王松軍 謝永洋 趙靜一 張鐵建 張 嵐

(1:河北鋼鐵集團承德分公司 河北承德067102;2:燕山大學河北省重型機械流體動力傳輸與控制重點實驗室 河北秦皇島066004;3:先進鍛壓成形技術與科學教育部重點實驗室(燕山大學) 河北秦皇島066004)

冶金液壓缸試驗臺設計與分析

王松軍①1謝永洋2,3趙靜一2,3張鐵建2,3張 嵐2,3

(1:河北鋼鐵集團承德分公司 河北承德067102;2:燕山大學河北省重型機械流體動力傳輸與控制重點實驗室 河北秦皇島066004;3:先進鍛壓成形技術與科學教育部重點實驗室(燕山大學) 河北秦皇島066004)

根據(jù)現(xiàn)行液壓缸試驗標準，設計出針對冶金液壓缸進行型式試驗的試驗臺。加載缸最大行程可達1600mm,額定壓力34MPa;可對最大缸徑為400mm、最長行程為3000mm、最大額定壓力為34MPa不同尺寸和噸位的冶金液壓缸進行試驗。試驗臺采用增壓系統(tǒng)，比例加載系統(tǒng)，從而減小了裝機功率和功率損耗。試驗臺可以進行包括：空載行駛實驗，啟動壓力特性試驗，低壓密封性能試驗，高壓密封性能試驗，強度試驗等。并對φ200mm立柱冶金液壓缸進行測試。結(jié)果表明：該試驗臺設計是成功的，達到了設計要求。

液壓缸試驗臺 高壓 增壓系統(tǒng) 比例加載

1 引言

冶金液壓缸(以下簡稱：冶金缸)是冶金裝備液壓系統(tǒng)的重要執(zhí)行元件，其性能好壞直接影響到冶金裝備的工作性能。冶金行業(yè)的安全生產(chǎn)和其設備的安全運轉(zhuǎn)有著非常重要的關系，保障冶金設備的正常運行是冶金行業(yè)所面臨的一個重要問題[1]。目前不少冶金設備都涉及液壓控制系統(tǒng)，其中液壓缸是關鍵部件，也是最容易出現(xiàn)問題的部件?；诖嗽O計了一種冶金缸試驗臺。

2 冶金缸試驗臺技術設計要求

參照現(xiàn)行的國家標準GB/T 15622-2005規(guī)定了實驗項目和實驗方法[7]，所設計的試驗臺可以完成國標規(guī)定的各項實驗項目。

2.1 冶金缸實驗項目

1)空載行程實驗：調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力，全行程反復運動數(shù)次，并通過位移傳感器將活塞極限位置記入到行程長度。

2)啟動壓力特性試驗：試運轉(zhuǎn)后，在無負載工況下，調(diào)整電比例溢流閥，使無活塞桿腔(雙活塞桿液壓缸，兩腔均可)壓力逐漸升高，至液壓缸起動時，記錄下的起動壓力即為最低起動壓力。

3)低壓密封性能試驗：設定保壓時間，在最低啟動壓力下開始保壓，在保壓時間過后記錄到終止壓力。

4)高壓密封性能試驗：將被試液壓缸活塞分別停在行程的兩端(單作用液壓缸處于行程極限位置)，分別向工作腔施加1.5倍的公稱壓力，出廠試驗保壓10s。記入到終止壓力。

5)強度試驗： 用0.8倍的額定工作壓力使冶金缸全部外伸，將壓力腔閉鎖，外加載所需壓力，壓載1次3min，在3min內(nèi)做密封性能試驗。

2.2 該試驗臺性能滿足以下要求：

1)試驗過程中工作液溫度控制在20～33℃，符合國家標準GB 15622-2005 液壓缸試驗方法[7]所規(guī)定的10～50℃要求，工作液采用的過濾器符合40μm精度的過濾器，并設有磁性過濾裝置。

2)測量準確度采用C級，測量系統(tǒng)的允許誤差符合國家標準GB 15622-2005 液壓缸試驗方法[7]規(guī)定的B級：壓力誤差/%±1.5，測量誤差/%±1.5，溫度誤差/℃±1。

3)外加載試驗中有壓縮和拉伸兩種形式，加載壓力為額定壓力的1.5或2倍，內(nèi)加載最大加載額定壓力的1.5倍；

4)一次加載過程能保持壓力均勻，且保壓3min或10s；

5)試驗系統(tǒng)應能記錄壓力—時間或位移—時間曲線。

6)能夠?qū)ψ畲蟾讖綖棣?00mm、最長行程為3000mm、最大額定壓力為34MPa的冶金缸進行檢測。

7)能夠?qū)Ρ辉嚫走M行最大為52MPa的耐久性能試驗。

3 試驗臺方案的確定

試驗臺液壓系統(tǒng)是由液壓站系統(tǒng)、比例加載系統(tǒng)、增壓系統(tǒng)、測控系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和外加載系統(tǒng)等幾部分組成。

1)液壓站系統(tǒng)是由軸向柱塞泵加溢流閥構(gòu)成的恒壓源系統(tǒng)，油箱加裝油位、油質(zhì)檢測裝置，過濾裝置。工作液采用的過濾器符合40μm精度的要求，并設有磁性過濾裝置，液壓站采用具有擴展性的分體式結(jié)構(gòu)[2]。

2)比例加載系統(tǒng)由電控比例溢流閥作為調(diào)壓控制元件，可通過遠程上位機IPC來控制整個試驗過程中的壓力，從而實現(xiàn)遠程調(diào)壓[3]。所謂電控比例型溢流閥就是使用比例型銜鐵套筒組件，通過輸入電流控制開啟壓力[5]。加載系統(tǒng)采用的是加載型，即開啟壓力隨著輸入電流增大而增高。

3)增壓系統(tǒng)是根據(jù)冶金缸出廠試驗的高壓要求，通過在加載缸的無桿腔和有桿腔分別設置增壓回路，需要高壓加載時用電液換向閥控制增壓器，來實現(xiàn)系統(tǒng)增壓的目的。其中增壓缸的低壓腔與泵站系統(tǒng)相連；增壓缸的高壓腔有兩個油路進出口，一路是去往加載缸的加載油路出口，另一路是與泵站系統(tǒng)相連，使增壓缸活塞快速回零位的油路進口。兩條進出口油路分別通過一個單向閥與增壓腔相接，實現(xiàn)加載與活塞快速回零位的分別控制[6]。關于液壓缸試驗方法，不管是老版本國家標準GB/T 15622-1995還是現(xiàn)行國家標準GB/T 15622-2005，給出的液壓缸型式試驗系統(tǒng)原理圖，都只給原理上可行的方案，而未給出考慮節(jié)能設計的試驗方案[4]。增壓系統(tǒng)的設計有效減小了裝機功率從而達到節(jié)能的目的。增壓系統(tǒng)原理如圖1所示。

4)冷卻系統(tǒng)由水冷式冷卻器 、循環(huán)泵、過濾器、溫度計、壓力表、單向閥等組成[2]。通過設定溫度，控制工作液的溫度范圍在20～33℃之間。

5)測控系統(tǒng)：采用上位機(IPC)作為主控計算機，PLC作為輔助控制計算機位的聯(lián)合控制。位移傳感器實時反映了液壓缸活塞桿的運動狀況，將位置信號傳遞給計算機；溫度傳感器采集油箱的溫度信號，壓力傳感器采集冶金缸腔體壓力；各傳感器將溫度、壓力信號傳遞給數(shù)據(jù)采集卡。經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡進行A/D(Analog/Digital)轉(zhuǎn)換；PLC通過控制繼電器的閉合，從而控制接觸器線圈的通斷，進而控制泵的啟停。通過控制換向閥線圈進而控制換向閥工作；整個測控系統(tǒng)是以計算機為核心，可對試驗過程進行數(shù)據(jù)采集、設備控制、測量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及各類信號報警等各項功能。測控系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖1 增壓系統(tǒng)原理圖

1、2、5-電磁換向閥; 3、4-先導式電液換向閥; 6、7、14、15、16、17-單向閥; 8、9、10、11-液控單向閥; 12、13-增壓缸; 18、21-壓力傳感器; 19、20-壓力表; 22-加載液壓缸/被試液壓缸

圖2 測控系統(tǒng)組成

6)外加載系統(tǒng)是在原有試驗臺的基礎上升級改造完成。試驗臺改造的重點是在原有實驗臺的基礎上，通過增設增壓系統(tǒng)，使改造后的試驗臺具有超高壓能力，系統(tǒng)經(jīng)過增壓后的壓力可達到52MPa 左右[6]。原試驗臺液壓系統(tǒng)由主動力源、油路接口、壓力檢測元件、輔助油路系統(tǒng)組成，其系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

原試驗臺改造后，試驗臺既能夠作為冶金缸試驗臺的外加載部分使用，又能夠作為超高壓缸的內(nèi)加載試驗臺，改造后的超高壓試驗臺液壓系統(tǒng)原理圖如圖4所示。

最終確定的液壓系統(tǒng)原理圖見圖5。

圖3 原液壓缸試驗臺液壓系統(tǒng)原理圖

1-工業(yè)制冷機; 2-控制泵組; 3-高壓泵組; 4、5-低壓泵組; 6-循環(huán)泵組; 7、8、9、10-電磁溢流閥; 11、12、13、14-電磁換向閥; 15、16-電液換向閥; 17、18-被試液壓缸

圖4 外加載系統(tǒng)液壓系統(tǒng)原理圖

1-工業(yè)制冷機; 2-控制泵組; 3-高壓泵組; 4、5-低壓泵組; 6-循環(huán)泵組; 7、9、10-電磁溢流閥; 8-先導式比例溢流閥; 11、12、13、14-電磁換向閥; 15、16-電液換向閥; 17、18-增壓缸; 19-加載液壓缸/被試液壓缸

圖5 系統(tǒng)原理圖

1-控制泵; 2-合流泵; 3-電磁溢流閥; 4-電比例溢流閥; 5-壓力表; 6-單向閥; 7、8-電磁換向閥; 9-液控單向閥; 10-增壓缸; 11-單向閥; 12-壓力表; 13-油路塊; 14-冷卻器; 15-乳化液泵; 16-電機; 17-冷卻器; 18-電比例溢流閥; 19-十四孔閥; 20-增壓缸; 21-單向閥; 22-節(jié)流閥; 23-液控單向閥; 24-壓力表; 25-油路塊; 26-壓力傳感器

4 關鍵元件計算選型

4.1 泵和電機

泵采用BRW80/20型柱塞泵。該泵由兩泵一箱組成，一臺使用，一臺備用，如工作需要，也可兩臺泵同時使用。電機采用配套的三相異步電動機。相關技術參數(shù)如表1。

表1 泵技術參數(shù)

4.2 電控比例溢流閥的選型

選擇液壓閥主要根據(jù)閥的工作壓力和通過閥的流量。本系統(tǒng)最大工作壓力在52MPa左右；據(jù)試驗臺BRW80/20型乳化液柱塞泵的技術參數(shù)知，其額定壓力為20MPa，額定流量為80L/min。

據(jù)此，本試驗臺加載系統(tǒng)采用北京華德液壓閥分公司生產(chǎn)的型號為DBE10-30B/315YV的先導式比例溢流閥，其技術性能參數(shù)見表2；樣本曲線如圖6和圖7。

表2 比例溢流閥技術性能參數(shù)

圖6 最低設定壓力與流量關系樣本曲線

4.3 增壓缸的設計

增壓缸為自行設計加工制造。增壓缸是由大徑為D小徑為d的復合缸筒，以及具有特殊結(jié)構(gòu)的復合活塞等部件組成的，它能夠?qū)⑤斎氲妮^低壓力的液壓油轉(zhuǎn)變?yōu)楦邏河?，以便供液壓系統(tǒng)中某支油路的使用，其示意圖如圖8所示。

圖7 工作壓力與流量關系樣本曲線

圖8 增壓缸示意圖

在圖8中，若增壓缸大端的輸入壓力為P1，小端的輸出壓力為P2，而且不計阻力的情況下，則根據(jù)力學平衡關系有

根據(jù)設計要求，加載缸要求的加載力F=1950kN，已知加載缸活塞直徑R=220mm，則加載缸進油腔油液壓力

即要求增壓缸的增壓腔壓力要能達到52MPa以上。自行設計制造了增壓缸，增壓缸裝配圖如圖9所示，根據(jù)增壓缸結(jié)構(gòu)尺寸算得增壓比K為

最終算得增壓缸尺寸參數(shù)如表3所示，三維模型圖如圖10所示。

4.4 液控單向閥

選擇液壓閥主要根據(jù)閥的工作壓力和通過閥的流量。本系統(tǒng)最大工作壓力在52MPa左右；據(jù)試驗臺BRW80/20型乳化液柱塞泵的技術參數(shù)知，其額定流量為80L/min。

圖9 增壓缸裝配圖

圖10 增壓缸三維模型圖

參數(shù)名稱參數(shù)值低壓腔缸筒內(nèi)徑/mmΦ200低壓腔缸筒外徑/mmΦ240高壓腔缸筒內(nèi)徑/mmΦ125高壓腔缸筒外徑/mmΦ156活塞桿內(nèi)徑/mmΦ90活塞桿外徑/mmΦ120

因而選擇北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司生產(chǎn)的型號為FDY125/50液控單向閥，其技術性能參數(shù)見表4。

表4 單向閥主要技術性能參數(shù)

4.5 壓力傳感器

選擇德國博德公司型號為17.600G-6003-R-1-5-M00-300-P-000的壓阻式壓力傳感器，其技術性能參數(shù)見表5。

表5 傳感器主要技術性能參數(shù)

5 工程實踐

系統(tǒng)的操作界面如圖11所示。

圖11 系統(tǒng)操作界面

對缸徑φ200mm、有效行程為1009mm、額定壓力為23MPa的立柱冶金缸進行測試。

5.1 空載行程

調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力，全行程反復運動數(shù)次，并通過位移傳感器將活塞極限位置記入到行程長度。多次測量取平均值，得到測試結(jié)果1009mm，如圖12所示。

圖12 空載行程試驗

5.2 啟動壓力特性試驗

在無負載工況下，調(diào)整電比例溢流閥從零開始加壓，使無桿腔壓力逐漸升高，至冶金缸起動時，記錄下的起動壓力即為最低起動壓力。

5.3 低壓密封性能試驗

設定保壓時間，在最低啟動壓力下開始保壓，在保壓時間過后記錄到終止壓力。

5.4 高壓密封性能試驗

將立柱冶金缸活塞分別停在行程的兩端，調(diào)整電比例溢流閥旋鈕向立柱冶金缸工作腔施加1.5倍的壓力即23MPa×1.5=35MPa左右壓力，保壓3min，記入到終止壓力。測試冶金缸初始壓力為35.2MPa，終止壓力為35.1MPa，如圖13所示。

圖13 高壓活塞桿腔密封性能試驗

5.5 強度試驗

1)用0.8倍的額定工作壓力使立柱冶金缸全部外伸，將壓力腔閉鎖，外加載所需壓力的壓載1次3min，在3min內(nèi)做密封性能試驗。

圖14 增壓缸無桿腔歷史曲線

2)試驗時，給系統(tǒng)一個階躍信號，檢測系統(tǒng)的動態(tài)響應，然后進行保壓試驗，當保壓3min后，逐漸升高溢流閥的壓力檢驗試驗臺所能達到的最高壓力。試驗過程中增壓缸無桿腔壓力歷史曲線如圖14所示。

3)從以上實驗曲線中可以看到，在0～3s，系統(tǒng)壓力迅速達到52MPa；10s～200s，系統(tǒng)處于保壓階段，壓力平穩(wěn)，說明保壓效果較好，此時溢流閥顯示壓力22.5MPa；200s～230s時，壓力逐漸升高，系統(tǒng)壓力從52MPa平穩(wěn)上升到55MPa以后，系統(tǒng)仍能穩(wěn)定工作。

4)對實驗結(jié)果進行分析總結(jié)，得出如下結(jié)論：

(1)系統(tǒng)在實驗中能夠達到設計的52MPa的壓力要求，并且能在壓力值為52MPa時進行保壓試驗。

(2)當壓力達到55MPa時，系統(tǒng)仍可正常工作，說明系統(tǒng)最大的實際工作壓力大于設計的52MPa，有一定的設計余量，進而說明試驗臺設計是合理的。

6 結(jié)論

試驗臺依據(jù)現(xiàn)行的國家標準，通過改造設計了增壓系統(tǒng)，滿足試驗臺試驗的高壓要求。通過加載液壓缸和比例加載系統(tǒng)，減少裝機功率同時滿足試驗缸測試時對加載力的需求。通過計算機輔助測試，實現(xiàn)了對測試數(shù)據(jù)進行處理與記錄。該試驗臺滿足高壓長行程不同尺寸和不同噸位的冶金缸的測試需求，對于其他產(chǎn)品測試試驗裝置的設計開發(fā)也有一定的借鑒意義。

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[7]起草單位：北京機械工業(yè)自動化研究所，哈爾濱工業(yè)大學，主要起草人：趙受琳，劉新德，姜繼海.全國液壓氣動標準化技術委員會.GB/T 15622-2005液壓缸試驗方法[S].北京：中國標準出版社.2005.

Test-bed Design and Analysis for the Metallurgy Hydraulic Cylinder

Wang Songjun1Xie Yongyang2,3Zhao Jingyi2,3Zhang Tiejian2,3Zhang Lan2,3

(1:Hebei Iron and Steel Group Chengde Branch, Chengde 067102；2:Hebei provincial key laboratory of Heavy Machinery Fluid Power Transmission and Control,Yanshan University, Qinhuangdao 066004; 3:Key Laboratory of Advanced Forging & Stamping Technology and Science, Yanshan University,Qinhuangdao 066004)

The metallurgy hydraulic cylinder test bed was designed according to hydraulic cylinder test standard. The stroke of load cylinder of this test bed is 1600mm and rated pressure is 34MPa. It was designed for the type test of cylinder for metallurgy with different size and tonnage which the maximum cylinder diameter is 400mm; the longest stroke is 3000mm and the maximum rated pressure is 34MPa. In order to decrease the equipped power and to reduce the power loss of this system, the test bed used the pressurization system and proportional loading system. The following test can be conducted, including: No-load running test, start-up pressure characteristic test, the low/high pressure seal test and strength test, etc. Practice has proved that the design of the test machine is successful by using the machine in the real test of passes hoisting jack diameter of φ200mm.

Cylinder test bed High pressure Pressurization system Proportional loading

王松軍，男，1970年出生，1991年畢業(yè)于吉林電氣化?？茖W校，大專，現(xiàn)在在河北鋼鐵集團承德分公司熱軋卷板事業(yè)部從事設備管理工作

TH137.51

A

10.3969/j.issn.1001-1269.2015.05.008

2015-04-16)