液壓梭閥的耐久性試驗(yàn)研究

(1.中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410083； 2.山河智能裝備股份有限公司，湖南長(zhǎng)沙 410100)

引言

梭閥是實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)自動(dòng)化控制的一個(gè)重要基礎(chǔ)元件，是一種閥體與執(zhí)行器合二為一的直行程閥門。具有流體阻力小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、質(zhì)量輕、緊密可靠、操作方便、開閉迅速、維修方便、適用范圍廣等一系列優(yōu)點(diǎn)[1]，廣泛應(yīng)用在挖掘機(jī)、起重機(jī)、旋挖鉆機(jī)等工程機(jī)械中[2]。在挖掘機(jī)產(chǎn)品上的原有梭閥在實(shí)際工作條件下出現(xiàn)了泄漏量大、疲勞破壞等一些問題，使得原有梭閥在實(shí)際的使用過程中壽命不能達(dá)到預(yù)期值。為了解決這些問題，重新設(shè)計(jì)出了一款新的液壓梭閥，通過和原有梭閥在SUNW100型高速脈沖疲勞試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行的對(duì)比試驗(yàn)，驗(yàn)證了自制梭閥的優(yōu)良性能[3-4]。

1 梭閥結(jié)構(gòu)及其工作原理

自制梭閥結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由閥蓋1、密封圈2、鋼球3和閥體4等零部件組成。閥體一端采用螺紋連接，另一端采用法蘭連接；密封圈采用O形橡膠密封圈進(jìn)行密封；閥體材料為碳鋼。當(dāng)進(jìn)油口P1端流入高壓油時(shí)，油液推動(dòng)鋼球向左運(yùn)動(dòng)，堵住進(jìn)油口P2端，進(jìn)油口P1端與出油口相通；當(dāng)進(jìn)油口P2端流入高壓油時(shí)，油液推動(dòng)鋼球向右運(yùn)動(dòng)，堵住進(jìn)油口P1端，進(jìn)油口P2端與出油口相通。

1.閥蓋 2.密封圈 3.鋼球 4.閥體圖1 自制梭閥結(jié)構(gòu)圖

2 梭閥耐久性試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 梭閥實(shí)際工況

在進(jìn)行耐久性試驗(yàn)之前，先采集了梭閥在實(shí)際工況下主機(jī)的壓力，如圖2所示，作為梭閥試驗(yàn)的一個(gè)參考依據(jù)。在實(shí)際的工況下，梭閥的工作壓力峰值為30 MPa，完成一個(gè)周期動(dòng)作所需要的時(shí)間為15 s，曲線的形狀近似為梯形，主機(jī)加載在梭閥兩端的流量達(dá)到了25 L/min。

圖2 主機(jī)壓力曲線

2.2 梭閥試驗(yàn)原理分析

在SUNW100型高速脈沖疲勞試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了原有梭閥和自制梭閥的對(duì)比性試驗(yàn)。試驗(yàn)原理如圖3所示。

試驗(yàn)時(shí)，將梭閥的P1端與增壓缸的右端相連，梭閥的P2端與增壓缸的左端相連，同時(shí)將梭閥的出油口P3堵住，形成一個(gè)大的封閉容腔。壓力傳感器9和10

1.油箱 2.單向變量泵 3.電機(jī) 4.二位二通電磁換向閥5.先導(dǎo)溢流閥 6.單向節(jié)流閥 7.三位四通電磁換向閥 8.雙作用增壓缸 9.壓力傳感器1 10.壓力傳感器211.位移傳感器 12.梭閥圖3 梭閥試驗(yàn)液壓原理圖

分別檢測(cè)增壓缸左端和右端的壓力，位移傳感器L用于檢測(cè)增壓缸活塞的位移。試驗(yàn)過程中采用1個(gè)三位四通的電磁換向閥進(jìn)行換向，當(dāng)液壓系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，電磁換向閥左端得電，增壓缸活塞向右運(yùn)動(dòng)，梭閥P1端進(jìn)油，鋼球向左運(yùn)動(dòng)，堵住梭閥進(jìn)油口P2，壓力傳感器10的示數(shù)開始上升，當(dāng)壓力值達(dá)到設(shè)定壓力值時(shí)，電磁換向閥右端得電，增壓缸活塞向左運(yùn)動(dòng)，梭閥P2端進(jìn)油，鋼球向右運(yùn)動(dòng)，堵住梭閥進(jìn)油口P1，壓力傳感器9的示數(shù)開始上升，當(dāng)壓力值達(dá)到設(shè)定的壓力值時(shí)，電磁換向閥左端得電。如此，高壓脈沖疲勞試驗(yàn)臺(tái)完成對(duì)梭閥一次循環(huán)測(cè)試[5-7]。

2.3 梭閥加載流量和壓力理論計(jì)算

為了對(duì)比驗(yàn)證自制梭閥和原有梭閥在泄漏量和耐久性上的差別，耐久性試驗(yàn)需要在密閉的容腔中進(jìn)行。在圖3所示的液壓系統(tǒng)中，液壓油在液壓泵、管路、控制部件、執(zhí)行部件等基本液壓元件組成的封閉容腔中流動(dòng)，構(gòu)成了大的動(dòng)態(tài)封閉容腔，其中液壓缸、液壓泵的工作腔、管路等構(gòu)成了小的動(dòng)態(tài)封閉容腔。所謂動(dòng)態(tài)的封閉容腔是指在某一個(gè)觀察的時(shí)間t內(nèi)，既有流量流入也有流量流出這個(gè)密閉容腔[8]。

現(xiàn)將雙作用增壓缸視為動(dòng)態(tài)封閉容腔，已知增壓缸大腔的半徑R=125 mm，活塞桿的半徑r=63 mm，活塞桿的行程為100 mm，增壓缸活塞的位移可以通過傳感器檢測(cè)得到，則在t時(shí)間內(nèi)，流進(jìn)和流出增壓缸油液流量的改變量為：

(1)

式中, Δq—— 流進(jìn)和流出增壓缸油液流量的改變量

s—— 增壓缸活塞位移

R—— 增壓缸大腔半徑

r—— 增壓缸小腔半徑

t—— 時(shí)間間隔

流進(jìn)梭閥兩端的流量改變量為：

(2)

已知?jiǎng)討B(tài)封閉容腔的壓力計(jì)算公式為：

(3)

式中，Δp—— 在t時(shí)間內(nèi)，動(dòng)態(tài)封閉容腔的壓力變化值

E—— 有效體積的彈性模量

V—— 雙作用增壓缸動(dòng)態(tài)封閉容腔的總體積

將式(1)帶入到式(2)，得到增壓缸動(dòng)態(tài)封閉容腔的理論壓力改變量計(jì)算公式為：

(4)

根據(jù)活塞桿平衡，可得到加載在梭閥兩端的壓力改變量計(jì)算公式為：

(5)

2.4 梭閥試驗(yàn)條件

對(duì)比梭閥在實(shí)際工況條件下工作的壓力值和工作周期，設(shè)定高壓脈沖疲勞試驗(yàn)臺(tái)的試驗(yàn)壓力波形為梯形，同時(shí)設(shè)定高壓脈沖疲勞試驗(yàn)臺(tái)的壓力值和頻率分別為35 MPa和50 Hz，即當(dāng)壓力傳感器9和10分別檢測(cè)到壓力值為35 MPa時(shí)，電磁換向閥開始換向，每隔0.02 s采集一次數(shù)據(jù)。

3 梭閥試驗(yàn)結(jié)果分析

在高壓脈沖疲勞試驗(yàn)臺(tái)上分別對(duì)原有梭閥和自制梭閥進(jìn)行了155 萬次的脈沖測(cè)試，驗(yàn)證加載在梭閥兩端的流量和壓力的正確性和自制梭閥的穩(wěn)定性。試驗(yàn)的過程中，用量杯分別量取了53，110，130，155萬次原有梭閥和自制梭閥的泄漏量。

3.1 梭閥加載壓力和流量驗(yàn)證

自制梭閥和原有梭閥脈沖試驗(yàn)過程中，通過位移傳感器測(cè)得增壓缸活塞的位移曲線如圖4所示，圖中曲線向正方向偏移是因?yàn)樗箝y的進(jìn)油口P1端的內(nèi)徑大于進(jìn)油口P2端的內(nèi)徑，需要更多的油液來推動(dòng)鋼球。根據(jù)測(cè)得的位移曲線可以得到流進(jìn)自制梭閥和原有梭閥兩端的流量曲線如圖5所示，可以看出加載在梭閥兩端的流量均能達(dá)到25 L/min，滿足梭閥在實(shí)際工況下工作的流量條件，說明了此次試驗(yàn)流量加載的正確性。

圖4 雙作用增壓缸活塞位移曲線

圖5 梭閥兩端流量加載曲線

圖6和圖7分別給出了原有梭閥和自制梭閥兩端測(cè)試壓力和理論壓力的變化趨勢(shì)，從圖中可以看出加

圖6 原有梭閥測(cè)試壓力與理論壓力

圖7 自制梭閥測(cè)試壓力與理論壓力

載在梭閥兩端的壓力均達(dá)到了35 MPa，滿足梭閥在實(shí)際工況下工作的壓力條件，并且不管是原有梭閥還是自制梭閥，加載在兩端的測(cè)試壓力和計(jì)算得到的理論壓力變化趨勢(shì)具有很好的一致性，說明了此次試驗(yàn)壓力加載的正確性。

圖8和圖9分別給出了原有梭閥和自制梭閥測(cè)試壓力和理論壓力的誤差值，相比于原有梭閥，自制梭閥的誤差值變化范圍更小，穩(wěn)定性更好。

圖8 原有梭閥測(cè)試壓力與理論壓力誤差

圖9 自制梭閥測(cè)試壓力與理論壓力誤差

3.2 梭閥泄漏量對(duì)比驗(yàn)證

梭閥長(zhǎng)時(shí)間工作在高壓的環(huán)境之中，流經(jīng)梭閥的介質(zhì)通常為液壓油，這對(duì)梭閥的密封性提出了很高的要求[9-12]。在對(duì)原有梭閥和自制梭閥進(jìn)行高速脈沖試驗(yàn)的過程中，用量杯分別量取了梭閥在53，110，131，155萬次編號(hào)分別為1～6的梭閥泄漏量，得到了表1的結(jié)果，表中編號(hào)1為原有梭閥，編號(hào)2～6為自制梭閥，圖10為測(cè)試時(shí)原有梭閥油液泄漏情況。

圖10 原始梭閥油液泄漏情況

表1 不同高壓脈沖次數(shù)下梭閥泄漏測(cè)試結(jié)果

從表中可以看出，在53萬次測(cè)量時(shí)，原有梭閥和自制梭閥均未出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象。隨著脈沖次數(shù)的增加，原有梭閥分別在110，131，155萬次測(cè)量時(shí)出現(xiàn)了8，10，10滴的泄漏量，而自制梭閥在155萬次的脈沖試驗(yàn)中均未出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象。從測(cè)試的泄漏結(jié)果來看，自制梭閥的密封性能遠(yuǎn)比原有梭閥好。

3.3 梭閥臺(tái)架試驗(yàn)和工況對(duì)比驗(yàn)證

自制梭閥和原有梭閥在壓力為35 MPa，50 Hz的高壓脈沖條件下進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，相比于實(shí)際工況梭閥的工作條件，臺(tái)架試驗(yàn)的環(huán)境更加惡劣?？梢钥闯?，自制梭閥在更加惡劣的臺(tái)架試驗(yàn)上的性能比原有梭閥性能更好，在實(shí)際的工況條件下，自制梭閥也將比原有梭閥表現(xiàn)出更加明顯的優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)論

在高速脈沖疲勞試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了自制梭閥和原有梭閥的耐久性對(duì)比試驗(yàn)。首先通過對(duì)比梭閥測(cè)試曲線和理論計(jì)算曲線得出加載在梭閥兩端的流量和壓力是正確的，驗(yàn)證了高壓脈沖疲勞試驗(yàn)臺(tái)對(duì)梭閥耐久性試驗(yàn)的正確性；接著通過對(duì)比自制梭閥和原有梭閥測(cè)試壓力和理論壓力的誤差曲線表明，自制梭閥的穩(wěn)定性更好；然后對(duì)比驗(yàn)證了自制梭閥和原有梭閥的泄漏量，試驗(yàn)結(jié)果表明，自制梭閥的泄漏量低，密封性好，最后，由于臺(tái)架試驗(yàn)的加載條件比實(shí)際工況的工作條件更加惡劣，在實(shí)際工況下，自制梭閥的工作壽命將會(huì)更長(zhǎng)。整個(gè)梭閥疲勞耐久性對(duì)比試驗(yàn)表明，自制梭閥的整體性能優(yōu)于原有梭閥，實(shí)際工況下工作的壽命將會(huì)長(zhǎng)于原有梭閥，驗(yàn)證了自制梭閥設(shè)計(jì)的正確性。