大缸徑長行程液壓缸試驗臺設計及工程實踐

陳東寧，徐海濤，姚成玉

(1.燕山大學河北省重型機械流體動力傳輸與控制實驗室，河北秦皇島066004;2.先進鍛壓成形技術與科學教育部重點實驗室(燕山大學)，河北秦皇島066004;3.燕山大學河北省工業計算機控制工程重點實驗室，河北秦皇島066004)

液壓缸作為液壓系統中重要的執行元件，其質量好壞直接影響到液壓系統的工作性能。隨著液壓技術的發展以及國家對產品質量的嚴格要求，液壓缸的檢測已成為保證液壓系統性能的重要手段之一，通過檢測來評價液壓缸這類產品的行程、泄漏、負載效率等性能指標，避免有質量問題的液壓缸進入市場，給客戶帶來損失及安全隱患［1］。

目前，在液壓缸試驗臺液壓系統的電液控制和試驗臺架的設計上取得了一定的成果［2－4］，多泵組驅動的設計方法在液壓站設計上得到應用［5］。文獻［6］采用比例溢流閥代替傳統的手動調壓閥，實現了控制自動化，但動力源采用單泵供油，會造成能源浪費。文獻［7］設計的臺架，采用型鋼和鋼板焊接的結構形式，但是對于不同長度的被測試缸需要手動安裝、定位，操作不方便、且臺架承載力不強。文獻［8］設計了一種新型的Z 字型試驗臺架，但是該臺架適合小型液壓缸的安裝、測試，對于規格大、質量大的液壓缸，安裝、操作不方便，且強度不夠。

為此，設計出一臺節能、適應范圍廣的液壓缸試驗臺，可以對多種規格液壓缸進行型式試驗，主要試驗有試運行、起動壓力、行程測試、耐壓測試、耐久性疲勞測試、高溫測試、泄漏測試、負載效率測試。

該試驗臺性能滿足以下要求:

(1)能夠對最大缸徑為φ320 mm、最長行程為1 500 mm、最大額定壓力為16 MPa 的液壓缸進行檢測。

(2)保證能夠對被測試缸進行最大為31.5 MPa的耐壓測試。

(3)試驗臺架滿足不同缸徑、不同行程規格、不同安裝方式的被測試缸的檢測需求。

1 試驗臺液壓系統設計

1.1 液壓系統構成

試驗臺液壓系統是由油箱、高低壓泵供油系統、比例加載系統、同步定位系統、冷卻系統、氣控系統等幾部分組成:

(1)油箱為開式結構，輔件有4 個過濾器、液位計、溫度傳感器和3 個加熱器。

(2)主供油系統由高壓小流量泵組、低壓大流量泵組、比例溢流閥、過濾裝置、控制系統等組成，用來提供不同的壓力、流量和保證液壓油的清潔度。

(3)比例加載系統由比例溢流閥壓力調節系統、補液泵組、單向閥、加載液壓缸等組成，用來給液壓缸提供可調的負載力。

(4)同步定位系統由電磁換向閥、手動換向閥、分流集流閥、液壓鎖、定位液壓缸等組成。電磁換向閥實現遠程控制，手動換向閥實現就地微調功能，分流集流閥用于保證兩只定位液壓缸同步運動，液壓鎖實現定點鎖緊功能。通過上述元件對兩只定位液壓缸進行運動控制，調節被測試缸與加載液壓缸之間的距離，實現不同行程規格的被測試缸的安裝測試。

(5)冷卻系統由冷油機和回油過濾器組成，冷油機冷卻功率大、安裝方便，回油過濾器起到了循環過濾的作用。

(6)氣控系統由空氣壓縮機提供氣源，通過氣源處理元件過濾處理、控制閥控制來實現氣動閥門的通斷。

液壓系統原理圖如圖1所示。

圖1 液壓系統原理圖

1.2 關鍵元件計算選型

根據系統要求，對主要液壓元件計算選型。

(1)液壓缸

根據要求，最大的被測試缸缸徑為φ320 mm，最長行程為1 500 mm，最大的額定壓力p 為16 MPa。以下計算時忽略液壓缸的機械效率。

被測試缸無桿腔輸出的最大力F:

式中:A 為φ320 mm 被測試缸無桿腔面積，mm2。

被測試缸有桿腔輸出的最大力F1:

式中:A1為φ320 mm 被測試缸有桿腔面積，mm2。

保證被測試缸在額定壓力下測試，需要加載液壓缸至少輸出上述計算的力，求得加載液壓缸的缸徑D和桿徑d。

式中:p1為加載比例閥調定壓力，MPa。

考慮安全因素，圓整后取大值φ250 mm，同理可得，桿徑取標準φ140 mm。所以加載液壓缸缸徑為φ250 mm、桿徑為φ140 mm。

兩只定位液壓缸是用來固定被測試缸的，所以這兩只液壓缸至少也要保證承受上述的力，用同樣的公式計算得定位液壓缸的缸徑為φ160 mm，桿徑為φ90 mm。

(2)液壓泵及電機

液壓泵根據被測試缸的測試速度及系統壓力需求進行計算選擇。

該系統采用高低壓泵組、高壓小流量泵用來進行被測試缸的耐壓測試以及缸徑為φ125 mm 的被測試缸的檢測，低壓大流量泵用來進行缸徑為φ125 ～φ320 mm 的被測試缸的耐久性等測試項目。根據要求，耐久疲勞測試中φ320 mm 被測試缸的最大測試速度為v=50 mm/s，需要的流量Q 為:

式中:A 為φ320 mm 被測試缸無桿腔面積，mm2。

高壓小流量泵保證輸出的流量Q1至少為:

式中:A2為φ125 mm 被測試缸無桿腔面積，mm2。

因此，高壓泵選擇排量為32 mL/r 軸向柱塞泵，額定壓力為p2=35 MPa，四級電機驅動下可輸出的流量為Q2=48 L/min。考慮電機效率，驅動電機8 功率P1為:

式中:η 為電機效率，取η=0.93。

選擇Y200L-4 型電機，額定功率為30 kW。

低壓大流量泵保證輸出的最大流量Q3為:

Q3=Q－Q2=193.2 L/min

低壓泵選擇排量為130 mL/r 的柱塞泵，四級電機驅動下可輸出的流量Q4為195 L/min。驅動電機10 功率P2為:

綜合考慮成本等因素，選擇Y250M-4 型電機，額定功率為55 kW。

同理，加載液壓缸的流量需求Q5為:

式中:A3為加載液壓缸無桿腔面積，mm2。

補液泵29 用來給加載液壓缸補液用的，選擇變量葉片泵，最大排量為108 mL/r，使用壓力p 只需1 ～3 MPa 即可，所以電動機28 功率P3為:

式中:q 為葉片泵排量，mL/r;n 為電機轉速，r/min。

選擇Y160M-4 型電機，額定功率為11 kW。

3 行程可調式試驗臺架設計與分析

3.1 行程可調式試驗臺架設計

液壓缸試驗臺的試驗臺架是用來固定被測試缸、加載液壓缸以及定位液壓缸的，該臺架要保證能夠安裝最大缸徑為φ320 mm、最長行程為1 500 mm 的被測試缸，同時要保證強度。

目前，常用的試驗臺架主要有框架式、焊接箱體式、桁架式。綜合考慮，設計出一種新型的液壓變行程可微調定位鎖緊式液壓缸試驗臺架，不僅可以保證強度，而且美觀，拆裝液壓缸方便、可靠。該臺架主要包括以下幾部分(如圖2所示):底架5 用來支撐上部臺架，前板2 用來固定加載液壓缸1，中間板7通過中間板過渡板8 用來安裝、固定不同規格的被測試缸及定位液壓缸的活塞桿，后板11 用來固定定位液壓缸9，4 根光軸3 用來連接這三塊板以及承載拉壓力，液壓控制元件12 ～15 用于控制定位液壓缸9，實現其行程可微調可定位鎖緊功能，滿足不同行程規格被測試缸的安裝測試需求。圖3 為前法蘭被測試缸安裝的三維示意圖。

圖2 試驗臺架設計圖

圖3 前法蘭被測試缸安裝三維示意圖

該臺架的結構尺寸設計，要綜合考慮最大的被測試液壓缸和最小的被測試液壓缸的安裝尺寸及伸出和縮回時的長度，加載液壓缸和定位液壓缸的外形尺寸、行程以及抗拉壓強度等參數進行確定。具體設計尺寸為:前板長1 300 mm、寬350 mm、高800 mm，中間板長1 300 mm、寬300 mm、高800 mm，后板長1 300 mm、寬350 mm、高800 mm，光軸直徑φ80 mm、長5 200 mm。圖4 為實際加工制造出的臺架。

圖4 試驗臺架圖

3.2 試驗臺架受力分析

液壓缸輸出的最大力為1.29 MN，考慮安全系數，上述試驗臺架的尺寸是按5 倍的力進行設計的。運用力分析軟件ANSYS 對該臺架中的關鍵零件進行6.37 MN 的受力分析，分析結果如圖5—9所示。

圖5 光軸彎曲程度分析

圖6 光軸抗拉強度分析

圖7 前板抗拉強度分析

圖8 中間板抗拉強度分析

圖9 后板抗拉強度分析

從圖5 可知:光軸在中間板的重力及本身重力作用下會產生較大的彎曲變形，彎曲變形最嚴重的地方在中心，為8.431 mm，因此在中間板與底架間安裝直線滑軌;從圖6 可知:光軸最大受拉強度為442.627 MPa ＜570 MPa，滿足許用抗拉強度;從圖7可知:前板最大受拉強度為64.334 MPa ＜120 MPa，滿足許用抗拉強度;從圖8 可知:中間板最大受拉強度為33.141 MPa ＜120 MPa，滿足許用抗拉強度;從圖9 可知:后板最大受拉強度為65.809 MPa ＜120 MPa，滿足許用抗拉強度。由以上分析可知，此試驗臺架設計是合理的。

4 工程實踐

4.1 調試過程中的故障及處理

設計、加工、裝配完畢后，即可進入調試階段。將加載液壓缸、定位液壓缸安裝到測試臺架上，分別開啟高低壓泵、補液泵，查看液壓缸的動作是否正確，系統是否有設計、裝配等問題。

調試時出現以下問題:

(1)當開啟定位液壓缸的換向閥時，兩只定位液壓缸不同步運動，于是中間板在定位液壓缸的作用下傾斜前進，這樣會導致無法試驗。通過排查分析得知，此現象是分流集流閥、液壓鎖、電磁換向閥、手動換向閥的集成閥塊的出口距兩只定位液壓缸的油口距離不一致導致的。于是，重新將閥塊整體安裝到距定位液壓缸最近的位置，同時所用連接管路長度也一致。

(2)流量計19－1 沒有輸出信號，開始以為是電氣線路接錯的原因，但通過仔細排查發現，流量計機體里的橢圓齒輪被液壓油里的鐵屑卡住了，于是對系統進行改進，在泵出口安裝一個過濾精度為10 μm的高壓過濾器，保證液壓油的清潔度。由此看出，液壓油的清潔度對系統的影響是很大的。

4.2 液壓缸測試

將缸徑φ200 mm、行程1 000 mm、額定壓力16 MPa 的被測試缸安裝到試驗臺架上，通過計算機進行數據采集與控制，進行以下測試［9］。

(1)試運行

調整試驗系統壓力，使被測液壓缸在無負載工況下全行程往復運動5 次，完全排除液壓缸內的空氣。

(2)起動壓力特性試驗

逐漸調整比例溢流閥13-1 的壓力使液壓缸起動，計算機自動記錄液壓缸的最低起動壓力為0.25 MPa。

(3)行程試驗

連接上加載液壓缸，使該被測試缸的活塞分別停在兩端極限位置，通過加載液壓缸里的位移傳感器測量其行程，多次測量取平均值，得到測試結果為1 002.5 mm。

(4)耐壓試驗

使被測試缸活塞分別停在行程的兩端，通過高壓泵向工作腔施加24 MPa 的公稱壓力，保壓1 min。進行耐壓測試的同時進行了泄漏測試，無桿腔進油時關閉氣動閥門18-1、18-2，打開氣動閥門18-3，通過流量計19-2 測試內泄漏量為2.25 mL/min;有桿腔進油時關閉氣動閥門18-1、18-3，打開氣動閥門18-2，通過流量計19-1 測試內泄漏量為2.01 mL/min。

保壓完成后，被測試缸沒有變形、沒有外泄漏現象。

(5)耐久試驗

在16 MPa 壓力下，通過控制電液換向閥16，使被測試缸以50 mm/s 速度連續運行8 h，由位移傳感器27 記錄的累積行程為1.313 ×106mm，同時觀察到液壓缸前端蓋與活塞桿密封處有輕微外泄漏現象。

(6)負載效率試驗

使被測試缸保持50 mm/s 的勻速運動，通過安裝在被測試缸活塞桿上的稱重傳感器25 測試實際的拉壓力，由計算機計算不同壓力下的負載效率，并繪制效率曲線。負載效率測試曲線如圖10所示，從圖中可看出，被測試液壓缸的負載效率隨著壓力的升高而增大。

圖10 負載效率曲線

5 結束語

設計出可以對最大缸徑為φ320 mm、最長行程為1 500 mm、最大額定壓力為16 MPa 的液壓缸進行型式試驗的液壓缸試驗臺，對其液壓系統、試驗臺架進行設計分析，該試驗臺具有以下特點:

(1)液壓系統采用高低壓泵組合，滿足系統對壓力和流量的需求，減小了裝機功率;利用加載液壓缸及比例加載系統，滿足了被測試缸測試時對加載力的要求，同時可以在被測試缸任意行程位置進行加載，解決傳統液壓缸試驗臺只能在行程兩端加載、進行泄漏量測試的問題。

(2)試驗臺架結構合理，支撐強度滿足要求，利用兩只定位液壓缸及其液壓控制系統來調節、固定臺架上安裝被測試缸的中間板，通過電磁換向閥可以實現遠程自動控制、通過手動換向閥實現就地微調，滿足了不同缸徑、行程規格的被測試缸測試對試驗臺架的要求。試驗臺架具有原創性，已申請國家發明專利(申請號:2013100125996.0)。

總之，該試驗臺滿足了大缸徑、長行程液壓缸的測試需求，解決了實際工程問題;所采用的機械、液壓系統設計及分析方法，為今后液壓缸試驗臺的設計提供了參考。

【1】張立軍，劉克銘.液壓缸試驗臺液壓系統的初步設計［J］.機床與液壓，2008，36(12):110－112.

【2】史俊青，孫政，王連洪，等.液壓缸性能測試試驗臺的研究［J］.工程機械，2006(2):41－44.

【3】王新民，方巧軍，王紀森.一種液壓缸耐久試驗臺的設計［J］.機床與液壓，2012，40(14):59－61.

【4】吳成志，趙艷平，芮豐.液壓缸試驗臺液壓系統的改進設計［J］.流體傳動與控制，2004(3):9－10.

【5】姚成玉，趙靜一.試驗臺液壓站電氣液壓系統的設計與實踐［J］.機床與液壓，2010，38(8):46－48.

【6】馬俊功，王世富，王占林.液壓油缸試驗臺研制［J］.機床與液壓，2007，35(1):139－141.

【7】彭熙偉.液壓缸綜合性能試驗臺設計［J］.液壓與氣動，2011(11):93－94.

【8】呂少力，王保相.一種創新的液壓缸加載試驗臺的液壓系統設計［J］.液壓與氣動，2012(7):28－30.

【9】全國液壓氣動標準化技術委員會.GB/T 15622-2005 液壓缸試驗方法［S］.北京:中國標準出版社，2005.