一种液压插装阀综合试验台的设计与研究.pdf

液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 01 4年 第 O 7期 d o i l 0 ．3 9 6 9 4 ．is s n ． 1 0 0 8 - 0 8 1 3 ．2 0 1 4 ．0 7 ． 0 1 8 一 种液压插装阀综合试验台的设计与研究 刘 刚 ， 吴 向东 ， 许 明恒 ， 于广婷 ， 李 谦 ， 王 吉桥 1 ． 西南交通大学 机械工程学院 ， 四川 成都6 1 0 0 3 1 ； 2 ． 山东威海市地方铁路管理局 ， 山东 威海2 6 4 2 0 0 摘要 针对国家标准对 液压插装 阀性能测试的要求 ， 该 文介绍 了一种液压插装阀综合试 验台的设计方 案 ， 系统具体包括液压 系统 、 电 气系统 和测试及控制系统。 该系统综合 了国家标准对所有类液压插装阀性能测试的试 验要求 ， 同时采用计算 机进行实验数据 的 自动采 集 、 显示和处理 ， 具有集成度高 、 测试数据准 、 良好 的可开发性等特点 。 关键词 插装阀 ； 综合性能试验 ； 计算机采集控制 ； 可开发性 中图分类号 T H1 3 7 ． 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 4 0 7 0 0 4 8 0 4 Th e Re s e a r c h a n d De s i g n o f a Hy d r a u l i c Ca r t r i d g e Va l v e Co mp l e x Te s t b e d L 1 U G a n g ， WU Xi ang - d o n g ， XU Mi n g - h e ， ， Y U G u ang - t i n g ， L I q i an’ ， W AN G J i - q i a o 1 ． S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， S o u t h w e s t J i a o t o n g Un i v e r s i t y ， C h e n g d u 6 1 0 0 3 1 ， C h i n a ； 2 ． L o c a l R a i l w a y A d mi n i s t r a t i o n o f We i h a i ， We i h a i 2 6 4 2 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t Ai mi n g t o t h e r e q u i r e me n t n a t i o n a l s t a n d a r d s f o r t h e p e rf o r ma n c e t e s t o f h y d r a u l i c c a r t r i d g e v a l v e ，t h i s p a p e r p r e s e n t s a d e s i g n o f c o mp r e h e n s i v e h y d r a u l i c c a r t r i d g e v a l v e t e s t - b e d ， w h i c h I n c l u d i n g h y d r a u l i c s y s t e ms ， e l e c t ri c a l s y s t e ms ， a n d t e s t a n d c o n t r o l s y s t e m． T h e s y s t e m c o mb i n e s a l l t h e p e r f o r ma n c e t e s t i n g o f h y d r a u l i c c a rt rid g e v a l v e r e q u i r e d b y t h e n a t i o n a l s t a n d a r d s ． Al s o ， i t c a n c o l l e c t ， p r o c e s s a n d d i s p l a y t h e d a t a t e s t d a t a b y a c o mp u t e r ． T h e s y s t e m h a s h i g h i n t e g r a t i o a c c u r a t e t e s t d a t a a n d g o o d d e v e l o p a b l e a bi l i t y． Ke y wo r d s c a rt r i d g e v a l v e ； c o mp r e h e n s i v e p e r f o r ma n c e t e s t ； c o mp u t e r c o l l e c t a n d c o n t r o l ； d e v e l o p a b l e a b i l i t y 0 引言 1 试 验 台系统 的功能和技术参数 随着现代液压技术的发展 ．液压传动的运用范围 越来越广。插装阀因其具有结构简单 、 流通能力大 、 动 态响应快等优点 ．已越来越多地被应用于液压系统的 控制当中l l _ 作为液压系统重要 的控制元件 ． 插装阀性 能的好坏 ． 决定着一个液压系统 的性能。由于插装 阀种 类 繁 多功 能各 样 ． 其 性 能测 试试 验 的种类 也 十 分 多样 这就造成 了传统 的试验 台无法满足对不 同功能插装阀 的出厂试验要求 ．从而影响对插装阀的开发生产 同 时 ． 传统插装阀试验 台对 阀进行的测试简单 ． 无法实现 精确的检测和分析 为此 ． 本文设计一种能实现插装阀 综合性能测试的试验台 ．并使用计算机 自动分析实验 数据 ，以完成在 同一试验 台上完成国标 J B 厂 r 1 0 4 1 4 2 0 0 4 规 定 的 7种 阀 的不 同 性 能 测 试 试 验 共 3 3种 ， 简单直观地显示测试结果 基金 项目 国家 9 7 3计划 2 0 1 2 C B 7 2 4 3 0 8 收稿 日期 2 0 1 3 一 l 1 0 8 作者 简介 刘 刚 1 9 8 6 一 ， 男 ， 四川绵 阳人 ， 硕士研究 生 ， 研究 方向为机 电 液一体化 。 48 1 ． 1 试 验 台主 要功 能 经过对 国家标准 的分析和研究 ．本试验 台对国家 标准 的要求进行整合 ． 将插装阀 3 3种试验项 目分为如 下八类 泄漏类 、 压力损失类 、 稳态压力 流量特性类 、 动 态响应特性类 、 耐久性类 、 开启类 、 耐压类 和调节 力矩 类 借助本试验台． 经过适当的阀组合以及极少数的外 部辅助 ． 可实现所有规定插装阀的测试。 此外 ．本试验台还具有计算机辅助控制和处理功 能 实验数据通过传感器采集并传送到工控机 ． 工控机 通过程序处理对所采集数据进行分析 ．获得被试 阀的 性能数据 ． 并显示和储存性能数据和相关曲线 1 ． 2系统主 要技 术参 数 主油路额定压力 3 1 ． 5 MP a ； 主油路额定流量 2 0 0 L ／ mi n ； 控制油路额定压力 2 ． 5 MP a ； 控制油路额定流量 2 ． 5 l d mi n 高 压油 路额 定压 力 5 0 MP a ； 高压油路额定流量 5 ． 5 mi n 系统测量准确等级 B级 ； 介质工作温度 5 0 2 。 Hy dr a u l i c s P ne uma t i c s Se a l s ／ No．07． 2 01 4 2 液压系统设计 为满足国标 J B ／ T 1 0 4 1 4 2 0 0 4 对液压二通插装阀 性能测试 的要求 ． 本设计将液压系统设计成三部分 ． 包 括主油路系统 、 控制油路系统和耐压测试油路系统。其 中主油路系统主要用于除高压耐压性 能测试之外 的插 装阀所有性能测试 ． 控制油路系统主要为主油路系统以 及被试阀提供控制油液 ． 耐压测试油路系统主要用作高 压耐压测试试验。系统液压原理图如 图 1 所示。被试阀 安装采用兼容式阀块方式 ．故试验 台除做规定实验外 ． 还 可进 行二 次开 发 2 ． 1 主 油 路 系统 本 系 统 主 油 路 设 计 参 数 指 标 为 额 定 压 力 3 1 ． 5 MP a ， 额定流量 2 0 0 L ／ mi n 根据设计要求 ． 阀的额定 压力和额定流量不会在 同一测试 阀上达到最大值 即， 高压 时 流量不超 过 1 0 0 L ／ m i n ．大 流量 时压 力不超 过 2 0 M P a。 故本系统采用双泵供 油的供油方式 ．可降低成本 和设计难度 。齿轮泵 2为低压泵 ． 额定压力 2 0 MP a ， 额 定流量 9 0 L ／ mi n 柱塞泵 3为高 压变量泵 ．额定压力 3 5 MP a 。 额定 流量 1 1 0 L ／ mi n 。 高 压泵 选择 流 量较 大 。 为今 后开发高压大流量插装阀备用 双泵供油可 同时满足 系统对低压大流量和高压小流量 的要求 溢流阀 6用 于保护齿轮泵 2 ． 其调定压力应不高于 2 0 MP a 。以防止 系统压力过高损坏齿轮泵 2 除采用双泵供油外 ． 本系统还采用旁路节流 节流 阀 7 和回油节流 节流 阀 2 8 1 两种流量调节方式 的结 合 ． 以满足不 同试验项 目对流量调节的要求 。 系统压力调节是通过溢流阀 8 、 9两个阀组成 。其 中 ． 溢流 阀 8为高压溢流阀 ， 其额定流量小 ， 溢 流阀 9 为低压溢流阀 ， 其额定流量较大 。当系统压力低 、 流量 较大时 ． 将溢流阀 8压力调到其最大压力值 ． 此时使用 溢 流 阀 9进 行 压力 调节 ， 可 保证 调压 准 确 。当 系统压 力 或系统需求压力超过 9的最大值 时 ． 将 l 0中电磁阀通 电 ， 此时 9的油路被切断 ． 通过 8调节系统压力 ， 即可 达较高压力值 。 由于系统压力高 、 流量大 ． 故换 向阀 1 7采用 电液 换 向阀 液控单 向阀 l 9主要用于油路的单 向通断控 制 ， 通过 电磁换向阀 l 8工作。当 l 8通电时， 油液可双 向流通 断 电时 ． 油液只能单向向上流通。压力传感器 2 1 、 2 4用 于测 量 被 试 阀 阀 口前 后 压力 值 。3 3 、 3 4 、 3 5三 1 、 4 O、 4 6 一 吸油过滤器2 、 4 1 、 4 7 一 齿轮泵3 - 柱 塞式变 量泵4, 5、 1 6、 4 2、 4 8 一 单 向阀6 、 8、 9、 4 3、 4 9、 5 2 一电磁溢流阀7 、 2 8 一 手 控节流阀 l O 一电磁式捕装 阀组合 开关1 1 、 1 2、 2 2、 2 6、 2 7、 3 0、 3 1 、 5 4 一 手动截 止阀l 3 一 蓄能器1 4 、 2 O、 2 5、 4 4、 5 1 、 5 3 一 压力表1 5、 5 5 一 油温检测器 1 7 一 电液换 向阀 l 8 、 4 5 一 电磁换 向阀 1 9 一 液控单 向阀2 1 、 2 4 一 压力传感器3 2 一 压 力爆破 板3 3 、 3 4、 3 5 一 流量传感器3 6 一 观察 口 3 7 一 电磁水 阀 3 8 一 水冷式冷却器3 9 一 回油 滤油 器5 0 一 手动换 向阀 5 6 一 液位计5 7 一 空气滤清器 图 1 系统液压原理图 4 9 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 01 4年 第 0 7期 个流量传感器拥有不同测量范围． 做不 同流量试验时 ． 通过手动切换可得到准确的流量测量值 3 2爆破板 的 设定压力 3 MP a ． 当压力过高时爆破 ． 使液压油通过 3 2 、 3 6流同油箱 ， 防止损坏流量传感器。 液压泵选型 主油路高压泵 A 7 V8 0． 主油路低压泵 CBFF6 3。 2 ． 2控 制油 路 系统 控制油路为 图 1中中心线绘制部分 ．以低压小流 量泵 4 1 供油 ． 低压溢流阀 4 3调节压力 其供油对象为 电液换 向阀 1 7和被试 阀。故该系统只有当控制油泵启 动时 ， 阀 1 7才能动作 当被试阀需要控制油时 ， 电磁阀 4 5通 电 反之 ， 4 5断电 2 ． 3高压耐压油路设计 由于测 试 系统 的额 定 压力 为 3 1 ． 5 MP a ． 而被 试 阀耐 压试验 时要求 压力达 到 1 ． 5倍 公称 压力 值 ．即可达 4 7 ． 2 5 MP a ，但此时需求流量小 ．仅需补充系统泄漏 即 可。由于主油路本身额定流量为 2 0 0 L ／ m i n ． 利用主油路 完成耐压试验便 十分困难 故本 系统将耐压试验与其 余试验油路分开设计 ． 如 图 l中粗实线绘制部分所示 泵 4 7是高压泵 ，其压力可达 6 0 MP a ．溢流阀 4 9和 5 2 均为高压溢流阀 阀 4 9主要用于保护高压泵 4 7 。 防止 压力过高出现危险． 其调定压力设置为 5 0 MP a 本油路 压 力 的调 节通 过 阀 5 2调定 3 电气系统 本试验台电气系统主要功能为 启停各油泵驱动 电机 ， 通断各 电磁控制 阀电磁铁 和操作台计算机供电。 3 ． 1 电机 驱 动 电气 系统 本系统有 四个液压泵 ，其 中图 1中 2 、 3两个泵采 用同一电机驱动 根据系统压力流量要求 ． 液压泵的驱 动功率为 1 式中 液压泵输入功率 ， k W； p 系统额 定压 力 ， MP a ； q 系统 额定 流量 ， L ／ mi n ； 叼 液压泵机械效率 ， 取 0 ． 9 0； 叼 液压泵容积效率 ， 取 0 ． 9 O 。 得 出液压泵 2 、 4 1 、 4 7输入功率分别 为 3 7 k W， 4 1 0． 1 3 k W ， 4 7 5 ． 6 6 k W 。 查表得 出柱塞泵 3的额定功率为 6 8 k W 。 液压泵的输入功率就是 电机的输 出功率 由于主 油路系统有两个泵 ， 电机 M1 额定输 出功率应为两个泵 5 0 额定输 入功率 之和。故其输 出功 率应 为 P m 。 1 0 5 k W； 0 ． 1 2 k W ； 5 ． 6 6 k W ， 取 P m 3 6 k W 。 根 据 公式 ‘ 2 式中， 一 一 额定 电流， A； 电机额定功率 ． W ￡ 7 一 额定 电压 ． V c O S 功率因数 ． 取 0 ． 8 5 ； 卵 效率 ， 取 0 ． 8 5 。 计算 出各 电机功率为分别为 I m 。 2 2 0 A， 0 ． 2 1 A， I m p 1 2． 6 A。 可见 ． 其中电机 Ml电流很大。又由于三相异步电 机启动电流约为额定电流 的 4 ～ 7倍 ，会对电网造成冲 击 故本系统主电机 M1采用软启动器启动 ． 选型为施 耐德 A T S 4 8 C 1 7 Q型软启动器 。该启动方式可将启动电 流降低到 4 0 0 A以下。 电机启动 电气原理图如 图 2所示 。电源采用三相 四线制交流电。电源引人之后经闸刀开关 3 D K， 再经塑 壳断路器 Q F 2 5 0 A后分流。 图 2电气 原 理 图 其中一路为 M1 动力 ．经交流接触器 K M1常开触 头 ． 而后分 两路 ， 经交流接触器 K M2常开触头与软启 动器动力电接线后再汇合引入 电机 M1 。第二条两厢引 入软启动器电源接 口 最后再 引一厢电经紧急停止按 钮 引 入 启 动 器 R1 A 口后 经 R1 C、 R 2 C分 别 接 K M1 、 K M2线圈， 汇合后接入另一厢电源线 电机 M1 控制原理 启动 Ml时 ， 先闭合塑壳断路 器 Q F 2 5 0 A， 然后按下 2 1按钮。启动器通过逻辑控制 方式控制 K M1 线圈通 电． K M1常开触头闭合 ．经过一 段时间启动器软启 动运行 ． 当电机 M1启动后 ． 自动控 制 K M2线圈通电， K M2常开触头闭合 ， 软启动器短接 ， Hv d r a ul i c s Pn e uma t i c s＆ S e a l s ／ No． 0 7- 2 01 4 一 r--曲 z 圈 号。所 以， 该 系统信号采集传输顺序为 前段传感器 、 信 转换模块 、 P C I 多功能信号采集卡 、 工控机。 工控机通过 程序将采集的信号进行处理并通过显示器显示 输 出信号由工控机发 出程序指令 ．传送给信号采 集卡 ， 由采集卡处理 和转换信号 ， 输出模 拟电压 信号 ． 再通过信号转换模块传送给被控制对象 4 ． 2软件 设计 本系统计算机操作软件采用 L a b V I E W 环境编写 ． 其 主要功能如下 ①数据采集功能 主要负责工控机与 数据采集卡的联系 ．将数据卡转换 的数字信号采样并 记录； ②数据记录和保存功能 将采集来的数据进行记 录， 并以rr X T或其他方式进行保存 ； ③数据处理功能 将采集来的数据根据需要进行处理和简单分析 ．以得 出被试阀性能参数； ④实时显示功能 将采集的数据和 经过处理得 出的相关图形进行显示 ．以便于查看 和控 制试验进程 ⑤指令输出功能 通过程序指令 ， 通过多 功能数据采集卡 ， 向被控制对象输 出控制指令。 5 结论 本插装 阀综合实验 台集合所有插装 阀出厂试 验和 型式试验功能 。通过运用传感器采集技术与计算机控 制 、 处理技术 ， 将原本复杂的试验数据采集 以及测试 阀 的控制变得十分简单 而开放式 阀块设计和多功能数 据采集卡的扩展功能 ．又使得本实验台具有较强的二 次开发潜力 该试验台综合性强 。 能对插装 阀进行简单 甚至复杂的出厂和型式试验测试 ． 测试简单方便 ， 结果 真实可靠 参考 文 献 [ 1 ] 曹玉平 ， 阎祥安． 液压传 动与控制[ M 】 ． 天津 天津大 学出版社 ， 2 0 0 9 1 5 7 1 6 3 ． [ 2 J 机 械设计手册 编委会 ． 机械设 计手册第 4卷【 M】 ． 北 京 机械 工 业 出版社 ． 2 0 0 7 ． 【 3 】 J B ／ T 1 0 4 1 4 2 0 0 4 ， 液压二通插装 阀试验方法[ S ] ． [ 4 】 沈 家宝． 相 异步 电动 机的 电流与速算 『 J 1． 小 水 电， 1 9 9 7 ， 3 3 9 4 0 ． 【 5 1 刘利 ， 王栋． 电动机软启 动器实用技 术f M】 ． 北京 中国 电力 版 社 ． 2 0 0 9 1 8 - 2 1 ． [ 6 ] 胡 均平 ， 曾晨 阳 ， 严信平 ， 等． 新 型多功能液 压综合试 验 台研 究设计『 J 1． 液压与机床， 2 0 0 4 ， 1 0 2 4 3 2 5 0 ． f 7 1 冯 欢欢 ， 等． 盾构试 验 台液 压推 进系统 的设计 与研究l J 1 ． 液 压 气动与密封 ， 2 0 1 2 ， 1 2 1 4 1 7 ． 『 8 1 周 连俭 ， 等． 计算 机 自动控制 液压综合试 验台的研制 I J 1 ． 液 压 气动与密封 ， 2 0 1 3 ， f 7 2 2 2 5 ． 51