一種單向閥試驗臺的設(shè)計

(哈威油液壓技術(shù)(上海)有限公司， 上海 201206)

引言

隨著物流業(yè)的快速發(fā)展，叉車在物流業(yè)里發(fā)揮著巨大作用，而單向閥[1-2]在叉車液壓系統(tǒng)里扮演重要角色。作為叉車液壓系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，其性能的優(yōu)劣、工作可靠性的高低直接影響到叉車的整體性能質(zhì)量，所以對此單向閥的性能測試就顯得尤為重要[3]。

為了測試單向閥的綜合性能，大量的文獻(xiàn)從不同角度對其進行了理論分析和性能測試。文獻(xiàn)[4] 模擬了液控單向閥卸載時的壓力分布、速度分布矢量圖和帶有速度分布矢量的壓力分布圖，分析了空化旋渦產(chǎn)生和影響，優(yōu)化了孔道設(shè)計，為液控單向閥的設(shè)計提供了理論依據(jù)；文獻(xiàn)[5]論證了單向閥密封測試的重要性，設(shè)計了一種用于單向閥密封測試的裝置；文獻(xiàn)[6] 針對高壓調(diào)節(jié)閥使用壽命偏低的問題，討論多級降壓結(jié)構(gòu)對閥門性能的影響，為高壓閥芯的優(yōu)化設(shè)計提供了參考；文獻(xiàn)[7] 開發(fā)了采用PLC與步進電機控制的測試工裝，介紹該測試工裝的結(jié)構(gòu)、工作原理和控制要求；文獻(xiàn)[8]研究了一種利用永磁材料的單向閥，分析了單向閥的開啟流量壓力特性， 壓差流量特性。在已有的研究中，大都聚焦于分析單向閥的性能測試以及單向閥的單一性能測試，針對單向閥的大批量出廠檢驗測試所要求的快速與穩(wěn)定測試細(xì)節(jié)，還沒有提及。

此試驗臺是為了滿足某單向閥生產(chǎn)企業(yè)的實際生產(chǎn)要求，針對單向閥的大批量出廠檢驗，從設(shè)計依據(jù)、測試液壓原理、總體結(jié)構(gòu)、控制組成等多方面，對其進行分析論述[9-12]。同時試驗臺還要兼顧滿足生產(chǎn)效率、操作方便以及減少工作人員操作強度等要求。試驗臺實際運行半年以來，把測試效率提升了一倍，而且很好的控制了產(chǎn)品質(zhì)量，檢出的不良品率控制在0.2%，滿足了企業(yè)生產(chǎn)需求，收到了較好的效果。

1 單向閥試驗臺的設(shè)計依據(jù)

1.1 單向閥結(jié)構(gòu)原理

根據(jù)某生產(chǎn)廠家需求，此研究主要針對單向閥進行出廠性能測試。單向閥的連接方式是一款螺紋插裝閥，如圖1為叉車單向閥原理圖。

圖1 叉車單向閥原理圖

圖1中，單向閥有3個工作位置：左位、中位、右位；3個工作油口：P、A、R。右位是單向閥的初始位置，實現(xiàn)舉升負(fù)載功能；中位是單向閥供油壓力卸載功能和A口保持壓力功能；左位是單向閥的節(jié)流功能，實現(xiàn)負(fù)載快速或慢速下降功能，3個工作位置的切換由裝配在兩個鋼球之間的推桿行程決定。3個工作油口中，P口為高壓供油口，A口為工作油口，R口為低壓回油口。

1.2 試驗項目

依據(jù)單向閥的實際工況，需要對單向閥的各項性能進行測試，測試項目如下：

(1) 右位，測試A口的壓力和上置鋼球彈簧壓力，下置鋼球保壓功能；

(2) 中位，測試下置鋼球壓力卸載功能和上置鋼球保壓功能；

(3) 測試單向閥推桿行程；

(4) 左位，測試快速和慢速下降功能。

1.3 試驗主要技術(shù)要求

(1) 每個工作日每人測試數(shù)量不少于400 件；

(2) 上置單向閥彈簧壓力(1±0.2)MPa；

(3) 鋼球保壓性能不大于1 MPa/10 s；

(4) 推桿行程為(2±0.2)mm；

(5) 快速下降和慢速下降功能。

2 試驗臺的試驗原理和總體結(jié)構(gòu)

2.1 保壓和推桿行程測試原理

在設(shè)計整體液壓原理前，首先需要解決2個重要參數(shù)的測試原理：保壓測試和推桿行程測試。

1) 保壓測試原理

保壓測試是單向閥性能測試的重要技術(shù)要求，需要考慮多種因素的影響，主要有以下4個方面：

(1) 電磁滑閥換向閥本身存在泄漏；

(2) 從閥連接到被測元件的連接管路短小，由于管路里的油液容積小，導(dǎo)致電磁閥換向的瞬間，管路壓力降低的數(shù)值較大；

(3) 負(fù)載端的穩(wěn)態(tài)容腔小，很小的泄漏量就導(dǎo)致壓力變化很大，不能真實的反映被測試閥的保壓性能；

(4) 油液溫度的影響。

針對以上影響因素，給出了相應(yīng)的解決方案：

(1) 選用G型電磁球閥，利用其零泄漏的特點，使其的泄漏量對保壓測試的影響降低到最?。?/p>

(2) 在電磁閥的壓力出口后端，增加單向止回閥，避免了電磁閥換向?qū)е碌膲毫担?/p>

(3) 在被測試元件負(fù)載端即A口端，安裝1個與提升缸的容腔容積近似的容腔，解決了小容積低泄漏導(dǎo)致的壓力變化；

(4) 配置油冷機，使油箱的油液溫度被控制在穩(wěn)定的范圍內(nèi)。

2) 推桿行程測試原理

當(dāng)P口和A口的壓力為20 MPa時，步進電機進給，推動下置鋼球使P口的壓力降低0.3 MPa時，此位置為單向閥推桿初始位置，標(biāo)記為行程零點；步進電機繼續(xù)進給，P口的壓力繼續(xù)降低，當(dāng)步進電機推動上置鋼球使A口的壓力降低0.3 MPa時，此位置為單向閥推桿的工作位置，標(biāo)記為行程終點。2個位置的差值就是單向閥頂桿的行程2 mm。

2.2 試驗臺液壓原理

根據(jù)試驗臺快速裝拆、準(zhǔn)確檢測以及操作方便的要求，設(shè)計了單向閥試驗臺液壓原理。

其有4個測試原理相同的工位，目的是為了提高生產(chǎn)效率。當(dāng)?shù)?個工位裝配完成后啟動控制開關(guān)，測試程序自動進行測試，接著裝配下1個工位并啟動測試，當(dāng)?shù)?個工位開始測試時，第1個工位測試完成，4個工位正好是1個周期，保證測試效率，在此僅以一個工位的液壓原理進行說明。

如圖2所示，因為被測試閥15的工作壓力為超高壓40 MPa，所以系統(tǒng)油源采用超高壓徑向柱塞泵1供油，工作壓力可達(dá)70 MPa，保證被測試閥的正常測試。系統(tǒng)壓力由溢流閥4(設(shè)定壓力為40 MPa)和負(fù)載端溢流閥8(設(shè)定壓力為20 MPa)進行調(diào)節(jié)。換向閥3的作用是系統(tǒng)供油壓力卸載或加載；換向閥5的作用是系統(tǒng)供油選擇，連通被測試閥15的P口或A口；考慮當(dāng)被測試閥15通過測試后，除換向閥11外的所有電磁閥斷電，若被測試閥15的P口有殘余壓力，那么操作人員在拆除閥時，將發(fā)生油液噴濺現(xiàn)象。為了防止這種油液噴濺現(xiàn)象，配置了換向閥6； 由于測試壓力需要在40 MPa和20 MPa之間選擇， 所以配置換向閥7；換向閥10的作用是負(fù)載供油壓力卸載或加載；考慮到

1.徑向柱塞泵 2.電機 3、6、7、10、11.二位二通換向閥4.溢流閥 5.二位三通換向閥 8.溢流閥 9.容腔12.壓力傳感器 13.步進電機 14.接近開關(guān) 15.被測試元件16、17.單向閥 18.氣缸 19.移動門圖2 單向閥測試液壓原理圖

泵在整個測試過程中是始終工作的，所以需要配置電磁閥11，防止在泵無載荷狀態(tài)下拆裝被測試元件導(dǎo)致的A口油液外溢現(xiàn)象；在被測試閥15的三個油口P、A、R分別設(shè)置一個壓力傳感器(12.1～12.3)，實時檢測油口的工作壓力。

當(dāng)裝配被測單向閥時，氣缸18驅(qū)動移動門19打開，接近開關(guān)14.2檢測開門狀態(tài)；當(dāng)開始測試后，氣缸18驅(qū)動移動門19關(guān)閉，接近開關(guān)14.4檢測關(guān)門狀態(tài)，接近開關(guān)14.3檢測單向閥是否被安裝，防止漏裝被測元件導(dǎo)致的油液噴濺。

該試驗臺工作時對油液溫度進行控制，保證每一批次被試單向閥的出廠測試條件相同，并配置主油箱油液循環(huán)過濾系統(tǒng)，保證油液清潔度，同時配置殘油自動回收過濾系統(tǒng)，實現(xiàn)節(jié)能減排。

2.3 試驗臺測試步驟

1) 沖洗、彈簧壓力檢測和舉升

如圖3所示，在測試開始前，接近開關(guān)14.3和14.4同時觸發(fā)，接近開關(guān)14.4觸發(fā)的作用是移動門在關(guān)閉狀態(tài)的反饋信號；接近開關(guān)14.3觸發(fā)的作用是被測試元件已經(jīng)裝配好的反饋信號，防止漏裝被測單向閥而導(dǎo)致油液噴濺。在測試開始后，由于步進電機的位置是任意的，為了便于識別步進電機的初始位置，所以需要設(shè)置接近開關(guān)14.1，主要用于步進電機初始位置的初始化。隨后在測試過程中，被測試單向閥的彈簧壓力性能及舉升壓力檢測完全自動通過設(shè)置在油口的壓力傳感器來判斷。

圖3 沖洗、彈簧壓力和舉升測試過程

2) A口和P口的保壓測試

如圖4所示，保壓性能主要檢測單向閥在工作壓力下的壓力保持性能。在實際測試中，液壓原理中增加測試元件容腔9，其容積的大小與叉車起升油缸的容積相同，功能是補償保壓試驗時由于換向閥換向?qū)е碌膲毫λ查g降低。若保壓試驗時不裝配容積9，則考慮電磁閥的換向時間為30～50 ms，保壓端壓力會在這段時間內(nèi)瞬間降低3～5 MPa，而這個壓力降低是測試系統(tǒng)造成的，并不能真實反映被測試元件的保壓性能，所以容腔9是為了更真實的還原被測試單向閥的應(yīng)用，也為了得到更準(zhǔn)確的測試結(jié)果。同時，在測試油路中增加單向閥16，其目的也是為了減少測試系統(tǒng)的壓力損失對測試結(jié)果的影響。

圖4 A口和P口的保壓測試過程

3) 推桿行程測試

如圖5所示，當(dāng)步進電機推動下置鋼球，P口壓力開始降低的一瞬間，就是推桿行程的起始位置：當(dāng)步進電機繼續(xù)進給，推動上置鋼球使A口壓力開始降低的一瞬間，就是推桿行程的工作位置，兩個位置的差值就是推桿行程。

4) 慢速下降和快速下降測試

如圖6所示，慢速下降和快速下降測試是通過檢測負(fù)載端A口的背壓來實現(xiàn)的。接近開關(guān)14.2觸發(fā)的作用是移動安全門處于打開狀態(tài)的反饋信號。安全門打開后，拆除被測試元件前，為了防止拆除單向閥導(dǎo)致的油液噴濺，電磁閥11通電。

圖5 推桿行程測試過程

圖6 慢速下降和快速下降測試過程

2.4 單向閥試驗臺的總體結(jié)構(gòu)

該單向閥試驗臺的結(jié)構(gòu)主要由泵源，控制閥組，步進電機，壓力傳感器，溫度傳感器，接近開關(guān)，PC，觸摸顯示器，PLVC等組成。其中，泵源部分提供持續(xù)穩(wěn)定的流量和壓力；測試閥組用于實現(xiàn)測試邏輯；步進電機驅(qū)動推桿；PLVC用于控制電機、電磁閥，讀取步進電機位移以及各種傳感器數(shù)據(jù)采集；PC機用于搭建人機界面，完成數(shù)據(jù)顯示、保存、查詢、打印，實現(xiàn)測試過程可視化，現(xiàn)場實物如圖7所示。

3 試驗臺的控制組成

3.1 試驗臺的硬件電路

該試驗臺的硬件電路主要由PC機，PLVC，步進電機，溫度傳感器，壓力傳感器，電磁閥，接近開關(guān)等元件組成，電路框圖如圖8所示。

圖7 單向閥試驗臺實物圖

圖8 控制組件硬件框圖

首先上位機PC與PLVC建立通信，實現(xiàn)指令和數(shù)據(jù)傳輸；其次通過PLVC控制步進電機、電磁閥等，實現(xiàn)測試邏輯控制；最后PLVC采集壓力傳感器、溫度傳感器與接近開關(guān)的反饋信號，形成測試過程自動控制。

PLVC是一款可編程控制器，區(qū)別于普通控制器，其在硬件上集成放大器，可以實現(xiàn)對電磁閥或比例閥的直接驅(qū)動。軟件上內(nèi)置液壓控制功能塊，對動態(tài)性能低或高的應(yīng)用場合均可適配，其通訊接口為速度高、抗干擾的CAN總線，可實現(xiàn)和電腦的高速數(shù)據(jù)交換。

3.2 試驗臺的軟件設(shè)計

試驗臺的軟件主要包括上位機軟件和現(xiàn)場控制軟件。上位機軟件主要由編輯語言VB實現(xiàn)人機界面搭建，完成數(shù)據(jù)顯示、保存與查詢、報表生成與打印功能。軟件界面包含四個完全相同的測試界面，分別命名1，2，3，4對應(yīng)相應(yīng)的測試工位。

現(xiàn)場控制軟件主要負(fù)責(zé)測試邏輯，其實質(zhì)上是與上位機軟件關(guān)聯(lián)，并按測試邏輯編寫的Excel文件，可以將其稱之為程序表格參數(shù)化。它是由多個獨立的Excel文檔組成，每個Excel文檔就是一個測試步驟，各個文檔按照一定的順序自動被上位機調(diào)用。文檔內(nèi)可設(shè)置電磁閥狀態(tài)、步進電機狀態(tài)、各個傳感器是否參與控制、電磁鐵通電時間、缺省參數(shù)等等。各個文檔是加密的，僅僅可以由被授權(quán)的技術(shù)人員根據(jù)實際工況和測試步驟，更改或者添加表格參數(shù)，實現(xiàn)試驗過程自動控制(包括手動和自動測試)，保證測試數(shù)據(jù)的安全性和準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

(1) 單向閥試驗臺充分考慮了滿足生產(chǎn)效率的基礎(chǔ)上，最大化的降低操作人員工作強度，可實現(xiàn)1 min完成1件產(chǎn)品的測試工作，具有工程應(yīng)用的實際意義；

(2) 用PLVC實現(xiàn)控制，完全有別于傳統(tǒng)的PLC，功能上集成放大器，驅(qū)動電流最大達(dá)到2 A，可以直接驅(qū)動電磁閥；結(jié)構(gòu)上簡化和完善電氣設(shè)計；

(3) 試驗臺的不足之處在于未考慮到拆裝單向閥對油液清潔度的影響。在運行了3個月后，回油口單向閥17經(jīng)常被堵塞，原因在于單向閥是用氣動扭矩扳手裝拆的，每天多次拆裝會產(chǎn)生很多細(xì)小的鐵屑毛刺，容易堵塞回油口單向閥17。解決方法是在此單向閥前端增加螺紋旋入式過濾網(wǎng)，并每2周清洗1次。改造完成后，試驗臺運行平穩(wěn)。