雙作用安全閥調壓試驗臺設計

江代祥

（廣西柳工機械股份有限公司，廣西柳州545007）

0 引言

液壓系統的各種元件在裝配或維修后都需要進行性能試驗，尤其是液壓閥為了達到預期的方向控制、流量控制、壓力控制等功能必須進行試驗，以保證其使用性能。

大小腔雙作用安全閥（結構和原理圖詳見圖1、圖2）是裝載機工作裝置液壓系統中分配閥上關鍵的液壓閥部件之一，其主要功能主要是對轉斗油缸壓力過載溢流保護和真空補油防止“氣穴”現象。補油單向閥主要通過單向閥和壓緊閥芯的彈簧構成，不需要調整；壓力保護主要由溢流閥調定，大小腔雙作用安全閥的溢流閥重新裝配或維修后都需要重新調定。

圖1 閥結構圖

圖2 閥原理圖

本文主要對雙作用安全閥的溢流閥壓力調定試驗臺系統進行設計。

1 試驗臺設計步驟

液壓試驗臺系統設計需要了解被試液壓元件要求，設計液壓試驗的液壓系統，需要考慮測試的參數和性能。液壓系統的設計流程并無嚴格的順序，各步驟間往往要相互穿插進行[1]。在明確設計要求之后，設計流程如下：確定液壓執行元件的型式、進行工況分析、確定系統的主要參數、制定基本方案擬定液壓系統原理圖、選擇液壓元件、液壓系統的性能驗算、繪制工作圖、編制技術文件。

以上步驟在試驗臺設計都會涉及到，本文參照以上流程主要圍繞以下幾個方面進行：大小腔雙作用安全閥參數確定、試驗方案分析和系統原理圖確定、液壓元件選擇和設計計算等。

2 大小腔雙作用安全閥主要試驗參數

2.1閥主要參數

大小腔雙作用安全閥在設計時就已經確定，只需要對其制造和維修后采用一定的試驗方法調整以保證其參數性能即可，閥的參數詳見表1.

表1 安全閥性能參數

2.2各參數說明

閥本身參數主要有5項，流量范圍、公稱流量、公稱壓力、壓力振擺、內泄漏量等。對于雙作用安全閥來說，公稱壓力是需要在公稱流量條件下通過試驗調整而來；壓力振擺主要衡量被試的雙作用安全閥彈簧和閥本身零件質量的參數，如果振擺出現異常，通常反應被試雙作用安全閥可能存在問題，用以評價閥質量的一項指標。內泄漏量內泄漏不僅會降低液壓系統的效率和引起發熱而造成能源耗損，而且會影響執行機構的正常工作，安全閥在試驗過程中保壓試驗，由于保壓過程存在液壓油從溢流閥泄油以及泵的運行等，都容易造成溫度升高，需要進行熱平衡計算，由于熱平衡系統屬于試驗設備其他附屬系統，僅提出指導性要求，在文中不做設計計算。

3 試驗臺系統分析和設計計算

3.1大小腔雙作用安全閥試驗方案分析

根據雙作用安全閥的參數要求，雙作用安全閥作為被試閥試驗臺需要的功能包括提供滿足試驗壓力和流量的液壓油。試驗臺主要組成部分包含滿足液壓試驗的動力裝置（電機、泵）、控制液壓油通斷的方向控制閥、系統安全閥、流量計、油箱、附屬油管和接頭等。大體方案如下：應用電機帶動泵供油，泵出油到方向控制閥給被試的雙作用安全閥供油，泵出口附近設置系統安全閥，安全閥壓力設定高于被試閥的調定壓力，同時起到系統負載的作用，通過液壓管路和接頭等把系統個部件連接起來形成完整的試驗系統。

3.2試驗系統原理圖確定

根據試驗系統方案分析，考慮到安全閥試驗的效率問題，因此選擇方向控制閥時一次裝夾可以實現輪流測試兩套安全閥的目的，采用三位四通手動換向閥作為系統方向控制閥，試驗液壓系統原理圖詳見圖3.

圖3 試驗液壓系統原理圖

3.3液壓元件選擇和設計計算

試驗臺液壓系統元件的選擇是在滿足系統壓力、流量和相應功能的基礎上確定，因此，需要根據實際被試閥的參數計算出需要選擇的液壓元件的參數。相應的設計計算如下：

3.3.1液壓泵的選擇

1）確定液壓泵的最大工作壓力pp

pp≥ p1+∑△p

式中：p1為被試閥的最大工作壓力（MPa）；∑△p為從液壓泵出口到被試閥入口之間的管路損失被試閥要求的壓力p1=20 MPa，根據機械設計手冊：管路簡單、流速不大的，取∑△p=0.2～0.5 MPa；管路復雜、串聯有調速閥的，取∑△p=0.5～1.5 MPa.根據圖2及被試閥參數，試驗液壓系統管路簡單，只有流量計和方向控制閥，因此取∑△p=0.4 MPa.

液壓泵的最大工作壓力：pp=20+0.4=20.4 MPa

2）確定液壓泵的流量

qvp≥ K（∑qvmax）

式中：K為系統泄漏系數，一般取K=1.1～1.3，取K=1.2；系統中主要工作元件為被試閥，被試閥的最大流量87 L/min，額定流量38 L/min，∑qvmax取87 L/min，qvp=1.2×87=104.4 L/min.

3）根據壓力和流量選擇泵，根據最大工作壓力20.4 MPa，同時考慮泵有一定的壓力儲備泵的額定壓力一般比最大工作壓力大25%～60%，因此選擇泵的額定壓力20.4×1.3=26.52 MPa，外嚙合齒輪泵難以滿足壓力要求，選擇內嚙合齒輪泵NB5-G100F，額定壓力25 MPa（與計算額定壓力接近），最高壓力32 MPa（壓力儲備足夠）。在額定壓力下泵，流量最大150 L/min，滿足使用要求。

3.3.2電機功率的確定

在雙作用安全閥試驗過程中泵的壓力和流量的變化比較恒定，電機功率確定主要跟泵最大工作壓力、最大流量及泵的總效率有關，因此采用如下公式計算：

式中：pp為泵最大工作壓力（Pa）；qvp為泵的流量（m3/s）；ηp為液壓泵的總效率。參照機械設計手冊齒輪泵總效率0.6～0.7，取ηp=0.65，則

電機一般情況下允許短時間超載25%，試驗只有在保壓試驗時持續30 s，而且試驗時使用的流量沒有到被試閥的最大流量104.4 L/min，而實際使用流量只有38 L/min，電機的功率還可以更小，即

P=54.6÷1.25=43.68 kW，查電動機樣本，選用45 kW的電機滿足功率要求。

3.3.3方向控制閥和溢流閥選擇

方向控制閥根據系統工作壓力和通過閥的最大流量選擇，系統最大工作壓力20.4 MPa，被試閥實際需要流量38 L/min，考慮系統泄漏等損失，按照計算的最大流量104.4 L/min，綜合考慮選擇流量范圍40～100 L/min的WMM型帶有定位功能的手動換向閥，壓力32 MPa，通徑16 mm，能滿足基本的使用要求。

溢流閥根據液壓泵的最大流量選擇，泵最大流量150 L/min，同時考慮系統壓力，選擇DBD型直動式溢流閥，壓力調整范圍2.5～63 MPa，額定流量330 L/min滿足系統安全閥的要求。

3.3.4液壓油管及油箱設計

1）管道內徑計算

液壓管道在液壓系統中的作用，主要是連接泵、閥、缸等液壓元件，構成液壓油傳輸回路，實現液壓能的傳遞[1]。本液壓試壓臺管路相對簡單，主要分為吸油管路、壓油管路、排油管路，根據三種不同管路按照流速不同選取。主要計算依據：

式中：d為管道內徑（mm）；qv為系統液體流量（m3/s）；v為流速（m/s）。參照設計手冊，推薦流速，吸油管取1～2 m/s（一般取1 m/s以下）；對于壓油管取3～6 m/s；對于回油管取1.5～2.5 m/s.液壓系統管路內徑計算及參照管路內徑標準系列取值如下表2.

表2 管路內徑取值

2）油箱設計計算

V=aqv

式中：qv為泵每分鐘排出壓力油的容積（m3）；a為經驗系數。參照設計手冊試驗臺屬于中壓系統，取a=6.

已知泵的總流量150 L/min，泵每分鐘排出液壓油的體積0.15 m3，算得有效容積：

V=6×0.15=0.9 m3

經過計算液壓系統需要有效容積達到0.9 m3，在確定油箱尺寸時，一方面需要滿足系統供油要求，還要保證執行元件全部排油時，油箱中的油液不能溢出，以及系統中最大可能充滿油時，油箱的油位不能低于最低限度[1]。

3.3.5流量計、壓力表和濾油器選擇

流量計在系統中需要檢測兩個流量，一是檢測流入被試閥的額定流量，二是閥在進行保壓時的內泄漏流量。測量額定流量的流量計設置在泵出油口和方向控制閥之間，用于檢測流入被試閥的額定流量38 L/min，要求滿足額定壓力20 MPa的耐壓要求；測量被試閥內泄漏的流量計設置在被試閥出油口后端，需要設置切斷閥（低壓球閥），在保壓過程中開啟，其他情況下關閉，滿足30 ml/min以下內泄漏檢測精度的要求，因為測內泄漏的流量計量程小，在不保壓試驗的情況下切斷閥處于關閉狀態，防止系統回油超過流量計量程而損壞。由于流量計量程小，精度要求高，也可選擇量杯作為測量的手段，以降低流量計投入的成本。

壓力表主要檢測系統壓力，在進行被試閥保壓操作時監測額定壓力值，壓力不足或壓力過高，需要進行被試閥壓力進行調整，是檢測壓力最關鍵的儀表，根據被試閥壓力20 MPa，精度達到0.5 MPa的要求選取。考慮到系統試驗時存在一定的液壓沖擊，選擇耐震型壓力表。

濾油器分為吸油濾和回油率，根據液壓系統清潔度和過濾精度推薦要求，試驗系統要求達到NAS1638標準9級，過濾精度20 μm，流量大于實際流量2倍以上，被試閥額定流量38 L，因此流量大于76 L以上即可，根據濾油器規格選通流量100 L的濾油器。

流量計、壓力表和濾油器的選擇如下表3.

表3 流量計、壓力表、濾油器選擇

3.3.6 試驗臺設計的其他輔助功能考慮

經過對雙作用安全閥試驗系統分析和設計計算，確定了系統的主要部件及其參數，在手動操作情況下已經能夠實現雙作用安全閥的出廠調壓試驗。隨著技術的進步，許多液壓系統要求流量和壓力能夠連續地或按比例地隨輸入信號的變化而變化，比例控制閥簡稱比例閥，是一種按輸入的電信號連續按比例對油液的壓力、流量和方向進行遠距離控制的閥。工作時，將手動調節的普通閥改為電動調節，并使被調整的參數和給定的電流成一定比例[2]。通過電信號控制閥的使用，可以使液壓系統實現控制集中到電控操作臺上，如試驗系統溢流閥采用比例溢流閥就可以通過電控直接設定系統壓力值，而不需啟動系統手動對直動溢流進行壓力設定。因此，后續在提高系統自動化上可以增加電磁閥、電比例閥及采用PLC控制實現系統試驗自動運行，可以提高效率，降低勞動強度。

液壓系統的無功損耗都將變成熱能，使系統溫度升高。而工作液的性能與溫度有著密切的關系，高溫會加速液體的老化，誘發各種故障，影響液壓元件的使用壽命和系統工作的可靠性[3]。在做試驗過程中，油液溫度的變化對油液產生影響，溫升容易造成油液粘度變化，加速變質老化，溫度過低對油液的粘度也有影響。因此，試驗臺最好還能配備熱平衡系統，保持系統油液溫度的相對恒定，系統檢測的數據更準確和系統功能就更加完善。試驗臺照片如圖4所示。

（續下圖）

（接上圖）

圖4 試驗臺照片

4 結束語

經過對雙作用安全閥的試驗臺進行設計計算，確定了進行試驗需要的液壓系統方案，并對試驗臺電機、泵、液壓方向控制、壓力控制、管路和油箱等構成試驗臺主要的元件進行計算和選型，確定了試驗臺液壓系統需要滿足的各項技術參數，并對試驗臺輔助熱平衡系統和控制系統提出了指導性的要求，基于這些技術依據，我公司在一臺泵試驗臺的基礎上進行改造，配備相應的液壓元件如方向控制閥、溢流閥、壓力表、油管、接頭等元件，流量計采用量杯法手動測量內泄漏，最后改造成為可以進行雙作用安全閥試驗的試驗系統，試驗系統臺簡單實用，經過對多套雙作用安全閥調壓試驗驗證，各項要求都能達到設計預期，可為其他類似閥試驗系統設計提供參考。

參考文獻：

[1]聞邦椿.機械設計手冊[M].5版.北京：機械工業出版社，2010.1：22-64.

[2]隋文臣.液壓與氣動[M].重慶：重慶大學出版社，2007.8：105.

[3]張利平.液壓氣動系統設計手冊[M].北京：機械工業出版社，1997，6：295.