(哈威油液壓技術(shù)(上海)有限公司， 上海 201206)

引言

隨著物流業(yè)的快速發(fā)展，叉車(chē)在物流業(yè)里發(fā)揮著巨大作用，而單向閥[1-2]在叉車(chē)液壓系統(tǒng)里扮演重要角色。作為叉車(chē)液壓系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，其性能的優(yōu)劣、工作可靠性的高低直接影響到叉車(chē)的整體性能質(zhì)量，所以對(duì)此單向閥的性能測(cè)試就顯得尤為重要[3]。

為了測(cè)試單向閥的綜合性能，大量的文獻(xiàn)從不同角度對(duì)其進(jìn)行了理論分析和性能測(cè)試。文獻(xiàn)[4] 模擬了液控單向閥卸載時(shí)的壓力分布、速度分布矢量圖和帶有速度分布矢量的壓力分布圖，分析了空化旋渦產(chǎn)生和影響，優(yōu)化了孔道設(shè)計(jì)，為液控單向閥的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)；文獻(xiàn)[5]論證了單向閥密封測(cè)試的重要性，設(shè)計(jì)了一種用于單向閥密封測(cè)試的裝置；文獻(xiàn)[6] 針對(duì)高壓調(diào)節(jié)閥使用壽命偏低的問(wèn)題，討論多級(jí)降壓結(jié)構(gòu)對(duì)閥門(mén)性能的影響，為高壓閥芯的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考；文獻(xiàn)[7] 開(kāi)發(fā)了采用PLC與步進(jìn)電機(jī)控制的測(cè)試工裝，介紹該測(cè)試工裝的結(jié)構(gòu)、工作原理和控制要求；文獻(xiàn)[8]研究了一種利用永磁材料的單向閥，分析了單向閥的開(kāi)啟流量壓力特性， 壓差流量特性。在已有的研究中，大都聚焦于分析單向閥的性能測(cè)試以及單向閥的單一性能測(cè)試，針對(duì)單向閥的大批量出廠檢驗(yàn)測(cè)試所要求的快速與穩(wěn)定測(cè)試細(xì)節(jié)，還沒(méi)有提及。

此試驗(yàn)臺(tái)是為了滿足某單向閥生產(chǎn)企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)要求，針對(duì)單向閥的大批量出廠檢驗(yàn)，從設(shè)計(jì)依據(jù)、測(cè)試液壓原理、總體結(jié)構(gòu)、控制組成等多方面，對(duì)其進(jìn)行分析論述[9-12]。同時(shí)試驗(yàn)臺(tái)還要兼顧滿足生產(chǎn)效率、操作方便以及減少工作人員操作強(qiáng)度等要求。試驗(yàn)臺(tái)實(shí)際運(yùn)行半年以來(lái)，把測(cè)試效率提升了一倍，而且很好的控制了產(chǎn)品質(zhì)量，檢出的不良品率控制在0.2%，滿足了企業(yè)生產(chǎn)需求，收到了較好的效果。

1 單向閥試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)依據(jù)

1.1 單向閥結(jié)構(gòu)原理

根據(jù)某生產(chǎn)廠家需求，此研究主要針對(duì)單向閥進(jìn)行出廠性能測(cè)試。單向閥的連接方式是一款螺紋插裝閥，如圖1為叉車(chē)單向閥原理圖。

圖1 叉車(chē)單向閥原理圖

圖1中，單向閥有3個(gè)工作位置：左位、中位、右位；3個(gè)工作油口：P、A、R。右位是單向閥的初始位置，實(shí)現(xiàn)舉升負(fù)載功能；中位是單向閥供油壓力卸載功能和A口保持壓力功能；左位是單向閥的節(jié)流功能，實(shí)現(xiàn)負(fù)載快速或慢速下降功能，3個(gè)工作位置的切換由裝配在兩個(gè)鋼球之間的推桿行程決定。3個(gè)工作油口中，P口為高壓供油口，A口為工作油口，R口為低壓回油口。

1.2 試驗(yàn)項(xiàng)目

依據(jù)單向閥的實(shí)際工況，需要對(duì)單向閥的各項(xiàng)性能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試項(xiàng)目如下：

(1) 右位，測(cè)試A口的壓力和上置鋼球彈簧壓力，下置鋼球保壓功能；

(2) 中位，測(cè)試下置鋼球壓力卸載功能和上置鋼球保壓功能；

(3) 測(cè)試單向閥推桿行程；

(4) 左位，測(cè)試快速和慢速下降功能。

1.3 試驗(yàn)主要技術(shù)要求

(1) 每個(gè)工作日每人測(cè)試數(shù)量不少于400 件；

(2) 上置單向閥彈簧壓力(1±0.2)MPa；

(3) 鋼球保壓性能不大于1 MPa/10 s；

(4) 推桿行程為(2±0.2)mm；

(5) 快速下降和慢速下降功能。

2 試驗(yàn)臺(tái)的試驗(yàn)原理和總體結(jié)構(gòu)

2.1 保壓和推桿行程測(cè)試原理

在設(shè)計(jì)整體液壓原理前，首先需要解決2個(gè)重要參數(shù)的測(cè)試原理：保壓測(cè)試和推桿行程測(cè)試。

1) 保壓測(cè)試原理

保壓測(cè)試是單向閥性能測(cè)試的重要技術(shù)要求，需要考慮多種因素的影響，主要有以下4個(gè)方面：

(1) 電磁滑閥換向閥本身存在泄漏；

(2) 從閥連接到被測(cè)元件的連接管路短小，由于管路里的油液容積小，導(dǎo)致電磁閥換向的瞬間，管路壓力降低的數(shù)值較大；

(3) 負(fù)載端的穩(wěn)態(tài)容腔小，很小的泄漏量就導(dǎo)致壓力變化很大，不能真實(shí)的反映被測(cè)試閥的保壓性能；

(4) 油液溫度的影響。

針對(duì)以上影響因素，給出了相應(yīng)的解決方案：

(1) 選用G型電磁球閥，利用其零泄漏的特點(diǎn)，使其的泄漏量對(duì)保壓測(cè)試的影響降低到最小；

(2) 在電磁閥的壓力出口后端，增加單向止回閥，避免了電磁閥換向?qū)е碌膲毫担?/p>

(3) 在被測(cè)試元件負(fù)載端即A口端，安裝1個(gè)與提升缸的容腔容積近似的容腔，解決了小容積低泄漏導(dǎo)致的壓力變化；

(4) 配置油冷機(jī)，使油箱的油液溫度被控制在穩(wěn)定的范圍內(nèi)。

2) 推桿行程測(cè)試原理

當(dāng)P口和A口的壓力為20 MPa時(shí)，步進(jìn)電機(jī)進(jìn)給，推動(dòng)下置鋼球使P口的壓力降低0.3 MPa時(shí)，此位置為單向閥推桿初始位置，標(biāo)記為行程零點(diǎn)；步進(jìn)電機(jī)繼續(xù)進(jìn)給，P口的壓力繼續(xù)降低，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)推動(dòng)上置鋼球使A口的壓力降低0.3 MPa時(shí)，此位置為單向閥推桿的工作位置，標(biāo)記為行程終點(diǎn)。2個(gè)位置的差值就是單向閥頂桿的行程2 mm。

2.2 試驗(yàn)臺(tái)液壓原理

根據(jù)試驗(yàn)臺(tái)快速裝拆、準(zhǔn)確檢測(cè)以及操作方便的要求，設(shè)計(jì)了單向閥試驗(yàn)臺(tái)液壓原理。

其有4個(gè)測(cè)試原理相同的工位，目的是為了提高生產(chǎn)效率。當(dāng)?shù)?個(gè)工位裝配完成后啟動(dòng)控制開(kāi)關(guān)，測(cè)試程序自動(dòng)進(jìn)行測(cè)試，接著裝配下1個(gè)工位并啟動(dòng)測(cè)試，當(dāng)?shù)?個(gè)工位開(kāi)始測(cè)試時(shí)，第1個(gè)工位測(cè)試完成，4個(gè)工位正好是1個(gè)周期，保證測(cè)試效率，在此僅以一個(gè)工位的液壓原理進(jìn)行說(shuō)明。

如圖2所示，因?yàn)楸粶y(cè)試閥15的工作壓力為超高壓40 MPa，所以系統(tǒng)油源采用超高壓徑向柱塞泵1供油，工作壓力可達(dá)70 MPa，保證被測(cè)試閥的正常測(cè)試。系統(tǒng)壓力由溢流閥4(設(shè)定壓力為40 MPa)和負(fù)載端溢流閥8(設(shè)定壓力為20 MPa)進(jìn)行調(diào)節(jié)。換向閥3的作用是系統(tǒng)供油壓力卸載或加載；換向閥5的作用是系統(tǒng)供油選擇，連通被測(cè)試閥15的P口或A口；考慮當(dāng)被測(cè)試閥15通過(guò)測(cè)試后，除換向閥11外的所有電磁閥斷電，若被測(cè)試閥15的P口有殘余壓力，那么操作人員在拆除閥時(shí)，將發(fā)生油液噴濺現(xiàn)象。為了防止這種油液噴濺現(xiàn)象，配置了換向閥6； 由于測(cè)試壓力需要在40 MPa和20 MPa之間選擇， 所以配置換向閥7；換向閥10的作用是負(fù)載供油壓力卸載或加載；考慮到

1.徑向柱塞泵 2.電機(jī) 3、6、7、10、11.二位二通換向閥4.溢流閥 5.二位三通換向閥 8.溢流閥 9.容腔12.壓力傳感器 13.步進(jìn)電機(jī) 14.接近開(kāi)關(guān) 15.被測(cè)試元件16、17.單向閥 18.氣缸 19.移動(dòng)門(mén)圖2 單向閥測(cè)試液壓原理圖

泵在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中是始終工作的，所以需要配置電磁閥11，防止在泵無(wú)載荷狀態(tài)下拆裝被測(cè)試元件導(dǎo)致的A口油液外溢現(xiàn)象；在被測(cè)試閥15的三個(gè)油口P、A、R分別設(shè)置一個(gè)壓力傳感器(12.1～12.3)，實(shí)時(shí)檢測(cè)油口的工作壓力。

當(dāng)裝配被測(cè)單向閥時(shí)，氣缸18驅(qū)動(dòng)移動(dòng)門(mén)19打開(kāi)，接近開(kāi)關(guān)14.2檢測(cè)開(kāi)門(mén)狀態(tài)；當(dāng)開(kāi)始測(cè)試后，氣缸18驅(qū)動(dòng)移動(dòng)門(mén)19關(guān)閉，接近開(kāi)關(guān)14.4檢測(cè)關(guān)門(mén)狀態(tài)，接近開(kāi)關(guān)14.3檢測(cè)單向閥是否被安裝，防止漏裝被測(cè)元件導(dǎo)致的油液噴濺。

該試驗(yàn)臺(tái)工作時(shí)對(duì)油液溫度進(jìn)行控制，保證每一批次被試單向閥的出廠測(cè)試條件相同，并配置主油箱油液循環(huán)過(guò)濾系統(tǒng)，保證油液清潔度，同時(shí)配置殘油自動(dòng)回收過(guò)濾系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。

2.3 試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試步驟

1) 沖洗、彈簧壓力檢測(cè)和舉升

如圖3所示，在測(cè)試開(kāi)始前，接近開(kāi)關(guān)14.3和14.4同時(shí)觸發(fā)，接近開(kāi)關(guān)14.4觸發(fā)的作用是移動(dòng)門(mén)在關(guān)閉狀態(tài)的反饋信號(hào)；接近開(kāi)關(guān)14.3觸發(fā)的作用是被測(cè)試元件已經(jīng)裝配好的反饋信號(hào)，防止漏裝被測(cè)單向閥而導(dǎo)致油液噴濺。在測(cè)試開(kāi)始后，由于步進(jìn)電機(jī)的位置是任意的，為了便于識(shí)別步進(jìn)電機(jī)的初始位置，所以需要設(shè)置接近開(kāi)關(guān)14.1，主要用于步進(jìn)電機(jī)初始位置的初始化。隨后在測(cè)試過(guò)程中，被測(cè)試單向閥的彈簧壓力性能及舉升壓力檢測(cè)完全自動(dòng)通過(guò)設(shè)置在油口的壓力傳感器來(lái)判斷。

圖3 沖洗、彈簧壓力和舉升測(cè)試過(guò)程

2) A口和P口的保壓測(cè)試

如圖4所示，保壓性能主要檢測(cè)單向閥在工作壓力下的壓力保持性能。在實(shí)際測(cè)試中，液壓原理中增加測(cè)試元件容腔9，其容積的大小與叉車(chē)起升油缸的容積相同，功能是補(bǔ)償保壓試驗(yàn)時(shí)由于換向閥換向?qū)е碌膲毫λ查g降低。若保壓試驗(yàn)時(shí)不裝配容積9，則考慮電磁閥的換向時(shí)間為30～50 ms，保壓端壓力會(huì)在這段時(shí)間內(nèi)瞬間降低3～5 MPa，而這個(gè)壓力降低是測(cè)試系統(tǒng)造成的，并不能真實(shí)反映被測(cè)試元件的保壓性能，所以容腔9是為了更真實(shí)的還原被測(cè)試單向閥的應(yīng)用，也為了得到更準(zhǔn)確的測(cè)試結(jié)果。同時(shí)，在測(cè)試油路中增加單向閥16，其目的也是為了減少測(cè)試系統(tǒng)的壓力損失對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。

圖4 A口和P口的保壓測(cè)試過(guò)程

3) 推桿行程測(cè)試

如圖5所示，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)推動(dòng)下置鋼球，P口壓力開(kāi)始降低的一瞬間，就是推桿行程的起始位置：當(dāng)步進(jìn)電機(jī)繼續(xù)進(jìn)給，推動(dòng)上置鋼球使A口壓力開(kāi)始降低的一瞬間，就是推桿行程的工作位置，兩個(gè)位置的差值就是推桿行程。

4) 慢速下降和快速下降測(cè)試

如圖6所示，慢速下降和快速下降測(cè)試是通過(guò)檢測(cè)負(fù)載端A口的背壓來(lái)實(shí)現(xiàn)的。接近開(kāi)關(guān)14.2觸發(fā)的作用是移動(dòng)安全門(mén)處于打開(kāi)狀態(tài)的反饋信號(hào)。安全門(mén)打開(kāi)后，拆除被測(cè)試元件前，為了防止拆除單向閥導(dǎo)致的油液噴濺，電磁閥11通電。

圖5 推桿行程測(cè)試過(guò)程

圖6 慢速下降和快速下降測(cè)試過(guò)程

2.4 單向閥試驗(yàn)臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)

該單向閥試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)主要由泵源，控制閥組，步進(jìn)電機(jī)，壓力傳感器，溫度傳感器，接近開(kāi)關(guān)，PC，觸摸顯示器，PLVC等組成。其中，泵源部分提供持續(xù)穩(wěn)定的流量和壓力；測(cè)試閥組用于實(shí)現(xiàn)測(cè)試邏輯；步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)推桿；PLVC用于控制電機(jī)、電磁閥，讀取步進(jìn)電機(jī)位移以及各種傳感器數(shù)據(jù)采集；PC機(jī)用于搭建人機(jī)界面，完成數(shù)據(jù)顯示、保存、查詢、打印，實(shí)現(xiàn)測(cè)試過(guò)程可視化，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物如圖7所示。

3 試驗(yàn)臺(tái)的控制組成

3.1 試驗(yàn)臺(tái)的硬件電路

該試驗(yàn)臺(tái)的硬件電路主要由PC機(jī)，PLVC，步進(jìn)電機(jī)，溫度傳感器，壓力傳感器，電磁閥，接近開(kāi)關(guān)等元件組成，電路框圖如圖8所示。

圖7 單向閥試驗(yàn)臺(tái)實(shí)物圖

圖8 控制組件硬件框圖

首先上位機(jī)PC與PLVC建立通信，實(shí)現(xiàn)指令和數(shù)據(jù)傳輸；其次通過(guò)PLVC控制步進(jìn)電機(jī)、電磁閥等，實(shí)現(xiàn)測(cè)試邏輯控制；最后PLVC采集壓力傳感器、溫度傳感器與接近開(kāi)關(guān)的反饋信號(hào)，形成測(cè)試過(guò)程自動(dòng)控制。

PLVC是一款可編程控制器，區(qū)別于普通控制器，其在硬件上集成放大器，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁閥或比例閥的直接驅(qū)動(dòng)。軟件上內(nèi)置液壓控制功能塊，對(duì)動(dòng)態(tài)性能低或高的應(yīng)用場(chǎng)合均可適配，其通訊接口為速度高、抗干擾的CAN總線，可實(shí)現(xiàn)和電腦的高速數(shù)據(jù)交換。

3.2 試驗(yàn)臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)臺(tái)的軟件主要包括上位機(jī)軟件和現(xiàn)場(chǎng)控制軟件。上位機(jī)軟件主要由編輯語(yǔ)言VB實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面搭建，完成數(shù)據(jù)顯示、保存與查詢、報(bào)表生成與打印功能。軟件界面包含四個(gè)完全相同的測(cè)試界面，分別命名1，2，3，4對(duì)應(yīng)相應(yīng)的測(cè)試工位。

現(xiàn)場(chǎng)控制軟件主要負(fù)責(zé)測(cè)試邏輯，其實(shí)質(zhì)上是與上位機(jī)軟件關(guān)聯(lián)，并按測(cè)試邏輯編寫(xiě)的Excel文件，可以將其稱之為程序表格參數(shù)化。它是由多個(gè)獨(dú)立的Excel文檔組成，每個(gè)Excel文檔就是一個(gè)測(cè)試步驟，各個(gè)文檔按照一定的順序自動(dòng)被上位機(jī)調(diào)用。文檔內(nèi)可設(shè)置電磁閥狀態(tài)、步進(jìn)電機(jī)狀態(tài)、各個(gè)傳感器是否參與控制、電磁鐵通電時(shí)間、缺省參數(shù)等等。各個(gè)文檔是加密的，僅僅可以由被授權(quán)的技術(shù)人員根據(jù)實(shí)際工況和測(cè)試步驟，更改或者添加表格參數(shù)，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過(guò)程自動(dòng)控制(包括手動(dòng)和自動(dòng)測(cè)試)，保證測(cè)試數(shù)據(jù)的安全性和準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

(1) 單向閥試驗(yàn)臺(tái)充分考慮了滿足生產(chǎn)效率的基礎(chǔ)上，最大化的降低操作人員工作強(qiáng)度，可實(shí)現(xiàn)1 min完成1件產(chǎn)品的測(cè)試工作，具有工程應(yīng)用的實(shí)際意義；

(2) 用PLVC實(shí)現(xiàn)控制，完全有別于傳統(tǒng)的PLC，功能上集成放大器，驅(qū)動(dòng)電流最大達(dá)到2 A，可以直接驅(qū)動(dòng)電磁閥；結(jié)構(gòu)上簡(jiǎn)化和完善電氣設(shè)計(jì)；

(3) 試驗(yàn)臺(tái)的不足之處在于未考慮到拆裝單向閥對(duì)油液清潔度的影響。在運(yùn)行了3個(gè)月后，回油口單向閥17經(jīng)常被堵塞，原因在于單向閥是用氣動(dòng)扭矩扳手裝拆的，每天多次拆裝會(huì)產(chǎn)生很多細(xì)小的鐵屑毛刺，容易堵塞回油口單向閥17。解決方法是在此單向閥前端增加螺紋旋入式過(guò)濾網(wǎng)，并每2周清洗1次。改造完成后，試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行平穩(wěn)。