液壓往復(fù)密封試驗臺技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r

胡澤華，李俊濤

(廣州機械科學(xué)研究院有限公司，廣東廣州 510700)

0 引言

隨著我國工程機械行業(yè)的飛速發(fā)展，液壓元器件行業(yè)也隨之迅速壯大。液壓缸是較為重要的一種液壓元件，往復(fù)密封件又是液壓缸中重要的元件之一，其可靠性對液壓缸至關(guān)重要。往復(fù)密封可靠性驗證離不開液壓往復(fù)密封試驗臺。作者將從液壓元件及相關(guān)測試設(shè)備入手，簡單介紹國內(nèi)外液壓往復(fù)密封試驗臺的研究現(xiàn)狀。

1 液壓元件及其測試設(shè)備

1.1 概述

自1965年山西榆次液壓件成立以來，我國才真正開始從事液壓件的生產(chǎn)及研究。此后，上海機床廠、北京建筑機器廠、首鋼等主機廠逐漸投入到液壓件的生產(chǎn)及性能測試試驗臺的開發(fā)中，以確保本廠的液壓元件達(dá)到要求的性能指標(biāo)。隨著液壓行業(yè)的逐步壯大，我國開始制訂通用液壓件國家標(biāo)準(zhǔn)及專用液壓元件標(biāo)準(zhǔn)，此外，還在北京自動化研究所建成了我國第一家測試門類比較齊全的液壓元件測試中心，該測試中心也成為我國第一家生產(chǎn)液壓元件的測試設(shè)備設(shè)計與研發(fā)的中心。

1.2 液壓元件

液壓元件包括：(1)動力元件，如齒輪泵、葉片泵、柱塞泵、螺桿泵等；(2)執(zhí)行元件，如液壓缸、液壓馬達(dá)；(3)控制元件，如各種方向控制閥、壓力控制閥、流量控制閥；(4)輔助元件，如蓄能器、過濾器、冷卻器、加熱器、油管、管接頭、油箱、壓力計、流量計、密封裝置等。

1.3 液壓元件測試設(shè)備

液壓元件測試設(shè)備主要包括：各類液壓閥試驗臺、液壓泵試驗臺、液壓馬達(dá)試驗臺、液壓缸試驗臺、高壓脈沖試驗臺(管路及液壓輔助元件的脈沖壓力測試)等。其中各類液壓閥試驗臺、液壓缸試驗臺、液壓泵試驗臺占比最大[1]。

2 國內(nèi)外液壓元件測試設(shè)備主要供應(yīng)商

雖然經(jīng)過近50年的努力，我國液壓產(chǎn)品性價比方面具有一定優(yōu)勢，但由于起步較晚，技術(shù)力量不足，大部分國內(nèi)企業(yè)僅能在中低端產(chǎn)品上進(jìn)行競爭，而裝備制造業(yè)所需液壓關(guān)鍵核心零部件，如變量柱塞泵、馬達(dá)、多路閥和高壓油缸等高端液壓元件仍較大程度上依賴進(jìn)口。

隨著國家對關(guān)鍵零部件產(chǎn)業(yè)的重視，以及從事液壓核心零部件研發(fā)與生產(chǎn)的一批行業(yè)龍頭企業(yè)的迅速發(fā)展，我國的液壓核心零部件的試驗驗證手段不斷完善，如：天津工程機械研究院聯(lián)合國內(nèi)工程機械的龍頭企業(yè)及高等院校，申請工信部工程機械高端液壓元件及液壓系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化協(xié)同工作平臺項目，重點解決與中型挖掘機配套的高壓液壓泵、液壓馬達(dá)、液壓閥的自主化研制技術(shù)，制定設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)及建立測試規(guī)范，以提高我國高端液壓元件的可靠性及使用壽命，其液壓元件綜合試驗臺如圖1所示。

圖1 液壓元件(高壓泵、液壓馬達(dá)、閥)綜合試驗臺

隨著液壓行業(yè)尤其是工程機械行業(yè)的快速發(fā)展，國內(nèi)外多家液壓元件供應(yīng)商(特瑞堡、Freudenberg、德國普茨邁斯特公司、日本NOK、江蘇恒立液壓股份有限公司、貴州力源液壓股份有限公司、徐州工程機械研究院、柳州工程機械集團(tuán)有限公司、中聯(lián)重科股份有限公司及中冶邁克液壓公司等)、高校(浙江大學(xué)流體傳動及控制國家重點實驗室、武漢科技大學(xué)流體傳動與控制研究所)、科研院所(天津工程機械研究院、廣州機械科學(xué)研究院有限公司液壓研究所)及試驗臺專業(yè)供應(yīng)商(韓國富臨自動化株式會社、廣州新歐機械有限公司、廣州禹拓測控技術(shù)有限公司、天津百公百測控技術(shù)有限公司、徐州力成液壓設(shè)備有限公司及江蘇科邁液壓測控系統(tǒng)有限公司等)都投入精力從事液壓元件試驗臺的研制。

以上試驗臺供應(yīng)商中，以研制各類液壓閥試驗臺、液壓泵試驗臺的供應(yīng)商居多，從事過往復(fù)液壓缸試驗臺研制的供應(yīng)商比較有限。

3 往復(fù)液壓缸試驗項目

目前國內(nèi)的往復(fù)液壓缸試驗主要包括液壓缸總成試驗、單項試驗、零部件專項試驗及與同行業(yè)標(biāo)桿企業(yè)對比試驗。

(1)液壓缸總成試驗

針對新開發(fā)的液壓缸及重點液壓缸進(jìn)行全方位的工況模擬試驗或型式試驗，檢查液壓缸各方面的性能。

工況模擬試驗是檢驗液壓缸在規(guī)定的工況條件下的疲勞強度及耐久壽命，如焊縫的疲勞沖擊壽命、密封件的性能及耐久壽命、液壓缸的緩沖性能、活塞桿強度、鍍層附著能力等。

型式試驗按GB/T 15622-2005《液壓缸試驗方法》執(zhí)行，包括9項型式試驗(見單項試驗)。

(2)單項試驗

為試驗項目提供測試數(shù)據(jù)或進(jìn)行故障重現(xiàn)，包括9項型式試驗(試運轉(zhuǎn)試驗、啟動壓力試驗、耐壓試驗、泄漏試驗、緩沖試驗、效率試驗、高溫試驗、耐久試驗、行程試驗)、保壓試驗、2P沖擊試驗、2F沖擊試驗、偏載試驗、防水防塵試驗、摩擦力測試、應(yīng)力應(yīng)變測試等。

(3)零部件專項試驗

對液壓缸的零部件進(jìn)行專項測試試驗，包括密封件的使用壽命、焊縫強度、活塞桿強度等試驗。

(4)與同行業(yè)標(biāo)桿企業(yè)對比試驗

用自己單位自制的液壓缸與行業(yè)同類標(biāo)桿液壓缸進(jìn)行性能型式試驗對比，通過測試數(shù)據(jù)，找出存在的差距，進(jìn)行相應(yīng)的改善，向行業(yè)標(biāo)桿看齊。

目前國內(nèi)大型液壓缸生產(chǎn)廠在液壓缸出廠前都要對液壓缸進(jìn)行必要的保壓及密封泄漏測試，至于液壓缸總成試驗、單項試驗、零部件專項試驗以及與同行業(yè)標(biāo)桿企業(yè)對比試驗，只有部分高壓液壓缸及用戶有特殊要求時，油缸生產(chǎn)廠家才會按照要求進(jìn)行相關(guān)試驗驗證[2]。

4 國內(nèi)外液壓往復(fù)密封試驗臺研制狀況

以上4種類型的液壓缸試驗，每項試驗都與密封件的性能或使用壽命有關(guān)，盡管密封件的成本只占液壓缸成本的5%左右，但對液壓缸的性能至關(guān)重要。目前，我國液壓缸技術(shù)水平與國外的主要差距依然體現(xiàn)在密封件的性能方面，而往復(fù)液壓密封與國外的差距主要表現(xiàn)為缺乏有效的驗證方法及驗證設(shè)備。盡管液壓缸的4種試驗都涉及密封件的性能驗證，但其測試的重點主要是針對液壓缸主體進(jìn)行，對密封件的性能測試是附帶進(jìn)行的，密封件許多重要的性能測試項目并未涉及。由此可見，研制專用的液壓往復(fù)密封件試驗臺，有利于提高我國液壓缸的技術(shù)水平。

常規(guī)液壓往復(fù)密封件的試驗項目及方法如表1所示。

表1 常規(guī)液壓往復(fù)密封件的試驗項目及方法

國外知名的密封件公司，如：NOK、特瑞堡、Freudenberg Sealing Technologies 等，密封件性能測試臺架都比較完備，有一套完整的測試方法(ISO 7986:1997，JIS B2409:2002)及齊全的測試數(shù)據(jù)。據(jù)國內(nèi)某工程機械主機廠的技術(shù)人員介紹：NOK的液壓往復(fù)密封試驗臺架，設(shè)在日本NOK總部，一般不允許參觀，其試驗臺架的數(shù)量非常龐大。由于液壓元件的品種及規(guī)格繁多，市場需求的數(shù)量有限，其試驗臺的通用性相對較差，因此，除韓國富臨自動化株式會社外，國內(nèi)外真正專業(yè)從事液壓元件試驗臺研制的供應(yīng)商非常有限，主要是液壓元件生產(chǎn)廠家根據(jù)自身的產(chǎn)品需要，自行研制液壓元件試驗臺，這些液壓元件供應(yīng)商研制的試驗臺一般不對外銷售。其余主要是一些大學(xué)或研究機構(gòu)如：德國斯圖加特大學(xué)Institute of Machine Components-IMA實驗室、英國BHR Group(英國液壓流體工程研究機構(gòu))從事液壓元件試驗臺的研制。據(jù)不完全統(tǒng)計，從事過液壓往復(fù)密封件試驗臺研制，并對國內(nèi)客戶提供技術(shù)服務(wù)的國內(nèi)外廠家，僅有：韓國富臨自動化株式會社、江蘇恒立液壓股份有限公司、廣州機械科學(xué)研究院有限公司液壓研究所及浙江大學(xué)流體傳動及控制國家重點實驗室等。先簡要介紹國內(nèi)外液壓往復(fù)密封件試驗臺主要研制廠商的情況。

(1)特瑞堡公司

特瑞堡公司是國際知名的液壓往復(fù)密封件供應(yīng)商，busak+shamban寶色霞板作為特瑞堡密封系統(tǒng)旗下的知名品牌，于2007年4月2日起正式更名為特瑞堡密封系統(tǒng)。

據(jù)了解，特瑞堡公司在上海工廠有一臺液壓往復(fù)密封基礎(chǔ)試驗臺，主要用于活塞桿密封的性能測試，軸徑為50 mm，往復(fù)速度為0.05～0.35 m/s，往復(fù)行程為300 mm，測試介質(zhì)壓力為0～30 MPa。此外，上海工廠還有一臺液壓往復(fù)密封綜合試驗臺，其主要特點為：活塞桿通過滾輪可以在可轉(zhuǎn)動平面導(dǎo)軌上滑動，轉(zhuǎn)盤可以調(diào)節(jié)導(dǎo)軌的角度，通過轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤設(shè)置不同的導(dǎo)軌角度可以模擬活塞桿不同的偏載情況。

圖2是特瑞堡公司官方網(wǎng)站上介紹的活塞桿密封試驗臺，主要用于活塞桿密封件的性能及壽命測試。

圖2 活塞桿密封試驗臺

圖3是特瑞堡公司針對空中客車A350飛機起落架活塞桿密封的測試臺架，已經(jīng)完成20 000個完整的降落循環(huán)及額外的擦冰和噴水測試。此測試臺由斯圖加特特瑞堡研發(fā)中心完成，為浮動安裝結(jié)構(gòu)，可模擬不平坦的跑道，用于模擬密封件完整配置的長期耐久性及開發(fā)測試。主要工況參數(shù)如下：測試臺功率260 kW，質(zhì)量18 t；溫度-60～90 ℃；桿徑φ100～φ400 mm；往復(fù)速度1 m/s；載荷頻率10 Hz；油缸側(cè)向力225 kN。

圖3 活塞桿密封試驗臺

(2)韓國富臨自動化株式會社

韓國富臨自動化株式會社成立于1994年，主要從事挖掘機油缸及試驗裝置的研制。該公司成立以來，主要研制工程機械液壓元件試驗臺(含液壓缸)、往復(fù)密封件試驗臺、活塞桿安裝機及自動化設(shè)備，試驗設(shè)備主要分布在韓國、山東、江蘇、浙江、三一重工及山河智能等工程機械主機廠，包括生產(chǎn)用試驗臺及研究用試驗臺。據(jù)統(tǒng)計，自1994年至今，該公司銷售的工程機械類元件試驗設(shè)備數(shù)量接近150臺套。其試驗臺的優(yōu)點如下:①試驗臺實用性好；②穩(wěn)定性高，故障率極低；③其技術(shù)的成熟度、設(shè)計理念的先進(jìn)性及所掌握的試驗方法，均處于國際領(lǐng)先水平，在國內(nèi)外享有良好的聲譽，在往復(fù)高壓油缸密封試驗臺方面表現(xiàn)得尤為明顯。密封件試驗臺示例如圖4—圖5所示。

圖4 密封件試驗臺(一)

圖5 密封件試驗臺(二)

(3)江蘇恒立液壓股份有限公司

江蘇恒立液壓股份有限公司于1990年成立，是全球較大規(guī)模挖掘機油缸以及大型特種高壓油缸的研發(fā)制造供應(yīng)商。近幾年，恒立自主設(shè)計及制造的液壓元件試驗臺包括：多路閥試驗臺，液壓泵試驗臺，液壓缸試驗臺(如圖6所示)，高壓脈沖試驗臺，插裝閥試驗臺及液壓缸2P、2F耐久試驗臺(如圖7所示)等。其試驗臺具有以下優(yōu)點：①安全；②追求節(jié)能；③耐久性好(目標(biāo)25年)；④高精度；⑤操作簡化；⑥結(jié)構(gòu)緊湊，系統(tǒng)設(shè)計合理。

(4)其他

據(jù)了解，國內(nèi)有過液壓往復(fù)密封試驗臺研制經(jīng)驗的供應(yīng)商包括：廣州機械科學(xué)研究院有限公司液壓研究所、徐州工程機械研究院、中聯(lián)重科及浙江大學(xué)流體傳動及控制國家重點實驗室。其研究情況如下：

廣州機械科學(xué)研究院有限公司下屬機構(gòu)液壓研究所曾經(jīng)為該公司密封研究所研制煤礦液壓支架密封件試驗臺架(如圖8所示)、工程機械液壓往復(fù)密封試驗臺(如圖9所示)，先后為婁底中興液壓件有限公司提供混凝土泵車油缸的型式試驗臺及工程機械液壓往復(fù)密封試驗臺(如圖10所示)。

圖6 液壓缸試驗臺

圖7 液壓缸2P、2F耐久性試驗臺

圖8 煤礦液壓支架密封件試驗臺

圖9 液壓往復(fù)密封試驗臺

圖10 液壓往復(fù)密封試驗臺(婁底中興)

此外，徐州工程機械研究院有一臺液壓往復(fù)密封試驗臺，是參照NOK的試驗方法、與江蘇一家試驗臺供應(yīng)商共同研制開發(fā)的。

中聯(lián)重科屬下的中聯(lián)特力液壓缸試驗中心曾委托韓國富臨自動化株式會社為其研制一臺桿徑200 mm、行程500 mm、最高瞬時沖擊壓力70 MPa的密封試驗機，當(dāng)時由于種種原因雙方未能談妥，最后他們選擇自制。

浙江大學(xué)流體傳動及控制國家重點實驗室依托國家973課題，自行研制一臺往復(fù)油缸密封試驗臺。

5 液壓往復(fù)密封測試設(shè)備研制的關(guān)鍵技術(shù)

液壓往復(fù)密封測試設(shè)備一般由液壓站、密封試驗臺架、電氣控制柜以及測試與控制操作臺構(gòu)成，包括液壓系統(tǒng)及電氣控制系統(tǒng)兩大系統(tǒng)。電控系統(tǒng)主要分控制系統(tǒng)和CAT(Computer Aided Test，計算機輔助試驗)系統(tǒng)兩部分?？刂葡到y(tǒng)由人機界面、操作臺控制、流量控制系統(tǒng)、加載控制系統(tǒng)、溫度及液面控制系統(tǒng)等組成。CAT系統(tǒng)由計算機(工控機)、各種傳感器、信號調(diào)理裝置及輸入、輸出接口組成[3-5]。

由于驅(qū)動缸、液壓元件、傳感器、電氣控制元件等均可以外購進(jìn)口高檔產(chǎn)品，國外無技術(shù)壁壘，因此，元器件的優(yōu)劣并非液壓往復(fù)密封測試設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)，其關(guān)鍵技術(shù)主要包括：(1)液壓系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計；(2)被試缸的結(jié)構(gòu)優(yōu)化；(3)特殊結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

液壓系統(tǒng)的設(shè)計是否合理，決定了液壓往復(fù)密封測試設(shè)備的能耗、密封件測試項目的實現(xiàn)、噪聲控制、系統(tǒng)的穩(wěn)定性及液壓元件的壽命等。江蘇恒立液壓股份有限公司在設(shè)計試驗臺時，一直比較注重試驗臺的節(jié)能降耗，通過合理調(diào)整液壓系統(tǒng)的參數(shù)匹配，同時采取相關(guān)措施，既滿足用戶的要求，同時又節(jié)約系統(tǒng)的能耗。

被試缸的結(jié)構(gòu)是否合理，決定了液壓往復(fù)密封的試驗效率及試驗數(shù)據(jù)的真實性。不同的被試缸結(jié)構(gòu)設(shè)計，決定了它是否能夠真實模擬密封件的實際工況，同時有效提高密封件的試驗效率(如：活塞密封與活塞桿密封同時進(jìn)行試驗，或一個驅(qū)動缸可同時驅(qū)動多個被試缸等)。

對于有特殊要求的液壓往復(fù)密封測試設(shè)備，如挖掘機的鏟斗油缸密封件，工作時活塞桿需要承受側(cè)向偏載，如何選擇合理的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)側(cè)向偏載，同時又不影響測試設(shè)備的其他功能至關(guān)重要。

6 國內(nèi)液壓往復(fù)密封測試設(shè)備的差距

作為關(guān)鍵、核心基礎(chǔ)零部件之一的液壓往復(fù)密封件，由于其行業(yè)小，產(chǎn)業(yè)集中度低，投入大而見效慢，國內(nèi)行業(yè)廠無力進(jìn)行試驗設(shè)備的投入，其他的試驗臺供應(yīng)商也因需求量小而不愿意投入精力研究(據(jù)統(tǒng)計，目前國內(nèi)的液壓往復(fù)密封測試設(shè)備數(shù)量不超過10臺)，因此，我國的液壓往復(fù)密封測試設(shè)備與國外的主要供應(yīng)商在技術(shù)上有一定的差距，主要表現(xiàn)在[6]：

(1)液壓系統(tǒng)設(shè)計的合理性。國內(nèi)液壓往復(fù)密封測試設(shè)備在噪聲控制、系統(tǒng)的穩(wěn)定性及液壓元件的壽命等方面與國外設(shè)備相比均有一定的差距。

(2)設(shè)備的外觀。國內(nèi)一般不重視液壓往復(fù)密封測試設(shè)備的外觀設(shè)計，油管布置的美觀性、液壓站的整體防護(hù)、外觀件的烤漆等方面與國外設(shè)備相比也有一定的差距。

(3)設(shè)備的結(jié)構(gòu)布置。國外液壓往復(fù)密封測試設(shè)備的結(jié)構(gòu)相對比較緊湊，這一點在日本、韓國的試驗臺及其他設(shè)備上表現(xiàn)得比較明顯，江蘇恒立液壓股份有限公司基本繼承了這一優(yōu)良傳統(tǒng)。

(4)操作的方便性。只要設(shè)備的需求方提出要求，國內(nèi)在設(shè)備操作方便性方面與國外的差距總體不大。

(5)人機界面。由于經(jīng)驗及觀念的差異，國外液壓往復(fù)密封測試設(shè)備的顯示“界面”更受到用戶的歡迎。

(6)系統(tǒng)的改造與升級。國外液壓往復(fù)密封測試設(shè)備供應(yīng)商的售后服務(wù)與改進(jìn)更好，更靠近客戶，有版本的升級；而國內(nèi)供應(yīng)商在這方面的意識相對較差，驗收后即萬事大吉，很難想到升級改進(jìn)。

此外，國內(nèi)液壓往復(fù)密封測試設(shè)備的供應(yīng)商對油缸及其密封的了解程度遠(yuǎn)不如國外供應(yīng)商，部分供應(yīng)商的試驗臺甚至連漏油這類問題都未能解決。

7 結(jié)束語

隨著我國液壓往復(fù)密封行業(yè)的快速發(fā)展，密封件的可靠性顯得尤為重要，這就對液壓往復(fù)密封測試設(shè)備的研制提出了更高的要求。對我國的測試設(shè)備研制供應(yīng)商來說，這既是機會，也是挑戰(zhàn)，認(rèn)清我們與國外同行業(yè)之間的差距，腳踏實地，相信在不久的將來，我們的測試設(shè)備完全可以趕超國外同行的水平。

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