液控單向閥長待機可靠性試驗液壓系統(tǒng)設計

何劉宇，李敏，吳新躍，王培，王冬梅

(1.北京航天發(fā)射技術研究所，北京 100076;2.北京輕工技師學院食品工程系，北京 100068)

0 前言

某液壓執(zhí)行機構因具有無人值守工況下系統(tǒng)長待機、快速響應的工作需求，其液壓回路內設置的液控單向閥需要對處于長期帶載的蓄能器進行保壓。當接在液壓單向閥出油口后面的執(zhí)行機構需要動作時，通過對控制口提供壓力油使液控單向閥迅速打開，接通蓄能器回路，使蓄能器快速出油，為執(zhí)行機構動作提供動力，從而達到在無人值守情況下能夠快速響應使機構開啟的目的。這對回路中的核心元件液控單向閥在長期待機工況下的可靠性提出了非常高的要求。因此，本文作者針對所研制的液控單向閥搭建一套可靠性試驗液壓系統(tǒng)，并對液控單向閥在長待機狀態(tài)下的技術狀態(tài)變化情況進行試驗摸底，同時驗證試驗液壓系統(tǒng)進行可靠性試驗的有效性和可行性。

1 液控單向閥基本結構

液控單向閥的種類很多，通常分為預釋壓和無釋壓兩種，而這兩種又有內泄式和外泄式的區(qū)別。本文作者根據(jù)實際應用需要設計一種無釋壓、外泄式的液控單向閥，其基本結構如圖1所示。正常工作時，液壓油從A口自由流入，從B口流出。在相反方向，閥芯Fx被壓力彈簧壓緊在閥座上，B口的壓力加上彈簧力作用使閥芯關閉，使得液壓油無法自由流動。當對其控制口X施加控制油壓時，由于控制口活塞面積大，控制活塞頂向右側閥芯Fx后克服壓力彈簧和B口壓力作用在閥芯上的總反力，使閥芯被推向右側，閥芯離開閥座后高壓、大流量液壓油快速由B口流入并從A口流出。

圖1 液控單向閥結構示意

2 液控單向閥應用工況

文中所設計的液控單向閥用于系統(tǒng)長期保壓的工況，系統(tǒng)的壓力由蓄能器提供，在需要為執(zhí)行機構供油時液控單向閥能夠快速開啟并大流量供油。液控單向閥的工作液壓回路如圖2所示。氣瓶QP1、QP2中儲存著高壓氮氣，通過氣閥和管路與活塞式蓄能器AC1、AC2的氣腔相連，蓄能器的油腔分別與液控單向閥YDF1、YDF2相連。蓄能器AC3通過2個常閉電磁閥YA105、YA106連接液控單向閥DF1、DF2的控制油口，當YA104、YA105、YA106得電后，蓄能器AC3的油壓施加到YDF1、YDF2的控制口，這兩個液控單向閥打開，使蓄能器AC1、AC2內的液壓油并聯(lián)后從P1回路引入后續(xù)液壓系統(tǒng)中。

圖2 液控單向閥的工作液壓回路

P2口連接反向充油回路，當蓄能器內壓力油釋放完畢后，通過P2口后可分別通過單向閥DF1、DF2將壓力油充入蓄能器AC1和AC2中，為下一次執(zhí)行機構動作儲存壓力油。由此可見，該工況對液控單向閥有2個重要的指標要求：

(1)在長待機狀態(tài)下，系統(tǒng)沒有動作，液控單向閥B口長期待壓，處于保壓工作狀態(tài)，B口的壓力通過活塞式蓄能器AC1、AC2引入，這就要求液控單向閥密封性好、無泄漏，以使系統(tǒng)壓力能夠長期保持；

(2)在需要工作時，液控單向閥的X口得到控制壓力后，能夠迅速推動控制口活塞運動并順利頂開主閥芯，使高壓、大流量的工作壓力油通過B口快速流入并從A口流出后進入后續(xù)的液壓缸內，實現(xiàn)機構快速動作，這就要求液控單向閥在長期高壓保壓過程中具有可靠性，不會因為長期無動作導致內部密封件與閥座接觸面出現(xiàn)黏滯黏連等現(xiàn)象而無法打開，這是其可靠性的一個重要部分。

3 液控單向閥試驗原理

根據(jù)液控單向閥的實際工況和對應的液壓回路工作特性，為驗證所設計的液控單向閥在長期待機時的保壓能力和開啟可靠性，設計了一個用于對液控單向閥進行長待機狀態(tài)下可靠性驗證的試驗液壓系統(tǒng)，并在試驗過程中長期監(jiān)測系統(tǒng)的關鍵壓力變化情況。試驗主要測試以下兩種功能：

功能一：驗證液控單向閥可靠打開能力，即需要提供高壓油時能夠順利打開單向閥為系統(tǒng)供油的能力,以檢驗閥體內的非金屬密封件與閥座的接觸面是否因長期接觸而發(fā)生黏連，驗證所選密封件的可靠性；

功能二：測試液控單向閥的可靠封油，即在長期熱待機過程中，高壓油是否會從液控單向閥滲漏或者滲漏量很少，以驗證是否滿足使用指標要求。

搭建的長待機液壓試驗系統(tǒng)原理如圖3所示。系統(tǒng)中設置了液壓回路1、2和3?；芈?用于測試液控單向閥的定期可靠開啟能力和工作效果(功能一)。選取4個液控單向閥YK1～YK4進行相應功能驗證。回路2用于測試液控單向閥長期待機時(一年以上)的保壓能力(功能二)，選取2個液控單向閥YK5、YK6進行相應功能驗證。試驗期間，回路1和2中的蓄能器1、2的高壓油依靠其出口的液控單向閥YK1～YK6進行長期封壓，當需要回路3中的蓄能器3提供動力時，電磁閥YA101、YA102通電，控制蓄能器3的高壓油作為液控單向閥開啟的動力，將液控單向閥打開，蓄能器1、2的高壓油通過液控單向閥YK1～YK6后通過P1口進入后續(xù)執(zhí)行機構。電磁閥YA101、YA102斷電，液控單向閥YK1～YK6關閉，蓄能器1、2停止向后面的執(zhí)行機構供油。在蓄能器3長期承載過程中，為防止由于環(huán)境溫度變化或者蓄能器滲漏造成控制油路內產生高壓油而誤將液控單向閥打開，系統(tǒng)中設置常閉電磁閥YA103并在其回路后面串接一個小流量的可調節(jié)流閥，確?？刂苹芈?的高壓油及時泄掉，保證液控單向閥控制回路壓力不會升高。當液控單向閥需要外控油打開時，電磁閥YA103通電，將常泄油路切斷，控制回路建壓，將液控單向閥打開。

圖3 液控單向閥長待機試驗原理

4 試驗方案與試驗步驟

4.1 試驗方案

第1組試驗：選取2個月和5個月時間間隔開啟液控單向閥，測試液控單向閥在高壓負載下可靠打開的能力，試驗周期結束后對液控單向閥進行拆解，檢查內部軟密封的狀態(tài)。

第2組試驗：進行一年期液控單向閥保壓試驗，測試液控單向閥在一年時間內高壓密封工況下的密封性能及待機一年后的開啟性能，試驗周期完畢后拆解閥體，檢查內部軟密封狀態(tài)。

4.2 試驗步驟

4.2.1 試驗前的準備

(1)對蓄能器1、2充氮氣，先充壓至20 MPa，將蓄能器3充壓至11 MPa；

(2)向蓄能器1、2內充液壓油，待蓄能器壓力達到28 MPa后停止；向蓄能器3充入液壓油，待蓄能器達到壓力21 MPa后停止；

(3)打開截止閥JK1′、JK2′、JK1～JK6、JK6′，關閉截止閥JL1′、JL2′、JL1～JL4，再打開截止閥JL5′、JL6′、JL5～JL8，P1口接調速閥和流量計后接量杯，P2、P3、T、L口接量杯。

4.2.2 第1組試驗步驟

試驗分為A、B兩項，其中A項用于測試保壓時長2個月后液控單向閥的開啟和關閉性能測試；B項用于測試保壓5個月后液控單向閥開啟和關閉功能。各壓力傳感器數(shù)值通過采集系統(tǒng)記錄并存儲，同時記錄壓力表數(shù)值、油口泄漏量作為輔助監(jiān)測。

(1)試驗第1周時，每10 min記錄1次3個壓力傳感器BP102′、BP101、BP102的壓力，每天早晚各記錄1次壓力表BP1、BP2和BP2′的數(shù)值及環(huán)境溫度并記錄4個小量杯的泄漏量，如果1周后壓力變化和泄漏量均滿足預期值，則后續(xù)改為每隔1 h自動記錄1次4個壓力傳感器的壓力，每天人工觀察1次小量杯里的泄漏量。試驗期間如果蓄能器1、2壓力低于25 MPa或控制蓄能器3壓力低于12 MPa則暫停試驗，檢查泄漏源是來自于蓄能器或是否因液控單向閥密封性能下降導致的泄漏；

(2)A項試驗在保壓滿2個月后對A項的液控單向閥YK1、YK2進行開啟性能測試，先將JK1′、JK2′、JK2～JK5、JK6′關閉，JK1和JK6保持開啟，將電磁鐵YA101通電，觀察P1口應有油液流出，關閉JK1，P1口應逐漸無油液流出；然后打開JK2，JK6保持開啟，觀察P1口應有油液流出，在關閉JK2后，P1口油液應逐漸停止流出；

(3)試驗結束后將蓄能器1和控制蓄能器3重新充油至壓力分別恢復到28、21 MPa，并恢復至第4.2.1節(jié)的試驗前準備狀態(tài)；對液控單向閥YK3、YK4進行拆解，檢查密封元件的技術狀態(tài)；

(4)B項試驗在A項試驗結束后開始計時，在試驗滿5個月后，先關閉JK2′、JK1～JK6，JK1′和JK6′保持開啟，令電磁鐵YA101通電，觀察P1口應有油液流出，關閉JK1′，P1口應逐漸無油液流出；然后打開JK2′， JK6′保持開啟，觀察P1口應有油液流出，在關閉JK2′后，P1口油液應逐漸停止流出；

(5)試驗結束后將蓄能器1和控制蓄能器3重新充油至壓力分別恢復到28、21 MPa，并恢復至第4.2.1節(jié)的試驗前準備狀態(tài)；對液控單向閥YK1、YK2進行拆解，檢查密封元件的技術狀態(tài)。

4.2.3 第2組試驗步驟

此組試驗用于測試液控單向閥在1年期保壓時間的可靠性及1年后的開啟和關閉功能。試驗期間定期記錄壓力傳感器和壓力表的數(shù)值。

(1)每小時記錄1次壓力傳感器BP103的壓力，每0.5 h記錄壓力表BP3數(shù)值及環(huán)境溫度；

(2)試驗滿1年后，先關閉JK1、JK2、JK4、JK6、JK1′、JK2′、JK6′，令電磁鐵YA101通電，觀察P2口應有油液流出，關閉JK3后P2口應逐漸無油液流出；然后，打開JK4，P2口應有油液流出，關閉JK4后，P2口應逐漸無油液流出；

(3)試驗結束后，對液控單向閥YK5、YK6進行拆解，觀檢查密封元件的技術狀態(tài)。

4.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

試驗過程中的壓力信號數(shù)據(jù)通過搭建的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行采集及存儲，其基本原理如圖4所示。壓力傳感器信號通過信號安全隔離柵、數(shù)據(jù)采集模塊轉換為數(shù)字量信號，并通過RS485通信接口與上位機相連，在上位機上的數(shù)據(jù)存儲軟件中存儲各路信號，并生成壓力-時間曲線，供定期進行壓力走勢(下降趨勢)觀測。

圖4 數(shù)據(jù)信號采集系統(tǒng)原理示意

5 試驗及結果分析

按照試驗原理搭建試驗液壓系統(tǒng)，如圖5所示。采用3個相同的閥塊，其中2個閥塊用于功能一試驗、另1個用于功能二試驗，選取3個相同容積的蓄能器開展保壓試驗。

圖5 試驗臺照片

根據(jù)制定的試驗方法和步驟開展試驗測試。在2個月后完成第1組試驗的A項測試，期間記錄的BP2和BP5的壓力如圖6所示。隨后完成為期5個月的第1組試驗的B項測試，對系統(tǒng)壓力的變化情況進行分析，采集的系統(tǒng)各環(huán)節(jié)壓力如圖7所示，可知系統(tǒng)壓力有小幅度降低。其間觀察量杯，量杯中均有少量油液累積。其中，接P1、P2的量杯中有滲出的油液，說明BP2、BP2′、BP3的壓力下降與液控單向閥內密封部位有油液微泄漏有關；接L口的量杯中有滲出的油液，說明BP5的壓力小幅下降與YA101、YA102的閥芯產生油液滲漏有關。但在5個月的試驗中，液控單向閥的總體滲漏量不大，保壓能力滿足使用需求。在滿足第1組試驗所需的時間后，對液壓單向閥進行開啟試驗。試驗時，液控單向閥開啟順利，開啟后通過流量計檢測流量，系統(tǒng)流量滿足設計指標要求。

圖6 第一組A項測試結果(壓力-時間變化曲線) 圖7 第一組B項測試結果(壓力-時間變化曲線)

試驗完成后對液控單向閥進行拆解檢測，其內部密封元件技術狀態(tài)良好，滿足要求。

在進行第1組B項試驗的同時記錄了第2組B項試驗中BP3的壓力變化情況，BP3在5個月試驗過程中壓力情況滿足需要。在進行第2組1年期長待機試驗時，其保壓能力壓力檢測與衡量液控單向閥可靠開啟的方法與第1組試驗相同，將在試驗時間達到后開展驗證。通過該試驗系統(tǒng)，可對液控單向閥的保壓能力、泄漏情況進行進一步了解，以用于指導后續(xù)液控單項閥性能的改進和優(yōu)化。

6 結論

針對所設計的液控單向閥并結合它在系統(tǒng)保壓及長待機應用工況下的液壓回路特點，設計了一套可靠性試驗液壓系統(tǒng)。在短期保壓、長期保壓2種模式下對液控單向閥的保壓性能、長待機后開啟的可靠性進行試驗驗證，既能考核液控單向閥內的密封材料、密封形式的設計選用效果，又能考核長期保壓待機后該閥的可靠開啟能力。結果表明：所設計的液控單向閥還無法達到真正的零泄漏，但泄漏量很小，能滿足使用需要；該試驗液壓系統(tǒng)亦可用于其他形式液壓鎖的密封性能、開啟性能試驗，具有積極的實際應用效果。