許敏影，陳 寅，謝建偉，葉麗玲，袁曉鵬

（1.浙江省機電設(shè)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(tǒng)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(zhì)量參數(shù)進行準(zhǔn)確而綜合地考核，對多路閥的研制、國產(chǎn)化技術(shù)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(xiàn)機構(gòu)運動的執(zhí)行元件［2］。在實際使用中液壓缸的失效型式表現(xiàn)為內(nèi)泄漏與外泄漏，導(dǎo)致系統(tǒng)油壓動力不足，這均與液壓缸的密封及裝配工藝有關(guān)。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(nèi)廠家已有綜合試驗臺的設(shè)計經(jīng)驗，主要集中對液壓缸負載效率試驗臺架的結(jié)構(gòu)與剛度進行設(shè)計。

1 液壓測試平臺設(shè)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(shè)計參照了國內(nèi)同行業(yè)已有檢測平臺的設(shè)計經(jīng)驗，同時結(jié)合國際相關(guān)測試平臺在結(jié)構(gòu)設(shè)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(shù)通過電控比例進行設(shè)定，試驗方法按相關(guān)產(chǎn)品的國家標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的試驗方法進行。

液壓系統(tǒng)原理圖如圖1所示。系統(tǒng)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(tǒng)原理圖

1.1 油源動力單元設(shè)計

在油源動力單元設(shè)計上，本研究以節(jié)能為系統(tǒng)的設(shè)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(xiàn)無級可調(diào)，并通過電磁力的方式正比于電流值?？刂扑鑴恿碜杂诠ぷ鲏毫蛴涂赑上的外部控制壓力。在無先導(dǎo)信號時，基本設(shè)定值為排量最小。隨著控制電流的增大，泵的變量機構(gòu)擺到較高排量，可實現(xiàn)系統(tǒng)流量的連續(xù)、自動調(diào)節(jié)。該試驗臺控制系統(tǒng)為開環(huán)設(shè)計，主油泵的設(shè)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(xiàn)。溢流加載與節(jié)流加載為兩種常用模擬加載方式。溢流加載采用溢流閥調(diào)定壓力，給被試閥提供模擬負載，其壓力經(jīng)調(diào)壓彈簧調(diào)定后可保持穩(wěn)定，因此該種模擬負載方式具有壓力調(diào)節(jié)方便、穩(wěn)定可靠的特點，可實現(xiàn)單向加載功能；節(jié)流加載裝置即用節(jié)流閥通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥口大小，使流量通過時產(chǎn)生一定的壓降而實現(xiàn)加載任務(wù)，節(jié)流加載既可用于流量的調(diào)節(jié)也可用于壓力的調(diào)節(jié)，其缺點為應(yīng)用于壓力調(diào)節(jié)時，受通過的流量影響比較大，壓力很難穩(wěn)定在某個模擬值，但可實現(xiàn)雙向模擬加載。

該測試系統(tǒng)根據(jù)叉車多路閥不同功能，采用了兩種模擬加載方式應(yīng)用在叉車多路閥的不同閥聯(lián)。

1.3 背壓單元設(shè)計

背壓試驗中要求多路閥測試時，回油壓力可調(diào)，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(tǒng)回油流量。該測試系統(tǒng)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?；赜陀吐放c微動特性油路均通過溢流閥實現(xiàn)背壓調(diào)節(jié)。

1.4 輔助供油方案設(shè)計

因多路閥的操縱方式有手動式、機液式、電液先導(dǎo)式，因此換向控制方式有手動、先導(dǎo)控制油等方式來驅(qū)動多路閥主閥芯換向。先導(dǎo)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(tǒng)壓力隨負載變化較大等弊端，先導(dǎo)式多路閥要求先導(dǎo)控制油流量和壓力穩(wěn)定，才能保證滑閥準(zhǔn)確定位和復(fù)位。該測試系統(tǒng)中，通過采用單獨泵輔助供油系統(tǒng)，為多路閥換向提供穩(wěn)定油源，保證了多路閥換向操作的重復(fù)性，為其相關(guān)性能測試結(jié)果的一致性和有效性提供了保證。

1.5 電氣控制方式設(shè)計

測試平臺將液壓系統(tǒng)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(diào)節(jié)，從而得到試驗所需的壓力與流量，再結(jié)合數(shù)據(jù)采集及處理單元，完成對試驗數(shù)據(jù)的自動采集、存儲及實時顯示。測控系統(tǒng)是除液壓系統(tǒng)外另一重要組成部分，承擔(dān)了對系統(tǒng)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(shù)據(jù)的處理，兼顧系統(tǒng)的安全性（關(guān)鍵狀態(tài)的監(jiān)控）等。

2 計算機控制操作系統(tǒng)

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

圖2 計算機操作系統(tǒng)登錄界面

設(shè)置區(qū)如圖3所示。其主要功能為設(shè)置信號采集端口與光柵尺接入端口等，當(dāng)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(guān)閉測試系統(tǒng)。

圖3 設(shè)置區(qū)端口選擇

測試區(qū)主界面如圖4所示，包括幾大板塊：采集數(shù)據(jù)、項目選擇、數(shù)據(jù)選擇、測試泵選擇、缸試驗控制、閥試驗操作、開啟監(jiān)控畫面和監(jiān)控畫面展開區(qū)域、參數(shù)設(shè)置、保存與退出。

圖4 測試區(qū)主界面

其中，“采集數(shù)據(jù)”包括了工控機對液壓控制系統(tǒng)的壓力、流量、位移、力、溫度等信號的A（D）/D（A）轉(zhuǎn)換，對其進行實時顯示，方便操作人員對數(shù)據(jù)的監(jiān)控?！绊椖窟x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(shè)置“測試泵選擇”內(nèi)的主泵與控制泵的運行參數(shù)設(shè)定，還可對“數(shù)據(jù)選擇”內(nèi)的測試數(shù)據(jù)選擇以及監(jiān)控畫面內(nèi)對XY軸所表示的數(shù)值進行設(shè)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(diào)整。

該操作面上的參數(shù)設(shè)置與主頁面“設(shè)置”功能不同，參數(shù)設(shè)置界面如圖5所示。研究者可對液壓系統(tǒng)內(nèi)的傳感器信號采集的基準(zhǔn)進行置位與復(fù)位設(shè)置，以保證程序執(zhí)行所測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

圖5 參數(shù)設(shè)置界面

以多路閥穩(wěn)態(tài)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(nèi)的“穩(wěn)態(tài)試驗”，“測試泵選擇”選取主泵開，其流量可根據(jù)電腦設(shè)定按照規(guī)定步長增大到設(shè)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(nèi)部所設(shè)擬合曲線將記錄數(shù)據(jù)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(tǒng)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(jié)能基礎(chǔ)上配置了兩套泵源系統(tǒng)，系統(tǒng)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(tǒng)與國標(biāo)要求油缸測試系統(tǒng)相比較，負載缸與被試缸采用一套泵源，簡化了系統(tǒng)管路設(shè)計，節(jié)省了設(shè)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(jié)構(gòu)強度設(shè)計方面，需要確保試驗臺的穩(wěn)定性，可承受較大的力或力矩，框架設(shè)計保持了大型機床床身的設(shè)計原型，具有較強的強度和剛度。針對液壓缸裝夾方式的設(shè)計方面，本研究采用了對頂缸的加載形式，根據(jù)不同試驗要求和以往設(shè)計經(jīng)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(tǒng)連接在一起為其提供外負載。本研究通過計算機設(shè)定比例溢流閥進行系統(tǒng)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(guī)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(jù)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(nèi)根據(jù)被試液壓缸設(shè)置好缸徑，可根據(jù)預(yù)先設(shè)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(jù)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(tài)的控制，可在后續(xù)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(xiàn)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(nèi)泄漏試驗

試驗原理圖如圖8所示，本研究在油缸內(nèi)泄漏測試環(huán)節(jié)采用光柵尺監(jiān)測活塞微小位移量，通過數(shù)據(jù)采集與程序計算得出油缸內(nèi)泄漏量，輸出數(shù)據(jù)并保存。

圖8 液壓缸內(nèi)泄漏試驗原理圖

以油缸無桿腔內(nèi)泄漏量為例，其試驗原理為：

在設(shè)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(guī)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(dāng)測試被試缸的有桿腔時，計算式（1）內(nèi)的D2改為（D2-d2）即可。經(jīng)測試某缸徑D=100 mm的液壓缸，其內(nèi)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(nèi)已有多路閥的出廠試驗系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計方案，通過在油路快速切換環(huán)節(jié)增設(shè)雙向加載單元或液控單向閥組實現(xiàn)油路切換，可有效避免頻繁換接閥口測試油管［3-6］。與傳統(tǒng)液壓元件出廠測試系統(tǒng)的功能相比，在集成原有設(shè)計基礎(chǔ)上，該試驗臺增加了對液壓閥的耐久性、微動特性以及瞬態(tài)試驗的檢測。其中，瞬態(tài)試驗要求階躍加載閥能夠快速動作，在被試閥口處產(chǎn)生滿足瞬態(tài)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(yīng)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(wěn)態(tài)試驗內(nèi)泄漏測量設(shè)計

多路換向閥內(nèi)泄漏測試裝置采用單點式稱重傳感器，具有過載保護設(shè)置，且可進行角差修正，防護等級達到IP66。當(dāng)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(zhuǎn)換成電信號，再轉(zhuǎn)換成內(nèi)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(tǒng)內(nèi)泄漏測量采用量杯人為讀數(shù)帶來的不必要誤差。該內(nèi)泄漏測量設(shè)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(jié)果。

以多路閥穩(wěn)態(tài)試驗中立位置的內(nèi)泄漏試驗為例，設(shè)定好流量后開機，系統(tǒng)壓力由零逐漸增大到公稱壓力，期間記錄試驗數(shù)據(jù)采集點，計算機自動擬合出的內(nèi)泄漏曲線如圖9所示。

圖9 穩(wěn)態(tài)試驗中立位置內(nèi)泄漏量曲線

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

4.2 瞬態(tài)試驗

設(shè)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(guān)閉，主泵壓力油瞬間加壓至多路閥負載端，后關(guān)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(yīng)曲線。該項試驗可用來判斷多路閥中的主安全閥的穩(wěn)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(tài)恢復(fù)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(shù)要求。

4.3 微動特性試驗設(shè)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(chǔ)上，于油缸與被試閥之間安裝微調(diào)機構(gòu)，便可進行微動特性試驗的操作。該微調(diào)機構(gòu)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(zhuǎn)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(xiàn)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(nèi)置式微脈沖位移傳感器測量并顯示在工況計算機中，實現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)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(shè)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(yīng)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(tài)。

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(jù)流體力學(xué)中流經(jīng)節(jié)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(jié)束語

本研究通過理論與實踐相結(jié)合，分析了計算機輔助液壓測試平臺的設(shè)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(wěn)態(tài)內(nèi)泄漏、瞬態(tài)試驗與部分微動特性測試項目。通過將試驗結(jié)果與JB/T10205-2000 和JB/T8729.1-1998標(biāo)準(zhǔn)相對比，可有助于驗證試驗臺設(shè)計的準(zhǔn)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(shè)計特性，有助于發(fā)現(xiàn)并指導(dǎo)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(chǔ)的系統(tǒng)模型搭建仿真軟件對元件存在的設(shè)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。

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