鐘坤，張衛(wèi)，馬宇辰，吉倩

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

0 引言

液壓缸作為液壓系統(tǒng)的重要執(zhí)行元件，其性能直接影響液壓系統(tǒng)的工作性能，不合格的液壓缸將造成工程上的故障甚至事故，因此液壓缸的檢測環(huán)節(jié)非常重要。

目前，國內(nèi)研制的液壓缸試驗(yàn)臺(tái)存在著一定的問題[1-2]，如呂少力[3]等設(shè)計(jì)了一種能夠在三維空間對(duì)液壓缸加載的試驗(yàn)臺(tái)，但實(shí)際的操作性較差，液壓缸在三維空間不便于安裝且難以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定加載；史俊青等人[4]設(shè)計(jì)了2種可以側(cè)向加載的液壓缸試驗(yàn)臺(tái)，模擬液壓缸在實(shí)際工況中收到的側(cè)向力，但試驗(yàn)臺(tái)架體積過大，非常笨重； 李文新[5]設(shè)計(jì)了一種集成化的液壓系統(tǒng)，并進(jìn)行了電液比例系統(tǒng)建模與仿真分析，但其液壓系統(tǒng)中采用單泵供油，造成了能源浪費(fèi)。

本文針對(duì)企業(yè)需求設(shè)計(jì)一種液壓缸綜合性能測試試驗(yàn)臺(tái)，通過對(duì)試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行仿真校核和輕量化的優(yōu)化，降低了液壓系統(tǒng)的能耗和臺(tái)架質(zhì)量，提高了臺(tái)架測試性能，不僅可以完成型式試驗(yàn)，且易于安裝拆卸，能完成多種型號(hào)規(guī)格液壓缸的測試。

1 總體方案設(shè)計(jì)

液壓缸綜合性能試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)要求如下：

1) 能夠完成試運(yùn)行、啟動(dòng)壓力、內(nèi)外泄漏、負(fù)載效率、行程測試、耐壓、耐久、緩沖等各種型式的實(shí)驗(yàn)。

2) 滿足被測試液壓缸行程420～600mm，最大型號(hào)液壓缸缸徑40～63mm，額定最大工作壓力20MPa。

3) 能夠完成GB/T15622-2005《液壓缸試驗(yàn)方法》規(guī)定的型式試驗(yàn)，測試精度不低于國家標(biāo)準(zhǔn)B級(jí)精度。

總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示，分為液壓試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)臺(tái)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。試驗(yàn)臺(tái)架作為被試缸和加載缸的搭載平臺(tái)，在保證測試精度的基礎(chǔ)上，通過液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)液壓缸的運(yùn)動(dòng)，為液壓缸提供不同的流量和壓力，來控制液壓缸運(yùn)行的速度和加載力，從而保證液壓缸在臺(tái)架上正常運(yùn)行，同時(shí)可以通過壓力表實(shí)時(shí)監(jiān)測壓力，并通過臺(tái)架的結(jié)構(gòu)調(diào)整和臺(tái)架與液壓缸的安裝關(guān)系保證液壓缸的全行程運(yùn)動(dòng)[6]。

2 試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是要能夠完成國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的型式試驗(yàn)[7]，為使液壓系統(tǒng)簡單實(shí)用，采用模塊化和集成化的設(shè)計(jì)，液壓系統(tǒng)主要由圖2中3個(gè)模塊組成。

M1、M2、M3—機(jī)泵組；1—空氣濾清器；21—加熱器；10—過濾器；2、6、7、9、11、22、24、33、34、42、43、51、52—截止閥； 8—蓄能器；3、12、13、15、16、23、25、29、32、45、46、49、50—單向閥；5、41、54—比例溢流閥；4、19、40、53—先導(dǎo)溢流閥；14、26、30、31、47、48—壓力計(jì)； 35、36、38、39—壓力傳感器；28—電液比例換向閥；27—比例調(diào)速閥；20、44—電磁換向閥圖2 液壓系統(tǒng)原理圖

1) 被試缸子液壓系統(tǒng)：電液比例換向閥28同時(shí)控制被試缸的往復(fù)換向和系統(tǒng)的流量，在進(jìn)油路接上電液比例調(diào)速閥27，通過給定電流信號(hào)調(diào)節(jié)比例調(diào)速閥使開口由最大逐漸變小，被試液壓缸無桿腔壓力逐漸增大，進(jìn)而得到啟動(dòng)壓力，實(shí)驗(yàn)證明這種方法測量啟動(dòng)壓力平穩(wěn)準(zhǔn)確。

2) 加載缸子液壓系統(tǒng)：三位四通電磁換向閥44實(shí)現(xiàn)加載缸的往復(fù)換向，先導(dǎo)溢流閥40、53和比例溢流閥41、54調(diào)節(jié)加載液壓缸有桿腔和無桿腔壓力，主要測試被試缸的負(fù)載效率和泄漏量。

3) 主油路液壓系統(tǒng)中，先導(dǎo)溢流閥4和比例溢流閥5調(diào)節(jié)被試液壓缸的壓力，蓄能器8為被試液壓缸補(bǔ)油，高壓小流量變量泵M1和低壓大流量變量泵M2為被試液壓缸供油，根據(jù)不同測試項(xiàng)目選擇不同變量泵供油，節(jié)約能源。變量泵23為加載缸供油。配備壓力表便于測試系統(tǒng)壓力。

3 實(shí)驗(yàn)臺(tái)架結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)

該臺(tái)架結(jié)構(gòu)具體如圖3所示，橫梁2和支腿3作為安裝底架，橫梁長2 800mm，寬650mm。被試缸支撐座1用于安裝被試液壓缸，根據(jù)缸徑和行程大小調(diào)整支撐座5的位置(支撐座5在實(shí)際裝配時(shí)通過螺釘與橫梁2連接)，可以對(duì)行程為420mm～600mm的液壓缸進(jìn)行測試。安裝有圓柱形滑動(dòng)導(dǎo)軌8，通過滑動(dòng)導(dǎo)軌8和導(dǎo)向軸6保證被試液壓缸和加載液壓缸的同軸度。加載缸支撐座5固定在橫梁上，安裝加載液壓缸。拉壓力傳感器安裝在中間連接板4上，固定被試缸和加載缸的活塞桿，同時(shí)測試?yán)瓑毫Α?/p>

試驗(yàn)臺(tái)架用于安裝被試液壓缸和加載液壓缸，不僅要滿足多種行程液壓缸測試要求，易于裝拆液壓缸，還要滿足剛度要求，結(jié)構(gòu)輕便，節(jié)約材料。

1—被試缸支撐座；2—橫梁；3—支腿；4—中間連接板；5—加載缸支 撐座；6—導(dǎo)向軸；7—被試液壓缸；8—圓柱導(dǎo)軌；9—加載液壓缸圖3 試驗(yàn)臺(tái)架三維圖

4 臺(tái)架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析與優(yōu)化

4.1 強(qiáng)度校核

取最大缸徑液壓缸校核，液壓缸公稱壓力為20MPa，實(shí)驗(yàn)過程中液壓缸產(chǎn)生的壓力很大，最大壓力取公稱壓力的1.5倍，考慮到?jīng)_擊等不確定因素，在分析臺(tái)架受力時(shí)取最大壓力為32MPa，則所承受的最大壓力為：

其中D為被試缸最大缸徑，mm。

為保證實(shí)驗(yàn)臺(tái)架在實(shí)驗(yàn)過程中的安全性，必須對(duì)試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行強(qiáng)度分析。在AnsysWorkbench中對(duì)試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行整體受力有限元分析(圖4)[8]，忽略小的倒角和螺紋孔。材料為45鋼：密度ρ為7.89kg·m-3，彈性模量E為2.09e+5MPa，泊松比u為0.269。所有零部件均為六面體網(wǎng)格。將導(dǎo)向軸和被試液壓缸支撐座之間、導(dǎo)向軸和加載缸支撐座之間的接觸設(shè)置為No Seperation，其余各零部件之間的接觸設(shè)置為Bonded。對(duì)被試液壓缸支座和加載缸支座同時(shí)施加集中力載荷Force=99 752 N。對(duì)于45鋼選取安全系數(shù)為2，則各組件要滿足σmax≤σ=σs/s=355÷2=177.5MPa,為滿足強(qiáng)度要求。圖4中最大應(yīng)力36.288MPa<177.5MPa,底座支撐部分滿足許用抗拉強(qiáng)度，而且安裝了直線導(dǎo)軌，壓力不會(huì)發(fā)生軸線偏斜。

圖4 試驗(yàn)臺(tái)架等效應(yīng)力圖

4.2 輕量化設(shè)計(jì)

以上設(shè)計(jì)過于保守，導(dǎo)致材料浪費(fèi)，所以對(duì)臺(tái)架進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)。采用ANSYS Workbench中的Shape Optimizaition模塊對(duì)臺(tái)架進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)。為保證結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，在拓?fù)鋬?yōu)化中建立的數(shù)學(xué)模型如下:

Find:V=v1,v2,v3,...,vn

minMV=ρV

s.t.σ-σ≤0

式中，V為臺(tái)架的體積，M為臺(tái)架的質(zhì)量，σ為臺(tái)架承受的最大應(yīng)力，v1,v2,v3...vn為臺(tái)架各組成部分的體積。

以臺(tái)架質(zhì)量減輕30%為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)臺(tái)架進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，優(yōu)化結(jié)果如圖5所示,可以對(duì)試驗(yàn)臺(tái)架橫梁和支腿的肋板多余的部分在尺寸上改進(jìn)，減小被試缸和加載缸的支座體積，得到優(yōu)化的試驗(yàn)臺(tái)架強(qiáng)度校核結(jié)果如圖6，臺(tái)架優(yōu)化前后質(zhì)量和最大應(yīng)力對(duì)比見表1，優(yōu)化后的試驗(yàn)臺(tái)架質(zhì)量減輕了13.0%，且依然滿足強(qiáng)度要求。

表1 臺(tái)架優(yōu)化前后對(duì)比

圖5 試驗(yàn)臺(tái)架拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

圖6 優(yōu)化后的試驗(yàn)臺(tái)等效應(yīng)力圖

5 結(jié)語

設(shè)計(jì)的液壓缸綜合性能測試試驗(yàn)臺(tái)架試運(yùn)行表明：采用模塊化、集成化的液壓系統(tǒng)可根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)流量和壓力大小不同采用雙泵供油，節(jié)約能耗；采用電液比例調(diào)速閥改進(jìn)啟動(dòng)壓力試驗(yàn)，提高測量準(zhǔn)度。試驗(yàn)臺(tái)架結(jié)構(gòu)輕便合理，適用范圍廣，能夠滿足不同缸徑液壓缸的測試。通過ANSYS Workbench對(duì)臺(tái)架成功地進(jìn)行了輕量化改進(jìn)，并通過了強(qiáng)度校核，減輕了13%的質(zhì)量。總體布局合理，便于操控和檢修。

參考文獻(xiàn):

[1] 彭熙偉. 液壓缸綜合性能試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)[J]. 液壓與氣動(dòng),2011(11):93-94.

[2] 陳東寧, 徐海濤, 姚成玉. 大缸徑長行程液壓缸試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)及工程實(shí)踐[J]. 機(jī)床與液壓,2014, 42(3): 79-84.

[3] 呂少力, 王保相. 一種創(chuàng)新的液壓缸加載試驗(yàn)臺(tái)的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 液壓與氣動(dòng), 2012(7): 28-29.

[4] 史俊青, 孫政, 王連洪, 等. 液壓缸性能測試試驗(yàn)臺(tái)的研究[J]. 工程機(jī)械, 2006(2): 41-44.

[5] 李文新. 液壓缸綜合性能檢測技術(shù)的理論研究與系統(tǒng)開發(fā)[D]. 合肥: 合肥工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文, 2009.

[6] 王新民, 方巧軍, 王紀(jì)森. 一種液壓缸耐久試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)床與液壓, 2012, 40(14): 59-61.

[7] 雷天覺. 新編液壓工程手冊(cè)[M]. 北京：北京理工大學(xué)出版社，1998.

[8] 馮炳儒. 液壓缸試驗(yàn)臺(tái)加載平臺(tái)的有限元分析[D]. 沈陽: 沈陽工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文, 2012.