（机械电子工程专业论文）液压缸综合性能检测技术的理论研究与系统开发.pdf

液压缸综合性能检测技术的理论研究与系统开发 摘要 根据液压缸的相关试验标准，本文在分析与研究液压缸综合性能检测技术 的基础上，对检测系统的软、硬件进行设计，研制出了能够自动完成液压缸型 式试验和出厂试验的检测系统。 检测系统由液压系统、加载台架和电气控制系统三部分组成。液压部分采 用电液比例技术进行了原理设计，实现了压力和流量的远程控制；加载台架设 计为卧式并联结构，能够模拟液压缸的实际工况进行试验；电气控制部分采用 工控机为控制器，设计了基于p c i 总线的接口电路，并采用c + + b u i l d e r 开发 工具和虚拟仪器技术开发了控制软件。 在检测系统整体研制的基础上，重点对电液比例技术进行了研究，建立了 电液比例阀数学模型。使用m a t l a b s i m u l i n k 和a m e s i m 建立电液系统仿真模 型，进行了联合仿真，得出系统的动、静态特性，从仿真结果可以看出，该系 统的试验方法和控制策略是可行的。 最后，以某型号液压缸作为试验对象，进行了型式试验和出厂试验，重点 列出四种典型试验的检测结果，试验数据表明：检测系统达到了预期且标，能 够自动完成试验，具有检测准确、可靠性强等特点。此外，本检测系统可适用 于多种行程和缸径的液压缸，为液压缸的质量检测以及研究提供了必要的检测 与试验设备。并为类似结构的检测系统开发提供了一个可行的技术参考，形成 了一套完整而实用的研制方法。 关键词：液压缸；检测系统；电液比例；建模仿真；数据采集处理 s t u d y o nt e s tt e c h n i q u e sa n dd e v e l o p m e n to f t h es y n t h e t i cp e r f o r m a n c et e s ts y s t e mf o rh y d r a u l i cc y l i n d e r a b s t r a c t i no r d e rt od e v e l o pas y s t e mt ot e s tt h eh y d r a u l i cc y l i n d e re f f e c t i v e l y , t h i s p a p e rs t u d i e so nt e s tt e c h n i q u e so ft h es y n t h e t i cp e r f o r m a n c et e s ts y s t e m ，a n dt h e n d e s i g n st h es t r u c t u r eo ft h es y s t e m t h et e s ts y s t e md e v e l o p e dc a na u t o m a t i c a l l y a c h i e v ep r o t o t y p et e s ta n dd e l i v e r yt e s t t h et e s ts y s t e mc o n s i s t so ft h eh y d r a u l i cs y s t e m ，e l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e ma n d l o a d i n gb e n c h f i r s t l y ，t h ep r i n c i p l ed e s i g no fh y d r a u l i cs y s t e mf o rh y d r a u l i c c y l i n d e rt e s ts y s t e mi sc a r r i e do u tu s i n ge l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lc o n t r o l t e c h n i q u e t h eh y d r a u l i cs y s t e mc a nc o n t r o lt h ep r e s s u r ea n df l o wa u t o m a t i c a l l y s e c o n d l y ，t h em e c h a n i c a ls t r u c t u r eo fl y i n ga n dp a r a l l e lc o n n e c t i o ni sd e s i g n e df o r t h el o a d i n gb e n c h ，w h i c hc a ns i m u l a t et h ea c t u a lw o r k i n gc o n d i t i o no fh y d r a u l i c c y l i n d e r s l a s t l y ，e l e c t r i cc o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e db a s e do nt h ei p ca n dd a t a a c q u i r e dc a r d ，a n dac o n t r o l s o f t w a r ei s d e v e l o p e du s i n gb c ba n dv i r t u a l i n s t r u me n t st e c h n o l o g y t h i sp a p e rf o c u s e so nt h er e s e a r c ho ft h ee l e c t r o - h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a l t e c h n o l o g y m a t h e m a t i cm o d e l so fe l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lv a l v e sa r eb u i l t ， t h e nt h es i m u l a t i o nm o d e lo fh y d r a u l i cs y s t e mi se s t a b l i s h e dw i t hm a t l a b s i m u l i n k a n da m e s i m ，s i m u l a t i o n sa r ec a r r i e do u tb yt h eu n i o ns i m u l a t i o n ，t h er e s u l t ss h o w t h et e s tm e t h o da n dc o n t r o ls t r a t e g yo ft h et e s ts y s t e ma r ef e a s i b l e p r o t o t y p et e s ta n dd e l i v e r yt e s ta r et e s to nt h es y s t e ma st oc e r t a i nh y d r a u l i c c y l i n d e r e x p e r i m e n td a t ao f4t y p i c a lt e s t si n d i c a t et h a tt h et e s ts y s t e mh a sm a n y c h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sh i g ha c c u r a c y , h i g ha u t o m a t i o nd e g r e ea n dh i g hc r e d i b i l i t y t h ed e v e l o p m e n to ft h et e s t s y s t e m ，n o to n l yp r o v i d e sr e l i a b l ep l a t f o r mf o r h y d r a u l i cc y l i n d e rt e s ta n dr e s e a r c h ，a l s ol a y st e c h n i c a lf o u n d a t i o nf o rt h es y s t e m o fs i m i l a rs t r u c t u r e ，a n df o r m sas e to fr a t h e ri n t e g r a t e dd e s i g nm e t h o d s k e y w o r d s ：h y d r a u l i cc y l i n d e r ；t e s ts y s t e m ；e l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a l ； m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o n ；d a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n g 插图清单 图2 1 检测系统组成结构框图5 图2 2 试运行液压基本回路6 图2 3 启动压力特性试验液压基本回路6 图2 4 耐压试验液压基本回路7 图2 5 外泄漏试验液压基本回路7 图2 6 内泄漏试验液压基本回路8 图2 7 负载效率试验液压基本回路8 图2 8 液压系统总原理图9 图2 9 液压泵站示意图1 0 图2 1 0 液压集成块油路图1 2 图2 1 1 液压集成块阀体图1 2 图2 1 2 液压集成块装配图1 3 图2 1 3 液压集成块实物图1 3 图2 1 4 被试液压缸结构图1 4 图2 1 5 被试液压缸实物图1 4 图2 1 6 检测系统加载台架示意图1 5 图2 17 检测系统加载台架实物图1 5 图3 1 电液比例阀的组成1 7 图3 2 比例电磁铁特性图1 7 图3 3 开环电液比例控制系统组成1 8 图3 4 闭环电液比例控制系统组成1 8 图3 5 电液比例控制系统示意图1 8 图3 - 6d b e ( m ) 型先导式比例溢流阀1 9 图3 7 比例溢流阀先导级简化结构图1 9 图3 8 比例溢流阀先导级传递函数框图2 1 图3 9 溢流阀主阀简化结构图2 2 图3 1 0 比例溢流阀主阀传递函数框图2 3 图3 11 先导式比例溢流阀的传递函数框图2 3 图3 1 2 比例溢流阀压力电流特性曲线。2 3 图3 1 32 f r e 型电液比例调速阀2 4 图3 1 4 电液比例调速阀结构原理图2 4 图3 1 5 比例调速阀传递函数框图2 6 图3 1 6 比例调速阀工作特性曲线2 7 图3 1 7 电液比例系统压力回路a m e s i m 模型2 8 图3 1 8 电液比例系统压力控制m a t l a b s i m u l i n k 模型2 9 图3 1 9 电液比例系统流量回路a m e s i m 模型2 9 图3 2 0 电液比例系统流量控制m a t l a b s i m u l i n k 模型2 9 图3 2 1 耐压试验仿真压力曲线图3 0 图3 2 2 负载效率试验仿真曲线图3 0 图3 2 3 启动压力特性试验仿真曲线图3 1 图3 2 4 速度特性仿真曲线一3 1 图4 1 控制系统硬件组成结构框图3 5 图4 2 硬件结构接口电路连接图3 5 图4 3 系统电源配电图3 6 图4 4 单相电配电图3 6 图4 5 控制系统软件结构框图3 7 图4 6 控制软件总流程图3 8 图4 7 数据采集卡软件实现方式结构图4 0 图4 8 液压缸复位至起点子程序流程图4 0 图4 9 试运行子程序流程图一4 0 图4 1 0 启动压力特性试验子程序流程图。4 1 图4 1 1 耐压试验子程序流程图4 1 图4 1 2 试验模式操作界面4 2 图4 。1 3 试验数据显示界面4 2 图4 1 4 虚拟指示灯4 3 图4 1 5 控制软件数据库结构图4 3 图4 1 6b c b 中的a d o 组件4 3 图4 1 7 基于a d o 数据库连接技术的应用程序结构简图4 4 图4 1 8 试验参数设置界面4 4 图4 1 9 试验数据管理界面4 5 图5 1 调试模式界面4 6 图5 2 启动压力特性试验曲线4 7 图5 3 耐压试验压力曲线4 8 图5 4 负载效率试验曲线4 8 i v 表格清单 表2 1 液压缸试验项目及要求4 表2 2 检测系统技术设计参数9 表2 3 比例阀和直动式溢流阀型号1 1 表2 4 液压系统元件型号1 1 表3 1 比例阀、伺服阀和开关阀的性能对比1 7 表4 1 控制系统信号通道数量需求表3 2 表4 2p c i 2 3 0 6 数据采集卡主要性能参数3 2 表4 3 检测系统的允许误差3 3 表4 4 合肥中亚p t 2 11 型3 0 m p a 和1m p a 压力变送器参数3 3 表4 5 合肥中亚h s 型力传感器参数3 3 表4 6 电磁换向阀电磁铁性能参数3 4 表4 7 比例阀放大器性能参数3 4 v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 金起王些太堂 或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己 在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字： 查粕 签字日期：加夕年年月占日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金日巴王些盍堂 有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借 阅。本人授权 佥罂王些态堂 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 7 刷磁孙脚 签字日期：五刁年4 月，6 日 电话： 邮编： 耔 、父 日 垂彩 ： 4 名 f 戤产 凇哆 作 、 文 期 论 日 位 字 学 签 致谢 本论文是在导师曾亿山副教授的精心指导、热情关怀和鼓励下完成的。导 师在论文的选题、课题的研究方法以及论文的撰写等课题研究全过程，都给予 我精心的指导和孜孜不倦的教诲。在攻读硕士学位期间，曾老师不但在学习上 给予了精心的指导，在生活上也给予无私的帮助，曾老师平易近人、坦诚热情 的态度深深地感化了我，这一切将使我受益终生，值此硕士论文完成之际，谨 向我的导师曾老师致以最诚挚的感谢。 本课题的完成还离不开夏永胜副教授的教导和大力协助，夏老师凭借他丰 富的理论知识和实践经验给我提供了很多指导，使我学到了更多知识，在此向 他表示真诚地感谢。课题研究期间，安徽东风机电科技有限公司的教授级高工 田发林总工程师、翁兆权经理、蔡华根所长以及周强工程师也给予了许多诚挚 的指导，同时提供了许多相关的资料，对课题的进展有很大的帮助。在这里向 他们表示衷心的感谢! 在近三年的研究生学习与生活期间，还得到了师弟吕善超、方梁菲和王志 敏的鼓励和帮助，在此深表谢意! 也感谢我的同学王建、王曦、王国峰、王长 润、夏海、陈希、孙存哲、任玉峰、河源、施豪亮、袁翔等大力帮助，以及所 有关心我和鼓励我的朋友。 在研究生学习即将结束之际，特别感谢我的父母和女友王军，他们的支持 和鼓励，是我在学业上获得进步的源泉，才使我能够顺利完成学业。 作者：李文新 2 0 0 9 年3 月 第一章绪论 1 。1 课题背景 液压传动与控制系统是当今世界上最常用的一种机电液一体化控制系统。 近年来，这种控制系统日益广泛应用于冶金机械、轻工机械、大型科学实验装 备及航空航天、舰船、军工等部门。随着技术的发展，其中的电液控制技术发 展迅速，它是利用液压油作为传递动力或信号的工作介质，配合液压控制系统 的主要传动元件，与机械、电气、电子( 包含p l c 控制器，微控制器或微电脑) 等部分或全部综合构成的控制回路，使液压元件按生产工艺要求的工作状况， 自动按设定的顺序或条件动作的一种自动化技术。随着计算机技术的发展，电 液控制机构与之相结合，更具有控制灵活、操作方便、显示清晰并能进行数据 处理和实现大系统控制的功能。随着生产水平的发展，机械装备自动化程度的 日益提高，在工作性能的要求力求完善的情况下，集机电液于一体的电液控制 机构将更普遍的应用于各个领域之中【i 】 3 1 。 液压传动技术与机械技术、电子技术越来越紧密的结合，推动液压传动与 控制系统向模块化、集成化、系统化方向发展【4 】，加强电液控制技术的研究， 特别是对电液比例伺服技术的深入研究，并在检测系统的推广应用，对提高测 试精度、自动化程度和检测效率，以及增强系统可靠性方面具有重大的意义p j 。 本课题来源于合肥工业大学机械与汽车工程学院液压气动研究所为某液 压缸生产企业开发的液压缸综合性能检测系统的研发项目，液压缸作为液压系 统的执行元件之一，其性能的优劣不但直接决定了液压系统的可靠性，而且影 响着设备的正常运行和维护，因此需要通过检测系统检验其性能是否达到技术 要求。 在质量管理过程中，为了保证和提高液压缸质量，除了要做好“预防工作 外，还要做好“把关工作”，对生产过程中的各个阶段进行“验收控制 ，就是 为了保证产品符合技术标准和使用要求，不让不合格品入库、出厂或流入下道 工序，而对液压缸半成品或成品进行检验，并且根据检验的结果，对液压缸质 量进行评价，同时作出接收或拒收的判断 6 】。 1 2 液压缸检测系统发展状态 从检索的论文【7 h l l 】综述和对现有的一些液压缸检测系统考察上看，采用电 液比例伺服液压技术、计算机控制技术、虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ) 技术 等先进技术的液压缸检测系统极为少见；由计算机自动控制，根据试验项目要 求自动控制压力、流量，计算机分析与处理试验数据，并能自动完成全部国家 标准【1 2 】与行业标准【1 3 】规定的试验项目的检测系统未见。从目前我国的液压缸检 测设备情况来看，大部分设备都是采用了传统的液压传动方式，这些检测系统 存在的问题有： ( 1 ) 依靠试验人员进行人工读数、测距、手动调整加载、手工计算和绘 图等，试验的工作量非常大，并且由于人工读数的随机性很大，测试精度很低， 更无法实现自动检测； ( 2 ) 不能全部完成国家标准1 2 】与行业标准【1 3 1 规定的10 项试验的检测，一 般不能进行的项目有启动压力特性试验、内泄漏试验和负载效率试验，这三个 试验数据是液压缸性能指标的重要体现； ( 3 ) 试验中液压缸在启动和换向时压力冲击很大，对检测设备和液压缸 造成了很大的损坏； ( 4 ) 传统的检测设备非计算机控制，无法实时反馈和显示负载力、油压、 油温和油箱液位等，不能形成闭环控制系统； ( 5 ) 采用传统的液压阀件所开发出来的液压系统都比较复杂，不但给检 测人员操作带来了不便，也容易造成系统不稳定。 综上所述，以往的液压缸检测设备较简陋，完全通过手工操作方式检测， 试验标准掌握不准，试验方法上缺乏一致性，操作人员劳动强度大，导致测试 数据不真实，效率低，测试效果差，达不到通过试验检测最终控制和提高产品 质量的目的。 1 3 课题的目的和意义 该液压缸生产企业原使用的液压缸检测设备由一台小流量的齿轮泵站和 一台由压力机改造而成的加载台架构成，只能够进行液压缸行程检测试验、耐 压试验和外泄漏试验等，因此入库液压缸的质量得不到很好的保证。 为了解决以上问题，保证产品的质量，传统的液压测试方式已远远不能满 足现代生产的要求。随着计算机技术和电液比例伺服技术的发展及其应用范围 的不断扩大，由计算机辅助电液系统组成的检测系统逐步取代了传统的液压检 测系统，从而实现检测的自动化，提高检测精度，减轻劳动强度。并且虚拟仪 器技术在液压检测系统中的应用也日益广泛【1 4 】【15 1 。本文的设计目标是研制出能 够全面、准确和自动完成液压缸检测的系统，以保证液压缸出厂质量，提高良 品率。 采用了电液比例伺服技术、计算机控制技术、高精度传感器技术、虚拟仪 器技术等先进技术的液压缸检测系统，具有明显的技术优势。与传统的液测试 系统相比，具有以下的意义： ( 1 ) 先进的电液比例伺服技术，使测试系统精度得到了很大的提高，并 且能够实现无级、远程调压调速( 流量) ，便于计算机的控制； ( 2 ) 采用了计算机控制技术，进一步提高了液压测试准确度与可信度。 计算机强大的运算处理功能，对试验数据能够进行复杂的处理。自动采集试验 2 数据，科学地评价试验结果，避免了人为读数误差。另外，计算机采样、存储 数据速度快，运算速度高，大大缩短了测试时间，减轻了试验人员的劳动强度， 有效地提高了检测过程的自动化程度和效率： ( 3 ) 强大的软件功能优化了检测系统硬件系统的构成，增强了检测系统 的柔性、通用性和适应性。采用虚拟仪器技术取代了昂贵的测量仪器( o n 记忆示 波器、x y 记录仪、信号发生仪等) ，在硬件不变的情况下，只需通过改变软件， 便可使系统检测不同的对象和实现不同的性能； ( 4 ) 便于与通讯技术、数字控制技术和各种优化算法相结合，实现数字 化、远程测控。使检测系统具有一定的“智能化”。 采用基于计算机控制的液压检测系统能够克服传统液压检测系统的诸多 不足，也使得检测系统可以在手动和自动两种模式下动作。在自动状态下，通 过生动直观的人机界面，用户只需点击鼠标，即可按照各项试验要求自动进行 检测，自动记录各项测试数据并判定被试液压缸是否合格。 1 4 本论文主要研究内容 本课题的研究工作是通过对液压缸检测技术的研究，围绕电液比例技术在 检测系统上的应用，并对检测系统整机进行了设计，包括对液压系统、电气控 制系统和加载台架的设计和研制，本课题主要内容和拟解决的问题如下： ( 1 ) 分析国内外液压缸试验检测系统的发展状况和关键技术，得出目前 存在的主要问题，加以研究并给予解决； ( 2 ) 对比国内外液压缸试验方法，结合现代先进技术，综合考虑各种因 素，确定液压缸试验方法，主要对启动压力特性检验、内泄漏的测量、负载效 率试验等的项目试验方法进行创新； ( 3 ) 根据确定的试验方法，对液压系统、电气控制系统和加载台架的总 体方案进行设计； ( 4 ) 对电液比例系统进行特性分析。建立电液比例控制系统核心元件一 比例阀的数学模型，确定其传递函数。并使用仿真软件进行电液比例系统仿真 分析。 ( 5 ) 根据电液比例系统总体方案，建立阀控缸系统的传动模式，确定控 制器的控制方式，在c + + b u i l d e r 程序开发工具下设计检测系统的控制软件； ( 6 ) 对实际的实验结果进行分析，并与仿真曲线进行对比。 3 第二章检测系统原理分析及其液压系统设计 本章首先对检测系统进行了原理分析，并提出了功能要求。重点介绍液压 系统，在设计了液压基本回路的基础上，完成了液压总体回路的设计，并进行 了参数计算及选型。最后，简要介绍了检测系统加载台架的设计。 2 1 检测系统原理分析及功能要求 液压缸试验的项目一般包括启动压力特性试验、泄漏量试验、耐压耐久性 以及外形尺寸检验等，下面首先对检测系统进行试验的原理进行简要分析，然 后提出检测系统的功能要求。 2 1 1 原理分析 综合了国家标准【1 2 】、行业标准【1 3 1 规定和厂商要求，液压缸型式试验和出厂 试验的检测项目以及要求如表2 1 所示。 表2 1 液压缸试验项目及要求 序号试验项目 试验方法 要求 l 试运行在无负载工况下，全行程往复运行5 次变形和渗漏符合要求 启动压力在无负载工况下，使液压系统逐步升启动压力值合格，且启动 2 特性压，测量其启动时的压力值时间不超过0 5 s 从液压缸无杆腔端施加1 5 倍额定压不得有外泄漏及永久性 3 耐压 力，保压2 分钟 变形现象 液压缸在额定负载工况下，全行程往复结合面及活塞杆处泄漏 4 外泄漏 运行2 0 次以上量不超标 在额定压力下，使液压缸的活塞固定，内泄漏量不得超过规定 5 内泄漏 保压3 0 秒，测量其泄漏量 值 6 行程检验测量液压缸的全行程长度符合设计要求 7 限位效果在额定压力下，活塞杆以最大速度伸出快速启动，声音无大噪声 8 负载效率在额定压力下，检测液压缸负载效率大于9 0 9 耐久性在额定压力下，全行程运行5 万次以上不得有异常现象 1 0 缓冲试验 活塞杆以最大速度缩回 效果符合要求 在传统液压系统中，一般使用压力阀、节流阀( 或调速阀) 和换向阀等液 压元件，实现液压系统的压力、流量和方向控制，另外借助压力表、流量计和 测力计等测量仪器，进行压力、流量( 速度) 和力等物理量的测量，经过手工 处理，即可得到试验数据，检测过程都是全手工完成的。但对于要求响应速度 较快、检测精度较高、数据处理繁杂和动作较复杂的检测，这种传统的检测方 法就很难完成【l6 | 。 随着计算机技术的发展，计算机应用技术已经渗透到液压控制系统中，使 4 得液压技术朝着集成化和智能化方向发展。把计算机技术与液压控制技术结合 在起，产生了一个新的应用分支，即计算机电液控制技术。这种控制技术具 有控制精度高、可靠性高、结构紧凑和功能多等特点，因而在液压工程领域得 到了广泛的应用。 由于基于计算机的机电液控制技术近十几年来发展非常迅速，所组成的液 压控制系统越来越成熟，已经被广泛应用到工业各领域中。液压缸检测系统作 为一个典型的机电液设备。结合了计算机的机电液控制技术，使用先进的传感 器测量仪器进行检测，已经成为检测系统发展的方向【l ，j 。 本课题所研制的液压缸检测系统可以分成三个部分：比例液压系统、电气 控制系统和液压缸加载台架。检测系统综合采用了计算机控制、电液比例控制、 电力电子、传感器和机械工程等技术，组成了多个反馈量的闭环控制系统，如 图2 1 所示为检测系统组成结构图。 比例液 压系统 歪 液压缸 加载台架誉隔i i i 壅i 兰l 制| | i 一 蚓圣r ! 忻赢甲剁d 仉ui ； l 一一一 图2 1 检测系统组成结构框图 检测 人员 2 1 2 功能要求 液压缸检测系统主要目的是检测液压缸的性能特性，保证出厂液压缸的质 量，提高检测的效率和水平，同时也为开发新产品提供试验数据依据。具体功 能要求如下： ( 1 ) 能够进行液压缸的型式试验和出厂试验，满足动、静态特性要求； ( 2 ) 采用工控机集中控制方式，具有手动和自动两种操作方式； ( 3 ) 具有实时显示试验数据与特性曲线功能； ( 4 ) 具有油温、电机过热报警装置和液压油自动开启冷却设备； ( 5 ) 通过设置试验参数，可以进行多种类型液压缸检测； ( 6 ) 可以对历史试验数据进行浏览，具有报表生成并打印功能。 2 - 2 液压基本回路设计 本检测系统需要全部完成表2 1 列出的十个试验项目。下面重点分析几个 较复杂动作的试验项目的液压系统基本回路。 2 2 1 试运行试验 根据表2 1 的试验要求。考虑到本检测系统的试验产品有双作用液压缸与 单作用液压缸，单作用液压缸的活塞杆不能自行缩回，需要借助外部负载使活 塞回缩。因此，该回路必须设计加载液压缸对被试缸进行加载，以使被试液压 缸活塞杆能够缩回至起点。试运行液压基本回路如图2 2 所示。 图2 2 试运行液压基本回路 2 2 2 启动压力特性试验 启动压力特性的试验要求为：液压缸在无负载工况下，使液压系统逐步升 压，测量被试缸启动时的压力值。本课题使用电液比例调速阀间接使被试缸无 杆腔压力逐渐增高，试验表明，该方法比使用电液比例压力直接增高被试缸无 杆腔压力的方法，具有控制更简单、更有效、更实用等优点，更重要的是能够 很准确地测量出被试缸的启动压力，具有一定的新颖性。 工作原理是根据比例调速阀具有流量不随出口压力而变化的特点【l 引。首先 设定比例调速阀信号，小流量液压油进入液压缸无杆腔，无杆腔随着液压油的 增多，无杆腔压力逐渐增大，当增高至能够克服被试缸活塞摩擦力等阻力而推 动活塞杆伸出，活塞杆伸出并接触至接近开关时，即停止该项试验。这个过程 中，压力传感器记录下无杆腔压力变化的全过程，在这个过程中压力最高值即 为被试缸的启动压力。启动压力特性试验液压基本回路如图2 3 所示。 图2 3 启动压力特性试验液压基本回路 2 2 3 耐压试验 耐压试验从被试缸无杆腔端加1 5 倍额定压力，保压2 分钟。由于被检验 的液压缸类型较多，额定压力不同，为了能够实现工控机的自动控制，本系统 6 使用了电液比例溢流阀，工控机根据被试缸类型远程调节加载压力，对被试缸 自动加载规定的压力，在加载缸回油路上加装单向阀实现对被试缸的加载。耐 压试验检验液压回路如图2 4 所示。 图2 - 4 耐压试验液压基本回路 2 2 4 外泄漏试验 泄漏是影响液压缸工作性能最重要的因素，泄漏量检测一般分为内泄漏试 验和外泄漏试验，首先介绍外泄漏检测方法，外泄漏试验的液压系统动作较简 单，液压缸在额定负载工况下，全行程往复运行2 0 次以上。与试运行试验相比， 区别在于后者在额定负载工况下进行。因此，只需使用加载液压缸对被试缸进 行规定压力的加载，加载缸的压力加载由比例溢流阀2 提供，使用工控机远程 自动控制。外泄漏试验液压系统回路如图2 5 所示。 比 阔2 图2 - 5 外泄漏试验液压基本回路 本液压回路有两个比例溢流阀，其中比例溢流阀1 控制泵口压力，直接为 被试缸提供压力；比例溢流阀2 控制加载缸无杆腔的压力，通过折算即可对应 至被试缸的额定负载力。压力传感器1 和压力传感器2 分别检测被试缸和加载 缸的无杆腔压力1 1 9 1 。 2 2 5 内泄漏试验 内泄漏试验是检测被试缸活塞与内缸体间的泄漏量，其方法为：在额定压 力下，保压一定时间，测量液压缸内从高压腔经活塞流入低压腔的泄漏量。 7 内泄漏量的检测方法一般有两种，第一种是直接测量，对被试缸无杆腔施 加额定压力，加载缸锁紧，使被试缸实现保压，使用量杯测量出油口流出的油 量。经试验分析，该方法所测得的内泄漏量包含了加载缸的泄漏量，误差较大， 检测效果不理想。第二种是间接法测量，锁紧被试缸无杆腔油路，使用加载缸 对被试缸加载，此时被试缸无杆腔压力增大，该腔内液压油从活塞和内缸体间 泄漏至有杆腔，被试缸活塞则向无杆腔端移动微小位移，通过测量该位移量即 可计算出泄漏量。本课题采用了第二种方法，经实践证明，该方法所测得泄漏 量准确且可行。内泄漏试验液压基本回路如图2 - 6 所示。 图2 - 6 内泄漏试验液压基本回路 2 2 6 负载效率试验 负载效率是衡量液压缸综合性能最重要的参数，反映了液压缸的质量水平。 本课题设计的检测液压回路如图2 7 所示，其工作原理为：工控机远程控制比 例溢流阀进行压力加载，被试缸在规定压力下运行，在运动过程中，使用压力 传感器实时记录被试缸无杆腔压力p ，力传感器实时记录负载力f ，预先设定 被试缸径，工控机系统即可计算出无杆腔面积么，在程序中定义负载效率公式 f 为叩= 二x 1 0 0 ，由此可实时计算出负载效率。 图2 7 负载效率试验液压基本回路 2 3 液压系统总体设计 2 3 1 主要参数计算 1 技术设计参数要求如表2 2 所示。 表2 - 2 检测系统技术设计参数 技术类型参数 液压油过滤精度 不低于2 5 a n 仪表测量精度等级不低丁：b 级 介质工作温度1 5 4 5 与5 0 士4 最大公称压力 1 6 m p a 最大缸径 1 8 0 m m 最大行程 1 5 0 0 m m 最大速度 5 0 m m s 7 0 m m s 2 参数计算【2 0 h 2 2 】 ( 1 ) 液压系统元件设计压力 最大被试缸的公称压力为1 6 m p a ，则系统的最高压力为1 6 1 5 = 2 4 m p a ， 考虑到过载，各个液压元件设计压力为2 4 1 2 5 = 3 0 m p a ； ( 2 ) 液压系统最大流量 最大缸径为1 8 0 r a m 的液压缸，按其最大运动速度计算，则最大流量为 q = 6 0 x l o “扔2 v 4 8 0 1 0 0 ( l m i n ) 式中q 一流量，l r a i n ； d 一被试缸径，m m ； y 一被试缸活塞杆运动的速度，m m s 。 2 3 2 总回路设计 s 1 油温传感器$ 2 - 液位继电器s f 一力传感器sp 1 s p 3 压力传感器l ，一l 3 压力表 p l - 电机p 2 一油泵p 3 - 糟，粗过滤器p 一一冷却器c 1 被试缸c 2 加载缸x l 、x 2 单向阀 d 1 - 二位二通电磁换向阀d 2 三位四通电磁换向阀d ，三位四通电磁换向阀 j 截止阀y 1 、y 2 比例溢流阀b 比例调速牌y 4 - 直动式溢流阀 图2 8 液压系统总原理图 9 根据2 2 节分析设计的基本回路，综合考虑可得检测系统的总体液压系统 原理图，如图2 8 所示。 图2 - 9 所示为液压泵站的结构示意图，图中液压油路和液压阀部分采用了 集成块设计，液压阀安装在集成块的四个垂直表面，并采用了插装阀设计，增 大了液压系统流量；三个压力传感器安装在集成块上表面。油泵电机组采用了 上置立式的方式安装，油泵沉入油箱中有利于减少噪声。冷却器、过滤器和清 洗盖如图所示布置。 1 油箱2 清洗盖3 过滤器4 油泵电机组 5 阀集成块6 压力传感器7 压力表8 冷却器 图2 - 9 液压泵站示意图 2 3 ，3 主要元件的选择 从2 3 1 小节可知，液压系统的最高工作压力p = 2 4 m p a ，各个液压元件设 计压力p = 3 0 m p a ；液压系统最大流量q = 8 0 1 0 0 l m i n ，根据这些参数，下面 进行液压系统主要元件的选择【2 3 1 。 1 液压泵【2 4 】 液压系统压力、流量都较大，可选用柱塞式液压泵；综合考虑各种因素， 选用6 3 y c y l 4 1 b 型斜盘式轴向柱塞泵。该柱塞泵公称压力p = 3 2 m p a ，公称 排量为6 3 m l r ，额定转速为甩= 1 5 0 0 r m i n 。柱塞泵正常工作时，在额定转速下 运行，该泵的流量为 q = 6 3 m l r 1 5 0 0 r m i n = 9 4 5 l m i n 8 0 l r a i n 根据以上计算，选用的6 3 y c y l 4 1b 型斜盘式轴向柱塞泵满足液压系统的 要求。 2 驱动电机 液压泵驱动电机功率公式为 p = p q ( 6 0 r ) 式中尸一驱动电机功率，k w ； p 一液压泵压力，m p a ； ，7 一液压泵总效率，斜盘式轴向柱塞泵总效率叩8 l 。 l o 根据公式可知，流量与压力乘积最大时，计算出的功率即为电机最高工作 功率，试验项目“限位效果试验”中【1 2 】的流量与压力乘积最大，此时的液压系 统压力p = 1 6 m p a ，流量q = 8 0 1 0 0 l m i n 。考虑到液压系统的压力损失和流量 损失，取p = 1 7 m p a ，q = 1 0 0 l m i n ，7 = 8 1 代入上式计算，得 p ：丝：! z 兰! q q 3 4 9 8 k w 6 0 r 6 0 0 8 1 选择y 2 2 5 s 一4 型电机，该电机主要性能参数为：功率p = 3 7 k w ，转速刀= 1 5 0 0 r m i n 。完成符合液压系统要求。 3 比例阀与普通溢流阀 所选用的阀类元件的额定压力和额定流量要大于系统的最高工作压力和通 过阀的最大流量，但不得超过阀的额定流量的2 0 ，否则会引起压力损失过大 【25 1 。选用的比例阀和普通溢流阀如表2 3 所示 2 6 1 。 表2 3 比例阀和直动式溢流阀型号 编号名称型号数量 备注 y 1 ，y 2 比例溢流阀 d b e l o 3 0 b23 1 5 m p a y 3 比例调速阀 2 f r e l 0 4 0 b 1 3 1 5 m p a y 4 直动式溢流阀 d b d s l 0 p 1 0 3 1 51 至1 2 0 l m i n 4 液压系统其它液压元件 根据工作的中位滑阀机能、最大压力和流量，以及供电环境等因素选择电 磁换向阀。同理选用液压系统辅件2 7 】【2 8 1 ，所选用的其他液压系统元件如表2 - 4 。 表2 4 液压系统元件型号 编号名称型号数量备注 d 1 二位二通电磁换向阀 4 w e 6 d 5 0 g 2 4 n z 5 l1 d 2 三位四通电磁换向阀4 w e 10 e 3 0 g 2 4 n z 5 ll d 3 三位四通电磁换向阀 4 w e10 j 3 0 g 2 4 n z 5 l1 x 1 ，x 2单向阀 r v p l 6 0 12 至1 0 0 l m i n l 1 l 3 压力表 y n 1 0 0i i i30 4 0 m p a s 1 液位计 y w z 1 5 0 t1 p 4 冷却器 g l c 3 1 01 p 3 高压滤油器 z u d h 1 6 0 x f s 2 2 3 4 油路集成块的设计 当前液压元件的配置形式已逐渐向集成化的方向发展，用集成块连接元件 是使用最为广泛的种集成化连接方式。在比较大型和复杂的液压系统中，由 于功能的要求，需要多种阀类，如果采用连接板和油管将液压阀按液压原理图 连接起来，则整体结构显得复杂、凌乱；容易产生泄漏，且体积大，不便于安 装，同时也不利于技术保密。而采用集成块的方式则能使结构紧凑，不易泄漏， 便于技术保密【2 9 1 。 集成块一般分为专用集成块和通用集成块，通用集成块具有固定的结构形 式、外形尺寸、流道布置等。一般应用在中小功率液压系统中，如机床液压系 统等， 本课题研究的液压系统专用性很强不具有通用性，需要根据所设计液压 系统要求单独设计。 图2 1 0 液压集成块油路图 设计集成块之前，首先需要进行集成块液压油路图( 如图2 1 0 ) 的设计。 以分配各个阀件的位置和油路的走向。首先把液压集成块分成4 层，第一层为 系统压力调节层，放置了先导式比例溢流阁和单甸蔺；第二层为被试缸控制层， 该层放置了一个三位四通电磁换向阀、一个二位四通电磁换向阀、一个比例调 速阀和一个保护被试缸的直动式溢流阀，此外设置了a 油r n