大缸徑長(zhǎng)行程液壓缸試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)及工程實(shí)踐

陳東寧，徐海濤，姚成玉

(1.燕山大學(xué)河北省重型機(jī)械流體動(dòng)力傳輸與控制實(shí)驗(yàn)室，河北秦皇島066004;2.先進(jìn)鍛壓成形技術(shù)與科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(燕山大學(xué))，河北秦皇島066004;3.燕山大學(xué)河北省工業(yè)計(jì)算機(jī)控制工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北秦皇島066004)

液壓缸作為液壓系統(tǒng)中重要的執(zhí)行元件，其質(zhì)量好壞直接影響到液壓系統(tǒng)的工作性能。隨著液壓技術(shù)的發(fā)展以及國家對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的嚴(yán)格要求，液壓缸的檢測(cè)已成為保證液壓系統(tǒng)性能的重要手段之一，通過檢測(cè)來評(píng)價(jià)液壓缸這類產(chǎn)品的行程、泄漏、負(fù)載效率等性能指標(biāo)，避免有質(zhì)量問題的液壓缸進(jìn)入市場(chǎng)，給客戶帶來損失及安全隱患［1］。

目前，在液壓缸試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)的電液控制和試驗(yàn)臺(tái)架的設(shè)計(jì)上取得了一定的成果［2－4］，多泵組驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)方法在液壓站設(shè)計(jì)上得到應(yīng)用［5］。文獻(xiàn)［6］采用比例溢流閥代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手動(dòng)調(diào)壓閥，實(shí)現(xiàn)了控制自動(dòng)化，但動(dòng)力源采用單泵供油，會(huì)造成能源浪費(fèi)。文獻(xiàn)［7］設(shè)計(jì)的臺(tái)架，采用型鋼和鋼板焊接的結(jié)構(gòu)形式，但是對(duì)于不同長(zhǎng)度的被測(cè)試缸需要手動(dòng)安裝、定位，操作不方便、且臺(tái)架承載力不強(qiáng)。文獻(xiàn)［8］設(shè)計(jì)了一種新型的Z 字型試驗(yàn)臺(tái)架，但是該臺(tái)架適合小型液壓缸的安裝、測(cè)試，對(duì)于規(guī)格大、質(zhì)量大的液壓缸，安裝、操作不方便，且強(qiáng)度不夠。

為此，設(shè)計(jì)出一臺(tái)節(jié)能、適應(yīng)范圍廣的液壓缸試驗(yàn)臺(tái)，可以對(duì)多種規(guī)格液壓缸進(jìn)行型式試驗(yàn)，主要試驗(yàn)有試運(yùn)行、起動(dòng)壓力、行程測(cè)試、耐壓測(cè)試、耐久性疲勞測(cè)試、高溫測(cè)試、泄漏測(cè)試、負(fù)載效率測(cè)試。

該試驗(yàn)臺(tái)性能滿足以下要求:

(1)能夠?qū)ψ畲蟾讖綖棣?20 mm、最長(zhǎng)行程為1 500 mm、最大額定壓力為16 MPa 的液壓缸進(jìn)行檢測(cè)。

(2)保證能夠?qū)Ρ粶y(cè)試缸進(jìn)行最大為31.5 MPa的耐壓測(cè)試。

(3)試驗(yàn)臺(tái)架滿足不同缸徑、不同行程規(guī)格、不同安裝方式的被測(cè)試缸的檢測(cè)需求。

1 試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 液壓系統(tǒng)構(gòu)成

試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)是由油箱、高低壓泵供油系統(tǒng)、比例加載系統(tǒng)、同步定位系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、氣控系統(tǒng)等幾部分組成:

(1)油箱為開式結(jié)構(gòu)，輔件有4 個(gè)過濾器、液位計(jì)、溫度傳感器和3 個(gè)加熱器。

(2)主供油系統(tǒng)由高壓小流量泵組、低壓大流量泵組、比例溢流閥、過濾裝置、控制系統(tǒng)等組成，用來提供不同的壓力、流量和保證液壓油的清潔度。

(3)比例加載系統(tǒng)由比例溢流閥壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)、補(bǔ)液泵組、單向閥、加載液壓缸等組成，用來給液壓缸提供可調(diào)的負(fù)載力。

(4)同步定位系統(tǒng)由電磁換向閥、手動(dòng)換向閥、分流集流閥、液壓鎖、定位液壓缸等組成。電磁換向閥實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，手動(dòng)換向閥實(shí)現(xiàn)就地微調(diào)功能，分流集流閥用于保證兩只定位液壓缸同步運(yùn)動(dòng)，液壓鎖實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)鎖緊功能。通過上述元件對(duì)兩只定位液壓缸進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，調(diào)節(jié)被測(cè)試缸與加載液壓缸之間的距離，實(shí)現(xiàn)不同行程規(guī)格的被測(cè)試缸的安裝測(cè)試。

(5)冷卻系統(tǒng)由冷油機(jī)和回油過濾器組成，冷油機(jī)冷卻功率大、安裝方便，回油過濾器起到了循環(huán)過濾的作用。

(6)氣控系統(tǒng)由空氣壓縮機(jī)提供氣源，通過氣源處理元件過濾處理、控制閥控制來實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)閥門的通斷。

液壓系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 液壓系統(tǒng)原理圖

1.2 關(guān)鍵元件計(jì)算選型

根據(jù)系統(tǒng)要求，對(duì)主要液壓元件計(jì)算選型。

(1)液壓缸

根據(jù)要求，最大的被測(cè)試缸缸徑為φ320 mm，最長(zhǎng)行程為1 500 mm，最大的額定壓力p 為16 MPa。以下計(jì)算時(shí)忽略液壓缸的機(jī)械效率。

被測(cè)試缸無桿腔輸出的最大力F:

式中:A 為φ320 mm 被測(cè)試缸無桿腔面積，mm2。

被測(cè)試缸有桿腔輸出的最大力F1:

式中:A1為φ320 mm 被測(cè)試缸有桿腔面積，mm2。

保證被測(cè)試缸在額定壓力下測(cè)試，需要加載液壓缸至少輸出上述計(jì)算的力，求得加載液壓缸的缸徑D和桿徑d。

式中:p1為加載比例閥調(diào)定壓力，MPa。

考慮安全因素，圓整后取大值φ250 mm，同理可得，桿徑取標(biāo)準(zhǔn)φ140 mm。所以加載液壓缸缸徑為φ250 mm、桿徑為φ140 mm。

兩只定位液壓缸是用來固定被測(cè)試缸的，所以這兩只液壓缸至少也要保證承受上述的力，用同樣的公式計(jì)算得定位液壓缸的缸徑為φ160 mm，桿徑為φ90 mm。

(2)液壓泵及電機(jī)

液壓泵根據(jù)被測(cè)試缸的測(cè)試速度及系統(tǒng)壓力需求進(jìn)行計(jì)算選擇。

該系統(tǒng)采用高低壓泵組、高壓小流量泵用來進(jìn)行被測(cè)試缸的耐壓測(cè)試以及缸徑為φ125 mm 的被測(cè)試缸的檢測(cè)，低壓大流量泵用來進(jìn)行缸徑為φ125 ～φ320 mm 的被測(cè)試缸的耐久性等測(cè)試項(xiàng)目。根據(jù)要求，耐久疲勞測(cè)試中φ320 mm 被測(cè)試缸的最大測(cè)試速度為v=50 mm/s，需要的流量Q 為:

式中:A 為φ320 mm 被測(cè)試缸無桿腔面積，mm2。

高壓小流量泵保證輸出的流量Q1至少為:

式中:A2為φ125 mm 被測(cè)試缸無桿腔面積，mm2。

因此，高壓泵選擇排量為32 mL/r 軸向柱塞泵，額定壓力為p2=35 MPa，四級(jí)電機(jī)驅(qū)動(dòng)下可輸出的流量為Q2=48 L/min。考慮電機(jī)效率，驅(qū)動(dòng)電機(jī)8 功率P1為:

式中:η 為電機(jī)效率，取η=0.93。

選擇Y200L-4 型電機(jī)，額定功率為30 kW。

低壓大流量泵保證輸出的最大流量Q3為:

Q3=Q－Q2=193.2 L/min

低壓泵選擇排量為130 mL/r 的柱塞泵，四級(jí)電機(jī)驅(qū)動(dòng)下可輸出的流量Q4為195 L/min。驅(qū)動(dòng)電機(jī)10 功率P2為:

綜合考慮成本等因素，選擇Y250M-4 型電機(jī)，額定功率為55 kW。

同理，加載液壓缸的流量需求Q5為:

式中:A3為加載液壓缸無桿腔面積，mm2。

補(bǔ)液泵29 用來給加載液壓缸補(bǔ)液用的，選擇變量葉片泵，最大排量為108 mL/r，使用壓力p 只需1 ～3 MPa 即可，所以電動(dòng)機(jī)28 功率P3為:

式中:q 為葉片泵排量，mL/r;n 為電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min。

選擇Y160M-4 型電機(jī)，額定功率為11 kW。

3 行程可調(diào)式試驗(yàn)臺(tái)架設(shè)計(jì)與分析

3.1 行程可調(diào)式試驗(yàn)臺(tái)架設(shè)計(jì)

液壓缸試驗(yàn)臺(tái)的試驗(yàn)臺(tái)架是用來固定被測(cè)試缸、加載液壓缸以及定位液壓缸的，該臺(tái)架要保證能夠安裝最大缸徑為φ320 mm、最長(zhǎng)行程為1 500 mm 的被測(cè)試缸，同時(shí)要保證強(qiáng)度。

目前，常用的試驗(yàn)臺(tái)架主要有框架式、焊接箱體式、桁架式。綜合考慮，設(shè)計(jì)出一種新型的液壓變行程可微調(diào)定位鎖緊式液壓缸試驗(yàn)臺(tái)架，不僅可以保證強(qiáng)度，而且美觀，拆裝液壓缸方便、可靠。該臺(tái)架主要包括以下幾部分(如圖2所示):底架5 用來支撐上部臺(tái)架，前板2 用來固定加載液壓缸1，中間板7通過中間板過渡板8 用來安裝、固定不同規(guī)格的被測(cè)試缸及定位液壓缸的活塞桿，后板11 用來固定定位液壓缸9，4 根光軸3 用來連接這三塊板以及承載拉壓力，液壓控制元件12 ～15 用于控制定位液壓缸9，實(shí)現(xiàn)其行程可微調(diào)可定位鎖緊功能，滿足不同行程規(guī)格被測(cè)試缸的安裝測(cè)試需求。圖3 為前法蘭被測(cè)試缸安裝的三維示意圖。

圖2 試驗(yàn)臺(tái)架設(shè)計(jì)圖

圖3 前法蘭被測(cè)試缸安裝三維示意圖

該臺(tái)架的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)，要綜合考慮最大的被測(cè)試液壓缸和最小的被測(cè)試液壓缸的安裝尺寸及伸出和縮回時(shí)的長(zhǎng)度，加載液壓缸和定位液壓缸的外形尺寸、行程以及抗拉壓強(qiáng)度等參數(shù)進(jìn)行確定。具體設(shè)計(jì)尺寸為:前板長(zhǎng)1 300 mm、寬350 mm、高800 mm，中間板長(zhǎng)1 300 mm、寬300 mm、高800 mm，后板長(zhǎng)1 300 mm、寬350 mm、高800 mm，光軸直徑φ80 mm、長(zhǎng)5 200 mm。圖4 為實(shí)際加工制造出的臺(tái)架。

圖4 試驗(yàn)臺(tái)架圖

3.2 試驗(yàn)臺(tái)架受力分析

液壓缸輸出的最大力為1.29 MN，考慮安全系數(shù)，上述試驗(yàn)臺(tái)架的尺寸是按5 倍的力進(jìn)行設(shè)計(jì)的。運(yùn)用力分析軟件ANSYS 對(duì)該臺(tái)架中的關(guān)鍵零件進(jìn)行6.37 MN 的受力分析，分析結(jié)果如圖5—9所示。

圖5 光軸彎曲程度分析

圖6 光軸抗拉強(qiáng)度分析

圖7 前板抗拉強(qiáng)度分析

圖8 中間板抗拉強(qiáng)度分析

圖9 后板抗拉強(qiáng)度分析

從圖5 可知:光軸在中間板的重力及本身重力作用下會(huì)產(chǎn)生較大的彎曲變形，彎曲變形最嚴(yán)重的地方在中心，為8.431 mm，因此在中間板與底架間安裝直線滑軌;從圖6 可知:光軸最大受拉強(qiáng)度為442.627 MPa ＜570 MPa，滿足許用抗拉強(qiáng)度;從圖7可知:前板最大受拉強(qiáng)度為64.334 MPa ＜120 MPa，滿足許用抗拉強(qiáng)度;從圖8 可知:中間板最大受拉強(qiáng)度為33.141 MPa ＜120 MPa，滿足許用抗拉強(qiáng)度;從圖9 可知:后板最大受拉強(qiáng)度為65.809 MPa ＜120 MPa，滿足許用抗拉強(qiáng)度。由以上分析可知，此試驗(yàn)臺(tái)架設(shè)計(jì)是合理的。

4 工程實(shí)踐

4.1 調(diào)試過程中的故障及處理

設(shè)計(jì)、加工、裝配完畢后，即可進(jìn)入調(diào)試階段。將加載液壓缸、定位液壓缸安裝到測(cè)試臺(tái)架上，分別開啟高低壓泵、補(bǔ)液泵，查看液壓缸的動(dòng)作是否正確，系統(tǒng)是否有設(shè)計(jì)、裝配等問題。

調(diào)試時(shí)出現(xiàn)以下問題:

(1)當(dāng)開啟定位液壓缸的換向閥時(shí)，兩只定位液壓缸不同步運(yùn)動(dòng)，于是中間板在定位液壓缸的作用下傾斜前進(jìn)，這樣會(huì)導(dǎo)致無法試驗(yàn)。通過排查分析得知，此現(xiàn)象是分流集流閥、液壓鎖、電磁換向閥、手動(dòng)換向閥的集成閥塊的出口距兩只定位液壓缸的油口距離不一致導(dǎo)致的。于是，重新將閥塊整體安裝到距定位液壓缸最近的位置，同時(shí)所用連接管路長(zhǎng)度也一致。

(2)流量計(jì)19－1 沒有輸出信號(hào)，開始以為是電氣線路接錯(cuò)的原因，但通過仔細(xì)排查發(fā)現(xiàn)，流量計(jì)機(jī)體里的橢圓齒輪被液壓油里的鐵屑卡住了，于是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，在泵出口安裝一個(gè)過濾精度為10 μm的高壓過濾器，保證液壓油的清潔度。由此看出，液壓油的清潔度對(duì)系統(tǒng)的影響是很大的。

4.2 液壓缸測(cè)試

將缸徑φ200 mm、行程1 000 mm、額定壓力16 MPa 的被測(cè)試缸安裝到試驗(yàn)臺(tái)架上，通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與控制，進(jìn)行以下測(cè)試［9］。

(1)試運(yùn)行

調(diào)整試驗(yàn)系統(tǒng)壓力，使被測(cè)液壓缸在無負(fù)載工況下全行程往復(fù)運(yùn)動(dòng)5 次，完全排除液壓缸內(nèi)的空氣。

(2)起動(dòng)壓力特性試驗(yàn)

逐漸調(diào)整比例溢流閥13-1 的壓力使液壓缸起動(dòng)，計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄液壓缸的最低起動(dòng)壓力為0.25 MPa。

(3)行程試驗(yàn)

連接上加載液壓缸，使該被測(cè)試缸的活塞分別停在兩端極限位置，通過加載液壓缸里的位移傳感器測(cè)量其行程，多次測(cè)量取平均值，得到測(cè)試結(jié)果為1 002.5 mm。

(4)耐壓試驗(yàn)

使被測(cè)試缸活塞分別停在行程的兩端，通過高壓泵向工作腔施加24 MPa 的公稱壓力，保壓1 min。進(jìn)行耐壓測(cè)試的同時(shí)進(jìn)行了泄漏測(cè)試，無桿腔進(jìn)油時(shí)關(guān)閉氣動(dòng)閥門18-1、18-2，打開氣動(dòng)閥門18-3，通過流量計(jì)19-2 測(cè)試內(nèi)泄漏量為2.25 mL/min;有桿腔進(jìn)油時(shí)關(guān)閉氣動(dòng)閥門18-1、18-3，打開氣動(dòng)閥門18-2，通過流量計(jì)19-1 測(cè)試內(nèi)泄漏量為2.01 mL/min。

保壓完成后，被測(cè)試缸沒有變形、沒有外泄漏現(xiàn)象。

(5)耐久試驗(yàn)

在16 MPa 壓力下，通過控制電液換向閥16，使被測(cè)試缸以50 mm/s 速度連續(xù)運(yùn)行8 h，由位移傳感器27 記錄的累積行程為1.313 ×106mm，同時(shí)觀察到液壓缸前端蓋與活塞桿密封處有輕微外泄漏現(xiàn)象。

(6)負(fù)載效率試驗(yàn)

使被測(cè)試缸保持50 mm/s 的勻速運(yùn)動(dòng)，通過安裝在被測(cè)試缸活塞桿上的稱重傳感器25 測(cè)試實(shí)際的拉壓力，由計(jì)算機(jī)計(jì)算不同壓力下的負(fù)載效率，并繪制效率曲線。負(fù)載效率測(cè)試曲線如圖10所示，從圖中可看出，被測(cè)試液壓缸的負(fù)載效率隨著壓力的升高而增大。

圖10 負(fù)載效率曲線

5 結(jié)束語

設(shè)計(jì)出可以對(duì)最大缸徑為φ320 mm、最長(zhǎng)行程為1 500 mm、最大額定壓力為16 MPa 的液壓缸進(jìn)行型式試驗(yàn)的液壓缸試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)其液壓系統(tǒng)、試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，該試驗(yàn)臺(tái)具有以下特點(diǎn):

(1)液壓系統(tǒng)采用高低壓泵組合，滿足系統(tǒng)對(duì)壓力和流量的需求，減小了裝機(jī)功率;利用加載液壓缸及比例加載系統(tǒng)，滿足了被測(cè)試缸測(cè)試時(shí)對(duì)加載力的要求，同時(shí)可以在被測(cè)試缸任意行程位置進(jìn)行加載，解決傳統(tǒng)液壓缸試驗(yàn)臺(tái)只能在行程兩端加載、進(jìn)行泄漏量測(cè)試的問題。

(2)試驗(yàn)臺(tái)架結(jié)構(gòu)合理，支撐強(qiáng)度滿足要求，利用兩只定位液壓缸及其液壓控制系統(tǒng)來調(diào)節(jié)、固定臺(tái)架上安裝被測(cè)試缸的中間板，通過電磁換向閥可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制、通過手動(dòng)換向閥實(shí)現(xiàn)就地微調(diào)，滿足了不同缸徑、行程規(guī)格的被測(cè)試缸測(cè)試對(duì)試驗(yàn)臺(tái)架的要求。試驗(yàn)臺(tái)架具有原創(chuàng)性，已申請(qǐng)國家發(fā)明專利(申請(qǐng)?zhí)?2013100125996.0)。

總之，該試驗(yàn)臺(tái)滿足了大缸徑、長(zhǎng)行程液壓缸的測(cè)試需求，解決了實(shí)際工程問題;所采用的機(jī)械、液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)及分析方法，為今后液壓缸試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)提供了參考。

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