王 松

(中國(guó)煤炭科工集團(tuán) 北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司，北京 100013)

0 引言

液壓閥的質(zhì)量決定了其應(yīng)用價(jià)值及產(chǎn)品的核心競(jìng)爭(zhēng)力，因此，測(cè)試系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)具有重要作用。本文基于現(xiàn)有試驗(yàn)系統(tǒng)，提出了一種更加安全可靠且更智能化的多功能測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，并以此進(jìn)行測(cè)試系統(tǒng)改造，以提升產(chǎn)品的測(cè)試能力，為產(chǎn)品研發(fā)提供重要依據(jù)。

行業(yè)內(nèi)液壓測(cè)試系統(tǒng)各不相同，主要以能夠測(cè)試國(guó)標(biāo)要求項(xiàng)目為主，大多較為簡(jiǎn)單，需進(jìn)入高壓測(cè)試區(qū)域手動(dòng)操作調(diào)節(jié)，效率低且存在安全隱患。本文結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試技術(shù)，利用壓力、流量等各類(lèi)傳感器對(duì)測(cè)試過(guò)程進(jìn)行PID控制，主要實(shí)現(xiàn)壓力、流量的遠(yuǎn)程調(diào)定，并對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以提高測(cè)試效率、提升安全等級(jí)為目的，設(shè)計(jì)一種更加智能、安全的測(cè)試系統(tǒng)。

1 整體設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)是液壓閥類(lèi)測(cè)試系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，其設(shè)計(jì)需要考慮實(shí)際工況，滿(mǎn)足主要的功能、性能技術(shù)要求[1]。測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案流程如圖1所示。

圖1 液壓閥測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案流程

由于液壓支架設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)支架用閥的流量、壓力要求越來(lái)越高，根據(jù)實(shí)際測(cè)試需求本試驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)具備2 000 L/min、37.5 MPa的試驗(yàn)?zāi)芰?。確定測(cè)試系統(tǒng)重要組成部分，草擬液壓系統(tǒng)原理圖，使其能夠按照設(shè)計(jì)方案進(jìn)行工作。圖2為液壓閥測(cè)試系統(tǒng)液壓原理圖。

選擇和設(shè)計(jì)測(cè)試系統(tǒng)的泵站、液箱、管路、蓄能器等重要部分，并對(duì)其性能進(jìn)行核算，驗(yàn)證是否能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 測(cè)試平臺(tái)

現(xiàn)有測(cè)試平臺(tái)如圖3所示，因設(shè)計(jì)較早已無(wú)法滿(mǎn)足流量、壓力的測(cè)試要求。利用原有平臺(tái)進(jìn)行改造，主要工作為擴(kuò)大管路通徑、配備多種管路接口、增加油缸及各類(lèi)傳感器等。

圖3 現(xiàn)有測(cè)試平臺(tái)

設(shè)計(jì)一種能滿(mǎn)足公稱(chēng)流量的柔性測(cè)試平臺(tái)，配備不同規(guī)格進(jìn)、回接口，以減小系統(tǒng)的阻力損失。根據(jù)GB 25974.3—2010對(duì)煤礦用液壓閥的測(cè)試要求，為覆蓋安全閥的測(cè)試需求，需要在原有測(cè)試系統(tǒng)中增加液壓千斤頂。如圖2所示，當(dāng)被測(cè)閥8為安全閥時(shí)，需接入油缸9對(duì)安全閥進(jìn)行增壓。

為滿(mǎn)足測(cè)試系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)要求，此測(cè)試平臺(tái)接入壓力表、壓力傳感器、流量傳感器、噪聲傳感器、振動(dòng)傳感器等對(duì)被測(cè)閥進(jìn)行監(jiān)控。

2.2 動(dòng)力源

被測(cè)液壓產(chǎn)品公稱(chēng)壓力為37.5 MPa，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)管路損失取1 MPa，最大工作壓力為38.5 MPa?，F(xiàn)研發(fā)階段的產(chǎn)品流量達(dá)2 000 L/min，管路維護(hù)良好情況下，泄漏系數(shù)取1.1，最大工作流量為2 200 L/min。測(cè)試系統(tǒng)泵站公稱(chēng)流量應(yīng)與計(jì)算所需流量相當(dāng)，但泵站的公稱(chēng)壓力應(yīng)該比系統(tǒng)工作壓力高25%，有利于泵站的工作穩(wěn)定性和壽命[2，3]。

1-泵站；2-遠(yuǎn)程調(diào)壓閥；3-高壓過(guò)濾站；4-蓄能器；5-分流控制閥；6-流量傳感器；7-壓力傳感器；8-被測(cè)閥；9-油缸；10-三位四通閥；11-液位計(jì);12-冷卻塔

確定動(dòng)力源為3臺(tái)公稱(chēng)流量630 L/min、公稱(chēng)壓力40 MPa的泵和1臺(tái)公稱(chēng)流量200 L/min、公稱(chēng)壓力45 MPa的泵組成的泵站。

2.3 液箱

按照經(jīng)驗(yàn)公式確定液箱容積，確定最終設(shè)計(jì)方案后，再按照散熱的需要進(jìn)行校驗(yàn)[4，5]。

液箱容量V(m3)的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式為:

V=aqv.

(1)

其中：qv為泵每分鐘排出液體容積，m3；a為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

泵站最大流量為2 090 L/min，經(jīng)驗(yàn)系數(shù)a取7，參考液箱標(biāo)準(zhǔn)容積確定測(cè)試系統(tǒng)液箱容積為15 m3。

液壓系統(tǒng)工作過(guò)程中，除液壓閥輸出部分有效功外，其余功率損失絕大部分都轉(zhuǎn)化為熱能，使液體溫度升高[6]。

如果達(dá)到熱平衡，乳化液溫度不再上升，此時(shí)，最大溫度差Δθ(℃)為：

(2)

其中：K1為液箱的散熱系數(shù)；K2為管道的散熱系數(shù)；A1為液箱散熱面積，m2；A2為管路散熱面積，m2；H為系統(tǒng)的發(fā)熱功率，W。

泵站功率損失H(W)為:

H=P(1-η).

(3)

其中：P為液壓泵的輸入功率，W；η為液壓泵的總效率，一般取0.8。

液壓泵的輸入總功率為1 700 kW，在考慮散熱時(shí)，系統(tǒng)管路可忽略不計(jì)。液箱通風(fēng)好，K1取17，液箱散熱面積A1為38m2。

環(huán)境溫度為θ0，則乳化液溫度θ=θ0+Δθ。計(jì)算所得乳化液溫差遠(yuǎn)大于設(shè)備所允許最高溫度，故需要安裝冷卻設(shè)備。

根據(jù)使用工況，確定采用閉式冷卻塔。其優(yōu)點(diǎn)為介質(zhì)不會(huì)受?chē)娏芩绊懬鍧嵍龋軌蛴行ПＷo(hù)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，延長(zhǎng)設(shè)備使用周期，當(dāng)環(huán)境溫度低時(shí)，不使用風(fēng)扇也可降溫，甚至無(wú)需使用噴淋水，可有效減少能量損耗[7]。

2.4 管路

管道內(nèi)徑d(mm)由下式計(jì)算：

(4)

其中：Q為通過(guò)管道內(nèi)的流量，L/min；v為管道允許流速，m/s。

選擇標(biāo)準(zhǔn)系列管路，高壓管路v取7，計(jì)算得內(nèi)徑為80 mm；回液管路v取3，計(jì)算得內(nèi)徑為125 mm；主吸液管路v取2，計(jì)算得內(nèi)徑為150 mm。

根據(jù)GB/T 8163—2008中流體輸送用無(wú)縫鋼管的力學(xué)性能選擇Q460牌號(hào)鋼管，其抗拉強(qiáng)度為550 MPa～720 MPa，下面計(jì)算液壓管道的壁厚。

管道壁厚δ(mm)的計(jì)算公式為:

(5)

(6)

其中：p為管道內(nèi)最高工作壓力，MPa；σp為管道材料的許用應(yīng)力，Pa；σb為管道材料的抗拉強(qiáng)度，Pa；n為安全系數(shù)，對(duì)鋼管來(lái)說(shuō)，p<7 MPa時(shí)取n=8，7 MPa≤p≤17.5 MPa時(shí)取n=6，p>17.5 MPa時(shí)取n=4。

選擇標(biāo)準(zhǔn)系列確定測(cè)試系統(tǒng)鋼管壁厚，45 MPa高壓管路鋼管安全系數(shù)取4，計(jì)算得壁厚為14 mm；6 MPa回液管路鋼管安全系數(shù)取8，計(jì)算得壁厚為5.5 mm；2 MPa主吸液管路鋼管安全系數(shù)取8，計(jì)算得壁厚為2.2 mm。

為有效減小系統(tǒng)管路振動(dòng)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)采用蜂窩型阻尼器，其特殊結(jié)構(gòu)可以使沖擊動(dòng)能迅速轉(zhuǎn)化為熱能釋放，在所有自由度上都可以實(shí)現(xiàn)無(wú)延遲減振、無(wú)空行程，適用范圍廣，易于安裝，無(wú)磨損件，使用壽命長(zhǎng)，維護(hù)成本低。

2.5 蓄能器

蓄能器在工作時(shí)其總?cè)莘e計(jì)算公式為：

(7)

其中：p0為蓄能器充氣壓力，MPa；V0為相應(yīng)p0時(shí)的氣體容積，L；p1為蓄能器最小工作壓力，MPa；p2為蓄能器最大工作壓力，MPa；m為指數(shù)，絕熱過(guò)程m=1.4;Vw為蓄能器有效容積，L。

在蓄能器總?cè)莘eV0最小、單位容積儲(chǔ)存能量最大的條件下，絕熱過(guò)程時(shí)：

p0=0.471p2.

(8)

蓄能器設(shè)計(jì)使用最大壓力p2=37.5 MPa，計(jì)算充氣壓力p0=17.66 MPa，設(shè)計(jì)使用最小壓力6 MPa。

蓄能器在本系統(tǒng)的作用為當(dāng)液壓執(zhí)行元件短時(shí)間快速運(yùn)動(dòng)時(shí)補(bǔ)充供液，根據(jù)系統(tǒng)流量，Vw取310 L，計(jì)算得蓄能器總?cè)莘e為197 L。根據(jù)實(shí)際工況和推薦的標(biāo)準(zhǔn)容積，選擇2支100 L皮囊蓄能器。

2.6 過(guò)濾站

過(guò)濾器流量計(jì)算公式為：

(9)

其中：Q0為過(guò)濾器的流量，m3/s；A為有效過(guò)濾面積，m2；x為濾芯的個(gè)數(shù)；Δp為壓力差，MPa；Cv為流量系數(shù)，取0.098；η0為液體的動(dòng)力黏度，MPa·s，25 ℃乳化液的動(dòng)力黏度為0.893 7 MPa·s。

濾芯的過(guò)濾面積越大，過(guò)濾能力越強(qiáng)?，F(xiàn)單個(gè)濾筒的過(guò)濾面積為0.18 m2，根據(jù)流量(即泵站總流量2 090 L/min)計(jì)算所需濾筒個(gè)數(shù)。濾芯前后的壓力差取0.25 MPa，計(jì)算得出需要8個(gè)濾筒即可滿(mǎn)足流量的設(shè)計(jì)要求。

選用2 500 L自動(dòng)反沖洗高壓過(guò)濾站，此過(guò)濾站有8個(gè)濾筒，公稱(chēng)壓力45 MPa，使用25 μm過(guò)濾精度濾芯，能夠有效過(guò)濾雜質(zhì)。同理，通過(guò)計(jì)算亦可求得系統(tǒng)中其他類(lèi)型的過(guò)濾裝置。

3 結(jié)論

本文完成了測(cè)試系統(tǒng)的液壓部分設(shè)計(jì)和組成元部件選型，能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求，為今后的測(cè)試系統(tǒng)建設(shè)奠定了理論基礎(chǔ)。