何劉宇，李敏，吳新躍，王培，王冬梅

(1.北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京 100076;2.北京輕工技師學(xué)院食品工程系，北京 100068)

0 前言

某液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)因具有無人值守工況下系統(tǒng)長(zhǎng)待機(jī)、快速響應(yīng)的工作需求，其液壓回路內(nèi)設(shè)置的液控單向閥需要對(duì)處于長(zhǎng)期帶載的蓄能器進(jìn)行保壓。當(dāng)接在液壓?jiǎn)蜗蜷y出油口后面的執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要?jiǎng)幼鲿r(shí)，通過對(duì)控制口提供壓力油使液控單向閥迅速打開，接通蓄能器回路，使蓄能器快速出油，為執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作提供動(dòng)力，從而達(dá)到在無人值守情況下能夠快速響應(yīng)使機(jī)構(gòu)開啟的目的。這對(duì)回路中的核心元件液控單向閥在長(zhǎng)期待機(jī)工況下的可靠性提出了非常高的要求。因此，本文作者針對(duì)所研制的液控單向閥搭建一套可靠性試驗(yàn)液壓系統(tǒng)，并對(duì)液控單向閥在長(zhǎng)待機(jī)狀態(tài)下的技術(shù)狀態(tài)變化情況進(jìn)行試驗(yàn)摸底，同時(shí)驗(yàn)證試驗(yàn)液壓系統(tǒng)進(jìn)行可靠性試驗(yàn)的有效性和可行性。

1 液控單向閥基本結(jié)構(gòu)

液控單向閥的種類很多，通常分為預(yù)釋壓和無釋壓兩種，而這兩種又有內(nèi)泄式和外泄式的區(qū)別。本文作者根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要設(shè)計(jì)一種無釋壓、外泄式的液控單向閥，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。正常工作時(shí)，液壓油從A口自由流入，從B口流出。在相反方向，閥芯Fx被壓力彈簧壓緊在閥座上，B口的壓力加上彈簧力作用使閥芯關(guān)閉，使得液壓油無法自由流動(dòng)。當(dāng)對(duì)其控制口X施加控制油壓時(shí)，由于控制口活塞面積大，控制活塞頂向右側(cè)閥芯Fx后克服壓力彈簧和B口壓力作用在閥芯上的總反力，使閥芯被推向右側(cè)，閥芯離開閥座后高壓、大流量液壓油快速由B口流入并從A口流出。

圖1 液控單向閥結(jié)構(gòu)示意

2 液控單向閥應(yīng)用工況

文中所設(shè)計(jì)的液控單向閥用于系統(tǒng)長(zhǎng)期保壓的工況，系統(tǒng)的壓力由蓄能器提供，在需要為執(zhí)行機(jī)構(gòu)供油時(shí)液控單向閥能夠快速開啟并大流量供油。液控單向閥的工作液壓回路如圖2所示。氣瓶QP1、QP2中儲(chǔ)存著高壓氮?dú)?，通過氣閥和管路與活塞式蓄能器AC1、AC2的氣腔相連，蓄能器的油腔分別與液控單向閥YDF1、YDF2相連。蓄能器AC3通過2個(gè)常閉電磁閥YA105、YA106連接液控單向閥DF1、DF2的控制油口，當(dāng)YA104、YA105、YA106得電后，蓄能器AC3的油壓施加到Y(jié)DF1、YDF2的控制口，這兩個(gè)液控單向閥打開，使蓄能器AC1、AC2內(nèi)的液壓油并聯(lián)后從P1回路引入后續(xù)液壓系統(tǒng)中。

圖2 液控單向閥的工作液壓回路

P2口連接反向充油回路，當(dāng)蓄能器內(nèi)壓力油釋放完畢后，通過P2口后可分別通過單向閥DF1、DF2將壓力油充入蓄能器AC1和AC2中，為下一次執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作儲(chǔ)存壓力油。由此可見，該工況對(duì)液控單向閥有2個(gè)重要的指標(biāo)要求：

(1)在長(zhǎng)待機(jī)狀態(tài)下，系統(tǒng)沒有動(dòng)作，液控單向閥B口長(zhǎng)期待壓，處于保壓工作狀態(tài)，B口的壓力通過活塞式蓄能器AC1、AC2引入，這就要求液控單向閥密封性好、無泄漏，以使系統(tǒng)壓力能夠長(zhǎng)期保持；

(2)在需要工作時(shí)，液控單向閥的X口得到控制壓力后，能夠迅速推動(dòng)控制口活塞運(yùn)動(dòng)并順利頂開主閥芯，使高壓、大流量的工作壓力油通過B口快速流入并從A口流出后進(jìn)入后續(xù)的液壓缸內(nèi)，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)快速動(dòng)作，這就要求液控單向閥在長(zhǎng)期高壓保壓過程中具有可靠性，不會(huì)因?yàn)殚L(zhǎng)期無動(dòng)作導(dǎo)致內(nèi)部密封件與閥座接觸面出現(xiàn)黏滯黏連等現(xiàn)象而無法打開，這是其可靠性的一個(gè)重要部分。

3 液控單向閥試驗(yàn)原理

根據(jù)液控單向閥的實(shí)際工況和對(duì)應(yīng)的液壓回路工作特性，為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的液控單向閥在長(zhǎng)期待機(jī)時(shí)的保壓能力和開啟可靠性，設(shè)計(jì)了一個(gè)用于對(duì)液控單向閥進(jìn)行長(zhǎng)待機(jī)狀態(tài)下可靠性驗(yàn)證的試驗(yàn)液壓系統(tǒng)，并在試驗(yàn)過程中長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵壓力變化情況。試驗(yàn)主要測(cè)試以下兩種功能：

功能一：驗(yàn)證液控單向閥可靠打開能力，即需要提供高壓油時(shí)能夠順利打開單向閥為系統(tǒng)供油的能力,以檢驗(yàn)閥體內(nèi)的非金屬密封件與閥座的接觸面是否因長(zhǎng)期接觸而發(fā)生黏連，驗(yàn)證所選密封件的可靠性；

功能二：測(cè)試液控單向閥的可靠封油，即在長(zhǎng)期熱待機(jī)過程中，高壓油是否會(huì)從液控單向閥滲漏或者滲漏量很少，以驗(yàn)證是否滿足使用指標(biāo)要求。

搭建的長(zhǎng)待機(jī)液壓試驗(yàn)系統(tǒng)原理如圖3所示。系統(tǒng)中設(shè)置了液壓回路1、2和3?；芈?用于測(cè)試液控單向閥的定期可靠開啟能力和工作效果(功能一)。選取4個(gè)液控單向閥YK1～YK4進(jìn)行相應(yīng)功能驗(yàn)證。回路2用于測(cè)試液控單向閥長(zhǎng)期待機(jī)時(shí)(一年以上)的保壓能力(功能二)，選取2個(gè)液控單向閥YK5、YK6進(jìn)行相應(yīng)功能驗(yàn)證。試驗(yàn)期間，回路1和2中的蓄能器1、2的高壓油依靠其出口的液控單向閥YK1～YK6進(jìn)行長(zhǎng)期封壓，當(dāng)需要回路3中的蓄能器3提供動(dòng)力時(shí)，電磁閥YA101、YA102通電，控制蓄能器3的高壓油作為液控單向閥開啟的動(dòng)力，將液控單向閥打開，蓄能器1、2的高壓油通過液控單向閥YK1～YK6后通過P1口進(jìn)入后續(xù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。電磁閥YA101、YA102斷電，液控單向閥YK1～YK6關(guān)閉，蓄能器1、2停止向后面的執(zhí)行機(jī)構(gòu)供油。在蓄能器3長(zhǎng)期承載過程中，為防止由于環(huán)境溫度變化或者蓄能器滲漏造成控制油路內(nèi)產(chǎn)生高壓油而誤將液控單向閥打開，系統(tǒng)中設(shè)置常閉電磁閥YA103并在其回路后面串接一個(gè)小流量的可調(diào)節(jié)流閥，確?？刂苹芈?的高壓油及時(shí)泄掉，保證液控單向閥控制回路壓力不會(huì)升高。當(dāng)液控單向閥需要外控油打開時(shí)，電磁閥YA103通電，將常泄油路切斷，控制回路建壓，將液控單向閥打開。

圖3 液控單向閥長(zhǎng)待機(jī)試驗(yàn)原理

4 試驗(yàn)方案與試驗(yàn)步驟

4.1 試驗(yàn)方案

第1組試驗(yàn)：選取2個(gè)月和5個(gè)月時(shí)間間隔開啟液控單向閥，測(cè)試液控單向閥在高壓負(fù)載下可靠打開的能力，試驗(yàn)周期結(jié)束后對(duì)液控單向閥進(jìn)行拆解，檢查內(nèi)部軟密封的狀態(tài)。

第2組試驗(yàn)：進(jìn)行一年期液控單向閥保壓試驗(yàn)，測(cè)試液控單向閥在一年時(shí)間內(nèi)高壓密封工況下的密封性能及待機(jī)一年后的開啟性能，試驗(yàn)周期完畢后拆解閥體，檢查內(nèi)部軟密封狀態(tài)。

4.2 試驗(yàn)步驟

4.2.1 試驗(yàn)前的準(zhǔn)備

(1)對(duì)蓄能器1、2充氮?dú)?，先充壓?0 MPa，將蓄能器3充壓至11 MPa；

(2)向蓄能器1、2內(nèi)充液壓油，待蓄能器壓力達(dá)到28 MPa后停止；向蓄能器3充入液壓油，待蓄能器達(dá)到壓力21 MPa后停止；

(3)打開截止閥JK1′、JK2′、JK1～JK6、JK6′，關(guān)閉截止閥JL1′、JL2′、JL1～JL4，再打開截止閥JL5′、JL6′、JL5～JL8，P1口接調(diào)速閥和流量計(jì)后接量杯，P2、P3、T、L口接量杯。

4.2.2 第1組試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)分為A、B兩項(xiàng)，其中A項(xiàng)用于測(cè)試保壓時(shí)長(zhǎng)2個(gè)月后液控單向閥的開啟和關(guān)閉性能測(cè)試；B項(xiàng)用于測(cè)試保壓5個(gè)月后液控單向閥開啟和關(guān)閉功能。各壓力傳感器數(shù)值通過采集系統(tǒng)記錄并存儲(chǔ)，同時(shí)記錄壓力表數(shù)值、油口泄漏量作為輔助監(jiān)測(cè)。

(1)試驗(yàn)第1周時(shí)，每10 min記錄1次3個(gè)壓力傳感器BP102′、BP101、BP102的壓力，每天早晚各記錄1次壓力表BP1、BP2和BP2′的數(shù)值及環(huán)境溫度并記錄4個(gè)小量杯的泄漏量，如果1周后壓力變化和泄漏量均滿足預(yù)期值，則后續(xù)改為每隔1 h自動(dòng)記錄1次4個(gè)壓力傳感器的壓力，每天人工觀察1次小量杯里的泄漏量。試驗(yàn)期間如果蓄能器1、2壓力低于25 MPa或控制蓄能器3壓力低于12 MPa則暫停試驗(yàn)，檢查泄漏源是來自于蓄能器或是否因液控單向閥密封性能下降導(dǎo)致的泄漏；

(2)A項(xiàng)試驗(yàn)在保壓滿2個(gè)月后對(duì)A項(xiàng)的液控單向閥YK1、YK2進(jìn)行開啟性能測(cè)試，先將JK1′、JK2′、JK2～JK5、JK6′關(guān)閉，JK1和JK6保持開啟，將電磁鐵YA101通電，觀察P1口應(yīng)有油液流出，關(guān)閉JK1，P1口應(yīng)逐漸無油液流出；然后打開JK2，JK6保持開啟，觀察P1口應(yīng)有油液流出，在關(guān)閉JK2后，P1口油液應(yīng)逐漸停止流出；

(3)試驗(yàn)結(jié)束后將蓄能器1和控制蓄能器3重新充油至壓力分別恢復(fù)到28、21 MPa，并恢復(fù)至第4.2.1節(jié)的試驗(yàn)前準(zhǔn)備狀態(tài)；對(duì)液控單向閥YK3、YK4進(jìn)行拆解，檢查密封元件的技術(shù)狀態(tài)；

(4)B項(xiàng)試驗(yàn)在A項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)束后開始計(jì)時(shí)，在試驗(yàn)滿5個(gè)月后，先關(guān)閉JK2′、JK1～JK6，JK1′和JK6′保持開啟，令電磁鐵YA101通電，觀察P1口應(yīng)有油液流出，關(guān)閉JK1′，P1口應(yīng)逐漸無油液流出；然后打開JK2′， JK6′保持開啟，觀察P1口應(yīng)有油液流出，在關(guān)閉JK2′后，P1口油液應(yīng)逐漸停止流出；

(5)試驗(yàn)結(jié)束后將蓄能器1和控制蓄能器3重新充油至壓力分別恢復(fù)到28、21 MPa，并恢復(fù)至第4.2.1節(jié)的試驗(yàn)前準(zhǔn)備狀態(tài)；對(duì)液控單向閥YK1、YK2進(jìn)行拆解，檢查密封元件的技術(shù)狀態(tài)。

4.2.3 第2組試驗(yàn)步驟

此組試驗(yàn)用于測(cè)試液控單向閥在1年期保壓時(shí)間的可靠性及1年后的開啟和關(guān)閉功能。試驗(yàn)期間定期記錄壓力傳感器和壓力表的數(shù)值。

(1)每小時(shí)記錄1次壓力傳感器BP103的壓力，每0.5 h記錄壓力表BP3數(shù)值及環(huán)境溫度；

(2)試驗(yàn)滿1年后，先關(guān)閉JK1、JK2、JK4、JK6、JK1′、JK2′、JK6′，令電磁鐵YA101通電，觀察P2口應(yīng)有油液流出，關(guān)閉JK3后P2口應(yīng)逐漸無油液流出；然后，打開JK4，P2口應(yīng)有油液流出，關(guān)閉JK4后，P2口應(yīng)逐漸無油液流出；

(3)試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)液控單向閥YK5、YK6進(jìn)行拆解，觀檢查密封元件的技術(shù)狀態(tài)。

4.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

試驗(yàn)過程中的壓力信號(hào)數(shù)據(jù)通過搭建的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行采集及存儲(chǔ)，其基本原理如圖4所示。壓力傳感器信號(hào)通過信號(hào)安全隔離柵、數(shù)據(jù)采集模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號(hào)，并通過RS485通信接口與上位機(jī)相連，在上位機(jī)上的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)軟件中存儲(chǔ)各路信號(hào)，并生成壓力-時(shí)間曲線，供定期進(jìn)行壓力走勢(shì)(下降趨勢(shì))觀測(cè)。

圖4 數(shù)據(jù)信號(hào)采集系統(tǒng)原理示意

5 試驗(yàn)及結(jié)果分析

按照試驗(yàn)原理搭建試驗(yàn)液壓系統(tǒng)，如圖5所示。采用3個(gè)相同的閥塊，其中2個(gè)閥塊用于功能一試驗(yàn)、另1個(gè)用于功能二試驗(yàn)，選取3個(gè)相同容積的蓄能器開展保壓試驗(yàn)。

圖5 試驗(yàn)臺(tái)照片

根據(jù)制定的試驗(yàn)方法和步驟開展試驗(yàn)測(cè)試。在2個(gè)月后完成第1組試驗(yàn)的A項(xiàng)測(cè)試，期間記錄的BP2和BP5的壓力如圖6所示。隨后完成為期5個(gè)月的第1組試驗(yàn)的B項(xiàng)測(cè)試，對(duì)系統(tǒng)壓力的變化情況進(jìn)行分析，采集的系統(tǒng)各環(huán)節(jié)壓力如圖7所示，可知系統(tǒng)壓力有小幅度降低。其間觀察量杯，量杯中均有少量油液累積。其中，接P1、P2的量杯中有滲出的油液，說明BP2、BP2′、BP3的壓力下降與液控單向閥內(nèi)密封部位有油液微泄漏有關(guān)；接L口的量杯中有滲出的油液，說明BP5的壓力小幅下降與YA101、YA102的閥芯產(chǎn)生油液滲漏有關(guān)。但在5個(gè)月的試驗(yàn)中，液控單向閥的總體滲漏量不大，保壓能力滿足使用需求。在滿足第1組試驗(yàn)所需的時(shí)間后，對(duì)液壓?jiǎn)蜗蜷y進(jìn)行開啟試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，液控單向閥開啟順利，開啟后通過流量計(jì)檢測(cè)流量，系統(tǒng)流量滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

圖6 第一組A項(xiàng)測(cè)試結(jié)果(壓力-時(shí)間變化曲線) 圖7 第一組B項(xiàng)測(cè)試結(jié)果(壓力-時(shí)間變化曲線)

試驗(yàn)完成后對(duì)液控單向閥進(jìn)行拆解檢測(cè)，其內(nèi)部密封元件技術(shù)狀態(tài)良好，滿足要求。

在進(jìn)行第1組B項(xiàng)試驗(yàn)的同時(shí)記錄了第2組B項(xiàng)試驗(yàn)中BP3的壓力變化情況，BP3在5個(gè)月試驗(yàn)過程中壓力情況滿足需要。在進(jìn)行第2組1年期長(zhǎng)待機(jī)試驗(yàn)時(shí)，其保壓能力壓力檢測(cè)與衡量液控單向閥可靠開啟的方法與第1組試驗(yàn)相同，將在試驗(yàn)時(shí)間達(dá)到后開展驗(yàn)證。通過該試驗(yàn)系統(tǒng)，可對(duì)液控單向閥的保壓能力、泄漏情況進(jìn)行進(jìn)一步了解，以用于指導(dǎo)后續(xù)液控單項(xiàng)閥性能的改進(jìn)和優(yōu)化。

6 結(jié)論

針對(duì)所設(shè)計(jì)的液控單向閥并結(jié)合它在系統(tǒng)保壓及長(zhǎng)待機(jī)應(yīng)用工況下的液壓回路特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套可靠性試驗(yàn)液壓系統(tǒng)。在短期保壓、長(zhǎng)期保壓2種模式下對(duì)液控單向閥的保壓性能、長(zhǎng)待機(jī)后開啟的可靠性進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，既能考核液控單向閥內(nèi)的密封材料、密封形式的設(shè)計(jì)選用效果，又能考核長(zhǎng)期保壓待機(jī)后該閥的可靠開啟能力。結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的液控單向閥還無法達(dá)到真正的零泄漏，但泄漏量很小，能滿足使用需要；該試驗(yàn)液壓系統(tǒng)亦可用于其他形式液壓鎖的密封性能、開啟性能試驗(yàn)，具有積極的實(shí)際應(yīng)用效果。