; U1 Q  V( H. P: J忽略泄漏与摩擦损失时，液压缸输出的有功功率为
N1=p1Q1=p1A1v=Fv（10）
回路的功率损失为
6 C! ^3 Y" z4 K+ w6 d. p# _　　ΔΝ=Np-N1=ppQp-p1Q1
4 x' _5 e, S1 \: u- i- K0 j9 p=pp(Q1+ΔQ)-(pp-Δpj)Q1
  W1 s6 j, }+ {) k) A=ppΔQ+ΔpjQ1=ΔN1+ΔN2
  B3 h+ U: P; h' O式中　ΔN1=ppΔQ　溢流损失，W
1 \/ s9 G1 ~2 c　　　ΔN2=ΔpjQ1　节流损失，W
2　计算机测试系统的软硬件设计
. `9 @& o7 S0 P2 Q" h: x# k" ^2.1　硬件设计
; ?/ I: r4 t- _# S3 Y4 j　　测试系统由上位机和下位机组成。上位机由586微机、打印机组成。下位机是由80C196KB单片机组成的最小测控系统、压力传感器、接近开关、继电器等组成。其硬件组成原理如图2所示。
8 E7 B7 _. c7 @6 r  w
2.2　软件设计
% l& z9 s4 V6 _1 C' b　　软件是体现计算机监控巨大优势的有利工具。各功能模块的设计、人机交互界面外壳、模块间的组态等具有相当的灵活性。本系统软件由上位机软件和下位机软件组成。上位机软件完成命令传递、输送负载压力值、回送参数、数据处理、显示、打印曲线等功能。软件设计全部采用Visual Basic 5.0编制，具有良好的人—机界面环境、菜单提示，操作简便。
; V3 L: R. u. f* c* _　　下位机主要完成模拟量压力的实时数据采集，开关量信号的检测，定期将采集到的数据送往上位机，软件编制采用汇编语言，各参数检测方法如下：
! \; x+ q3 R9 f　　（1）压力的测量　工作压力p1和泵出口压力pp经压力传感器、信号放大电路、滤波电路送单片机的ACH4、ACH5十位A/D模拟转换通道，完成模数转换。测试中工作压力p1反映F。
　　（2）速度的测量　接近开关信号K1、K2送80C196KB单片机的高速输入通道HSI0、HSI1，触发跳变时间差为液压缸一个单行程工作时间，两接近开关距离为S（测试前调整两开关距离，调整好之后，测量S的大小，再通过上位机由设置参数将S值回送到测控系统EEPROM中）则执行元件（液压缸）速度计算为：v=(S)/(T)。
　　（3）节流阀开口　节流阀开口大小由手动来调节。
　　（4）负载压力　液压缸出口油接比例溢流阀进口腔，负载压力通过AD7520完成D/A数模转换及电液控制器控制比例溢流阀定压提供。比例溢流阀输出的液压力与输入的电流信号的大小呈线性关系，改变电流的大小，可改变比例溢流阀的输出压力。电流信号大小改变通过单片机发送给AD7520数字量大小来实现。
3　测试结果分析
　　图3、4中实线表示实际测试曲线，虚线表示理论曲线。测试数据用最小二乘法进行数据处理拟合。
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7 \' F1 Q0 v  }5 k( `从图中可以看出，实际测试曲线与理论曲线基本吻合，由此说明所设计的系统是可行的，该测试系统稍作一些变动，还可用作机床液压传动系统中其他性能的测试。
2 b& s0 B) v3 C文章关键词： 机床