大缸径长行程液压缸试验台设计及工程实践.pdf

2 0 1 4年2月 第4 2卷 第 3期 机床与液压 MACHI NE T O0L HYDRAUL I CS F e b ． 2 0 1 4 Vo 1 ． 4 2 No ． 3 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 0 3 ． 0 2 3 大缸径长行程液压缸试验台设计及工程实践 陈东宁 ，徐海涛 ，姚成玉 1 ．燕山大学河北省重型机械流体动力传输与控制实验室，河北秦皇岛0 6 6 0 0 4 ； 2 ．先进锻压成形技术与科学教育部重点实验室 燕山大学 ，河北秦皇岛0 6 6 0 0 4 ； 3 ．燕山大学河北省工业计算机控制工程重点实验室，河北秦皇岛0 6 6 0 0 4 摘要依据液压缸试验标准及现有液压缸试验台存在的不足，设计出能够对最大缸径为 3 2 0 m m、最长行程为 1 5 0 0 mm、最大额定压力为 1 6 M P a的液压缸进行型式试验的试验台。为了减小装机功率、满足被测试缸对加载力的需求以及提 高测试效率 ，试验台液压系统采用了高低压泵组合、比例加载系统和同步定位系统；针对不同缸径、不 同行程规格的被测 试缸的试验要求 ，设计出一种新型的液压变行程可微调定位锁紧式液压缸试验台架，并结合 A N S Y S软件完成了强度校验。 对安装调试中出现的故障问题进行处理，并对 q 5 2 0 0 mm的液压缸进行测试，结果表明该试验台设计是合理的、达到了设 计要求。 关键词大缸径长行程液压缸；试验台；液压系统；比例加载 中图分类号T H1 3 7 ． 9 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 4 30 7 9 6 Te s t - b e d De s i g n a n d En g i n e e r i ng Pr a c t i c e f o r La r g e Di a me t e r a nd Lo ng St r o k e Hy dr a u l i c Cy l i n d e r CHEN Do n g n i n g ， XU Ha i t a o ， YAO Ch e ng y u 1 ． He b e i P r o v i n e i a l Ke y L a b o r a t o r y o f He a v y Ma c h i n e r y F l u i d P o we r T r a n s mi s s i o n a n d C o n t r o 1 ． Y a n s h a n U n i v e r s i t y ， Q i n h u a n g d a o He b e i 0 6 6 0 0 4 ，C h i n a ；2 ． K e y L a b o r a t o r y o f A d v a n c e d F o r g i n g S t a mp i n g T e c h n o l o g y a n d S c i e n c e Y a n s h a n U n i v e r s i t y ，Mi n i s t ry o f E d u c a t i o n o f C h i n a ， Q i n h u a n g d a o H e b e i 0 6 6 0 0 4，C h i n a ；3 ． K e y L a b o r a t o ry o f I n d u s t r i a l C o mp u t e r C o n t r o l E n g i n e e r i n g o f H e b e i P r o v i n c e ，Y a n s h a n U n i v e r s i t y ，Q i n h u a n g d a o H e b e i 0 6 6 0 0 4 ，C h i n a Ab s t r a c t Hy d r a u l i c c y l i n d e r t e s t b e d w a s d e v e l o p e d a c c o r d i n g t o t h e t e s t s t a n d a r d o f h y d r a u l i c c y l i n d e r a n d t h e d e f i c i e n c y o f t h e e x i s t i n g h y d r a u l i c c y l i n d e r t e s t b e d ． I t wa s d e s i g n e d f o r t h e t y p e t e s t o f t h e ma x i mu m c y l i n d e r d i a me t e r o f 3 2 0 mm a n d t h e l o n g e s t s t r o k e o f 1 5 0 0 mm a n d t h e ma x i mu m r a t e d p r e s s u r e o f 1 6 MP a ．I n o r d e r t o d e c r e a s e t h e e q u i p p e d p o we r o f t h i s s y s t e m a n d t o me e t t h e me a s u r e d c y l i n d e r t e s t d e ma n d for l o a d i n g f o r c e a n d t o i mp r o v e t h e t e s t i n g e ffi c i e n c y，h i g h ／ l o w p r e s s u r e p u mp，p r o p o r t i o n a l l o a d i n g s y s t e m a n d s y n c h r o n o u s p o s i t i o n i n g s y s t e m we r e u s e d i n t h e h y d r a u l i c s y s t e m．A n e w t y p e t e s t b e d o f v a r i a b l e s t r o k e a n d a c c u r a c y p o s i t i o n i n g a n d l o c k i n g b y h y d r a u l i c wa s d e s i g n e d a c c o r d i n g t o t h e t e s t r e q u i r e me n t s o f d i f f e r e n t d i a me t e r ，d i f f e r e n t s t r o k e o f t h e me a s u r e d c y l i n d e r ．AN S YS w a s u s e d t o a n a l y z e t h e s t r e n g t h o f t h e s t r u c t u r e ．I n t h e e n d，i s s u e s e n c o u n t e r e d i n t h e p r o c e s s o f i n s t a l l a t i o n a n d d e b u g g i n g we r e d e a l t wi t h ． P r a c t i c e h a s p r o v e d t h a t t h e d e s i g n o f t h e t e s t ma c h i n e i s s u c c e s s f u l b y u s i n g t h e ma c h i n e i n t h e r e a l t e s t o f h y d r a u l i c c y l i n d e r d i a me t e r o f 4 , 2 0 0 m m． Ke y wo r d s L a r g e d i a me t e r a n d l o n g s t r o k e h y d r a u l i c c y l i n d e r ； T e s t b e d；Hy d r a u l i c s y s t e m ；P r o p o rt i o n a l l o a d i n g 液压缸作为液压系统中重要的执行元件，其质量 好坏直接影响到液压系统的工作性能。随着液压技术 的发展以及国家对产品质量的严格要求，液压缸的检 测已成为保证液压系统性能的重要手段之一，通过检 测来评价液压缸这类产品的行程、泄漏、负载效率等 性能指标，避免有质量问题的液压缸进入市场，给客 户带来损失 及安全隐患 。 目前 ，在液压缸试验台液压系统的电液控制和试 验台架的设计上取得了一定的成果 “ ，多泵组驱动 的设计方法在液压站设计上得到应用 。文献 [ 6 ] 采用 比例溢流阀代替传统的手动调压阀，实现了控制 自动化 ，但动力源采用单泵供油，会造成能源浪费。 收稿 日期 2 0 1 3 0 31 7 基金项目国家 自然科学基金资助项 目 5 0 9 0 5 1 5 4 ；河北省 自然科学基金资助项目 E 2 0 1 2 2 0 3 0 1 5 ；河北省教育厅资助科 研项 目 Z H 2 0 1 2 0 6 2 ；秦皇岛市科技支撑计划项 目 2 0 1 2 0 2 1 A 0 7 8 作者简介陈东宁 1 9 7 8 一 ，女，博士，副教授，研究方向为液压系统故障诊断及可靠性。E m a i l 通信作者姚成玉，E ma i l c h y y a o y s u ． e d u ． e n 。 8 O 机床与液压 第 4 2 卷 文献 [ 7 ]设计的台架 ，采用型钢和钢板焊接的结构 形式，但是对于不同长度的被测试缸需要手动安装、 定位，操作不方便 、且台架承载力不强。文献[ 8 ] 设计了一种新型的 z字型试验台架，但是该 台架适 合小型液压缸的安装、测试 ，对于规格大、质量大的 液压缸，安装 、操作不方便 ，且强度不够。 为此 ，设计 出一 台节能 、适应范 围广 的液压缸试 验台，可以对多种规格液压缸进行型式试验，主要试 验有试运行 、起动压力 、行程测试 、耐压测试 、耐久 性疲劳测试、高温测试、泄漏测试、负载效率测试 。 该试验台性能满足以下要求 1 能够对最大缸径为 4 3 2 0 m m、最长行程为 1 5 0 0 m m、最大额定压力为 1 6 M P a的液压缸进行检 测 。 2 保证能够对被测试缸进行最大为 3 1 ． 5 M P a 的耐压测试 。 3 试 验 台架 满 足 不 同缸 径 、不 同行 程 规 格 、 不同安装方式的被测试缸的检测需求。 1 试验 台液压系统设计 1 ． 1 液压 系统 构成 试验台液压系统是由油箱、高低压泵供油系统、 比例加载系统 、同步定位系统、冷却系统、气控系统 等几部分组成 1 油箱为开式结构，辅件有 4个过滤器、液 位计、温度传感器和 3 个加热器。 2 主供油系统由高压小流量泵组 、低压大流 量泵组 、比例 溢流 阀、过滤 装置 、控制 系统 等组 成 ，用来提供不同的压力、流量和保证液压油的清 洁度 。 3 比例加载系统由比例溢流阀压力调节系统、 补液泵组、单向阀、加载液压缸等组成，用来给液压 缸提供可调的负载力。 4 同步定位系统由电磁换向阀、手动换向阀、 分流集流阀、液压锁、定位液压缸等组成。电磁换 向 阀实现远程控制，手动换向阀实现就地微调功能，分 流集流阀用于保证两只定位液压缸同步运动，液压锁 实现定点锁紧功能。通过上述元件对两只定位液压缸 进行运动控制，调节被测试缸与加载液压缸之间的距 离，实现不同行程规格的被测试缸的安装测试。 5 冷却系统由冷油机和 回油过滤器组成，冷 油机冷却功率大、安装方便 ，回油过滤器起到了循环 过滤的作用。 6 气控系统 由空气压缩机提供气源，通过气 源处理元件过滤处理 、控制阀控制来实现气动阀门的 通 断。 液压 系统原理 图如 图 1 所示 。 l 一油箱2 一空气滤清器卜 加热器4 、5 _ _ 吸油过滤器6 一液位计7 一温度传感器8 、1 0 、2 9 一电动机9 --4 l l 一大柱塞泵 l 2 一溢流阀 1 卜 比例溢流阀 l 4 _单 向阀 l 5 _ _ 压力传感器 1 6 _电液换 向阀 1 7 一单向节流阀 l 8 _ _ 气动阀门 l 流量计 2 O 一分流集流阀 2 1 一双向液压锁 2 2 、3 1 、3 卜 电磁换向阀 2 3 一手动换向阀 2 4 一定位液压缸 2 卜 被测试缸 2 6 一称重传感器 2 7 一加载液压缸 2 位移传感器 3 O 一叶片泵 3 2 一气动三联件 3 4 一冷油机 3 5 一回油过滤器 图 1 液压系统原理图 第 3期 陈东宁 等大缸径长行程液压缸试验台设计及工程实践 8 1 1 ． 2 关键元件计 算选型 根据系统要求 ，对主要液压元件计算选型。 1 液压缸 根据要求 ，最大的被测试缸缸径为 3 2 0 m m，最 长行 程 为 I 5 0 0 m m，最 大 的额 定压 力 P为 1 6 M P a 。 以下计算时忽略液压缸的机械效率。 被测试缸无杆腔输出的最大力 ， F p A1 6 兰 N1 ．2 91 0 N 4 式 中A为 3 2 0 m m被测试缸无杆腔 面积 ，m m 。 被测试缸有杆腔输出的最大力 F ． p a ． 1 6 』 N 4 0 ． 8 81 0 N 式 中 A 为 3 2 0 m m被测试缸有杆腔面积 ，m m 。 保证被测试缸在额定压力下测试，需要加载液压 缸至少输出上述计算的力，求得加载液压缸的缸径 D 和杆 径 d 。 √ m m 2 2 8 ．4 m m 式中 P 为加载比例阀调定压力 ，MP a 。 考虑安全因素，圆整后取大值担5 0 m m，同理可 得 ，杆径取标准 1 4 0 m m。所 以加载液压缸缸径为 2 5 0 m m、杆径为 1 4 0 m m。 两只定位液压缸是用来固定被测试缸的，所以这 两只液压缸至少也要保证承受上述的力，用同样的公式 计算得定位液压缸的缸径为 1 6 0 m l n ，杆径为 9 0 m l n 。 2 液压泵及 电机 液压泵根据被测试缸的测试速度及系统压力需求 进行计算选择。 该系统采用高低压泵组、高压小流量泵用来进行 被测试缸 的耐压 测试 以及缸 径 为 1 2 5 m m 的被测 试 缸的检测 ，低压大流量泵用来进行缸径为 1 2 5一 3 2 0 m m的被测试缸的耐久性等测试项 目。根据要 求，耐久疲劳测试 中 2 0 m m被测试缸的最大测试 速度为 5 0 m m ／ s ，需要 的流量 q为 q A 5 0 m m ／ s 2 4 1 ． 2 L ／ m i n 式中A为 4 , 3 2 0 m m被测试缸无杆腔面积 ，m m 。 高压小流量泵保证输出的流量 Q 至少为 q l A 2 5 0 ／ s 3 6 ． 8 L ／ m i n 式中 A 为 1 2 5 m m被测试缸无杆腔面积 ，m m 。 因此 ，高压泵选择排量为 3 2 m L ／ r 轴 向柱塞泵 ， 额定压力为 P 3 5 M P a ，四级电机驱动下可输出的 流量为 Q 4 8 l Mm i n 。考虑电机效率 ，驱动电机8功 率 P 为 P，P zQ 2 k W 3 0 ． 1 k W 6 0 n 6 00 ． 9 3 ‘ 式中叼为电机效率，取 0 ． 9 3 。 选择 Y 2 0 0 L - 4型电机，额定功率为 3 0 k W。 低压大流量泵保证输出的最大流量 Q 为 Q 3 Q一 1 9 3 ． 2 I Mm i n 低压泵选择排量为 1 3 0 m L ／ r 的柱塞泵，四级电 机驱动下 可输 出 的流量 q 为 1 9 5 L ／ ra i n 。驱 动 电机 1 0功率 P ， 为 P 鱼 k w 5 5 ．9 k W2 6 0 竹 一 6 00 ． 9 3 ” 一 ’ 综合考虑成本等 因素，选择 Y 2 5 0 M- 4型 电机， 额定功率为5 5 k W。 同理，加载液压缸的流量需求 q 为 Q A 5 0 mm3 ／ s1 4 7 L ／ mi n 式中A 为加载液压缸无杆腔面积 ，m m 。 。 补液泵 2 9用来给加载液压缸补液用的，选择变 量叶片泵 ，最大排量为 1 0 8 m L ／ r ，使用压力 P只需 1～ 3 MP a即可 ，所以电动机 2 8功率 P 为 P 一p q n 墨k W 8 ．5 6 k W 6 0 n 6 00 ． 9 3 ‘ 式 中q为 叶 片泵 排 量，m L ／ r ；n为 电 机 转 速 ， r ／rai n。 选择 Y 1 6 0 M- 4型电机 ，额定功率为 1 1 k W。 3 行程可调式试验台架设计与分析 3 ． 1 行程 可调 式 试验 台架设 计 液压缸试验台的试验台架是用来固定被测试缸、 加载液压缸以及定位液压缸的，该台架要保证能够安 装最大缸径为 q b 3 2 0 m m、最长行程为 1 5 0 0 m i l l 的被 测试缸，同时要保证强度。 目前，常用的试验台架主要有框架式、焊接箱体 式、桁架式。综合考虑，设计出一种新型的液压变行 程可微调定位锁紧式液压缸试验台架，不仅可以保证 强度 ，而且美观，拆装液压缸方便、可靠。该台架主 要包括以下几部分 如图 2所示 底架 5用来支撑 上部台架 ，前板 2用来固定加载液压缸 1 ，中间板 7 通过中间板过渡板 8用来安装、固定不同规格的被测 试缸及定位液压缸的活塞杆 ，后板 1 1 用来 固定定位 液压缸 9 ，4根光轴 3用来连接这三块板以及承载拉 压力，液压控制元件 1 21 5用于控制定位液压缸 9 ， 实现其行程可微调可定位锁紧功能 ，满足不同行程规 格被测试缸的安装测试需求。图 3为前法兰被测试缸 8 4 机床与液压 第4 2卷 5 结束语 设计 出可 以对最大缸径为 6 3 2 0 m m、最长行程为 1 5 0 0 m m、最大额定压力为 1 6 M P a的液压缸进行型 式试验的液压缸试验台，对其液压系统、试验台架进 行设计分析，该试验台具有以下特点 1 液压系统采用高低压泵组合，满足系统对 压力和流量的需求，减小了装机功率 ；利用加载液压 缸及比例加载系统，满足了被测试缸测试时对加载力 的要求，同时可以在被测试缸任意行程位置进行加 载，解决传统液压缸试验台只能在行程两端加载、进 行泄漏量测试的问题。 2 试验台架结构合理，支撑强度满足要求， 利用两只定位液压缸及其液压控制系统来调节、固定 台架上安装被测试缸的中间板，通过电磁换向阀可以 实现远程 自动控制、通过手动换向阀实现就地微调， 满足 了不 同缸径 、行程规 格的被测试缸测试对试验 台 架的要求。试验台架具有原创性 ，已申请国家发明专 利 申请号2 0 1 3 1 0 0 1 2 5 9 9 6 ． 0 。 总之 ，该试验台满足了大缸 径 、长行程液压缸 的 测试需求，解决了实际工程问题 ；所采用的机械、液 压系统设计及分析方法 ，为今后液压缸试验台的设计 提供了参考。 参考文献 【 1 】张立军， 刘克铭． 液压缸试验 台液压系统的初步设计 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 8 ， 3 6 1 2 1 1 01 1 2 ． 【 2 】 史俊青 ， 孙政， 王连洪， 等． 液压缸性能测试试验台的研 究[ J ] ． 工程机械， 2 0 0 6 2 4 1 4 4 ． 【 3 】 王新民， 方巧军， 王纪森． 一种液压缸耐久试验台的设计 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 2 ， 4 0 1 4 5 9 6 1 ． 【 4 】 吴成志， 赵艳平 ， 芮丰． 液压缸试验台液压系统的改进设 计[ J ] ． 流体传动与控制， 2 0 0 4 3 91 0 ． 【 5 】 姚成玉， 赵静一． 试验台液压站电气液压系统的设计与 实践[ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 0 ， 3 8 8 4 6 4 8 ． 【 6 】马俊功， 王世富， 王占林． 液压油缸试验台研制 [ J ] ． 机 床与液压 ， 2 0 0 7 ， 3 5 1 1 3 91 4 1 ． 【 7 】 彭熙伟． 液压缸综合性能试验台设计[ J ] ． 液压与气动， 2 0 1 1 1 1 9 3 9 4 ． 【 8 】吕 少力 ， 王保相． 一种创新的液压缸加载试验台的液压 系统设计[ J ] ． 液压与气动， 2 0 1 2 7 2 8 3 0 ． 【 9 】 全国液压气动标准化技术委员会． G B ／ T 1 5 6 2 2 - 2 0 0 5液 压缸试验方法[ s ] ． 北京 中国标准出版社， 2 0 0 5 ． 上接第 7 8页 通过反复的试凑和比较，确定出 P I D控制的3个 系数即比例系数、积分时间常数、微分时间常数分别 为 1 、0 ． O 1 、0 。在 恒 负载 、变负 载 情况 下 ，通 过 试 验得 到 的马达 角位移 曲线分别如 图 1 2 、图 1 3所示 ， 由图可知，不管是恒负载还是变负载，在系统采用 闭环 P I D控制后 ，马达实际角位移和目标角位移基 本一致 ，有很好 的跟 踪效果。与开环 控制系统相 比，采用闭环 P I D控制时的马达角位移跟踪效果明 显好很 多 。 7 0 6 0 5 0 鎏 2 0 廿 rl O 图 1 2 恒负载时马达 角位移曲线 时间 s 图 1 3 变负载时马达 角位移曲线 3结 论 对变转速泵控马达调速系统位置控制进行 了研 究，运用 L a b V I E W 搭建完成了位置控制测控系统， 在开环控制和闭环 P I D控制情况下 ，分别进行 了加 速、匀速、减速时马达实际角位移对 目标角位移的跟 踪情况 的试验 。试验结果表 明，采用闭环 P I D控制的 系统 ，马达实际角位移对目标角位移有很好的跟踪效 果 。 参考文献 【 1 】 黄方平， 林躜， 徐兵． 变频闭式液压动力单元在液压提升 机械中的应用[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 7 4 1 1 11 1 3 ． 【 2 】 彭天好， 杨华勇， 徐兵． 变频泵控马达调速系统节能实验 研究[ J ] ． 煤炭学报， 2 0 0 4 1 1 0 91 1 4 ． 【 3 】 彭天好， 乐南更． 变转速泵控马达系统转速降落补偿试 验研究[ J ] ． 机械工程学报， 2 o 1 2 2 1 7 51 8 1 ． 【 4 】 徐兵 ， 杨华勇． 变频驱动液压电梯控制系统综述[ J ] ． 中 国机械工程， 2 0 0 1 9 1 0 8 21 0 8 6 【 5 】 徐兵． 采用蓄能器的液压 电梯变频节能控制系统研究 [ D ] ． 杭州 浙江大学， 2 0 0 1 ． 【 6 】A N O N ． F r e q u e n c y c o n t r o l l e d H y d r a u l i c D ri v e [ J ] ． E l e v a t o r Wo rl d ， 1 9 9 8 ， 4 6 2 9 4 9 7 ． 【 7 】A c h i m H e l b i g ． I n j e c t i o n M o u l d i n g M a c h i n e w i t h E l e c t r i c ． h y d r o s t a t i c D r i v e s[ C] ／ ／ 3 t h I n t e rna t i o n a l F l u i d P o w e r Co n f e r e n c e ． Aa c h e n， Ge r ma n y， 2 0 0 2 【 8 】 P e t e r D a h m a n n ． C l o s e d L o o p S p e e d a n d P o s i t i o n C o n t ro l o f a Hy d r a u l i c Ma i n p u l a t o r i n B ri c k W o r k s w i t h a F r e q u e n c y C o n t r o l l e d I n t e r n a l Ge a r P u mp i n Mo t o r ／ P u mp Op e r a t i o n [ C] ／ ／ 3 t h I n t e r n a t i o n a l F l u i d P o w e r C o nfe r e n c e ． A a c h e n ， Ge rm a n y， 2 0 0 2