液壓往復密封試驗臺技術發展狀況

胡澤華，李俊濤

(廣州機械科學研究院有限公司，廣東廣州 510700)

0 引言

隨著我國工程機械行業的飛速發展，液壓元器件行業也隨之迅速壯大。液壓缸是較為重要的一種液壓元件，往復密封件又是液壓缸中重要的元件之一，其可靠性對液壓缸至關重要。往復密封可靠性驗證離不開液壓往復密封試驗臺。作者將從液壓元件及相關測試設備入手，簡單介紹國內外液壓往復密封試驗臺的研究現狀。

1 液壓元件及其測試設備

1.1 概述

自1965年山西榆次液壓件成立以來，我國才真正開始從事液壓件的生產及研究。此后，上海機床廠、北京建筑機器廠、首鋼等主機廠逐漸投入到液壓件的生產及性能測試試驗臺的開發中，以確保本廠的液壓元件達到要求的性能指標。隨著液壓行業的逐步壯大，我國開始制訂通用液壓件國家標準及專用液壓元件標準，此外，還在北京自動化研究所建成了我國第一家測試門類比較齊全的液壓元件測試中心，該測試中心也成為我國第一家生產液壓元件的測試設備設計與研發的中心。

1.2 液壓元件

液壓元件包括：(1)動力元件，如齒輪泵、葉片泵、柱塞泵、螺桿泵等；(2)執行元件，如液壓缸、液壓馬達；(3)控制元件，如各種方向控制閥、壓力控制閥、流量控制閥；(4)輔助元件，如蓄能器、過濾器、冷卻器、加熱器、油管、管接頭、油箱、壓力計、流量計、密封裝置等。

1.3 液壓元件測試設備

液壓元件測試設備主要包括：各類液壓閥試驗臺、液壓泵試驗臺、液壓馬達試驗臺、液壓缸試驗臺、高壓脈沖試驗臺(管路及液壓輔助元件的脈沖壓力測試)等。其中各類液壓閥試驗臺、液壓缸試驗臺、液壓泵試驗臺占比最大[1]。

2 國內外液壓元件測試設備主要供應商

雖然經過近50年的努力，我國液壓產品性價比方面具有一定優勢，但由于起步較晚，技術力量不足，大部分國內企業僅能在中低端產品上進行競爭，而裝備制造業所需液壓關鍵核心零部件，如變量柱塞泵、馬達、多路閥和高壓油缸等高端液壓元件仍較大程度上依賴進口。

隨著國家對關鍵零部件產業的重視，以及從事液壓核心零部件研發與生產的一批行業龍頭企業的迅速發展，我國的液壓核心零部件的試驗驗證手段不斷完善，如：天津工程機械研究院聯合國內工程機械的龍頭企業及高等院校，申請工信部工程機械高端液壓元件及液壓系統產業化協同工作平臺項目，重點解決與中型挖掘機配套的高壓液壓泵、液壓馬達、液壓閥的自主化研制技術，制定設計標準及建立測試規范，以提高我國高端液壓元件的可靠性及使用壽命，其液壓元件綜合試驗臺如圖1所示。

圖1 液壓元件(高壓泵、液壓馬達、閥)綜合試驗臺

隨著液壓行業尤其是工程機械行業的快速發展，國內外多家液壓元件供應商(特瑞堡、Freudenberg、德國普茨邁斯特公司、日本NOK、江蘇恒立液壓股份有限公司、貴州力源液壓股份有限公司、徐州工程機械研究院、柳州工程機械集團有限公司、中聯重科股份有限公司及中冶邁克液壓公司等)、高校(浙江大學流體傳動及控制國家重點實驗室、武漢科技大學流體傳動與控制研究所)、科研院所(天津工程機械研究院、廣州機械科學研究院有限公司液壓研究所)及試驗臺專業供應商(韓國富臨自動化株式會社、廣州新歐機械有限公司、廣州禹拓測控技術有限公司、天津百公百測控技術有限公司、徐州力成液壓設備有限公司及江蘇科邁液壓測控系統有限公司等)都投入精力從事液壓元件試驗臺的研制。

以上試驗臺供應商中，以研制各類液壓閥試驗臺、液壓泵試驗臺的供應商居多，從事過往復液壓缸試驗臺研制的供應商比較有限。

3 往復液壓缸試驗項目

目前國內的往復液壓缸試驗主要包括液壓缸總成試驗、單項試驗、零部件專項試驗及與同行業標桿企業對比試驗。

(1)液壓缸總成試驗

針對新開發的液壓缸及重點液壓缸進行全方位的工況模擬試驗或型式試驗，檢查液壓缸各方面的性能。

工況模擬試驗是檢驗液壓缸在規定的工況條件下的疲勞強度及耐久壽命，如焊縫的疲勞沖擊壽命、密封件的性能及耐久壽命、液壓缸的緩沖性能、活塞桿強度、鍍層附著能力等。

型式試驗按GB/T 15622-2005《液壓缸試驗方法》執行，包括9項型式試驗(見單項試驗)。

(2)單項試驗

為試驗項目提供測試數據或進行故障重現，包括9項型式試驗(試運轉試驗、啟動壓力試驗、耐壓試驗、泄漏試驗、緩沖試驗、效率試驗、高溫試驗、耐久試驗、行程試驗)、保壓試驗、2P沖擊試驗、2F沖擊試驗、偏載試驗、防水防塵試驗、摩擦力測試、應力應變測試等。

(3)零部件專項試驗

對液壓缸的零部件進行專項測試試驗，包括密封件的使用壽命、焊縫強度、活塞桿強度等試驗。

(4)與同行業標桿企業對比試驗

用自己單位自制的液壓缸與行業同類標桿液壓缸進行性能型式試驗對比，通過測試數據，找出存在的差距，進行相應的改善，向行業標桿看齊。

目前國內大型液壓缸生產廠在液壓缸出廠前都要對液壓缸進行必要的保壓及密封泄漏測試，至于液壓缸總成試驗、單項試驗、零部件專項試驗以及與同行業標桿企業對比試驗，只有部分高壓液壓缸及用戶有特殊要求時，油缸生產廠家才會按照要求進行相關試驗驗證[2]。

4 國內外液壓往復密封試驗臺研制狀況

以上4種類型的液壓缸試驗，每項試驗都與密封件的性能或使用壽命有關，盡管密封件的成本只占液壓缸成本的5%左右，但對液壓缸的性能至關重要。目前，我國液壓缸技術水平與國外的主要差距依然體現在密封件的性能方面，而往復液壓密封與國外的差距主要表現為缺乏有效的驗證方法及驗證設備。盡管液壓缸的4種試驗都涉及密封件的性能驗證，但其測試的重點主要是針對液壓缸主體進行，對密封件的性能測試是附帶進行的，密封件許多重要的性能測試項目并未涉及。由此可見，研制專用的液壓往復密封件試驗臺，有利于提高我國液壓缸的技術水平。

常規液壓往復密封件的試驗項目及方法如表1所示。

表1 常規液壓往復密封件的試驗項目及方法

國外知名的密封件公司，如：NOK、特瑞堡、Freudenberg Sealing Technologies 等，密封件性能測試臺架都比較完備，有一套完整的測試方法(ISO 7986:1997，JIS B2409:2002)及齊全的測試數據。據國內某工程機械主機廠的技術人員介紹：NOK的液壓往復密封試驗臺架，設在日本NOK總部，一般不允許參觀，其試驗臺架的數量非常龐大。由于液壓元件的品種及規格繁多，市場需求的數量有限，其試驗臺的通用性相對較差，因此，除韓國富臨自動化株式會社外，國內外真正專業從事液壓元件試驗臺研制的供應商非常有限，主要是液壓元件生產廠家根據自身的產品需要，自行研制液壓元件試驗臺，這些液壓元件供應商研制的試驗臺一般不對外銷售。其余主要是一些大學或研究機構如：德國斯圖加特大學Institute of Machine Components-IMA實驗室、英國BHR Group(英國液壓流體工程研究機構)從事液壓元件試驗臺的研制。據不完全統計，從事過液壓往復密封件試驗臺研制，并對國內客戶提供技術服務的國內外廠家，僅有：韓國富臨自動化株式會社、江蘇恒立液壓股份有限公司、廣州機械科學研究院有限公司液壓研究所及浙江大學流體傳動及控制國家重點實驗室等。先簡要介紹國內外液壓往復密封件試驗臺主要研制廠商的情況。

(1)特瑞堡公司

特瑞堡公司是國際知名的液壓往復密封件供應商，busak+shamban寶色霞板作為特瑞堡密封系統旗下的知名品牌，于2007年4月2日起正式更名為特瑞堡密封系統。

據了解，特瑞堡公司在上海工廠有一臺液壓往復密封基礎試驗臺，主要用于活塞桿密封的性能測試，軸徑為50 mm，往復速度為0.05～0.35 m/s，往復行程為300 mm，測試介質壓力為0～30 MPa。此外，上海工廠還有一臺液壓往復密封綜合試驗臺，其主要特點為：活塞桿通過滾輪可以在可轉動平面導軌上滑動，轉盤可以調節導軌的角度，通過轉動轉盤設置不同的導軌角度可以模擬活塞桿不同的偏載情況。

圖2是特瑞堡公司官方網站上介紹的活塞桿密封試驗臺，主要用于活塞桿密封件的性能及壽命測試。

圖2 活塞桿密封試驗臺

圖3是特瑞堡公司針對空中客車A350飛機起落架活塞桿密封的測試臺架，已經完成20 000個完整的降落循環及額外的擦冰和噴水測試。此測試臺由斯圖加特特瑞堡研發中心完成，為浮動安裝結構，可模擬不平坦的跑道，用于模擬密封件完整配置的長期耐久性及開發測試。主要工況參數如下：測試臺功率260 kW，質量18 t；溫度-60～90 ℃；桿徑φ100～φ400 mm；往復速度1 m/s；載荷頻率10 Hz；油缸側向力225 kN。

圖3 活塞桿密封試驗臺

(2)韓國富臨自動化株式會社

韓國富臨自動化株式會社成立于1994年，主要從事挖掘機油缸及試驗裝置的研制。該公司成立以來，主要研制工程機械液壓元件試驗臺(含液壓缸)、往復密封件試驗臺、活塞桿安裝機及自動化設備，試驗設備主要分布在韓國、山東、江蘇、浙江、三一重工及山河智能等工程機械主機廠，包括生產用試驗臺及研究用試驗臺。據統計，自1994年至今，該公司銷售的工程機械類元件試驗設備數量接近150臺套。其試驗臺的優點如下:①試驗臺實用性好；②穩定性高，故障率極低；③其技術的成熟度、設計理念的先進性及所掌握的試驗方法，均處于國際領先水平，在國內外享有良好的聲譽，在往復高壓油缸密封試驗臺方面表現得尤為明顯。密封件試驗臺示例如圖4—圖5所示。

圖4 密封件試驗臺(一)

圖5 密封件試驗臺(二)

(3)江蘇恒立液壓股份有限公司

江蘇恒立液壓股份有限公司于1990年成立，是全球較大規模挖掘機油缸以及大型特種高壓油缸的研發制造供應商。近幾年，恒立自主設計及制造的液壓元件試驗臺包括：多路閥試驗臺，液壓泵試驗臺，液壓缸試驗臺(如圖6所示)，高壓脈沖試驗臺，插裝閥試驗臺及液壓缸2P、2F耐久試驗臺(如圖7所示)等。其試驗臺具有以下優點：①安全；②追求節能；③耐久性好(目標25年)；④高精度；⑤操作簡化；⑥結構緊湊，系統設計合理。

(4)其他

據了解，國內有過液壓往復密封試驗臺研制經驗的供應商包括：廣州機械科學研究院有限公司液壓研究所、徐州工程機械研究院、中聯重科及浙江大學流體傳動及控制國家重點實驗室。其研究情況如下：

廣州機械科學研究院有限公司下屬機構液壓研究所曾經為該公司密封研究所研制煤礦液壓支架密封件試驗臺架(如圖8所示)、工程機械液壓往復密封試驗臺(如圖9所示)，先后為婁底中興液壓件有限公司提供混凝土泵車油缸的型式試驗臺及工程機械液壓往復密封試驗臺(如圖10所示)。

圖6 液壓缸試驗臺

圖7 液壓缸2P、2F耐久性試驗臺

圖8 煤礦液壓支架密封件試驗臺

圖9 液壓往復密封試驗臺

圖10 液壓往復密封試驗臺(婁底中興)

此外，徐州工程機械研究院有一臺液壓往復密封試驗臺，是參照NOK的試驗方法、與江蘇一家試驗臺供應商共同研制開發的。

中聯重科屬下的中聯特力液壓缸試驗中心曾委托韓國富臨自動化株式會社為其研制一臺桿徑200 mm、行程500 mm、最高瞬時沖擊壓力70 MPa的密封試驗機，當時由于種種原因雙方未能談妥，最后他們選擇自制。

浙江大學流體傳動及控制國家重點實驗室依托國家973課題，自行研制一臺往復油缸密封試驗臺。

5 液壓往復密封測試設備研制的關鍵技術

液壓往復密封測試設備一般由液壓站、密封試驗臺架、電氣控制柜以及測試與控制操作臺構成，包括液壓系統及電氣控制系統兩大系統。電控系統主要分控制系統和CAT(Computer Aided Test，計算機輔助試驗)系統兩部分?？刂葡到y由人機界面、操作臺控制、流量控制系統、加載控制系統、溫度及液面控制系統等組成。CAT系統由計算機(工控機)、各種傳感器、信號調理裝置及輸入、輸出接口組成[3-5]。

由于驅動缸、液壓元件、傳感器、電氣控制元件等均可以外購進口高檔產品，國外無技術壁壘，因此，元器件的優劣并非液壓往復密封測試設備的關鍵技術，其關鍵技術主要包括：(1)液壓系統的優化設計；(2)被試缸的結構優化；(3)特殊結構的設計。

液壓系統的設計是否合理，決定了液壓往復密封測試設備的能耗、密封件測試項目的實現、噪聲控制、系統的穩定性及液壓元件的壽命等。江蘇恒立液壓股份有限公司在設計試驗臺時，一直比較注重試驗臺的節能降耗，通過合理調整液壓系統的參數匹配，同時采取相關措施，既滿足用戶的要求，同時又節約系統的能耗。

被試缸的結構是否合理，決定了液壓往復密封的試驗效率及試驗數據的真實性。不同的被試缸結構設計，決定了它是否能夠真實模擬密封件的實際工況，同時有效提高密封件的試驗效率(如：活塞密封與活塞桿密封同時進行試驗，或一個驅動缸可同時驅動多個被試缸等)。

對于有特殊要求的液壓往復密封測試設備，如挖掘機的鏟斗油缸密封件，工作時活塞桿需要承受側向偏載，如何選擇合理的結構實現側向偏載，同時又不影響測試設備的其他功能至關重要。

6 國內液壓往復密封測試設備的差距

作為關鍵、核心基礎零部件之一的液壓往復密封件，由于其行業小，產業集中度低，投入大而見效慢，國內行業廠無力進行試驗設備的投入，其他的試驗臺供應商也因需求量小而不愿意投入精力研究(據統計，目前國內的液壓往復密封測試設備數量不超過10臺)，因此，我國的液壓往復密封測試設備與國外的主要供應商在技術上有一定的差距，主要表現在[6]：

(1)液壓系統設計的合理性。國內液壓往復密封測試設備在噪聲控制、系統的穩定性及液壓元件的壽命等方面與國外設備相比均有一定的差距。

(2)設備的外觀。國內一般不重視液壓往復密封測試設備的外觀設計，油管布置的美觀性、液壓站的整體防護、外觀件的烤漆等方面與國外設備相比也有一定的差距。

(3)設備的結構布置。國外液壓往復密封測試設備的結構相對比較緊湊，這一點在日本、韓國的試驗臺及其他設備上表現得比較明顯，江蘇恒立液壓股份有限公司基本繼承了這一優良傳統。

(4)操作的方便性。只要設備的需求方提出要求，國內在設備操作方便性方面與國外的差距總體不大。

(5)人機界面。由于經驗及觀念的差異，國外液壓往復密封測試設備的顯示“界面”更受到用戶的歡迎。

(6)系統的改造與升級。國外液壓往復密封測試設備供應商的售后服務與改進更好，更靠近客戶，有版本的升級；而國內供應商在這方面的意識相對較差，驗收后即萬事大吉，很難想到升級改進。

此外，國內液壓往復密封測試設備的供應商對油缸及其密封的了解程度遠不如國外供應商，部分供應商的試驗臺甚至連漏油這類問題都未能解決。

7 結束語

隨著我國液壓往復密封行業的快速發展，密封件的可靠性顯得尤為重要，這就對液壓往復密封測試設備的研制提出了更高的要求。對我國的測試設備研制供應商來說，這既是機會，也是挑戰，認清我們與國外同行業之間的差距，腳踏實地，相信在不久的將來，我們的測試設備完全可以趕超國外同行的水平。

參考文獻:

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