液压挖掘机多路阀全电液综合测试系统开发.pdf

2 0 1 3年 1 1 月 第4 1卷 第2 1期 机床与液压 MAC HI NE T OOL HYDRAUL I CS NO V ． 2 0 1 3 Vo 1 ． 41 No ． 2 1 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 2 1 ． 0 2 4 液压挖掘机多路阀全电液综合测试系统开发 刘金刚 ，祝建仁 ，陈建文 1 ．湘潭大学机械工程学院，湖南湘潭 4 1 1 1 0 5 ； 2 ．湖南江麓重工科技有限公司，湖南湘潭 4 1 1 1 0 5 摘要液压挖掘机多路阀工作压力高、流量大，且具有合流 、优先等特殊功能，各项性能参数难 以精确测量。提出了 一 种基于电液比例控制的多路阀全电液综合测试系统，该测试系统利用变频电机控制多路阀输入流量 ，利用电液比例溢流 阀完成正反双向工作载荷的模拟 ，利用电液比例减压阀实现多路阀主阀芯轴向位移的精确控制。介绍了测试系统整体方 案，进行了该系统的功率匹配计算 ，分析了阀芯轴向位移与液压先导压力之间的关系。试验结果表明，该测试系统能够完 成多路阀的各类型式试验和出厂试验。 关键词多路阀；测试系统 ；电液比例控制；液压挖掘机 中图分类号T H 1 3 7 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 2 1 0 8 6 4 De v e l o pme n t o f Ful l El e c t r o- hy d r a ul i c I nt e g r a t e d Te s t Sy s t e m o f Ex c a v a t o r M ul t i ． wa y Va l v e L I U J i n g a n g ，Z HU J i a n r e n ，CHE N J i a n w e n 1 ． S c h o o l o f Me c h a n i c E n g i n e e r i n g ，X i a n g t a n U n i v e r s i t y ， X i a n g t a n Hu n a n 4 1 1 1 0 5， C h i n a ； 2 ． Hu n a n J i a n g l u H e a v y I n d u s t r y T e c h n o l o g y C o ． ， L t d ． ， X i a n a n H u n a n 4 1 1 1 0 5 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e h y d r a u l i c e x c a v a t o r mu l t i w a y v a l v e h a s s o me s p e c i a l f u n c t i o n s ，s u c h a s h i g h wo r k i n g p r e s s u r e ，l a r g e f l o w，c o n c o u r s e，p r i o r i t y a n d S O o n，a n d a l l t h e p e r f o r ma n c e p a r a me t e r s a r e d i ffi c u l t t o p r e c i s e l y me a s u r e ．A k i n d o f f u l l e l e c t r o h y d r a u l i c i n t e g r a t e d mu l t i p l e v alv e t e s t i n g s y s t e m w h i c h b a s e d o n t h e e l e c t r o h y d r a u l i c p r o p o r t i o n a l c o n t r o l wa s p u t f o r w a r d ．T h e p o s i t i v e a n d n e g a t i v e t w o -- w a y wo r k l o a d s i mu l a t i o n we r e c o mp l e t e d o n t h i s t e s t i n g s y s t e m b y u s i n g v a r i a b l e f r e q u e n c y mo t o r c o n t r o l mu l t i - -wa y v alv e i n p u t fl o w a n d u s i n g t h e e l e c t r o h y d r a u l i c p r o p o rt i o n a l r e l i e f v a l v e ．T h e p r e c i s e c o n t r o l o f mu h i w a y v alv e o f ma i n v a l v e c o r e a x i a l d i s p l a c e me n t w a s r e a l i z e d b y u s i n g e l e c t r o h y d r a u l i c p r o p o rt i o n a l p r e s s u r e r e d u c i n g v a l v e ．T h e d e t a i l t e s t p l a n f o r s y s t e m wa s i n t r o d u c e d ，t h e p o w e r ma t c h i n g c alc u l a t i o n o f t h e s y s t e m w a s a c c o mp l i s h e d， a n d t h e r e l a t i o n s h i p b e t we e n t h e v a l v e c o r e a x i a l d i s p l a c e me n t a n d h y d r a u l i c p i l o t p r e s s u r e w a s a n a l y z e d ．T h e t e s t i n g r e s u l t s s h o w t h a t t h e t e s t i n g s y s t e m c a n a c c o mp l i s h mu l t i wa y v a l v e o f a l l k i n d s o f t y p e t e s t a n d l e a v e f a c t o r y t e s t ． Ke y wo r d s Mu l t i w a y v a l v e ；Te s t i n g p l a t f o rm ；El e c t r o h y d r a u l i c p r o p o rti o n a l c o n t r o l ； Hy d r a u l i c e x c a v a t o r 随着工程机 械的发展 ，挖 掘机 的销量越来 越大 。 多路阀作为挖掘机液压系统核心元件之一，其性能的 好坏，直接决定着挖掘机整机的技术水平 ，一旦装机 后液压系统出现故障就很难检测到故障源 ，在装机前 对其进行全面准确的性能检验至关重要。目前国内已 有的多路阀测试试验 系统功能不是很齐全 ，能对挖掘 机多路阀 中的一 些 特殊 功 能 如 合 流 、优先 、负流 量控制等进行装机前验证的试验系统更少。同时， 目前 国内在高压 、大流量多路 阀方面设计水平相对国 外知名液压元件厂家还有较大的差距 ，对多路 阀的相 关特性研究也需要完成多路阀 的性能测试 。因此 ，设 计一套能检测多路阀性能的综合测试系统，将为提高 国内多路 阀整体性能 、缩短 国内外设计差距起到重要 作用 。 1 被试挖掘机多路阀功能及参数 挖掘机多路阀除了具有普通多路阀的基本功能 外 ，还有一些专用功能如 合流 ，再生 ，负流量控制 以及复合动作。 所研究 的测 试对 象 挖掘 机 多路 阀 具 有 以下 特点 1 开中位负流量控制； 2 动臂和斗杆都 采用双阀芯控制，阀内合流； 3 直线行走功能 ； 4 斗杆 阀 内流量再 生 ，实现 斗杆 在轻 载荷 时快 速 回收； 5 在动臂大腔和斗杆小腔设置保持阀，确 保整机的安全； 6 可实现复合动作； 7 采用两 收稿 日期 2 0 1 21 0 2 6 基金项目湖南省科技厅优秀青年项 目 1 2 B 1 2 4 ；湘潭市科技计划重点项 目资助项目 Z D 2 0 1 1 1 0 0 2 作者简介刘金刚 1 9 7 9 一 ，男，博士，副教授，主要研究方向为汽车自动变速理论及控制、工程机械电液控制技术等。 Ema i l we l l b ui l d 1 2 6． c o m。 第 2 1 期 刘金刚 等液压挖掘机多路阀全电液综合测试系统开发 8 7 片式整体结构。其具体技术参数如表 1 所示。 表 1 挖掘机 多路 阀技术参数 额定工作压力／ MP a 额定流量／ L m i n 最大工作流量／ L rai n 主溢流阀调整范围／ MP a 最大先导压力／ MP a 阀芯的行程／ mm 阀芯数量 2 测试系统整体方案 液压挖掘机多路阀检测试验台主要由动力输入及 运行控制系统、液压系统、计算机检测系统 3 个相对 独立的子系统组成。动力输入及运行控制系统实现多 路阀工况的模拟，由变频器控制变频电机的转速实现 发动机输入转速的模拟。液压系统采用与挖掘机相同 的回路尽量复现挖掘机 的工作过程 。但是 采用电磁 比 例减压阀作为先导压力阀代替传统测试系统中的控制 手柄 ，采用电磁比例溢流和单向阀的组合模拟挖掘机 工作负载，通过控制旋钮对电磁阀的控制可以实现负 载的无级调节。液压 系统通过液压管路将多路 阀、 泵、比例溢流阀、传感器组合为一个整体。计算机检 测系统通过智能仪表 、数据采集卡和工控机等实现试 验参数的实时监测及采集。该系统优势在于通过对电 的控制实现对液压系统的控制，实现测试系统的全电 液控制，以提高测试系统的自动化程度。 测试系统的液压系统采用与实机参数相同的驱动 液压泵等液压元器件尽量减少误差。通过液压管路联 接，将泵、被试多路阀、加载比例溢流阀、先导比例 阀块 、传感器组成一个相对独立的、整体实现与挖掘 机相 同的液压 回路 。只需通过对截止 阀的控制来实现 工作 回路的切换。 其中加载装置由电磁 比例溢流阀和单向阀组合实 现正反双向加载，每块阀体带一套加载装置 ，并结合 独立 的分流块和截止 阀控制实现复合动作时相互独立 加载。采用电液比例溢流阀实现对系统压力和负载连 续变 化的模拟 。采用 电液 比例减压 阀作为先导 阀实现 对多路阀工作状态的控制，减少由于传统测试系统采 用先导手柄机构的管路连接 ，直 接采用控制旋钮控制 电压从而实现对比例阀的控制，使操作更方便快捷准 确而且能够方便地实现微调控制。同时主控台上安装 有数字显示表对关键数据进行实时显示，能够在不启 用测控程序的情况下监控系统的工作状态。测试系统 一 次安装就能完成多路阀所有测试项目，并通过选择 高压球阀通断组合完成油路切换，高压球阀立式安装 以方便操作。 该测试系统采用图形化编程软件 L a b v i e w为软件 平台由计算机 自动采集完成数据的实时显示、存取、 打印等功能。该试验 台还有报警 、应急 、卸压等控制 要求。当系统出现过压 、油液污染超标 、油箱缺油 等，传感器发送信号给 P L C ，P L C即刻发 出报警信 号，相应的报警信号灯变亮。图 1 为整个测试系统的 液压测试系统原理图。 图 1 测试系统 的液压测试系统原理 图 3 O O■9 瑚 们m m 8 8 机床与液压 第4 1 卷 3 动力匹配计算 该系统采用 变频 电机 驱动 变量 泵 的动力 输入 方 案 ，实现压力和流量 的无级调节达到模拟挖掘机工作 动力输入 。根据合作企业实车动力 匹配方案 ，该测试 系统选择 电机为 A B B的 Q A B P 3 1 5 L 4 B，液压 泵 为川 崎 K 3 V 1 8 O D T泵组，扭矩传感器为 Z J 2 0 0 0型，液压 动力传递系统 由被试 多路阀、加载用 D U P L O M A T I C 的P R E 3 2 ． 3 5 0比例溢流阀组成。其中被试阀的最大工 作压力为 3 5 MP a ，最大工作流量 为 5 6 0 L ／ m i n ，配合 恒功率泵使用，额定功率为 1 6 9 k W。 在多路阀测试时，系统输入的功率基本上以热量 的形式损耗，而该系统装机功率较大 ，因此必须设计 合理的油液冷却装置。同时系统还必须具有油液加热 的功能，以满足温度较低时测试的要求。 在多路阀的测试中，出厂试验要求比较简单 ，且 持续时间短，系统的功耗相对于型式试验要小。而型 式试验 中又 以高温试验 和耐久试验需要 的系统功耗 最 大 ，因此分别 对这 两种 工作 状态 下系 统功 耗进 行分 析。多路阀进行高温试验时，被试阀通以公称流量， 并调 节其进 口压力为公称压 力 ，以2 O～ 4 0／ m i n的 频率进行换向，并持续进行 3 0 ra i n 。此时，系统的功 率损失为 P 。 1 5 7 ． 5 k W 1 ‘ 6 0 6 0 ’ 多路阀进行 耐久 试验 时 ，被试 阀通 以试 验流 量 标准规定 对于公 称流量大 于或等 于 1 0 0 L ／ m i n的多 路 阀，试 验 流 量取 1 0 0 L ／ ra i n ，压 力 为 公 称 压 力 ， 则系统的功率损 失 5 8 ． 3 3 k w 2 ‘ 6 0 6 0 ⋯ ⋯⋯ 综合各种因素考虑 ，该试验系统基本的试验 温度 范 围为 5 0 。 5 。 高 温试验 除外 。由于测试 系 统所 有输入功率都被 转换为 系统发热 ，因此设置合理的散 热系统对提高系统和元器件的寿命和测试的准确性有 很大的必要性。根据现在安装情况选择风冷冷却方 式 。 风冷式冷却器冷却面积计算 A n 3 式 中A为冷却器冷却 面积 ，m ；S 为液压系统发热 量 ，W；s 为液 压 系统散 热 量 ，W ；n为 污垢 系数 ， 一 般 n 1 ． 5 ；K为散热系数 ；T为平均温差 ， ℃ l 一 t 1 t 2 ， ． 、 一 L斗 式 中T 。 、 为进 出 口油温 ， ℃ ； t 、t 分别 为进 口和 出口空气温度 ， ℃。 针对实际工况和相关计算结果，选定了主冷却系 统 独立散热系统的方案 ，当进行全功率试验时，开 启主冷却系统；当进行部分功率试验时，只需要开启 独立散热系统。主冷却系统选择型号为D T 一 1 0的贺德 克散热器，采用风冷散热形式 ，置于室外，主冷却系 统开启 时 ，在热平衡状态下 ，油温 与环境温度相 比上 升 3 0 c I 二 左右，满足系统的正常使用。同时考虑到初 次开机 为了能够让系统快速达到测试油温 ，系统还设 置了电加热器进行快速加热 ，缩短了测试等待时间， 提高了工作效率。 4 阀芯位移电液比例控制 被试多路阀在先导控制油压的作用下工作，为了 使试验 台操作更方便 、准确 ，同时便于今后计算机 自 动控制升级，先导控制油压的产生不采用挖掘机上先 导手柄和脚踏板控制先导阀块的方式。而是利用 1 4 个电液比例减压阀组成的阀块 ，提供 1 4路压力信号， 为每个控制油口提供对应的控制压力信号。采用此种 电液比例先导控制通过对电阻旋钮控制电信号控制先 导阀来实现对液压系统多路阀主阀芯运动的连续控 制，便于实现阀芯微调控制对系统工作流量和压力的 控制 。 阀芯弹簧的预压缩量是 1 m m，压缩量是 1 0 m m 。 为使对 中 换 向 动作 可靠 ，设 阀芯开 始换 向时最 低先导 阀的压力 为 P ，阀芯完全 换 向 的先导 压力 为 P ， 。则在换 向起 、始状态对阀芯进行受力分析 开始换 向 S 0时 P 1 r D F 【l 十 ∑F ∑F 5 完全换 向 s 1 0 m m时 P 1 1 『 D F ∑F ∑F ∑F 6 式中 P 、 P 分别为阀芯开始动作 和最 大位移处先导 压力值 ；F 为弹簧 预压缩 力 ；F 为 阀芯运 动终 止位 置弹簧力 ；F 为阀芯运动阻力 ；F 为阀芯稳态液动 力 ；F 为液 压卡紧力 。 根据设 计 多路 阀的 。 参数，通过 M a t l a b 编程 i 计 算得出阀芯运动行程 蠢 与液压先 导 压力 之 问的 关系曲线如 图 2所示 。 匿 根据先导压力要求 0 P a r k e r的 V B Y1 0 0 I J 0 6 B 3 0 P 型号的电液 比例减压阀输 出压力范围在 0～ 6 M P a ， 图 2 阀芯行程与先导 压力 的曲线 图 第 2 1 期 刘金刚 等液压挖掘机多路阀全电液综合测试系统开发 8 9 最大流量 1 0 0 L ／ m i n ，调节输入 电压 0～ 5 V 。同时为 了 能实现 自动化测试 ，可用通过软件编程输入控制信号来 控制多路阀工作状态 的变 化实现 自动化测试。系统调 压、模拟加载以及背压调压都通过选择合适调压范围的 比例溢流阀实现系统压力和负载压力 的连续调节。通过 控制旋钮对 电压的控制从而达到对 系统的压力参数控 制，实现电液比例控制，提高了系统的可靠性以及便捷 性 ，实现对系统 的自动连续控制 。 5 总 结 提出了一种基于电液比例控制的挖掘机多路阀 全 电液综 合测试 系统 。该测 试 系统 能够 完 成对 挖掘 机用多 路 阀的出厂试 验 和型式 试 验 。该 测 试 系统采 用电液 比例技术实现对系统 的压力控制和多路 阀先 导控制。采用电液比例先导技术提高了系统的控制 方便性和减少系统布管难度 ；同时由于比例阀的比 例微调 特性可 以提高 系统 的微 调 性 能试验 。该 综合 测试 系统能够模 拟挖掘 机 动力输 入 和 实际 工况 加 载 测试多路阀，并且能够实现对挖掘机用多路阀的特 殊功能 如合流 、优先 、直线 行走 和负 流量 控制 等 功 能 的测试 试验 。测试 系统 充分 考 虑 了热平 衡 与动力 匹配 ，所 以能 长时 间进 行工 作测 试 。通过 现 场 的安 装调试和试验验证了该测试系统操作的方便性和实 用性 ，并能完全模拟挖掘机的工作状态。试验结果 表 明该 测试 系统能对 挖掘 机多 路 阀进 行全 面 的质 量 检测 和性能测 试 。 而且该 测试 系统很 大程度上 降低 了工人的劳动强度，操作方便。 参考文献 【 1 】 J B ／ T 8 7 2 9 ． 1 1 9 9 8 液压多路换向阀技术条件[ S ] ． 【 2 】 J B ／ T 8 7 2 9 ． 2 - 1 9 9 8 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，十多年来试用过多种国产数控机床 ，但 由于 “ 光栅尺”等 核心部件无法 自给，即使高价外购组装 ，整机协调性也达不到生产标准。大连光洋的五轴数控机床正是通过全产 业链的自主研发 ，打破了这一瓶颈 。 中国航天科工集团高级工程师贾健明“ 关键部件都是 自己生产的，所 以他们对 自己的机床非常了解，加工 的叶片的质量表面也非常好 ，达到了国外领先数控机床 的水平。 ” 凭借性能和价格的双重优势 ，光洋五轴数控机床今年成功打入德国、日 本等老牌数控机床制造国家 ，赢得国 际市场青睐。 目 前 ，大连光洋 已拥有 自主知识产权 1 0 7项 ，在国内率先贯通了数控机床制造 的各个环节，助推中 国高端数控机床国产化梦想变成现实。 北京动力机械研究所副所长杨继平 “ 我们把 ‘ 制造是关键 ’这个抓手紧紧抓在手上，就可以把我们整个制 造业 ，推向一个全新的高度 。 ” 未来 5 年 ，大连光洋还将陆续建成三维激光复合加工中心、五轴工具磨床等 9 个专业化生产企业 ，实现我国 高端 自主品牌机床的批量化生产 。 内容来源 d h v ． c n大连新 闻