液壓閥微小內(nèi)泄漏檢測技術(shù)研究

李志豐，譚彥顯，黃正茂

（湖南省產(chǎn)商品質(zhì)量檢驗研究院，湖南長沙 410007）

0 引言

液壓閥是液壓系統(tǒng)的控制元件，用來控制液體的壓力、流量和方向，在裝備領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。內(nèi)泄漏量是液壓閥的重要性能指標(biāo)，內(nèi)泄漏量過大會使液壓系統(tǒng)裝配主機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作不到位，難以精確控制動作軌跡，嚴(yán)重時可能造成安全事故。

1 內(nèi)泄漏原因分析

液壓閥工作時，液壓油通過閥芯和閥體之間的間隙，從閥的高壓區(qū)流向低壓區(qū)，從而造成內(nèi)泄漏。引起液壓閥內(nèi)泄漏的原因有很多，液壓閥生產(chǎn)過程中的裝配質(zhì)量問題，例如：閥芯前端錐面與閥芯外圓不同軸、閥體孔與閥芯同軸度差、閥芯裝配時外圓與閥體孔配合間隙大而在孔內(nèi)產(chǎn)生歪斜。液壓閥在使用過程中，容易受油液污染等因素的影響，引起閥芯與閥套之間密封面的磨損、拉傷、腐蝕、偏心等，都會造成內(nèi)泄漏的變化。

2 液壓閥內(nèi)泄漏量要求

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 10364—2014《液壓單向閥》規(guī)定，以礦物油型液壓油或性能相當(dāng)?shù)钠渌后w為工作介質(zhì)的部分板式單向閥、疊加式單向閥、管式單向閥、板式液控單向閥、疊加式液控單向閥、管式液控單向閥內(nèi)泄漏量≤0.2 mL/min。普通單向閥的內(nèi)泄漏量要求見表1。

表1 普通單向閥內(nèi)泄漏量要求

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 10368—2014《液壓節(jié)流閥》規(guī)定，以礦物油型液壓油或性能相當(dāng)?shù)钠渌后w為工作介質(zhì)的部分節(jié)流截止閥內(nèi)泄漏量≤1.0 mL/min，具體要求見表2。

表2 節(jié)流截止閥內(nèi)泄漏量要求

3 液壓閥內(nèi)泄漏量檢測存在的問題

現(xiàn)有的各種流量傳感器和流量計（包括液壓試驗常用的橢圓齒輪流量計、蝸輪流量計和齒輪流量計）均不能測量1.0 mL/min 以下的微小內(nèi)泄漏。這是因為微小流量不足以使現(xiàn)有流量計的傳感元件產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，而且現(xiàn)有流量計的計量發(fā)信裝置不能識別微小的角位移。液壓閥微小內(nèi)泄漏測量的常用方法有量杯和秒表法，是通過向液壓閥油口注滿液壓油并加壓至規(guī)定壓力，在另一油口用量杯測量泄漏油的體積，并用秒表記錄泄漏時間，這種測量方法測得的是平均內(nèi)泄漏量，需要時間較長，而且檢測精度低。

針對液壓閥微小內(nèi)泄漏難以精確檢測的問題，專家學(xué)者們對內(nèi)泄漏進(jìn)行了相關(guān)研究，并提出了許多解決辦法。宋飛[1]等對液壓滑閥內(nèi)泄漏規(guī)律進(jìn)行研究，搭建了滑閥內(nèi)泄漏模擬實(shí)驗臺，對10 mm、16 mm、20 mm 閥芯直徑的滑閥正常間隙（5 μm）和過大間隙（40 μm）下的泄漏規(guī)律進(jìn)行了試驗研究。結(jié)果表明，無論在正常間隙還是過大間隙下，滑閥內(nèi)泄漏都是層流，并得到了徑向間隙、密封長度、壓差、閥芯直徑等因素對泄漏量的影響規(guī)律。此外，發(fā)現(xiàn)由層流公式得出的理論泄漏量與實(shí)測泄漏量總會存在一定的偏差，分析得出偏差可能是由于油液溫度、閥芯偏心、傾斜和流態(tài)的變化引起的。余忠華、陸彬[2]發(fā)明了一種液壓閥的內(nèi)泄漏量檢測裝置，該裝置通過稱重傳感器/變送器將泄漏油的重量轉(zhuǎn)換成電信號，并經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，輸入到單片機(jī)，再換算成內(nèi)泄漏量。沈延康[3]等發(fā)明了一種液壓閥內(nèi)泄漏的檢測方法及其裝置，該裝置采用液壓油缸和位移傳感器組合方式，通過檢測液壓油缸活塞的位移，換算出一段時間內(nèi)被測試液壓閥的泄漏量，進(jìn)行液壓閥內(nèi)泄漏的檢測。

4 新型內(nèi)泄漏檢驗裝置設(shè)計

為了解決上述問題，提出了一種新型液壓閥微小內(nèi)泄漏檢驗裝置，其原理如圖1 所示。

圖1 新型液壓閥微小內(nèi)泄漏檢驗裝置

磁致伸縮液位傳感器包括探測管體、探測桿、浮子和信號處理模塊。探測管體豎直設(shè)置并與測試油管連通，泄漏的油液由測試油管流入探測管體中，引起探測管體內(nèi)部的油液液位變化。探測桿位于探測管體內(nèi)部，且探測桿與探測管體同軸設(shè)置。浮子滑動設(shè)置于探測桿上，內(nèi)部設(shè)有磁環(huán)，漂浮于探測管體內(nèi)部的油液液面上，隨油液液面的變化發(fā)生高度位置的變化。信號處理模塊與探測桿連接，用于向探測桿發(fā)送和接收電磁信號。

探測桿內(nèi)部設(shè)有波導(dǎo)絲的波導(dǎo)管，與帶有磁環(huán)的浮子配合，磁環(huán)連接浮子，在波導(dǎo)管上產(chǎn)生一個磁場。通過磁致伸縮技術(shù)來實(shí)現(xiàn)探測管體內(nèi)部液位變化的檢測。探測桿內(nèi)部設(shè)有兩層用于保護(hù)波導(dǎo)絲的絕緣套管，探測桿還包括返回導(dǎo)線和末端的阻尼元件等。

信號處理模塊包括相互連接的信號發(fā)生組件、回波檢測組件和控制器，通過信號發(fā)生組件發(fā)送激勵脈沖，通過回波檢測組件檢測回波脈沖，通過控制器進(jìn)行內(nèi)泄漏量的計算?？刂破鳛镻LC 可編程邏輯控制器，具有自動計時功能，通過測量激勵脈沖發(fā)射和回波之間的時間間隔精確測量波導(dǎo)管內(nèi)的超聲波速度，將接收返回信號所需的時間轉(zhuǎn)換為高精度、可重復(fù)的線性位移測量值，從而轉(zhuǎn)化為被測體的位移量，即液面變化量L。若探測管體內(nèi)部的橫截面與探測桿的橫截面之差為S，則待測液壓閥的內(nèi)泄漏量Q=LS/T。

探測管體上設(shè)有與液壓油箱連通的支管，支管水平設(shè)置，管上設(shè)有第三控制閥。當(dāng)進(jìn)行待測液壓元件的內(nèi)泄漏量測量時將第三控制閥打開，當(dāng)待測液壓閥內(nèi)泄漏量過大時會造成探測管體內(nèi)部的油液液面過高，此時油液可從支管流入液壓油中，實(shí)現(xiàn)對磁致伸縮液位傳感器的保護(hù)。

該裝置包括可移動安裝座，可移動安裝座上設(shè)置有測試油管、液壓油箱和磁致伸縮液位傳感器，便于實(shí)現(xiàn)測量裝置的整體移動，可以在不同試驗臺進(jìn)行液壓閥的內(nèi)泄漏檢測?？梢苿影惭b座上設(shè)有安裝架，用于固定安裝測試油管、液壓油箱和磁致伸縮液位傳感器，可移動安裝座底部設(shè)有萬向輪，用于安裝座的自由移動。

裝置的磁致伸縮液位傳感器采用MTS 的RHM0590MR021A01型傳感器，其具體的技術(shù)參數(shù)為：D/A 分辨率16 bit，0.001 5%滿量程（最小1 μm）；行程590 mm；非線性度＜滿量程的±0.01%（最小±50 μm）；重復(fù)精度＜滿量程的±0.001%（最小±1 μm）；滯后精度＜4 μm。數(shù)據(jù)采集卡采用NI USB-6210 型采集卡，其具體技術(shù)參數(shù)為：總線連接器USB；最大單端模擬輸入通道數(shù)量16 個；最大差分模擬輸入通道數(shù)量8 個；最大采樣率250 kS/s；模擬輸入分辨率16 bit；模擬輸入絕對精度2960 μV；計數(shù)器/定時器數(shù)量2 個；正面連接方式為螺栓端子；電源輸入為總線供電方式；緩存容量4095 個樣本。

5 新型內(nèi)泄漏檢驗裝置使用方法

該裝置使用方法如下：

（1）將待測液壓閥內(nèi)部的空氣排出。

（2）打開第一控制閥、第二控制閥和第三控制閥，使液壓油箱中的油液輸入至待測液壓閥的出油口一端，然后關(guān)閉第二控制閥。

（3）通過進(jìn)油管向待測液壓閥的進(jìn)油口一端輸入油液，使待測液壓閥內(nèi)部的液壓油壓力達(dá)到額定壓力或用戶指定的壓力，使磁致伸縮液位傳器的探測管體內(nèi)部的油液達(dá)到基礎(chǔ)液位。

（4）對待測液壓閥的內(nèi)泄漏進(jìn)行檢測，通過磁致伸縮液位傳感器的信號處理模塊得到待測液壓閥的內(nèi)泄漏量。

6 結(jié)論

研究液壓閥微小內(nèi)泄漏的檢測方法，設(shè)計的檢測裝置將液壓閥的內(nèi)泄漏量轉(zhuǎn)化為液位的上升量，通過磁致伸縮液位傳感器測量液位變化，從而得到液壓閥的內(nèi)泄漏量。該方法可以在裝置的有效行程內(nèi)實(shí)現(xiàn)連續(xù)測量，具有效率高、精度高、自動化程度高等特點(diǎn)。