一種活塞缸用壓力測試裝置的設(shè)計與試制

郭 璞，韋朝強(qiáng)，魏太春，杜真一，陳 波，史海博

（西部超導(dǎo)材料科技股份有限公司，陜西西安 710018）

0 引言

液壓缸作為液壓系統(tǒng)的重要組成元件之一，其使用性能將直接影響設(shè)備的運行狀態(tài)和使用壽命。泄漏是液壓缸最常見故障，通常分為內(nèi)泄漏和外泄漏兩種。王占輝對常用的液壓缸內(nèi)泄漏檢測方法——壓降法、容積法和活塞沉降法進(jìn)行分析比較，提出了檢測精度和自動化程度更高的壓差法[1]。錢老紅對液壓缸內(nèi)泄漏保壓法檢測進(jìn)行分析后提出改進(jìn)，壓降和內(nèi)泄漏量進(jìn)行轉(zhuǎn)換計算，得出被試液壓缸的內(nèi)泄漏量[2]。郭媛等人提出了內(nèi)泄漏在線測量的工作原理，建立了在線測量系統(tǒng)、應(yīng)變片的固定方式和流量—應(yīng)變信號轉(zhuǎn)換的數(shù)學(xué)模型，搭建試驗系統(tǒng)采集內(nèi)泄漏和應(yīng)變數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理[3]。分別應(yīng)用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對液壓缸內(nèi)泄漏進(jìn)行預(yù)測，并對預(yù)測結(jié)果進(jìn)行了對比，驗證了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有準(zhǔn)確度和效率高等特點，可以應(yīng)用于其他液壓元件微小流量的在線測量過程中。李現(xiàn)友等人設(shè)計并制造了一種最大承載力達(dá)8000 t，測控系統(tǒng)全面的重型液壓缸測試試驗臺，介紹了試驗臺原理、主要測試功能、安裝過程及測控系統(tǒng)設(shè)計[4]。目前，快速鍛造液壓機(jī)組多采用V 組導(dǎo)向密封，長期使用過后，各密封件磨損嚴(yán)重，造成液壓缸泄漏。尤其是在其他導(dǎo)向機(jī)構(gòu)失效的情況下更為頻繁，密封件更換時經(jīng)常受制于空間位置限制，無法在線及時更換。通常做法是將備用油缸替換有故障的油缸，然后將活塞桿拆出進(jìn)行更換。操作過程中稍有不慎就會造成密封件損壞，這種損壞往往不能及時察覺，也沒有辦法直接檢測，直至下次使用時才能顯現(xiàn)。本文分析活塞缸長期使用后經(jīng)常出現(xiàn)的泄漏等現(xiàn)象，設(shè)計并建立一壓力測試裝置，用于對液壓缸泄漏的快速測試。該測試裝置性能滿足以下要求：

（1）待測油缸最大外徑為700 mm，最大內(nèi)徑為500 mm，最長行程為4800 mm，最大額定壓力為20 MPa，最大重量為10 t。

（2）機(jī)械裝置強(qiáng)度和形變應(yīng)滿足待測油缸最大測試壓力25 MPa，持續(xù)10 min 的保壓試驗。

（3）機(jī)械裝置可檢測多種安裝形式的液壓缸。

（4）機(jī)械裝置外形尺寸約為6500 mm×1500 mm×900 mm。

1 測試裝置系統(tǒng)設(shè)計

1.1 液壓系統(tǒng)構(gòu)成

液壓系統(tǒng)簡潔可靠，液壓泵采用恒功率柱塞泵，系統(tǒng)設(shè)有手動換向多路閥，安裝于C 型機(jī)架的一側(cè)。手動多路閥，具有操縱方便、換向靈敏、性能可靠和沖擊小等特點。本系統(tǒng)選用M 型手動換向閥，便于進(jìn)行小流量輸出、保壓過程監(jiān)測。系統(tǒng)設(shè)有的溢流閥，方便壓力調(diào)節(jié)，配有壓力表，可直觀查看試壓壓力數(shù)值。針對幾種常見油缸裝置配備不同接頭，液壓原理如圖1 所示，三維模型見圖2。

圖1 液壓原理

圖2 液壓系統(tǒng)三維模型

1.2 電控系統(tǒng)構(gòu)成

電控系統(tǒng)配置啟動柜一臺。啟動柜柜門設(shè)有泵的啟停開關(guān)、電源指示、運行指示和急停開關(guān)。

1.3 機(jī)械裝置

機(jī)械裝置采用C 型壓機(jī)結(jié)構(gòu)，油缸安放便捷，適應(yīng)油缸范圍廣，配備各種附件后操作安全可靠。對于一些結(jié)構(gòu)特殊的油缸，例如，操作機(jī)夾緊缸，在C 型機(jī)架兩端設(shè)有通孔，方便安裝。設(shè)有可沿軸向自由移動的V型支撐塊，高度可調(diào)。為保證不同長度油缸的試壓，在長度方向設(shè)有不同厚度的墊塊，整體布局如圖3 所示。

圖3 機(jī)械裝置整體布局

2 機(jī)械裝置有限元分析

建立模型，并根據(jù)使用要求施加載荷，添加約束。該機(jī)械裝置均選用Q355B 材料，在Solidworks simulation 找出對應(yīng)特性材料，劃分網(wǎng)格，即可得到計算模型，如圖4 所示。運行后壓力和位移計算結(jié)果見圖5 和圖6：圖5 中，最大應(yīng)力282 MPa，為應(yīng)力集中位置，有效應(yīng)力約為160 MPa，安全系數(shù)S=2.1，符合要求；圖6 中，最大位移17.9 mm，試驗時C 型機(jī)架放置在地面，故分配到兩端頭的位移為8.95 mm，符合要求。

圖4 計算模型

圖5 應(yīng)力分布

圖6 位移分布

3 技術(shù)難點

（1）機(jī)械裝置焊接過程中的變形和應(yīng)力控制，焊后熱處理工藝，確保設(shè)備能安全有效進(jìn)行工作。

（2）相關(guān)參數(shù)的匹配，如流量、壓力、功率等主要參數(shù)。

4 結(jié)論

本文設(shè)計并優(yōu)化壓力測試裝置方案，進(jìn)行液壓系統(tǒng)閥塊設(shè)計和液壓元件選型。該測試裝置具有以下特點：

（1）縮短油缸泄漏故障尤其是內(nèi)泄漏診斷耗時，為正確更換密封提供依據(jù)。

（2）油缸更換密封后及時進(jìn)行試驗，及時發(fā)現(xiàn)新密封在更換過程中是否發(fā)生損壞或安裝方向是否正確。

為解決現(xiàn)場常用活塞缸的密封和壓力測試問題提供了參考。