全液压钻机油路板试验台设计及应用.pdf

第 43 卷 第 3 期 煤田地质与勘探 Vol. 43 No.3 2015 年 6 月 COAL GEOLOGY hydraulic test bench; design; application 液压油路板又名液压阀块，其作用是将各种液 压阀件集成连接， 并通过板内打孔使各阀的流道依据 设计原理实现正确导通，便于查找、维修和调试[1]。 全液压钻机设计制造中，传统的油路集成方式具有 成本低、设计灵活等特点，但也存在内部泄漏量大、 可靠性不高等问题[2]。液压技术和机械加工制造水 平的提高为螺纹插装式油路板应用于煤矿井下坑道 钻机设计成为可能，中煤科工集团西安研究院有限 公司在 ZDY4000LR、ZDY6500LF 型煤矿坑道钻机 设计中将各控制与联动回路集成于一个插装式油路 板上，减少了系统管路连接，简化了安装维护，性能 明显优于传统液压系统[3-4]。但是，这一设计更为复 杂， 在装配前要经过反复校验， 测试所需压力和流量 特性， 因此有必要研制油路板测试试验台， 用以保证 全液压钻机的关键零部件加工制造的可靠性。 1 试验台主要结构及技术参数 油路板测试试验台借助外部液压系统辅助和计 算机控制处理功能，将压力和流量损失数据通过传感 器采集并传送到工控机，通过处理分析所采集数据， 获得被试阀块的性能数据，并显示和储存其数据[5]。 1.1 数据采集和控制系统 数据采集和控制系统用于试验的驱动和加载控 制、被测阀块的自动和手动测试及数据采集、显示、 存储和生成测试报告，工作原理见图 1。工控机通 过以下方式对数据进行采集传感器将采集的信号 经信号调理模块处理后送给数据采集卡进行运算处 理，工控机通过通信端口获取数据，其控制指令通 过串口通信卡发送给各控制器，由各控制器完成对 相应执行器的控制。工控机选用研华 TPC-1750H， 数据采集卡选用研华 4711-A。硬件由电器柜、测控 柜、温度传感器、压力传感器、液位传感器和报警 开关组成。软件采用 Labview 作为开发平台，并使 用模块化编程思想，其通用性强、易于维护，可以 提供友好的人机界面，具有数据的实时处理功能， 试验报告可以自动生成。 第 3 期 范伟等 全液压钻机油路板试验台设计及应用 111 图 1 数据采集和控制系统基本原理图 Fig.1 Basic principle diagram of data acquisition and control system 1.2 液压系统主要技术参数 采用 Solidworks 设计系统泵站及试验台，建模 装配见图 2。根据企业标准 Q/MKYX 16212-2011 对 额定工况的要求， 确定试验台主要技术参数， 见表 1。 图 2 试验台建模装配图 Fig.2 Assembly drawing of test bench modeling 表 1 试验台液压系统性能参数表 Table1 Perance parameters of hydraulic system test bench 序号 参数名称 指标 1 系统排量/mLr–1 78 2 系统流量/Lmin–1 109 3 系统压力/MPa 31.5 4 电机主功率/kW 55 5 控制油排量/mLr–1 8 6 控制油流量/Lmin–1 12 7 液位计位移量程/mm 100 8 液位传感器非线性误差/ 1 9 泄漏量测量误差/ 2 2 试验台的主要功能及原理 2.1 主要功能及液压原理 试验台可以实现以下几个方面的测试a. 阀块 密封性能测试；b. 单向阀正通导通测试；c. 单向阀 保压性能测试；d. 溢流阀性能测试；e. 减压阀性能 测试。试验台液压系统可分为操作台、台架和泵站 三部分，图 3 为液压原理图。液压系统采用带溢流 阀的手动变量泵作为动力源， 向 5 个分区同时供油。 由于采用了分区控制，5 个分区除了分布位置不同， 其控制方式和工作原理完全相同。 比例溢流阀 16 调 节系统压力，压力传感器 18 检测系统压力，三位四 通电液换向阀 31 用来完成工作状态的切换， 可实现 供油、回油和停止状态。溢流阀 15 用来实现系统过 载保护，单向阀反向测泄时会出现瞬时过载，此时 溢流阀 15 立即开启形成短路，进、回油路自循环， 使过载油路得到缓冲。 二位二通电磁球阀 40 用来实 现自动测泄漏切换。 液位传感器 42 用于测量单向阀 的泄漏量。 2.2 泄漏量测试原理及精度 考虑合格单向阀泄漏量很小≤5 滴/min， 使用普 通流量计难以准确计量，采用容积式测量方法，即 Q V t D D 1 式中 ΔV 为测量时间 Δt 内，量筒内泄漏油液容积 的变化量。 油液泄漏容积 ΔV 测量首先采用电容液位传 感器测量 Δh，然后计算 ΔV ΔVΔhAΔhπD2–d2/4 2 式中 Δh 为液位变化量；A 为液面横截面积；D 为量 筒直径 300.050 mm； d 为传感器直径 200.050 mm。 所选择电容液位传感器最大量程为 100 mm， 精 度1FS；输出电流 420 mA；容积测量精度为 1.6 FS；时间间隔 Δt 通过计算机计时测量，由 于其精度远高于容积精度，误差可以忽略。 3 液压试验台应用效果验证 由于国内矿用坑道液压钻机生产企业尚无类似 功能试验台对比测试数据，因此测量系统的可靠性 通过以下 3 个方案分别验证a. 研究回转油路板泄 112 煤田地质与勘探 第 43 卷 1空气滤清器；2液位计；3温度传感器；4液位继电器；5干烧式加热器；6放油球阀；7蝶阀；8避震喉；9变量泵；10联轴 器；11电机；12减震器；13高压胶管；14单向阀；15溢流阀；16比例溢流阀；17比例插头；18压力传感器；19二次仪表； 20测压接头；21测压软管；22耐震压力表；23高压过滤器；24比例减压阀；25比例放大器；26支架；27二次仪表；28风冷却 器；29单向阀；30回油过滤器；31电液换向阀；32液控单向阀；33测压软管；34耐震压力表；35高压截止阀；36高压胶管；37快换 接头；38高压胶管；39快换接头；40电磁球阀；41球阀；42液位传感器；43流量积算仪；44单向阀；45球阀；45球阀；46胶 管；47齿轮泵；48联轴器；49电机；50减震器；51胶管；52单向阀；53高压过滤器；54电磁换向阀；55低压胶管；56液位继 电器；57空气滤清器；58齿轮泵；59联轴器；60电机；61减震器；62低压过滤器；63单向阀；64高压球阀；65吸油过滤器 图 3 试验台液压原理图 Fig.3 Hydraulic principle diagram of test bench 第 3 期 范伟等 全液压钻机油路板试验台设计及应用 113 漏量的测量数据与马达转速值的对应关系，反向验 证泄漏量测试的准确性；b. 分析“单向阀压差 泄漏量数值”变化规律与液压原理的符合性；c. 利 用试验台的手动测试功能，对比二次仪表读数。 3.1 单向阀压差、反向泄漏量和对应转速的测量 a. 根据 ZDY1200S 型钻机出厂检测记录， 选取 10 台高速档转速低于标准值的回转油路板，5 组转 速值正常的油路板，在相同条件下测试油路板上 3 个集成单向阀的正向导通压差和反向泄漏；b. 利用 国家安全生产西安勘探设备检验检测中心所建 15 000 Nm 试验台， 将上述 15 块油路板分别装配于 同一台 ZDY1200S 型钻机测试高速档转速，目的是 保证测量结果差异仅来自被测回转油路板。试验结 果见表 2。 油路板测试试验条件系统压力 25 MPa；工作 压力 25 MPa；油温 502℃。 马达转速测试试验条件系统压力 21 MPa；油 温 352℃。 表 2 回转油路板关键参数与马达转速测试表 Table2 Test table of rotary circuit boards key parameters and motor speed 正/反转单向阀 卡盘单向阀 液控单向阀 组别 压差 /MPa 反向泄漏 /mLmin–1 压差 /MPa 反向泄漏 /mLmin–1 压差 /MPa 反向泄漏 /mLmin–1 泄漏合计 /mLmin–1 转速 /rmin–1 1 0.79 1.88 0.5 0.59 1.16 4.24 6.71 262 2 0.48 0.31 3.38 5.42 4.74 6.64 12.37 221 3 3.33 5.21 0.8 3.58 0.78 2.73 11.52 231 4 1.28 3.44 0.72 1.53 0.8 3.58 8.55 254 5 2.23 3.67 0.5 1.11 1.16 3.79 8.57 249 6 0.87 2.71 0.82 4.04 0.82 3.66 10.41 237 7 2.87 3.89 0.47 0.00 0.39 1.42 5.31 269 8 0.78 1.55 0.38 0.00 0.41 2.30 3.85 285 9 1.00 3.16 2.72 5.16 1.17 5.48 13.80 210 10 0.64 0.77 0.36 0.00 3.58 5.54 6.31 254 11 0.74 0.66 0.31 0.00 0.38 1.33 1.99 297 12 0.77 1.04 0.76 1.90 0.4 2.07 5.01 273 13 0.44 0.00 0.65 1.25 0.74 2.34 3.59 281 14 0.49 0.42 0.3 0.00 0.74 2.47 2.89 285 15 0.79 1.56 0.5 0.00 1.16 0.00 1.56 311 3.2 判别依据及数据分析 液压系统中任何液压元件的泄漏都会造成流量 损失[6]。就 ZDY 系列钻机回转油路板而言，主要包 括以下因素当钻机正向回转时，反转油路单向阀 应处于关闭状态，如果此时反转油路单向阀出现泄 漏现象，会导致液压油从此处流回油箱，使得流经 马达的流量减少，导致正向转速不足；同理，当钻 机处于反转状态时，正转油路单向阀如果出现泄漏 会导致反向转速不足。另外，当阀心与阀套的配合 尺寸超差或阀心与阀套的配合面上有铁屑或杂物 时，阀心会出现无法复位现象。此时，回转油路的 部分压力油从此处流回油箱，使得流经马达的流量 减少，导致转速不足。由于内泄漏的存在，真正用 于驱动马达的流量小于实际流量，因此马达的实际 转速为 n L QQ V -D 3 式中 QL 为液压马达理论输入流量； ΔQ 为液压系 统泄漏量；V 为马达排量。 可以看出，在 QL、V 一定的情况下，马达转速 n 值与系统泄漏 ΔQ 值成负相关性， 即 ΔQ 值越小， n 值越高；反之越低[7-8]。需要说明的是表 2 所测 得 ΔQ 值虽然不是系统泄漏，但由于回转油路板之 外的其他因素都限定为一致，负相关性的变化趋势 不会改变。 此外，根据公式 ΔP 0 V KV D 4 式中 ΔP 为压差；ΔV 为液压油泄漏量；K 为体积 压缩系数；V0 为液压油初始体积。在 K、V0值一定 的前提下，试验台所测得单向阀压差 ΔP 值应该与 泄漏量 ΔV 值呈正相关性[9] ΔV 值越大， ΔP 值越高； 反之越低。 根据表 2 提供的测试数据分别绘制“n-ΔV”关系 114 煤田地质与勘探 第 43 卷 图图 4和“ΔP-ΔV”关系图图 5。 试验台测得的各项 参数间的变化规律与式3和式4相吻合，说明压力 和流量特性测试效果是可靠的。 图 4 n-ΔV 关系图 Fig.4 Scatter diagram of “n-ΔV” 图 5 ΔP-ΔV 关系图 Fig.5 Scatter diagram of “ΔP-ΔV 3.3 自动测试和手动测试对比 试验台提供了手动测试功能，可以验证二次仪 表自动测试值的准确性。考虑液控单向阀的反向泄 漏量较大，人工读数的测量更为便利。从表 2 中选 取 5 组回转油路板分别手动测试。打开手动测泄开 关，将量杯置于试验台液控单向阀对应的 A4 口阀 门下，通过人工读取连续 5 min 内的量杯液面变化， 计算单位时间泄漏量，测量结果见表 3。通过与自 动测试值对比得出5 组测试值误差均在2以内， 满足系统性能要求。 4 结 论 运用传感器采集技术和计算机处理技术， 设计 试验台的动力装置、加载装置、数据采集和控制系 统。该试验台具有以下特点a. 操作简单，可以 表 3 两种测试方法结果对比 Table3 Comparison results of the two test s 被测油路板编号 测试方法 1 2 3 4 5 自动测试值/mLmin–1 2.30 5.48 6.64 3.663.79 手动测试值/mLmin–1 2.25 5.40 6.55 3.593.75 通过系统各传感器自动检测，也可利用手动测试， 对自动测试结果进行验证；b. 自动化程度高，选 择自动检测时只需一键选择， 系统将自动按照检测 步骤检测油路板；c. 检测过程清晰可控，无论自 动检测或是手动检测， 检测过程中的每一步都能在 测控柜上显示出来；d. 测试数据可以即时保存， 便于实现质量信息化管理。 通过测试螺纹插装式回转油路板的流量和压力 特性，测量与其匹配的 ZDY1200S 型全液压钻机的 转速，结果表明油路板试验台的测量数据真实可 靠，可以作为评估油路板加工质量，优化油路板的 设计方案的依据。 参考文献 [1] 周玉海，陈伟俊. 油路板设计的一般原则[J]. 机床与液压， 201310112–114. 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