計算機輔助液壓測試平臺的研制*

許敏影，陳 寅，謝建偉，葉麗玲，袁曉鵬

（1.浙江省機電設計研究院有限公司檢測所，浙江杭州310002；2.浙江華昌液壓機械有限公司，浙江臨安311300）

0 引言

多路閥作為工程機械液壓系統的核心元件，對整機的控制性能、可靠性及使用壽命均有著重要的影響。如何對多路閥的各種性能及質量參數進行準確而綜合地考核，對多路閥的研制、國產化技術水平的提高均有著重要的意義［1］。而液壓缸是工程機械實現機構運動的執行元件［2］。在實際使用中液壓缸的失效型式表現為內泄漏與外泄漏，導致系統油壓動力不足，這均與液壓缸的密封及裝配工藝有關。因此，針對液壓閥與液壓缸的性能進行全面的型式試驗，是保證其良好特性的必要條件。

本研究通過分析綜合國內廠家已有綜合試驗臺的設計經驗，主要集中對液壓缸負載效率試驗臺架的結構與剛度進行設計。

1 液壓測試平臺設計

該計算機輔助液壓測試平臺具有液壓油缸、液壓閥（主要是多路換向閥并兼顧其他閥）的性能檢測功能。測試平臺的設計參照了國內同行業已有檢測平臺的設計經驗，同時結合國際相關測試平臺在結構設計與計算機自動化控制方面的使用情況，測試平臺的壓力、流量等參數通過電控比例進行設定，試驗方法按相關產品的國家標準所規定的試驗方法進行。

液壓系統原理圖如圖1所示。系統主要分為：油源動力單元、液壓缸試驗操作臺與試驗臺架、液壓閥操作臺。

圖1 試驗臺液壓系統原理圖

1.1 油源動力單元設計

在油源動力單元設計上，本研究以節能為系統的設計原則，采用Rexroth 的A15VSO 軸向柱塞變量泵，該泵使用了帶比例電磁鐵的電氣行程限位器，泵的排量可以實現無級可調，并通過電磁力的方式正比于電流值。控制所需動力來自于工作壓力或油口P上的外部控制壓力。在無先導信號時，基本設定值為排量最小。隨著控制電流的增大，泵的變量機構擺到較高排量，可實現系統流量的連續、自動調節。該試驗臺控制系統為開環設計，主油泵的設置流量與實際流量在實際檢測中存在較小的偏差。

1.2 模擬加載單元

多路閥測試所需負載壓力通過液壓加載裝置實現。溢流加載與節流加載為兩種常用模擬加載方式。溢流加載采用溢流閥調定壓力，給被試閥提供模擬負載，其壓力經調壓彈簧調定后可保持穩定，因此該種模擬負載方式具有壓力調節方便、穩定可靠的特點，可實現單向加載功能；節流加載裝置即用節流閥通過調節節流閥口大小，使流量通過時產生一定的壓降而實現加載任務，節流加載既可用于流量的調節也可用于壓力的調節，其缺點為應用于壓力調節時，受通過的流量影響比較大，壓力很難穩定在某個模擬值，但可實現雙向模擬加載。

該測試系統根據叉車多路閥不同功能，采用了兩種模擬加載方式應用在叉車多路閥的不同閥聯。

1.3 背壓單元設計

背壓試驗中要求多路閥測試時，回油壓力可調，微動特性試驗中要求測試壓力油口與負載口在回油處的流量，但微動特性流量要小于系統回油流量。該測試系統對回油量與微動特性流量進行分開測量，兩個油路分別連接量程不同的流量計。回油油路與微動特性油路均通過溢流閥實現背壓調節。

1.4 輔助供油方案設計

因多路閥的操縱方式有手動式、機液式、電液先導式，因此換向控制方式有手動、先導控制油等方式來驅動多路閥主閥芯換向。先導油可直接從主油路引出，不需額外泵源，但因流量大小差異且存在主系統壓力隨負載變化較大等弊端，先導式多路閥要求先導控制油流量和壓力穩定，才能保證滑閥準確定位和復位。該測試系統中，通過采用單獨泵輔助供油系統，為多路閥換向提供穩定油源，保證了多路閥換向操作的重復性，為其相關性能測試結果的一致性和有效性提供了保證。

1.5 電氣控制方式設計

測試平臺將液壓系統作為被試缸或閥的測試的動力源，并通過對變量柱塞泵、比例溢流閥等進行控制和調節，從而得到試驗所需的壓力與流量，再結合數據采集及處理單元，完成對試驗數據的自動采集、存儲及實時顯示。測控系統是除液壓系統外另一重要組成部分，承擔了對系統的動力單元、電液換向閥等的控制，同時完成多路閥與液壓缸測試過程中試驗數據的處理，兼顧系統的安全性（關鍵狀態的監控）等。

2 計算機控制操作系統

計算機控制操作系統登錄界面如圖2所示。其中，進入測試區為測試系統的主要工作界面。

圖2 計算機操作系統登錄界面

設置區如圖3所示。其主要功能為設置信號采集端口與光柵尺接入端口等，當硬件信號接口無變動時該操作界面均不予改變；點擊退出圖框，將關閉測試系統。

圖3 設置區端口選擇

測試區主界面如圖4所示，包括幾大板塊：采集數據、項目選擇、數據選擇、測試泵選擇、缸試驗控制、閥試驗操作、開啟監控畫面和監控畫面展開區域、參數設置、保存與退出。

圖4 測試區主界面

其中，“采集數據”包括了工控機對液壓控制系統的壓力、流量、位移、力、溫度等信號的A（D）/D（A）轉換，對其進行實時顯示，方便操作人員對數據的監控。“項目選擇”包括多路閥測試與缸測試兩項，每項所屬下拉菜單包含了型式試驗所有測試項目，進行項目選擇后可按照試驗要求設置“測試泵選擇”內的主泵與控制泵的運行參數設定，還可對“數據選擇”內的測試數據選擇以及監控畫面內對XY軸所表示的數值進行設置等。“缸試驗控制”與“閥試驗以及吸油泵控制”均對各自不同的測試過程進行控制和調整。

該操作面上的參數設置與主頁面“設置”功能不同，參數設置界面如圖5所示。研究者可對液壓系統內的傳感器信號采集的基準進行置位與復位設置，以保證程序執行所測數據的準確性。

圖5 參數設置界面

以多路閥穩態試驗為例，試驗曲線的擬合原理為：“項目選擇”選取多路閥測試下拉菜單內的“穩態試驗”，“測試泵選擇”選取主泵開，其流量可根據電腦設定按照規定步長增大到設定值，隨著流量不斷增大到120%公稱流量過程中，點擊“記錄”后可保存不同流量下的壓力損失值，計算機通過內部所設擬合曲線將記錄數據點連接繪制出所得試驗曲線。

3 油缸型式試驗測試

總試驗臺液壓油缸型式測試系統考慮測試不同種類和缸徑的油缸時，均可保持測試的高效與高精度，且在節能基礎上配置了兩套泵源系統，系統主泵最大流量175 ml/r，輔泵為流量為45 ml/r 的定量泵。該系統與國標要求油缸測試系統相比較，負載缸與被試缸采用一套泵源，簡化了系統管路設計，節省了設備投資。

3.1 試驗臺架

液壓缸試驗加載臺架為被測試液壓缸的檢測提供了加載平臺。試驗臺架在對液壓缸實際運行負載的模擬方面，具有較強的通用性，可對動載荷、靜載荷以及交變載荷進行模擬試驗。加載臺架的結構強度設計方面，需要確保試驗臺的穩定性，可承受較大的力或力矩，框架設計保持了大型機床床身的設計原型，具有較強的強度和剛度。針對液壓缸裝夾方式的設計方面，本研究采用了對頂缸的加載形式，根據不同試驗要求和以往設計經驗，液壓缸裝夾采用了螺栓連接和銷連接。

3.2 負載效率試驗

負載效率試驗需要將被試缸與加載系統連接在一起為其提供外負載。本研究通過計算機設定比例溢流閥進行系統壓力的加載，以液壓缸無桿腔負載效率計算為例，使被試缸在規定的壓力下勻速運動，壓力傳感器記錄下被試缸無桿腔的壓力值，負載力由力傳感器記錄，計算機根據負載效率公式：η=F/PA×100%，計算出實時負載效率，計算機自動繪制出負載效率曲線。

試驗操作方法如圖6所示。首先本研究將力傳感器安裝在被試缸和負載液壓缸兩活塞桿的頭部，使被試液壓缸保持勻速運動對頂負載液壓缸，計算機內根據被試液壓缸設置好缸徑，可根據預先設置好的負載效率公式可計算出不同負載壓力下的負載效率，計算機根據各計算點繪制出效率曲線。該試驗項目的操作難點在于對“被試液壓缸保持勻速運動對頂負載液壓缸”狀態的控制，可在后續試驗實踐中找到較好的控制方式。

圖6 油缸拉壓傳感器試驗原理圖

液壓缸負載效率試驗曲線如圖7所示。

圖7 液壓缸負載效率試驗曲線

由圖7 可知，液壓缸負載效率隨著負載增加逐漸增大，該現象是因高壓下被試缸的密封特性較低壓更為有效。

3.3 液壓缸內泄漏試驗

試驗原理圖如圖8所示，本研究在油缸內泄漏測試環節采用光柵尺監測活塞微小位移量，通過數據采集與程序計算得出油缸內泄漏量，輸出數據并保存。

圖8 液壓缸內泄漏試驗原理圖

以油缸無桿腔內泄漏量為例，其試驗原理為：

在設計好的專用臺架上，本研究鎖死被試油缸無桿腔，用負載缸加載至規定壓力，通過光柵尺測定出活塞位移，按式（1）換算成體積即泄漏量。當測試被試缸的有桿腔時，計算式（1）內的D2改為（D2-d2）即可。經測試某缸徑D=100 mm的液壓缸，其內泄漏量為0.2 ml/min，滿足JB/T10205-2000的要求。

4 多路閥型式試驗測試

綜合國內已有多路閥的出廠試驗系統的優化設計方案，通過在油路快速切換環節增設雙向加載單元或液控單向閥組實現油路切換，可有效避免頻繁換接閥口測試油管［3-6］。與傳統液壓元件出廠測試系統的功能相比，在集成原有設計基礎上，該試驗臺增加了對液壓閥的耐久性、微動特性以及瞬態試驗的檢測。其中，瞬態試驗要求階躍加載閥能夠快速動作，在被試閥口處產生滿足瞬態條件的壓力梯度，通過壓力傳感器、記錄儀記錄被試閥8 進口處的壓力變化過程。而微動特性試驗由3 項試驗項目組成：P→T壓力微動特性、P→A(B)流量微動特性、A(B)→T流量微動特性。測試期間本研究將通過滑閥閥芯由中立位置緩慢移動到各換向位置，測出隨行程變化所測油口的壓力與流量的相應值。筆者在多路閥泄漏量測試中采用稱重測量法檢測泄漏量。

4.1 穩態試驗內泄漏測量設計

多路換向閥內泄漏測試裝置采用單點式稱重傳感器，具有過載保護設置，且可進行角差修正，防護等級達到IP66。當被試閥的滑閥閥芯處于中立位置時，A、B油口進油，溢流閥加壓至公稱壓力，除T油口外其余油口堵住，由T口測量泄漏量，通過稱重傳感器將泄漏油液的重量轉換成電信號，再轉換成內泄漏量，顯示在工控顯示器上。檢測過程不存在人為操作，可改善傳統內泄漏測量采用量杯人為讀數帶來的不必要誤差。該內泄漏測量設備為多路閥全部試驗項目泄漏量測量提供測試方法與測試結果。

以多路閥穩態試驗中立位置的內泄漏試驗為例，設定好流量后開機，系統壓力由零逐漸增大到公稱壓力，期間記錄試驗數據采集點，計算機自動擬合出的內泄漏曲線如圖9所示。

圖9 穩態試驗中立位置內泄漏量曲線

根據JB/T8729.1-1998 對多路閥中立位置內泄漏量指標要求，通徑20 mm公稱壓力20 MPa下的泄漏量最大值應在125 ml/min范圍內，圖8中，曲線采集數據點在18 MPa壓力下閥內泄漏量約為10.5 ml/min，所試閥滿足JB要求。

4.2 瞬態試驗

設定主泵流量后，開機啟動外控泵將液控單向閥打開，主泵壓力油通過液控單向閥流回油箱，未進入多路閥負載端；隨后操作二位四通換向閥換向到右工位，液控單向閥控制端接油箱，此時液控單向閥瞬間關閉，主泵壓力油瞬間加壓至多路閥負載端，后關閉主泵供油，可通過壓力傳感器讀取被試閥進口處的壓力P1變化過程，繪制出安全閥瞬間響應曲線。該項試驗可用來判斷多路閥中的主安全閥的穩壓特性。

安全閥壓力特性曲線如圖10所示。

圖10 安全閥壓力特性曲線

由試驗曲線可知，所測主安全閥的瞬態恢復時間約為0.2 s，開啟壓力達到18 MPa，滿足了JB對公稱壓力為20 MPa下的安全閥性能參數要求。

4.3 微動特性試驗設計

多路換向閥微動特性試驗臺如圖11所示。本研究在多路閥耐久性測試臺架基礎上，于油缸與被試閥之間安裝微調機構，便可進行微動特性試驗的操作。該微調機構可以以微小增量移動滑閥閥桿，其原理為將若干微小螺距轉換為直線行程作為輸出量，通過油缸端部的位移傳感器測量增量大小，以此來實現緩慢移動滑閥閥芯的操縱工況，分別得出滑閥行程與壓力（流量）的微動特性曲線。其中，微動特性位移通過油缸安裝的內置式微脈沖位移傳感器測量并顯示在工況計算機中，實現實驗數據的自動采集［7］。

圖11 多路換向閥微動特性試驗臺

本研究以P→T壓力微動特性為例，設定主泵流量后開機，利用位移傳感器讀取閥桿移動行程，用壓力傳感器測出隨行程變化時主泵壓力P1相應的壓力值，所試閥閥芯行程為8.1 mm，試驗全程負載口AB均處于堵死狀態。

P-T壓力微動特性試驗曲線如圖12所示。

圖12 P-T 壓力微動特性試驗曲線

由圖12試驗曲線可知，主泵壓力隨著P→T開啟位移由全開至全閉的過程，呈逐漸增加趨勢。根據流體力學中流經節流孔的流量計算公式：

式中：qx，cd，ρ—恒定值。

閥口過流面積Ax隨開啟位移的減小逐漸減小，可得出P1即公式中的Δp，保持增長趨勢，試驗曲線完全符合理論計算公式。

5 結束語

本研究通過理論與實踐相結合，分析了計算機輔助液壓測試平臺的設計操作與試驗曲線的獲得過程，重點分析了液壓缸型式試驗中涉及到的負載效率試驗與液壓閥穩態內泄漏、瞬態試驗與部分微動特性測試項目。通過將試驗結果與JB/T10205-2000 和JB/T8729.1-1998標準相對比，可有助于驗證試驗臺設計的準確性。研究者可通過對液壓元件的型式試驗，全面分析液壓元件的設計特性，有助于發現并指導對新型液壓元件的流道改造與工藝改進，且可在后期借助有限元仿真分析軟件與以功率鍵合圖為基礎的系統模型搭建仿真軟件對元件存在的設計問題進行有效改進，有助于改善并解決多路閥的振動問題以及液壓缸的泄漏問題等。

（References）：

［1］雷天覺.新編液壓工程手冊［M］.北京：北京理工大學出版社，1998.

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［7］程三紅，徐云奎，許敏影，等.多路閥型式試驗臺的設計與開發［J］.機電工程，2014，31（3）：358-360.