全液压钻机油路板试验台设计及应用_范伟.pdf

第43卷第3期 2015年6月 煤田地质与勘探Vol. 43 No.3 Jun. 2015 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阔的流道依据 设计原理实现正确导通，便于查找、维修和调试［I］。 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 收稿日期2015-01-12 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， 获得被试阅块的性能数据，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l。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。硬件由电器拒、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。 作者简介范伟（1977一），男，山西运城人，工程师，工程硕士，从事矿用钻探设备质量管理工作． E-mail “nwei 引用格式范伟，姚宁平，陈亮，等．全液压钻机油路板试验台设计及应用［J］.煤困地质与勘探，2015,433110一114. ChaoXing 范伟等全液压钻机油路板试验台设计及应用111 第3期 工控机 数据采集卡 转换器 信号放大’滤波’调理 传感棉转换接口 成验台被测阀块 图l数据采集和控制系统基本原理图 Basic principle diagram of data acquisition and control system 密封性能测试；b.单向阅正通导通测试；c.单向阀 保压性能测试；d.溢流阅性能测试；e.减压阅性能 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 阅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。比例滥流阀16调 节系统压力，压力传感器18检测系统压力，三位四 通电液换向间31用来完成工作状态的切换，可实现 自供油、回油和停止状态。溢流阅15用来实现系统过 载保护，单向阀反向测地时会出现瞬时过载，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。二位二通电磁球阅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（运5滴旭血），使用普 通流量计难以准确计量，采用容积式测量方法，即 Q_ flV 一－ flt 式中t..V为测量时间M内，量筒内泄漏油液容积 的变化量。 油液泄漏容积t..V测量首先采用电容液位传 感器测量t..h，然后计算f..V ti Vt..hA t..hπ（D2 -d2/4 2 式中M为液位变化量；A为液面横截面积；D为量 筒直径30土0.050mm;d为传感器直径20土0.050mm。 所选择电容液位传感器最大量程为lOOmm，精 度土1FS；输出电流4～20mA；容积测量精度为 土1.6FS；时间间隔fit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。 Fig.I 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剧在KYX16212-2011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 Assembly drawing of test bench modeling 、‘Ef t- JSE飞 表1试验台液压系统性能参数表 Perance parameters of hydraulic system test bench 参数名称 系统排盘／（mLr1 系统流量／（Lmin-1 系统压力/MPa 电机主功率／kW 控制泊排盘／（mLf1 控制泊流量／（Lmin1 液位计位移量程Imm 液位传感器非线性误差／ 泄漏盘测量误差／ 指标 31.5 109 8 12 100 78 55 Fig.2 Tablet 序号 4 6 2 5 7 3 土l8 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 3 士2 2 9 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.间块 ChaoXing 112 煤田地质与勘探 被测回转油路tJ.t All A2 1 A3 x 悟－－ti__ 1 白 A3 白 A4 A5 a）操作台部分 十」, 「四h丛坠阳凶叫5-M LI _;;;{;;_ I L--_J 6吃 时斗二二f-t-1--l－一一士刮 2 2 6 f;;t－－－－－」一 b）台架部分 6 c）泵站部分 第43卷 l一空气滤清器；2－掖位计；3一温度传感器；牛斗夜位继电器；ι－干烧式加热器；ι－放油球阀；7一蝶阀；ι－避震喉；9一变量泵；IO一联轴 器；II一电机；12一减震器；13一高压胶管；14一单向阀；15一溢流阀；16一比例溢流阀；17一比例插头；18一压力传感器；19一二次仪表； 20一狈j压接头；21-i贺。压软管；22一耐震压力表；23一高压过滤器；24一比例减压阀；25一比例放大器；26-一支架；27一二次仪表；28一风冷却 器；2弘4向阀；30-一回汹过滤器；31一电液换向阀；32一掖控单向阀；33一测压软管；34-一耐震压力表；35--一高压地上阀；36-一高压胶管；37一快换 接头；38-一高压胶管；39一快换接头；40-一电磁球阀；41一球阀；42一液位传感器；43--「流量积算仪；4←单向阀；45--一球阀；45--一球阀；4←胶 管；47一齿轮泵；48-一联轴器；49--一电机；5ι硕震器；51胶管，52一单向阀；53-一高压过泼、器；54一电磁换向阀；5ι斗民压胶管；56-斗夜位继 电器；57一空气滤清器；58一齿轮泵；59一联轴器；60一电机；61一减震器；62斗底压过滤器；63一单向阀；64一高压球阀；65一吸油过滤器 图3试验台液压原理固 Fig.3 Hydraulic principle diagram of test bench ChaoXing 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 证泄漏盘测试的准确性；b.分析“单向阀压差一一 泄漏量数值”变化规律与液压原理的符合性；c.利 用试验舍的手动测试功能，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 OOONm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25MPa；工作 压力25MPa；油温502℃。 马达转速测试试验条件系统压力21MPa；油 温352℃。 表2回转油路板关键参曼史与马达转速测试表 Table2 Test table of rotary circuit board’s key parameters and motor speed 正／反转单向阀卡盘单向阀 组别 压差反向泄漏压差反向泄漏 /MP a /mLmin-1 /MP a /mLmin 1 0.79 1.88 0.5 0.59 23456789川门口UMMU 0.48 0.31 3.38 5.42 3.33 5.21 0.8 3.58 1.28 3.44 0.72 1.53 2.23 3.67 0.5 1.11 0.87 2.71 。.824.04 2.87 3.89 0.47 0.00 0.78 1.55 0.38 0.00 1.00 3.16 2.72 5.16 0.64 0.77 0.36 0.00 0.74 0.66 0.31 0.00 0.77 1.04 0.76 1.90 0.44 0.00 0.65 1.25 0.49 0.42 0.3 0.00 0.79 1.56 0.5 0.00 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，正转油路单向阅如果出现泄漏 会导致反向转速不足。另外，当阀心与阀套的配合 尺寸超差或阅心与阀套的配合面上有铁屑或杂物 时，阅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-QL -f.Q 一－ v 3 液控单向阀 泄漏合计转速 压差反向泄漏 /mLmin-1 /rmin-1 /MP a /mLmin-1 1.16 4.24 6.71 262 4.74 6.64 12.37 221 0.78 2.73 11.52 231 0.8 3.58 8.55 254 1.16 3.79 8.57 249 0.82 3.66 10.41 237 0.39 1.42 5.31 269 0.41 2.30 3.85 285 1.17 5.48 13.80 210 3.58 5.54 6.31 254 0.38 1.33 1.99 297 0.4 2.07 5.01 273 0.74 2.34 3.59 281 0.74 2.47 2.89 285 1.16 0.00 1.56 311 式中QL为液压马达理论输入流量；牟Q为液压系 统泄漏量；Y为马达排量。 可以看出，在QL、V一定的情况下，马达转速 n值与系统泄漏牟Q值成负相关性，即牟Q值越小， n值越高；反之越低［7-8）。需要说明的是表2所测 得牟Q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 2号（4 式中牟p为压差；血v为液压油泄漏量；K为体积 压缩系数；凡为液压油初始体积。在K、Vo值一定 的前提下，试验台所测得单向阀压差M值应该与 泄漏量血v值呈正相关性91牟V值越大，M值越高； 反之越低。 根据表2提供的测试数据分别绘制“n-MI＇’关系 ChaoXing 114 煤田地质与勘探第43卷 图（图4）和“J.P-llV’关系图（图5）。试验台测得的各项 参数间的变化规律与式。）和式（4）相吻合，说明压力 和流量特性测试效果是可靠的。 350 i250 - e e 200 e e 都福150 100 50 。 。5 IO 15 泄漏盘／（mLmin-1 图4n-t;. Y关系图 Fig.4 Scatter diagram of “n-t, Y” . . . . 1_, . . 。 。2 4 6 泄漏盘／（mLmin-1 图5 t;.p_t;. Y关系图 Fig.5 Scatter diagram of “A P-t; V 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。考虑液控单向阔的反向油 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口阔 门下，通过人工读取连续5min内的盘杯液面变化， 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组测试值误差均在土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 测试方法 被测汹路板编号 2 3 4 5 自动测试值／（mLmin1 2.30 5.48 6.64 3.66 3.79 手动测试值／（mLmin-12.25 5.40 6.55 3.59 3.75 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 [I］周玉海，陈伟俊－油路板设计的一般原则［巧．机床与液压， 201310 112-114. [2］殷新胜，姚宁平，陈跟马，等.ZDY6000L型履带式全液压 坑道钻机液压系统设计［月煤阻地质与勘探，2007,356 77- 80. 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