FAST液壓促動(dòng)器關(guān)鍵元件并行節(jié)能型加速壽命試驗(yàn)臺(tái)的研制

　， ， 王啟， ， 　, 春暉(.中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)， 北京　0002； 2.燕山大學(xué) 河北省重型機(jī)械流體動(dòng)力傳輸與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河北秦 皇島　066004；3. 燕山大學(xué) 先進(jìn)鍛壓成形技術(shù)與科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河北 秦皇島　066004)

引言

500 m口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡FAST(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope)是我國(guó)重大科技基礎(chǔ)建設(shè)項(xiàng)目，建成后將是國(guó)際上最大、最靈敏的單口徑射電天文望遠(yuǎn)鏡[1]。FAST由臺(tái)址勘察與開(kāi)挖系統(tǒng)、主動(dòng)反射面系統(tǒng)、饋源支撐系統(tǒng)、測(cè)量與控制系統(tǒng)、接收機(jī)與終端系統(tǒng)和觀測(cè)基地建設(shè)6個(gè)系統(tǒng)組成。圖1為FAST效果圖。

圖1　FAST預(yù)期建成效果圖

FAST主動(dòng)反射面采用三角形網(wǎng)格劃分形式，表面上一共有約4450塊三角形面板，用一個(gè)約7000根鋼索組成的索網(wǎng)來(lái)支撐。通過(guò)2225根下拉索將索網(wǎng)連接到促動(dòng)器。促動(dòng)器是一種伸縮機(jī)構(gòu)，一端與地錨鉸接，另一端與連接索網(wǎng)活動(dòng)節(jié)點(diǎn)的下拉索鉸接。根據(jù)控制信號(hào)命令，促動(dòng)器克服索網(wǎng)內(nèi)力產(chǎn)生下拉索拉力，通過(guò)改變自身長(zhǎng)度而改變地錨點(diǎn)與索網(wǎng)活動(dòng)節(jié)點(diǎn)下拉索端頭的間距。從而調(diào)整索網(wǎng)的活動(dòng)節(jié)點(diǎn)位置，實(shí)現(xiàn)FAST 主動(dòng)反射面的面形調(diào)整[2]。促動(dòng)器工作示意圖如圖2所示。

圖2　促動(dòng)器工作示意圖

FAST采用了液壓式促動(dòng)器。望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)運(yùn)行時(shí)有上千臺(tái)液壓促動(dòng)器同時(shí)工作。因此，F(xiàn)AST促動(dòng)器具有數(shù)量大、工作環(huán)境惡劣、要求長(zhǎng)期穩(wěn)定工作等特點(diǎn)，對(duì)其可靠性要求很高。促動(dòng)器核心液壓元件的可靠性是整個(gè)液壓系統(tǒng)可靠性的基礎(chǔ)，提前對(duì)液壓元件進(jìn)行可靠性試驗(yàn)，可以提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有暴露的元件的材料及工藝缺陷，以驗(yàn)證和提高其可靠性水平，并對(duì)系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行可靠性增長(zhǎng)，保證系統(tǒng)的高可靠性[3，4]。通過(guò)對(duì)FAST液壓促動(dòng)器進(jìn)行故障模式影響及危害性分析發(fā)現(xiàn)，該促動(dòng)器的故障致命度相對(duì)較大的部位為齒輪泵、溢流閥和單向閥，且FAST液壓促動(dòng)器針對(duì)這些關(guān)鍵液壓元器件的壽命要求為5年，因此需要對(duì)這三個(gè)元件進(jìn)行加速可靠性試驗(yàn)，從試驗(yàn)角度判斷該元件能否滿(mǎn)足要求。

對(duì)于傳統(tǒng)的可靠性試驗(yàn)臺(tái)，每個(gè)試驗(yàn)臺(tái)僅能測(cè)試一種類(lèi)型的液壓元件，且每次試驗(yàn)只能測(cè)試一個(gè)樣本元件，即測(cè)試多種類(lèi)型的元件時(shí)需制造多個(gè)不同的試驗(yàn)臺(tái)，而測(cè)試同一類(lèi)型的多個(gè)樣本元件時(shí)又需進(jìn)行多次試驗(yàn)，因而導(dǎo)致試驗(yàn)成本高，耗時(shí)耗能，浪費(fèi)人力。同時(shí)，液壓元件具有功率大、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，進(jìn)行可靠性試驗(yàn)時(shí)需要耗費(fèi)大量能源和時(shí)間，傳統(tǒng)的可靠性試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)周期長(zhǎng)，并且僅僅在能量的一次利用后進(jìn)行功率回收，并沒(méi)有真正做到能量的多次有效利用，節(jié)能效果一般[5]。

為解決上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)并制造了FAST液壓促動(dòng)器關(guān)鍵元件并行節(jié)能型加速壽命試驗(yàn)臺(tái)。該試驗(yàn)臺(tái)是融合了并行節(jié)能技術(shù)的加速試驗(yàn)臺(tái)，能同時(shí)對(duì)多個(gè)齒輪泵、溢流閥及單向閥進(jìn)行加速試驗(yàn)，做到了能源的多次利用，縮短了試驗(yàn)時(shí)間，節(jié)能高效。

1　加速壽命試驗(yàn)臺(tái)的總體設(shè)計(jì)方案

FAST液壓促動(dòng)器齒輪泵、溢流閥及單向閥并行節(jié)能型加速壽命試驗(yàn)臺(tái)的研制目的是在實(shí)驗(yàn)室中建立起惡劣的試驗(yàn)環(huán)境，加速被試液壓元件的破壞過(guò)程，并在對(duì)齒輪泵做沖擊壽命試驗(yàn)的同時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)單向閥和溢流閥的反復(fù)啟閉動(dòng)作，達(dá)到節(jié)能加速的效果，進(jìn)而在短時(shí)間內(nèi)模擬齒輪泵、溢流閥及單向閥在5年內(nèi)的壓力沖擊次數(shù)或者啟閉次數(shù)。根據(jù)加速壽命曲線(xiàn)利用三種液壓元件在加速應(yīng)力水平下的平均壽命去外推其在額定工況下的平均壽命，實(shí)現(xiàn)對(duì)齒輪泵、溢流閥及單向閥性能的評(píng)估，為FAST液壓促動(dòng)器的正常運(yùn)行提供可靠保證。

1.1　加速壽命試驗(yàn)臺(tái)的技術(shù)要求

在額定工況下，齒輪泵和單向閥的工作壓力為16 MPa， 沖擊壓力為2 MPa，溢流閥的入口壓力為5 MPa。 按照齒輪泵和液壓閥的額定工況確定沖擊載荷為加速因子，以沖擊次數(shù)為量綱，最終折算成以時(shí)間為量綱的壽命數(shù)據(jù)，其中齒輪泵、溢流閥及單向閥分別以容積效率、開(kāi)啟壓力和反向泄漏量為性能退化數(shù)據(jù)。試驗(yàn)可在多種應(yīng)力水平下進(jìn)行，在選取應(yīng)力時(shí)，最低應(yīng)力水平應(yīng)接近正常工作應(yīng)力，以提高外推的精度。最高應(yīng)力水平應(yīng)盡量選得大一些，但以不改變被測(cè)液壓元件的失效機(jī)理及系統(tǒng)安全運(yùn)用為前提，選取的其他試驗(yàn)應(yīng)力也應(yīng)合理分布。

在試驗(yàn)過(guò)程中，如果出現(xiàn)以下失效判據(jù)的任意一條： ① 齒輪泵容積效率下降超過(guò)10%或低于80%； ② 溢流閥開(kāi)啟壓力低于調(diào)定值的10%； ③ 單向閥反向泄漏量超過(guò)規(guī)定值； ④ 被試液壓元件出現(xiàn)噪聲、溫升、卡死和異常磨損等現(xiàn)象，即可認(rèn)為被試齒輪泵、溢流閥和單向閥失效。試驗(yàn)臺(tái)性能參數(shù)的確定參照了當(dāng)前國(guó)家機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，油溫控制在50 ℃±4 ℃，油液型號(hào)為46# 液壓油，油液清潔度為NAS 9級(jí)。

1.2　加速壽命試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)原理

試驗(yàn)提出了采用并行節(jié)能原理的多元件可靠性實(shí)驗(yàn)方法，設(shè)計(jì)了一種基于并行節(jié)能原理的加速壽命試驗(yàn)臺(tái)，每次試驗(yàn)可對(duì)兩臺(tái)齒輪泵、兩個(gè)溢流閥和兩個(gè)單向閥樣本進(jìn)行沖擊壽命試驗(yàn)，其原理圖見(jiàn)圖3所示。電機(jī)1.1和1.2分別驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)被試齒輪泵，當(dāng)電磁換向閥4左側(cè)得電時(shí)，單向閥樣本5.1和溢流閥樣本6.1打開(kāi)，兩個(gè)齒輪泵樣本完成一次空載至加載的沖擊過(guò)程；當(dāng)電磁換向閥4處于中位時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)處于卸壓狀態(tài)，從而形成壓力沖擊波形；當(dāng)電磁換向閥4右側(cè)得電時(shí)，單向閥樣本5.2和溢流閥樣本6.2打開(kāi)，兩個(gè)齒輪泵樣本又完成一次空載至加載的沖擊過(guò)程，最終齒輪泵樣本完成的沖擊次數(shù)剛好是單向閥和溢流閥樣本啟閉次數(shù)的2倍。

1.被試齒輪泵　2.扭矩轉(zhuǎn)速儀　3.電動(dòng)機(jī)　4.電磁換向閥 5.被試單向閥　6.被試溢流閥　7.冷卻器　8.過(guò)濾器 9.安全閥　10.液位繼電器　11.加熱器　12.流量計(jì) 13.溫度傳感器　14.壓力傳感器

試驗(yàn)臺(tái)通過(guò)將流量計(jì)12.1和12.2設(shè)置在齒輪泵1.1的泄油口和進(jìn)油口，檢測(cè)齒輪泵1.1的輸出流量；將溫度傳感器13.1設(shè)置在齒輪泵1.1的泄油口，檢測(cè)齒輪泵1.1的內(nèi)部溫度；將壓力傳感器14.3設(shè)置在被試溢流閥6.1入口處，檢測(cè)其開(kāi)啟壓力；通過(guò)控制若干截止閥的啟閉狀態(tài)，由流量計(jì)12.5分別檢測(cè)單向閥5.1和5.2的反向泄漏量。被試溢流閥6.1和6.2以及電磁換向閥4構(gòu)成加載部分，由被試溢流閥6.1和6.2調(diào)定峰值壓力，通過(guò)電磁換向閥4的油路切換形成沖擊載荷。試驗(yàn)臺(tái)的冷卻器7和加熱計(jì)11構(gòu)成溫控部分，由溫度傳感器13.3實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)油箱的油液溫度。

2　關(guān)鍵技術(shù)

該試驗(yàn)臺(tái)是典型的機(jī)電液一體化設(shè)備，針對(duì)FAST液壓促動(dòng)器的可靠性薄弱環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)，加速壽命試驗(yàn)臺(tái)如圖4所示。由于此次試驗(yàn)加速因子是循環(huán)沖擊載荷，而且有3種被測(cè)液壓元件，因此該試驗(yàn)臺(tái)與普通試驗(yàn)臺(tái)相比在機(jī)械設(shè)計(jì)和電氣設(shè)計(jì)上有著自身的特點(diǎn)，主要體現(xiàn)在以下四個(gè)方面：

圖4　加速壽命試驗(yàn)臺(tái)

(1) 融入并行節(jié)能的設(shè)計(jì)理念。并行既是多個(gè)同類(lèi)型元件的同時(shí)運(yùn)行，又是多個(gè)不同類(lèi)型元件的同時(shí)運(yùn)行，使能源多次被利用。采用新元件、新技術(shù)實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)的節(jié)能，可降低系統(tǒng)的裝機(jī)功率和故障率[6]。試驗(yàn)中，調(diào)節(jié)被測(cè)溢流閥可形成不同壓力等級(jí)的沖擊，這些沖擊在對(duì)齒輪泵、單向閥進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)的同時(shí)也對(duì)溢流閥自身進(jìn)行了壽命試驗(yàn)，做到了能源的多次有效利用而不是簡(jiǎn)單的功率回收。換向閥的換向動(dòng)作在形成壓力沖擊的同時(shí)，也使壓力沖擊在兩條液壓油路中相互切換，同時(shí)對(duì)兩組溢流閥及單向閥進(jìn)行了試驗(yàn)。利用這樣的理念設(shè)計(jì)了該試驗(yàn)臺(tái)，在試驗(yàn)中可同時(shí)對(duì)兩臺(tái)齒輪泵、兩個(gè)溢流閥和兩個(gè)單向閥進(jìn)行可靠性試驗(yàn)，一次試驗(yàn)的樣本數(shù)量多、種類(lèi)多、耗時(shí)短、效率高且節(jié)約能源；

(2) 按照加速壽命試驗(yàn)的方法設(shè)計(jì)裝置。加速壽命試驗(yàn)是指在保證樣品失效機(jī)理不變的前提下，在超過(guò)正常應(yīng)力水平下進(jìn)行的壽命試驗(yàn)，獲得失效數(shù)據(jù)，對(duì)樣品各種可靠性特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)推斷[7,8]。齒輪泵、溢流閥和單向閥均屬于高可靠性長(zhǎng)壽命元件，為縮短試驗(yàn)周期，以加速壽命試驗(yàn)為原則設(shè)計(jì)該試驗(yàn)臺(tái)，能以沖擊壓力、溫度、電機(jī)轉(zhuǎn)速為加速應(yīng)力進(jìn)行試驗(yàn)，保證了試驗(yàn)的順利進(jìn)行；

(3) 自動(dòng)化程度高。采用基于PLC和MCGS的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)，所有溫度、壓力、流量等數(shù)據(jù)均可使用傳感器采集并被記錄在存儲(chǔ)器中，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)相關(guān)被試液壓元件運(yùn)行狀態(tài)的可視化監(jiān)控、故障自動(dòng)判斷、故障回放，并能夠?qū)υ囼?yàn)過(guò)程中發(fā)生的異常狀況進(jìn)行報(bào)警和應(yīng)急處理，并對(duì)報(bào)警內(nèi)容進(jìn)行存檔記錄，對(duì)試驗(yàn)過(guò)程和設(shè)備參數(shù)的管理等功能，流量監(jiān)測(cè)流程如圖5所示；

圖5　流量監(jiān)測(cè)流程圖

(4) 結(jié)構(gòu)緊湊，全部鋼管連接。油路全部采用鋼管連接，主要是考慮鋼管在壓力沖擊時(shí)形變量小，對(duì)試驗(yàn)無(wú)滯后影響，同時(shí)鋼管耐高壓、抗沖擊，防止了沖擊試驗(yàn)對(duì)軟管的破壞。被試泵出口與主閥塊之間的連接都很短，保證了更換不同型號(hào)被試泵時(shí)，方便加工鋼管。流量計(jì)長(zhǎng)時(shí)間使用時(shí)易損壞，因而采用旁路設(shè)計(jì)，僅在采集數(shù)據(jù)時(shí)將流量計(jì)接入系統(tǒng)，延長(zhǎng)了流量計(jì)的使用壽命并利于其更換維修。

3　試驗(yàn)結(jié)果分析

按照上述設(shè)計(jì)方案搭建好FAST液壓促動(dòng)器齒輪泵、溢流閥及單向閥并行節(jié)能型加速壽命試驗(yàn)臺(tái)，順利完成了對(duì)齒輪泵、溢流閥和液控單向閥的50萬(wàn)次沖擊試驗(yàn)，實(shí)測(cè)的壓力沖擊波形如圖6所示。

在調(diào)試過(guò)程中，還利用試驗(yàn)臺(tái)處理了被測(cè)試元件之外的其他元件的可靠性評(píng)估問(wèn)題，如：

(1) 兩臺(tái)簡(jiǎn)易伺服電動(dòng)機(jī)均出現(xiàn)不規(guī)律的振動(dòng)，經(jīng)拆卸后發(fā)現(xiàn)其輸出轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩達(dá)不到額定轉(zhuǎn)速要求。后經(jīng)咨詢(xún)了解，發(fā)現(xiàn)該型號(hào)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器與選用PLC型號(hào)不匹配，在更換PLC后簡(jiǎn)易伺服電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩滿(mǎn)足要求；

(2) 試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)后，某一齒輪泵出現(xiàn)異常噪聲，流量計(jì)示數(shù)不穩(wěn)定，壓力加載時(shí)更為明顯，檢查后發(fā)現(xiàn)是由于齒輪泵各安裝螺釘預(yù)緊力不同，導(dǎo)致齒輪泵與安裝閥塊連接處密封不嚴(yán)、吸入空氣。經(jīng)過(guò)調(diào)整該齒輪泵的安裝螺釘，消除了故障。

上述問(wèn)題在后續(xù)4個(gè)星期的試驗(yàn)中沒(méi)有再出現(xiàn)，整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)良好。按照FAST液壓促動(dòng)器試驗(yàn)要求，本試驗(yàn)臺(tái)完成了齒輪泵的沖擊壽命試驗(yàn)和溢流閥及單向閥的加速啟閉試驗(yàn)。利用該試驗(yàn)臺(tái)同時(shí)測(cè)試多種不同液壓元件的可靠性指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果表明這種并行方式試驗(yàn)周期短、節(jié)能效果明顯，大幅降低了試驗(yàn)臺(tái)的整機(jī)功率，是值得推廣的。

圖6　齒輪泵壓力沖擊波形

4　結(jié)論

針對(duì)FAST促動(dòng)器液壓系統(tǒng)中的可靠性薄弱環(huán)節(jié)，從縮短試驗(yàn)周期和降低資源浪費(fèi)的角度出發(fā)，研制出一種并行節(jié)能型加速壽命試驗(yàn)臺(tái)，能夠同時(shí)對(duì)兩臺(tái)齒輪泵、兩個(gè)溢流閥和兩個(gè)單向閥樣本進(jìn)行可靠性試驗(yàn)。利用該試驗(yàn)臺(tái)在實(shí)驗(yàn)室中模擬出3種被測(cè)液壓元件的運(yùn)行環(huán)境，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)進(jìn)程的加速，完成對(duì)齒輪泵、溢流閥及單向閥性能指標(biāo)的評(píng)估。本試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)方法對(duì)國(guó)內(nèi)其他液壓核心元件加速壽命節(jié)能試驗(yàn)臺(tái)的研制具有借鑒指導(dǎo)意義。

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