本页关键词：进口气动调节阀, 进口电动调节阀,, 进口调节阀

电动执行器和阀门被广泛应用于石化管道中，但是，随着近年来管道爆炸事故等意外不断发生，国家对石油管道设备的质量提出了更高的要求。为了保证管道设备的质量和维护的及时性，中国政府要求国内生产厂家，必须按进口设备的高标准要求改进国产产品设计，提升产品档次，逐渐替代进口产品。电动执行器最大输出力矩达到300000N．m，远超国内行业设计标准，而目前市面上也没有设备对如此大力矩电动执行器进行模拟负载加载测试，各种配套开发测试设备的研究与开发也势在必行，尤其是功率测试设备和力矩测试设备，因此，研究并制造出一种可操作性好、测试精度高以及满足超大力矩测试的工装设备具有较大的意义，在此背景下，本文研究了适应工厂生产使用需求的高精度大力矩智能测量装置。

1 基于液压传动测力原理

测试装置主要目的是应用液压原理对大力矩电动执行器的输出力矩参数进行测试，因此本课题的设计核心是液压缸设计，包括液压逻辑设计、机械接口设计、控制与通讯设计等模块，系统设计框图如图1所示。

图1 液压力矩测试系统框图

从图1可以看出，为了达到对300000N．m部分回转输出力矩进行精确测量的目的，本文研究的内容内容包括：液压缸进行强度、接口设计、油泵、电机、比例溢流阀、压力传感器、测量电路与PLC系统的连接等。

2 测量系统设计与工程实现

2.1 力矩测试系统原理系统设计

系统中被控对象主要包括比例溢流阀、伺服电机。主要功能检测元件是液体压力传感器。伺服电机主要作用是驱动油泵连续运转，促使液压油在各个液压腔室和部件间连续流动，使整个系统内部随时保持稳定的压力。比例溢流阀主要作用是调节液力流量流速，设定液压缸压力阈值，对应人机界面力矩测量设定理论值。压力传感器则是测量液压回路真实压强大小，由此可以计算出被测对象真实输出力矩。所有给定控制信号和反馈采样信号均通过信号线与PLC连接，而PLC系统则根据预先设定好的逻辑算法对整个测试过程进行控制。操作人员则通过PC机上设计好的人机交互画面对整个过程予以控制，交互界面上应包含压力力矩显示，预设值输入，电机控制按钮等功能设置。系统框图如图2所示。

图2 力矩测试系统原理图

如图2所示，操作人员通过人机界面完成参数设置、结果监控等一系列操作，控制信号通过专用驱动电路驱动各个调节模块，各测试传感器通过对系统各参数进行不间断检测，最终反馈给控制系统并在人机界面显示，最终形成一个闭环操作系统，保证系统安全和测试精度的实现。

2.2 技术指标

装配出一套能进行精密大力矩测量的检测系统并用于工业实践。达到以下使用要求：（1）液压缸最大承受压力能达到30MPa；（2）测试最大力矩达到300000N．m；（3）满负荷条件下测量精度达到1%；（4）操作界面人性化，调试流程符合车间现场对产品组装工艺的要求；（5）易于进行功能拓展，方便后期持续改进。

2.3 液压缸设计

在液压执行系统中，液压缸一般是作为系统中的执行元件而存在，而本项目研究的是液压测量系统，所以，在本项目中，液压缸存在的意义是作为力矩传递的终端，并将力矩值转换成相应的压力值供测量系统使用。但是对于缸体的强度和尺寸计算还是与执行输出类液压缸类似。在测量过程中液压缸连接齿轮齿条随着被测执行器的运转而运动，推动缸体内活塞杆运动，引起内部液压油压强变化，从而达到测量力矩的目的。根据被测对象的特性和公司实际，我们自行设计了液压缸。

本文研究中，缸筒采用的是45号钢冷拔无缝钢管，其理论抗拉强度σb=700MPa，δC/DC0=0.03＜0.08，所以按薄壁进行校核。将相关数据代入式（3－4），求得δC≥5.64，所以选择壁厚δC=12满足强度要求。

2.4 液压泵的选型与设计

根据计算所得，选择了齿轮泵，相对于其他类型，齿轮泵具有结构简单、外形紧凑、工作可靠、可承载较大负载、允许转速较高等各种优点，满足本项目对系统的要求。最后我们选择的是四川长江液压有限公司CBY系列高压齿轮泵，其流量可以达到50mL/r。

工作原理如图3所示。

图3 CBY系列高压齿轮泵工作示意图

2.5 电动机的选型与设计

液压泵所需驱动功率为3.024kw。考虑在电机正常运行过程中有合理的短暂超载等现象，最后我们选择电机功率为5.5kw，额定转速为1440r/min。

2.6 液压阀的选型与设计

系统中包含的阀门主要有单向阀、电磁换向阀、溢流阀等种类，其重要作用是调整加载状态并对系统其保护作用。根据系统需要并比较了相关企业产品，我们最后采用了华德集团旗下专用阀门种类。其中对加载力大小影响最大的要数比例溢流阀，他的开度调节决定了系统能达到的最大压力值，此阀门我们选择的是DBE10Y系列。其外形图如图4所示。

图4 DBE10Y系列外形图

其最大允许压力至31.5MPa，流量至10L/min。

这种电磁阀是带电反馈的直动型锥阀式比例压力溢流阀，用来控制系统的压力。该阀由阀体、比例电磁铁、位置传感器、阀座和锥阀组成。当输入信号为零时，阀自动在设定的最低压力。

压力设定值取决于给定信号，并与输入信号成正比。输入信号经电磁铁通过弹簧座压缩弹簧，弹簧座的位移由传感器来检测，控制系统纠正它与输入值间的任何偏差，从而保证一定的系统压力。通过改变阀座控制可获得不同的压力等级。

2.7 压力传感器的选型与设计

压力传感器是系统进行闭环控制反馈采样最重要的一环，由于压力传感器市面上品种丰富，压力等级和精度等级等功能丰富，所以在这里我们选择的是市面上标准产品，能将系统中0－25MPa压力信号转换成与之具有线性关系的4－20mA信号给系统使用。结合比例溢流阀的特性控制曲线，我们可以得到如下结论，在进行常规负载测量时，系统压力反馈也与被测量对象力矩呈线性关系。在进行数据处理时运用PID运算即能非常快速的得到被测对象的真实力矩。

3 PLC功能编程实现

选择了OMRONCP1E系列PLC，此系列PLC拥有足够的端口来进行电机驱动和数据的发送和接收端口，并且只需1根USB数据线就能与PC机进行有效连接。PLC与电机通过SPWM端口连接，与各种阀门和传感器之间也都是通过标准的4－20mA端口连接。

3.1 用户界面设计

利用PLC模块自带的编程软件，能既方便的在PC机上对我们需要的功能模块进行图形化处理，并将相应的功能模块做“按钮”处理，极快实现我们需要的功能，结合前面分析，为了更好的实现设计目标，图形界面中应当至少包含以下内容：

（1）系统压力：指示系统运行状态以及是否处于可用状态；（2）参数设定：预设测试时系统理论极限压力，使系统运行在合理状态；（3）电机启动按钮：设备每次工作前必须进行加压操作，并且电机启动后才能保证液压油的持续流动，保持缸内压力均衡；（4）加载方式：针对被测对象不同对测试方式进行切换；（5）加载方向选择：重载测试一般是单方向测试，需对测试方向设定；（6）力矩曲线：让检测人员对被被测对象的连续运行状态进行监督，并能方便的对每台被测对象的测试特性进行保存；（7）报警信息：提示操作人员能否进行某一项操作；（8）其他提示信息：为操作人员提供非必要的其他系统运行信息。用户使用界面如图5所示。

图5 力矩测试系统用户界面

3.2 压力测试流程

在进行力矩测试前，应确保执行器输出轴与系统输出轴进行可靠连接，防止因突然启动造成系统损坏，在系统参数设置完成前，确保执行器输出处于静止状态。正式测试之前，应设置好系统压力，设置主要加载方向等系统参数，设置完成后，按一定的加载频率启动执行器。然后启动执行器，随时关注力矩曲线和系统显示参数，测试时应对所有参数进行妥善记录。启动设置流程如图6所示。

图6 压力测试流程

图6压力测试流程和数据的发送和接收端口，并且只需1根USB数据线就能与PC机进行有效连接。PLC与电机通过SPWM端口连接，与各种阀门和传感器之间也都是通过标准的4－20mA端口连接。

3.3 系统调试流程

为了确保系统安全，请严格按图7所示流程对系统进行设置。

图7 系统调试流程

4 运行与测试结果分析

4.1 系统调试

系统按设计要求装配图效果如图8所示。

图8 装置整机装配图

4.2 测试结果

在加载过程中，我们对曲线上升过程中采样点进行采集，将两种执行器加载曲线按测试点整理汇总，得到表1中所示数据。

表1 加载曲线采样点数据

根据显示结果，符合特性曲线精度要求，完整显示了大力矩电动执行器启动特性和力矩加载过程，测试精度在1%以内，实际力矩值与理论值偏差是执行器本身设计和制作偏差，符合设计要求，测试精度测试合格。实现了对大力矩电动执行器的输出状态精确测量和模拟加载过程，实现了项目设计目标。

5 结束语

本文针对目前国内没有设备和与之配套的测试设备能对300000N．m以上大力矩电动执行器进行模拟负载加载测试的现状，研制了一种可操作性好、测试精度高以及满足超大力矩测试的工装设备。

本文以液压技术、智能控制技术为基础，研究并实现专用液压缸和特殊油路逻辑，使缸体设计能够满足测试强度要求，液压油能按设计进入各个回路，保证测试正常进行，同时对缸体的连接和安装方式进行了设计；研究并实现电液联动控制技术，通过对各类液压元件的选型设计以及控制算法设计，保证了测试的安全和精度；设计了智能操作终端，通过PC机和PLC逻辑控制模块对系统各个模块的功能和控制方式进行编程设计，并设计了合理的用户界面，适应了工厂车间现场的操作工艺流程。测试结果证明：测量系统的测试精度达到1%。该测试系统成功研制填补国内大力矩电动执行器的输出力矩精确测试的空白，有力地推动了我国石化管道关键设备国产化的进程。