国内液压测试技术的现状与发展趋势.pdf

液 压 气 动 与 密 ． d ／ 20 1 5年 第 0 1 期 d o i l 0 ．3 9 6 9 ． is s n ． 1 0 0 8 - 0 8 1 3 ．2 0 1 5 ． 0 1 ．0 0 5 国内液压测试技术的现状与发展趋势 白清鹏 中航力源液压股份有限公司 ， 贵州 贵阳5 5 0 0 1 8 摘要 液压测试技术是验证液压产品性能指标的关键技术。该文阐述了国内液压测试技术取得的一些成果及经验 ， 以及对液压产 品研制及生产的作用。并介绍了今后发展的技术方向。 关键词 液压测试技术 ； 模拟载荷； 动态性能； 环境因素； 发展趋势 中图分类号 T H1 3 7 ； T 一 1 9 文献标识码 A 文章 编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 5 0 1 0 0 2 0 0 4 The Cur r e n t S i t u a t i o n a n d De v e l o p me n t Tr e nd o f Do me s t i c Hyd r a u l i c T e s t i n g T e c h n o l o g y B A I Q i n g - p e n g A V I C L i y u a n Hy d r a u l i c C o ． ， L t d ． ， Gu i y a n g 5 5 0 0 1 8 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e h y d r a u l i c t e s t i n g t e c h n o l o g y a r e k e y t e c h n o l o g y t o v a l i d a t e t h e p e r f o r m a n c e o f h y d r a u l i c p r o d u c t s ． T h i s the s i s e x p l a i n s s o me o f th e a c h i e v e me n t s a n d e x p e ri e n c e g a i n e d f r o m d o me s t i c h y dra u l i c t e s t i n g t e c h n o l o g y a n d th e i r r o l e o n the d e v e l o p me n t a n d p r o d u c t i o n o f h y dr a u l i c p r o d u c t s ． Al s o ， i t i n t r o d u c e s th e t e c h ni c a l d i r e c t i o n o f f u t u r e d e v e l o p m e n t ． Ke y wo r d s h y d r a u l i c t e s t i n g t e c h n o l o g y； s i mu l a t e d l o a d i n g ； d y n a mi c p e r f o rm an c e ； e n v i r o n me n t a l f a c t o r s ； d e v e l o p me n t t r e n d ． O 概述 液压测试技术作为液压元件及液压系统研制和生 产 的关键技术 ， 是验证产 品性能指标 ， 可靠性 ， 寿命 等 的重要手段 。长期以来 ， 由于 国内液压产品的 自主知 识产权不多 ， 测试设备的投入较大等 因素 ， 液压测试技 术未得到深人 的利用和有效 的重视。液压测试设备在 军工行业相对投人较多 ， 在 民品领域 ， 尤其是主机单位 仅仅只是做一些必要 的验证 ， 甚至很多均只是进行 随 主机考核试验。 进入 2 1 世纪以来 ， 随着中国经济的快速增长 ， 国家 发展军工行业 ， 发展 民用高端装备制造业的决 心和能 力逐步增强。尤其是 2 0 0 8 年金融危机以来 ， 民用主机 厂家及液压专业厂家因转型升级的需要 ， 自主研发的 动力极大提升 。在此背景下 ， 液压技术作为军民用 高 端装备制造业 的关键技术 ， 得到 了比较大的推动。液 压测试技术也 因此呈现出较大的发展变化 。 收稿 日期 2 0 1 4 1 2 0 3 作者简介 白清鹏 1 9 7 3 一 ， 男 ， 贵州独山人 ， 高级工程师， 硕士 ， 主要从 事液压测控技术及设备的研究开发工作。 1 液压测试技术现状 液压测试技术经过最近十年的发展 ， 从传统 的以 稳态测试为主 ， 仅满足一些必要的工作应力 和环境应 力模拟 ， 逐渐过渡到关注动态性能 ， 微观特性 以及系统 匹配性能等测试 技术 。液压测试设备从 手动操作 ， 二 次仪表显示逐步过渡到以计算机为测控中心 ， 兼具数 据处理 、 分析 的复杂 系统技术 。其主要技术特点 主要 有以下几个方面。 1 ． 1测试设备智能化 主要指的是根据通信技术 ， 网络技术 ， 智能控制技 术 ， 信息处理技术等汇集而成的针对液压测试设备及 技术的应用。测试设备智能化的重点及方向主要有下 述五个方面。 1 执行器件电控化 为 了实现计算机i 贝 0 控 ， 液压测试设备 的各类控制 阀等执行元器件必需实现电控操作 。尤其是液压调节 单元和液压加载单元需要应用 比例伺服技术或数字控 制技术 。比例伺 服技术应用较多 ， 响应较快 。数字控 制技术主要应用在一些高压场合 5 O M P a 以上 的溢流 [ 4 ] 机械工程手册编委会． 机械工程手册补充本 二 [ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 1 9 8 8 ． [ 5 ] 饶鸿才， 陶曾鲁， 蔡建勇． 4 m 抓斗挖泥机用可调式液力变矩 器【 J J ．起重运输机械 ， 1 9 9 3 ， 4 ． [ 6 】 陶曾鲁， 徐成云， 饶鸿才． 大能容高宽效可调变矩器设计试验 研究[ J 1 ． 工程机械， 1 9 9 4 ， 1 o ． [ 7 】 朱经 昌． 液力变矩器的设计与计算[ M】 ． 北京 国防工业出版 社， 1 9 9 1 ， 1 0 ． [ 8 】 北方交通大学． 内燃机车液力传动【 M] ． 上海 上海铁道出版 社， 1 9 8 0 ， 8 ． Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 0 1 ． 2 0 1 5 阀、 节流阀， 重复精度较高。 2 自诊断技术 随着测试设备的技术越来越复杂 ， 价值越来越高， 保护设备和被试产品的安全越来越重要。设备异常报 警功能可 以保护测试设备的正常运行 。故障诊断功能 可以帮助一般的技术维护人员也可以及 时排除设备故 障。同时 ， 产品健康预警技术对被测试产品在测试中 的故障先兆可以及时发现识别 ， 报警并停机， 避免被试 产品彻底损坏 ， 对分析产品的故障症候尤为关键。自 诊断技术应该在某些关键点采取冗余设计的方法。 3 测试工艺 自动化 测试工艺员 可 以根据产品的试验流程 ， 事先设置 试验工艺路线及合格判据。由测试设备根据事先设置 的程序进行试验 ， 减少人员 的工作量 ， 避免人为测试误 差的影响。应用于批生产试验及寿命试验可以较大提 高测试效率及测试质量 。 4 产品装夹 自动化 液压产 品与测试设 备的连接较复杂 。比如 ， 液压 泵的连接， 既要对接传动轴， 又要连接不同的油管。装 拆复杂 ， 费人工， 效率低。滴落的油液也不环保。使用 自动装夹的目的主要是减少人员的工作量， 提高效率 ， 并达到在装拆产品过程 中油液尽量不溢出。 产品 自动装夹 系统 主要 由自动传送系统 ， 自动对 中系统， 自动夹紧系统 ， 自动连接管路系统 ， 自动注排 油 系统等组成 。 目前欧美 国家液压测试设备仅具备部 分 自动装夹功能， 如 自动夹紧， 自动注排油 ， 管路连接 使用快换接头等。 日本盛和工业 S E I WA 的技术较完 备 ， 成熟。但待试产品要人工预先装在专用工装上 ， 才 能进行 自动装 夹 。实际上并没有省人工 ， 仅仅 只是省 了测试设备等待装拆的时间。中航力源液压公司近年 来致力于研究 自动装夹系统 ， 目前 已取得 了一些 突破 ， 既可以省人 工 ， 也更 省设备 等待装拆 产品时间。该项 成果应用在批产试验 台上将大大提高测试效率 。图 1 为液压泵 自动装夹系统三维设计简图。 图1液压泵自动装夹系统三维设计筒图 5 仪器仪表在线校验 仪器仪表作 为液压测试设 备 的检测系统 ， 测试数 据的准确性非常重要。因此， 需要定期或不定期进行 校验。传统的校验方法需要把各种传感器、 二次仪表 拆下来送检 。如果配置 的是计算机测试系统 ， 需要拆 信号传感器、 板卡等送检 ， 很不方便。因此， 在线校验 测试系统越来越得到用户的共识 ， 同时还可以消除信 号导线不 同带来 的微小误差 。在线校验主要采用 比较 法进行静态标定 。表 1 为在线校验标定各种信号的常 用方法 。 1 ． 2 动态性能测试 液压产品的动态性 能测试主要是考核产 品对激变 因素 的响应及调节适应能力 ， 测试产 品的动态性能可 以为液压系统匹配提供依据 。这就需要测试设备具备 模拟激变 因素的功能 以及测量系统 ， 才能准确地测 出 产品的动态特性。针对一些响应时间较慢的传感器 ， 如流量计， 可以使用压力传感器经换算得到瞬时流量 值 。动态性能测试常用 的测试项 目主要有系统阻抗测 试 ， 压力脉动测试 ， 最大瞬时压力测试 ， 阀启 闭特性测 试等。 表 1在线 校验标定各种信号 的常用方法 序号传感器类型标定的标准器具 备 注 1 压力传感器活塞式压力计 直接读取砝码更可靠。 2 温度传感器干井式温度校验仪 也可用标准温度计比较。 s 流 量 传 感 器 标 准 流 量 计 言 串 接 标 准 流 注意标定装置与测试 台传 4 扭矩传感器杠杆式砝码标定装置动头的连接角度 ， 计算时 ， 要消 除角度 的影 响。 5 转速传感器手持式测速仪 不够精确 ， 但满足液压测 试台对转速精度的要求。 1 ． 3 特种试验 针对液压元件 的某一结构或某一性能进行深入 的 测试研究 ， 便于查找产 品缺陷 ， 提高性 能。因此 ， 也需 要配备专用的特种性能测试设备。比如 研究液压泵 流量脉动的流量脉动测试 台 ； 考核结构强度 的压力脉 冲测试台； 研究液压泵摩擦副的配油盘油膜承载能力 测试台； 研究油液清洁度对液压产品性能、 寿命影响的 污染耐受度测试 台等等 。 1 ． 4 节能环保技术 基于资源的短缺及生态的需要 ， 为促进经济可持 续发展 ， 倡导绿色工业 ， 国家 出台了一系列节约能源和 环境保护的法律法规。液压测试设备也应该充分考虑 节能环保技术的应用 。 1 节能技术 长期以来， 液压测试台对被试产品的加载均使用 2】 液 压 气 动 与 焉 封 ／20 1 5年 第 01 期 的是节流 或溢流加载 。不但造成 了加载功率全 部损 耗， 同时因油液吸能温度升高， 还要采取冷却措施 ， 耗 费了大量的能源。尤其是生产企业大批量 的生产试验 耗能更 多。因此 ， 液压 测试设备需要采用功率 回收技 术 ， 达到节省能源， 降低成本的目的。 功率回收技术一般主要有机械功率回收， 液压功 率回收， 电功率回收三种。机械功率回收和液压功率 回收适用范围较窄， 控制不便， 较少使用。由于变频技 术 的发展及价格下降 ， 目前 电功率 回收技术得 到了较 多的推广应用。液压测试台因既具备能源电动机又具 备加载发 电机 ， 采用共直流母线的电功率 回收方式性 价 比较高 。根据 液压元件及 液压测试 系统 的效率不 同， 功率回收效率不尽相同， 一般可以达到6 5 ％左右， 设备运行2 ～ 3 年即可收回投入成本。图2 为液压泵测 试电功率回收原理图。 图 2 液压泵测试 电功率 回收原理 图 2 环保技术 液压元件及 系统 的环保技术 主要涉及三个方面 一 是降低工作噪声。为了避免测试设备本身工作噪声 对被测产 品的影 响， 需要设置专用的噪声测试间 ， 单独 把被测产 品进行 隔离测试 。目前 国内仅有极个别航空 航天研究 院所具备测试 能力 ， 绝大部分的单位 均无液 压 产 品工作 状态 下 的噪声测试 手段 ； 二 是 防止渗漏 油 。主要研究液压产品的动、 静密封性能 ， 需要配置专 用的动、 静密封测试台； 三是环保工作介质的研究。比 如 水液压系统 ， 芬 兰的T a m p e r e 工业大学有较成熟 的 研究 ， 国内浙江大学也有一些研究成果 ， 但要完全取代 液压油还有很多困难 。 1 ． 5 外观机床化 老式的液压测试设备主要以敞开分布式为主， 便 于搭建 ， 维护 。近年来 ， 随着集成 阀块 的大量应用 以 及人们对设备安全性 ， 人性化的要求提升。液压测试 台逐渐向集成化、 封闭式 的机床化方向发展 。图3中， 左图为美 国T i t a n 公 司设计制造 的液压泵测试 台， 右图 为 中航 力 源 液 压 公 司 设 计 制 造 的液 压 泵 、 马达 测 试 台。 a 美 国T i t a n公司设 计制造的 b 中航力源液压公司设计制造 的 液压泵测试 台 液压泵 、 马达测试 台 图 3 测试 台 2 液压测试技术发展趋势 国内液压测试 技术经 过多年发展 ， 在硬件方面基 本达到了欧美 日 等国家的水平。但在帮助液压产品研 制的方面 ， 缺乏对试验方法的理论支撑 ， 在分析试验方 法和辅助分析软件应用等方面差距较大 。因此 ， 今后 液压测试技术除 了继续完善提升现有技术外 ， 应该在 以下方面着力加强 。 2 ． 1模拟主机环境的测试技术 所有液压元件及液压系统技术参数 的测试 验证 ， 应该尽量模拟主机装机 的真实运行状态和考虑工作环 境 的影响 。只有贴近真实环境 的测试 ， 才能研制 出合 适 的产 品。既不会 达不 到设计指标 ， 也 不会造成较大 的设计余量。尤其是液压泵、 液压马达、 液压阀等液压 核心器件更应该予以考虑。比如 同一 台液压泵 ， 装在 起重机和挖掘机上 ， 虽然工作压力及转速都没有超过 液压泵额定值， 因运行状态不同， 寿命肯定不同， 且差 异可能还比较大 。 1 随机载荷谱 的研究 绝大部分机器 的运行都是无规律 的 ， 所承受 的载 荷也是随机的 。但 因机器 的不 同， 随机 中又有一定 的 规律可循 。因此 ， 需要根据主机 的运行状态 ， 研究相适 应的随机载荷谱用于测试产品。国内在材料强度等领 域有一些研究及应用 ， 但在液压行业 ， 几乎没有进人实 用 阶段的研 究 ， 国标规定的测试 载荷谱也不是随机载 荷谱 。 2 模拟环境因素 的测试技术 液压产 品在装机运行 中， 工作性能总是受到运行 环境因素的影响。比如， 因主机工作带来的振动， 因天 气变化带来 的环境温度及工作介质温度的变化 ， 因高 海拔地 区带来的大气压 的变化等 。因此 ， 液压产 品在 研制过程中， 需要模拟各种环境因素并在这些复合应 力 的共 同作用下测试产 品性能 ， 才能更加真实地反映 Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 0 1 ． 2 0 1 5 产品装机性能。军品领域很早就开展了相关工作， 早 期主要是非工作状态下各种环境因素分别施加测试， 以后逐渐过渡到工作状态下同时施加某几种环境因素 如 振动， 环境高低温等 。对民品领域的液压产品， 试验室条件下的环境测试工作几乎是空白， 主要以随 主机考核为主。今后该测试技术的发展必然是液压产 品在 工作状态下 ， 多种环境 因素同时施加测试 。某航 天研究所搭建的液压产品三综合测试台， 可以在液压 泵工作状态下 ， 同时施加振动因素 通过振动 台 ， 环境 温度因素 通过高低温箱 进行试验， 对产品的研制起 到了重要 的作用 。 2 ． 2 模拟主机 系统的测试技术 该技术需要按主机液压系统的配置情况及相对位 置 ， 按 1 1 的比例 ， 在地面搭建系统测试 台。 目的主要 是为 了测试各液压元件和液压系统 的动态性能 。通过 先期 测试 验证 ， 得到优化 匹配 的液压 系统 。航空领域 的“ 铁 鸟” 台， 潜艇领域 的“ 铁鱼” 台等就是运用 的此类 测试技术 。 该类测试技术的难点主要有两方面。一方面是加 载装置的设计。需要模拟主机运行时承受的各种复合 载荷 ； 另一方面是辅助分析 软件 的应用 。今后 ， 系统匹 配测试应该是半物理和分析仿真软件的有机结合。 2 ． 3 加速寿命试验技术 寿命试 验是液 压元 件及 系统必需要 做 的测试项 目。随着 国内装备 制造业 的不断发展 ， 对液压产 品寿 命 的要求也不 断提 高 ， 一些要求高 的主机提 出的寿命 要求甚至达到 3 万小时。按一年 3 6 5 天 ， 每天 2 4 d x 时不 间断试验， 都需要三年半。如果其中有一些问题需要 反复 ， 加上测试设备也需要维护 ， 试验时间就更 长 了。 因此， 加速寿命试验就成为了必然的选择。 加速寿命试验的统一定义最早由美罗姆航展中心 于 1 9 6 7 年提出， 加速寿命试验实际上是在进行合理工 程及统计假设 的基础上 ， 通过提高产品的试验参数 ， 如 转速 、 压力 、 动态 冲击频率等 ， 利用 与物理失效规 律相 关的统计模型对在超出正常应力水平的加速环境下获 得的信息进行转换， 得到产品在额定应力水平下的特 征可复现的数值估计 ， 但不改变产品失效分布的方 法。俄罗斯苏一 2 7 飞机主液压泵采用的就是加速寿命 试验， 加速比达到了1 8 ， 也即是加速试验 1 h ， 等同于可 靠性寿命达 8 小时。国内航空领域 ， 中航力源液压公 司、 南京液压中心在液压泵加速寿命试验方面开展了 一 些研究应用。但总体来说 ， 缺乏足够的理论及实践 基础， 难以形成普适性的加速寿命测试方法。今后， 应 该借助国家项目， 采取院校与企业联合的方式， 结合国 外的专业技术公司， 研究液压产品加速寿命测试方法， 有效缩短产品的研制周期及试验成本 。 2 ． 4 修订国家标准 国家标准是一个 国家指导行业发展的规范、 准 则 。有关部 门应该积极组织相关 院校 、 科研 院所及企 业 ， 及时总结 国内液压测试 技术一段时间以来 的成果 和经验 ， 充分考虑今后 的发展趋势 ， 及时修订完善或制 订新 的液压测试标准 。从 国家层面 ， 引导整个液压行 业 的提升和发展。 2 ． 5 数字化测试工作平台 通过平台软件的规划管理， 最大限度地提高测试 效率。为企业提供测试协同工作平台， 使液压产品测 试 的准 备 、 执行 、 分 析 、 评估 四大 阶段处 于 自动 和受 控 的状态 ， 对测试工 作各 阶段 的工作进行 专业协作 ， 帮助企业从测试数据 中获取知识和经验 ， 达 到改进产 品设计， 提高产品质量， 提升企业生产力和竞争力的 目的。 3 结 束语 借助我国大力发展军工行业 ， 发展民用高端装备 制造业 的契机 ， 国 内液压测试技术未来将会得到越来 越多的重视。液压行业各院校、 研究院所及企业对液 压测试设备在性能及数量上均会有更多的需求 。 当然 ， 液压测试技术是为液压产 品服务 的。液压 产品需要在生产流程及工艺方法上固化、 提高， 使各批 次 的液压产品性能 的稳定性 、 一致性得到强化 ， 液压测 试技术才能有效促进液压行业的发展。 参考文献 [ 1 】 雷天觉． 新编液压工程手册【 M ] ． 北京 北京理工大学出版社 ， 1 9 9 8 ， 1 2 ． [ 2 ] 杨尔庄． 二十一世纪液压技术现状及发展趋势[ J ] ． 液压与气 动 ， 2 0 0 1 ， 3 ． [ 3 】 沙宝森． 转型升级， 我们在行动[ J ] ． 液压气动与密封 ， 2 0 1 4 ， 1 ． [ 4 ] 杨华勇， 等．水液压技术的研究现状与发展趋势[ J ] ． 中国机械 工 程 ， 2 0 0 0 ， 1 2 ． [ 5 】 张海平． 做好耐久性试验[ J ] _ 液压气动与密封， 2 0 1 4 ， 1 0 ． [ 6 ]6 吕少力， 李静综 合试验台液压系统的设计[ J ] ． 液压气动与密 封， 2 0 1 3 ， 1 2 ． [ 7 ] 潘东升， 等． 液压仿真技术的现状及发展趋势[ J ] ． 新技术新工 艺 ， 2 0 0 5 ， 4 ．