一种液压缸耐久试验台的设计.pdf

2 0 1 2年 7月 第 4 0卷 第 1 4期 机床与液压 MAC HI NE TOOL HYDRAULI CS J u 1 ． 2 01 2 Vo 1 ． 4 0 No ．1 4 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 1 4 ． 0 2 2 一 种液压缸耐久试验 台的设计 王新 民，方巧 军 ，王纪森 西北工业大学 自动化学院，陕西西安 7 1 0 0 7 2 摘要介绍了一种利用高温油槽和隔离式增压器，采用液压加载的液压缸耐久试验台的液压系统基本原理及其结构设 计。该 试验台具有节约能源、使用安全的特点，在液压缸耐久试验中取得 良好的效果。 关键词液压试验台；液压缸 ；温度控制 中图分类号T H1 3 7 文献标识码B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 1 4 0 5 9 3 De s i g n o f a Hy dr a ul i c Te s t i n g Be n c h f o r Hy d r a ul i c Cy l i nd e r En du r a nc e Te s t WA N G X i n m i n ，F A N G Q i a o j a n ，WA N G J i s e n S c h o o l o f A u t o m a t i o n ，N o h w e s t e m P o l y t e c h n i c a l U n i v e r s i t y 。X i ’ a n S h a a n x i 7 1 0 0 7 2 ．C h i n a Abs t r ac t De s i g n o f a h y d r a u l i c s y s t e m ba s i c pr i nc i p l e a n d s t r uc t u r e f o r h y dr a ul i c t e s t i n g be nc h u s e d f o r h y d r a u l i c c y l i nd e r e n d u r a n c e t e s t wa s i n t r o d u c e d，wh i c h u s e d h i g h t e mp e r a t u r e t a n k a n d i s o l a t e d t u r b o e h a r g e r ， a n d u t i l i z e d h y d r a u l i c l o a d i n g ． T h e h y d r a u l i e t e s t i n g b e n c h h a s t h e a d v a n t a g e o f e n e r g y c o n s e r v a t i o n a n d s Me t y i n u s e ， a n d g o o d e f f e c t s i n t e s t s a r e a c h i e v e d b y i t ． Ke y wo r d s Hy d r a u l i c t e s t i n g b e n c h； Hy d r a u l i c c y l i n d e r ；T e mp e r a t u r e c o n t r o l 在现代飞机液压缸 的设计 与制 造中 ，一个重要 的 试验 就是要按液压缸制造试验技术条件 ，对液压缸进 行耐久试 验。液压缸耐久试验对液压油温度有一定 的 要求 ，一般在 1 0 0℃ 以上 ，在此条件下 ，在液压缸轴 向施加 给定 的载荷 ，循环工作一定 的次数 ，然后按技 术条件检查液 压缸作 动筒的有关性能 。为能更好地模 拟试验的工况，提高试验质量和水平，设计了一套利 用高温 油槽 和隔离式增压器来满足试验温度要求 的系 统 ，同时采用液压加 载 ，能满足液压缸耐久试验 的技 术要求 ，该方法 既经 济又适 用。 1 液压作动筒耐久试验台的工作原理与组成 该试验台最高试验温度为 1 3 5℃，额定工作压力 2 l ～ 2 8 M P a ，具有双泵源液压系统，能为产品和负载 提供动力 ，并且主泵流量不小 于4 0 L ／ m i n ，同时加 载 系统能进行恒载和伺服加载，保证完成产品的2 0 0 0 次应急放试验 ，具备 自动 、手动换 向、计数 、时 间继 电器调节等功能 。 图 1右边为加载装置部分 的液压原理 图 ，该部分 为被试作动筒提供载荷。图示加载装置能为试件提供 恒值 载荷 ，该 载荷 可 以是 逆载 加 载力 方 向与 试件 运动 方向相反 ，也可 以是顺 载 加载力 方 向与试件 运动方 向相 同 。 加 载装 置部 分油 源为 单 向变量 液 压泵 3 3 ，溢 流 阀 3 1 作为 安 全 阀 ，用 于控 制 系统 的 最高 工 作压 力 ， 压力 可调式溢流 阀 3 2用于设 定 系统工 作压力 ；蓄能 器 3 6用于吸收振动冲击 ，蓄能器 4 8 、4 9用于顺压 时 补油 ；过滤器 3 7用 于供油 的过 滤 ；加载 缸 的运 动 由 二位三通 电磁换 向阀4 0 、4 1 控制 ；溢 流阀 4 4 、4 5和 可调溢流 阀 4 6 、4 7用 于调控 负荷 的背压压 力 ；单 向 阀 3 8 、3 9用于进油 。 图 1 左边 为试件 试验 部分 的液 压原 理 图。油 源 为单向变量液压泵 1 0和单向定量液压泵 3 ，单向变 量液压泵 1 0为 隔离增压器 供油 ，单 向定 量液 压泵 3 为高压测 试部 分 管 路 补 油 ；溢 流 阀 1 、8连 接 液 压 泵 的 出 口作为 安 全 阀 ，可 调 式 溢 流 阀 2 、9调 定 工 作 压力 ；蓄能器 6 、1 4用 于 吸收 振 动 冲击 ；过 滤器 7 、1 3用于进油路的过滤 ；作动筒 的运动由三位四 通 电磁换 向阀 1 5控制 ；增压 阀 1 6 、1 7起 到增 压 隔 离的作用 ，将高温油液和低温油液隔离开；将 4个 单 向阀 5 4 、5 5 、5 6 、5 7和过滤 器 5 8并 上单 向阀 5 9 形成桥路连接，不论作动筒进油还是出油都要经过 过 滤器 5 8 ，以实 现油液过 滤 ；同时并联 的可 调单 向 阀 5 9用 于 防治 工 作 中油 滤堵 塞 ，起 保 护作 用 ，一 般设 定压 力为 0 ． 5 M P a ；当油 槽 的 温度 升 高 时 ，油 槽 内管路油液 由于膨胀 产 生 的压力 通 过两个 安 全 阀 1 8 、1 9泄 压 ；两 个 桥 路部 分 和 溢 流 阀 1 8 、l 9都 在 油槽外 ，盘管 7 1 、7 2在 油 槽 内 ，通 过 油 槽 来 控 制 油液的温度 ，以达到试验的要求 ，油槽内管路盘旋 增长 以增加换 热面积 ，提 高油槽 内导 热油 与油液 的 换热 速率 ⋯。 收稿 日期 2 0 1 1 0 51 8 作者简介王新民 1 9 5 8 一 ，男，博士生，副教授，主要研究方向为 自动化检测装置。联系人方巧军，Em a i l f a n g q i a o j u n y a h o o ． c o i n ． c n 。 6 O 机床与液压 第4 0卷 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．垄 照⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ ■ ● - ● ● ● - ● I ● ● - ●● ● ● ● ● ● ● ● ● - ● ● ●● - ● - ‘ ● ● ● ● ● ● ●● ● ● - ● ● ● - ● - ● 。- - ● - ● - - ● ● ● ● - -- ● ● ● - ● ● - ● -● - - - - ● - ● ● ● - ●● ● ● - - ● ● ● ● ● - - ●● ● - - ● ● ● ● ● ● ● -● ● ● ● - ● ● ● ● ● ● -● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● 1 、8 、3 0 、3 1 、4 6 、4 卜 溢 流 阀2 、9 、1 8 、1 9 、3 2 、4 4 、4 5 一可 调式 溢流 阀3 、2 6 一 单 向定量 液 压泵4 、1 1 、2 7 、3 4 一 电机5 、1 2 、2 0 、2 1 、3 5 、3 8 、3 9 、5 4 、s 5 、5 6 、5 7 、5 9 、6 0 、6 l 、6 2 、6 3 、6 5 一 单 向阀6 、1 4 、3 6 、4 8 、4 9 一 蓄 能器 7 、l 3 、2 4 、2 5 、2 8 、3 7 、5 8 、6 4 一 过滤 器1 0 、3 3 一单 向变 量液 压 泵l s 一 三 位 四通 电磁 换 向阀l 6 、I 7 一增 压器 2 2 、2 3 一截止 阀 2 9 _ _ 冷却器 4 O 、4 l 一二位三通电磁换向阀4 2 、4 3 一节流阀5 0 、5 1 一行程开关5 2 、6 6 、7 O 一 温度传感器 5 3 、6 7 一压力表6 8 一滤清器6 9 一液位传感器7 l 、7 2 一盘管7 3 、7 4 一玻璃管液位计 图 1 耐久试验台液压系统原理图 2热功率及元件相关计算 2 ． 1 油槽加热功率估算 被试产品工作介质的温度需满足一定的要求，最 高温度达到 1 3 5℃ ，而试验环境温度较低 ，暴露在空 气中的被试产品和管道散热功率大，需要通过油槽加 热。 将作动筒等效为一个横放的热管，并且假设作动 筒表面温度等于油液温度。热量以与空气 自然对流和 辐射 的方式从表面散发 出去 。 1 对流 自然对流换热功率计算式 P 对a A t 1 一 t 2 a A A t 式 中 为对流换热 系数 ； A为作动筒 的散热面积 ； 为油液 与环境 的温差 ； t 。 为作动筒 的油 温 ； t 为环境 温度 。 而对流换热系数仅与反映流体 自然对流状况的 G r 准数以及 P r 准数有关 ，其准数关系式为 C A G r P r O t _一 Ⅱ 式 中P r 为普 兰德数 ，表 示速 度边 界层 和热 边界 层 相对厚度 的一个参数 ，反 映与传 热有关 的流体 物性 ， 根 据定性温度 T t t ／ 2查表可得 ； A为流体 的导热系数 ； d为特征尺寸 ，圆管为外径 ； 为格拉斯 霍 夫数 ，表 示 由温 度差 引起 的浮 力与黏性力之比，且 G r F fl A ， t d 3 一 ，其中，重力加速度 1 g 9 ． 8 1 N ／ k g ，热膨 胀 系数 JB 1 1 ／ K ，运 动 黏度 t ， 可 由定性温度查表得到 。 C 、r t 可 由实验测得 ，根据表 1 求取 。 表 1 C 、n参数 表 2 辐 射 辐射散热功率按史蒂芬 一波尔兹曼经验修正公式 计算 P 辐 r 式 中 8为材料的黑度 ，不锈钢 的黑度 为 0 ． 7 ； A为散热面积 i n ； o r 为黑体辐射常数，它是个自然常数 ，其值为 5 ． 6 71 0 W m～． K 为物体的绝对温度 ℃ 。 第 1 4期 王新民 等 一种液压缸耐久试验台的设计 6 1 2 ． 2电机 所需输入 电功率 k W 量 Q L V m i n 的关系为 差计算方法计算得 加 k g ／ c m 、流 式中7 ／ 取 8 0 ％，6 1 2为单位转换系数。 2 ． 3 导管 管路参数计算 ，在机械设计 手册 中对 于管路相关 参数的计算做 出了一般性的推荐值 ，压力油路 2 ． 5 m ／ s ≤ ≤6 m ／ s ，吸油 油路 0 ． 5 m ／ s ≤ ≤2 m ／ s ，回油 油路 1 ． 5 m ／ s ≤ ≤3 m ／ s ，短管道及局部收缩处管路5 m ／ s ≤ ≤1 0 m ／ s ，泄油管路 ≤1 m ／ s ，一般取 1 m ／ s 以下 ，压力高或者管道较短时取大值，压力低或者管 道较长时取小值，油液黏度大时取小值 ] 。 管 子内 径 d ≥ 4 ． 6 1 ／ 旦 ’ V 管子壁厚 ≥ p 2 ． 4冷 却 器 供油和加载部分由于液压泵的发热、液压阀的发 热、管路压力损失发热等其他发热，使得油液温度升 高，需加一个 冷却 系统，这里 采用板式 水冷换 热 器 。 由传热方程式 P冷 KFAt 式 中K 为 整 个 传 热 面 上 的 平 均 传 热 系 数 W／ m ℃ ； F为传热面积 m ； △ ￡ 为两种流体之 间的平均温差 o C 。 流体边界层的平均温度计算 采用对数平均温 式中 t 为被冷却液体流进板式换热器温度 ； 为冷却液体流出板式换热器温度； t 为被冷却液体流出板式换热器温度； ￡ 为冷却液体流进板式换热器温度 。 3液压缸耐久试验台的特点说明 该耐久试验 台具有 以下特点 1 节约能源。作动筒耐久试验对试件的环境 温度不做要求，对试件的介质温度有要求。通过两个 隔离式增压器把进出试件的油液隔离在温度箱，油槽 为保证介质温度所需 的热量仅是试件和增压器散发掉 的热量 。 2 使用安全。由于使用 了增压器，驱动试件 的液压油源可工 作压 力约 为 1 6 MP a ，国产高压 液压 元 件在这个压力下工作是安全的 ，同时费用 也较低 。 另外 ，直接驱动试件动作的高温、高压管路装置 安装在油槽 内，即使泄油也不会喷到工作人员。当 然 ，具体设计 时 ，也考 虑给试件 和增 压器等 高温高压 装 置加装安全罩。 参考文献 【 1 】 李玉林． 液压元件与系统设计[ M ] ． 北京 北京航空航天 大学 出版社 ， 1 9 9 1 ． 【 2 】 赵镇南． 传热学[ M] ． 北京 高等教育出版社， 2 0 0 3 ． 【 3 】 雷天觉． 液压工程手册[ M] ． 机械工业出版社 ， 1 9 9 0 ． 【 4 】 史美中， 王中铮． 热交换器原理与设计[ M] ． 南京 东南 大学 出版社 ， 2 0 0 5 ． 上接 第 5 8页 利用电液比例溢流阀进行远程调压 、无级调压，调压 结果除通过压力表 5直接看出外，还可通过观察分析 液压 马达输 出转矩和转速 的变化来理解 ，所 以为便 于 从执行元 件液压马达 的旋转情况来观察分析 压力 的变 化 ，同样也需 要选择低速液压马达 。 2 ． 3确 定 液压 马达 型 号 根据 以上 确定的液压马达工作压力 、实 际输入液 压马达的最大流量以及液压马达的类型，查机械设计 手册 ，从 相 应 产 品样 本 中选 择 出该 液 压 马 达 为 B Y M 一 8 0的摆线齿轮马达 ，其排量为 8 O m L ／ r ，转速 为 1 0～ 4 0 0 r ／ m i n ，最大 工作压 力为 1 2 MP a ，最 大转 矩为 1 0 5 N m。以上参数均符合设计要求 。 3结论 根据 Q C S 0 1 4 A液压教学实验台已有的条件进行 液压马达 的选型设计 。不 同于通常 的从负载分析入手 的选 型设计方法 ，需要通过确定 系统原理 图、根据 已 知元件的主要参数计算所需液压马达的主要设计参 数 、分析液压马达 的类型等具体步骤来确定所需液压 马达 的型号 。实践证明 以上液压马达的选 型设计 方 法既简便易行 ，又能满足设计要求 ，可广泛适用于 已 知液压系统动力元件 、控制元件 ，需要确定执行元 件 液压马达 的场合 。 参考文献 【 1 】 陕西秦川机械发展股份有限公司． Q C S 0 1 4 A装拆式液 压教学实验台使用说明书[ M] ， 2 0 0 6 ． 【 2 】雷天觉． 新编液压工程手册 上册 [ M] ． 北京 北京理 工大学 出版社 ， 1 9 9 8 ． 【 3 】姜继海， 宋锦春， 高常识． 液压与气压传动[ M] ． 北京 高 等教育出版社， 2 0 0 2 ． 【 4 】徐灏． 机械设计手册． 第五卷 流体传动与控制[ M] ． 2 版． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 3 ．