冶金液壓缸試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)與分析

王松軍 謝永洋 趙靜一 張鐵建 張 嵐

(1:河北鋼鐵集團(tuán)承德分公司 河北承德067102;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: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(燕山大學(xué)) 河北秦皇島066004)

冶金液壓缸試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)與分析

王松軍①1謝永洋2,3趙靜一2,3張鐵建2,3張 嵐2,3

(1:河北鋼鐵集團(tuán)承德分公司 河北承德067102;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: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(燕山大學(xué)) 河北秦皇島066004)

根據(jù)現(xiàn)行液壓缸試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)出針對(duì)冶金液壓缸進(jìn)行型式試驗(yàn)的試驗(yàn)臺(tái)。加載缸最大行程可達(dá)1600mm,額定壓力34MPa;可對(duì)最大缸徑為400mm、最長(zhǎng)行程為3000mm、最大額定壓力為34MPa不同尺寸和噸位的冶金液壓缸進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)臺(tái)采用增壓系統(tǒng)，比例加載系統(tǒng)，從而減小了裝機(jī)功率和功率損耗。試驗(yàn)臺(tái)可以進(jìn)行包括：空載行駛實(shí)驗(yàn)，啟動(dòng)壓力特性試驗(yàn)，低壓密封性能試驗(yàn)，高壓密封性能試驗(yàn)，強(qiáng)度試驗(yàn)等。并對(duì)φ200mm立柱冶金液壓缸進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明：該試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)是成功的，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

液壓缸試驗(yàn)臺(tái) 高壓 增壓系統(tǒng) 比例加載

1 引言

冶金液壓缸(以下簡(jiǎn)稱：冶金缸)是冶金裝備液壓系統(tǒng)的重要執(zhí)行元件，其性能好壞直接影響到冶金裝備的工作性能。冶金行業(yè)的安全生產(chǎn)和其設(shè)備的安全運(yùn)轉(zhuǎn)有著非常重要的關(guān)系，保障冶金設(shè)備的正常運(yùn)行是冶金行業(yè)所面臨的一個(gè)重要問(wèn)題[1]。目前不少冶金設(shè)備都涉及液壓控制系統(tǒng)，其中液壓缸是關(guān)鍵部件，也是最容易出現(xiàn)問(wèn)題的部件。基于此設(shè)計(jì)了一種冶金缸試驗(yàn)臺(tái)。

2 冶金缸試驗(yàn)臺(tái)技術(shù)設(shè)計(jì)要求

參照現(xiàn)行的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15622-2005規(guī)定了實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和實(shí)驗(yàn)方法[7]，所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺(tái)可以完成國(guó)標(biāo)規(guī)定的各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

2.1 冶金缸實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

1)空載行程實(shí)驗(yàn)：調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力，全行程反復(fù)運(yùn)動(dòng)數(shù)次，并通過(guò)位移傳感器將活塞極限位置記入到行程長(zhǎng)度。

2)啟動(dòng)壓力特性試驗(yàn)：試運(yùn)轉(zhuǎn)后，在無(wú)負(fù)載工況下，調(diào)整電比例溢流閥，使無(wú)活塞桿腔(雙活塞桿液壓缸，兩腔均可)壓力逐漸升高，至液壓缸起動(dòng)時(shí)，記錄下的起動(dòng)壓力即為最低起動(dòng)壓力。

3)低壓密封性能試驗(yàn)：設(shè)定保壓時(shí)間，在最低啟動(dòng)壓力下開(kāi)始保壓，在保壓時(shí)間過(guò)后記錄到終止壓力。

4)高壓密封性能試驗(yàn)：將被試液壓缸活塞分別停在行程的兩端(單作用液壓缸處于行程極限位置)，分別向工作腔施加1.5倍的公稱壓力，出廠試驗(yàn)保壓10s。記入到終止壓力。

5)強(qiáng)度試驗(yàn)： 用0.8倍的額定工作壓力使冶金缸全部外伸，將壓力腔閉鎖，外加載所需壓力，壓載1次3min，在3min內(nèi)做密封性能試驗(yàn)。

2.2 該試驗(yàn)臺(tái)性能滿足以下要求：

1)試驗(yàn)過(guò)程中工作液溫度控制在20～33℃，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 15622-2005 液壓缸試驗(yàn)方法[7]所規(guī)定的10～50℃要求，工作液采用的過(guò)濾器符合40μm精度的過(guò)濾器，并設(shè)有磁性過(guò)濾裝置。

2)測(cè)量準(zhǔn)確度采用C級(jí)，測(cè)量系統(tǒng)的允許誤差符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 15622-2005 液壓缸試驗(yàn)方法[7]規(guī)定的B級(jí)：壓力誤差/%±1.5，測(cè)量誤差/%±1.5，溫度誤差/℃±1。

3)外加載試驗(yàn)中有壓縮和拉伸兩種形式，加載壓力為額定壓力的1.5或2倍，內(nèi)加載最大加載額定壓力的1.5倍；

4)一次加載過(guò)程能保持壓力均勻，且保壓3min或10s；

5)試驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)能記錄壓力—時(shí)間或位移—時(shí)間曲線。

6)能夠?qū)ψ畲蟾讖綖棣?00mm、最長(zhǎng)行程為3000mm、最大額定壓力為34MPa的冶金缸進(jìn)行檢測(cè)。

7)能夠?qū)Ρ辉嚫走M(jìn)行最大為52MPa的耐久性能試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)臺(tái)方案的確定

試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)是由液壓站系統(tǒng)、比例加載系統(tǒng)、增壓系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和外加載系統(tǒng)等幾部分組成。

1)液壓站系統(tǒng)是由軸向柱塞泵加溢流閥構(gòu)成的恒壓源系統(tǒng)，油箱加裝油位、油質(zhì)檢測(cè)裝置，過(guò)濾裝置。工作液采用的過(guò)濾器符合40μm精度的要求，并設(shè)有磁性過(guò)濾裝置，液壓站采用具有擴(kuò)展性的分體式結(jié)構(gòu)[2]。

2)比例加載系統(tǒng)由電控比例溢流閥作為調(diào)壓控制元件，可通過(guò)遠(yuǎn)程上位機(jī)IPC來(lái)控制整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中的壓力，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)壓[3]。所謂電控比例型溢流閥就是使用比例型銜鐵套筒組件，通過(guò)輸入電流控制開(kāi)啟壓力[5]。加載系統(tǒng)采用的是加載型，即開(kāi)啟壓力隨著輸入電流增大而增高。

3)增壓系統(tǒng)是根據(jù)冶金缸出廠試驗(yàn)的高壓要求，通過(guò)在加載缸的無(wú)桿腔和有桿腔分別設(shè)置增壓回路，需要高壓加載時(shí)用電液換向閥控制增壓器，來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)增壓的目的。其中增壓缸的低壓腔與泵站系統(tǒng)相連；增壓缸的高壓腔有兩個(gè)油路進(jìn)出口，一路是去往加載缸的加載油路出口，另一路是與泵站系統(tǒng)相連，使增壓缸活塞快速回零位的油路進(jìn)口。兩條進(jìn)出口油路分別通過(guò)一個(gè)單向閥與增壓腔相接，實(shí)現(xiàn)加載與活塞快速回零位的分別控制[6]。關(guān)于液壓缸試驗(yàn)方法，不管是老版本國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15622-1995還是現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15622-2005，給出的液壓缸型式試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖，都只給原理上可行的方案，而未給出考慮節(jié)能設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方案[4]。增壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有效減小了裝機(jī)功率從而達(dá)到節(jié)能的目的。增壓系統(tǒng)原理如圖1所示。

4)冷卻系統(tǒng)由水冷式冷卻器 、循環(huán)泵、過(guò)濾器、溫度計(jì)、壓力表、單向閥等組成[2]。通過(guò)設(shè)定溫度，控制工作液的溫度范圍在20～33℃之間。

5)測(cè)控系統(tǒng)：采用上位機(jī)(IPC)作為主控計(jì)算機(jī)，PLC作為輔助控制計(jì)算機(jī)位的聯(lián)合控制。位移傳感器實(shí)時(shí)反映了液壓缸活塞桿的運(yùn)動(dòng)狀況，將位置信號(hào)傳遞給計(jì)算機(jī)；溫度傳感器采集油箱的溫度信號(hào)，壓力傳感器采集冶金缸腔體壓力；各傳感器將溫度、壓力信號(hào)傳遞給數(shù)據(jù)采集卡。經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行A/D(Analog/Digital)轉(zhuǎn)換；PLC通過(guò)控制繼電器的閉合，從而控制接觸器線圈的通斷，進(jìn)而控制泵的啟停。通過(guò)控制換向閥線圈進(jìn)而控制換向閥工作；整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)為核心，可對(duì)試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測(cè)量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及各類信號(hào)報(bào)警等各項(xiàng)功能。測(cè)控系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖1 增壓系統(tǒng)原理圖

1、2、5-電磁換向閥; 3、4-先導(dǎo)式電液換向閥; 6、7、14、15、16、17-單向閥; 8、9、10、11-液控單向閥; 12、13-增壓缸; 18、21-壓力傳感器; 19、20-壓力表; 22-加載液壓缸/被試液壓缸

圖2 測(cè)控系統(tǒng)組成

6)外加載系統(tǒng)是在原有試驗(yàn)臺(tái)的基礎(chǔ)上升級(jí)改造完成。試驗(yàn)臺(tái)改造的重點(diǎn)是在原有實(shí)驗(yàn)臺(tái)的基礎(chǔ)上，通過(guò)增設(shè)增壓系統(tǒng)，使改造后的試驗(yàn)臺(tái)具有超高壓能力，系統(tǒng)經(jīng)過(guò)增壓后的壓力可達(dá)到52MPa 左右[6]。原試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)由主動(dòng)力源、油路接口、壓力檢測(cè)元件、輔助油路系統(tǒng)組成，其系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

原試驗(yàn)臺(tái)改造后，試驗(yàn)臺(tái)既能夠作為冶金缸試驗(yàn)臺(tái)的外加載部分使用，又能夠作為超高壓缸的內(nèi)加載試驗(yàn)臺(tái)，改造后的超高壓試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)原理圖如圖4所示。

最終確定的液壓系統(tǒng)原理圖見(jiàn)圖5。

圖3 原液壓缸試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)原理圖

1-工業(yè)制冷機(jī); 2-控制泵組; 3-高壓泵組; 4、5-低壓泵組; 6-循環(huán)泵組; 7、8、9、10-電磁溢流閥; 11、12、13、14-電磁換向閥; 15、16-電液換向閥; 17、18-被試液壓缸

圖4 外加載系統(tǒng)液壓系統(tǒng)原理圖

1-工業(yè)制冷機(jī); 2-控制泵組; 3-高壓泵組; 4、5-低壓泵組; 6-循環(huán)泵組; 7、9、10-電磁溢流閥; 8-先導(dǎo)式比例溢流閥; 11、12、13、14-電磁換向閥; 15、16-電液換向閥; 17、18-增壓缸; 19-加載液壓缸/被試液壓缸

圖5 系統(tǒng)原理圖

1-控制泵; 2-合流泵; 3-電磁溢流閥; 4-電比例溢流閥; 5-壓力表; 6-單向閥; 7、8-電磁換向閥; 9-液控單向閥; 10-增壓缸; 11-單向閥; 12-壓力表; 13-油路塊; 14-冷卻器; 15-乳化液泵; 16-電機(jī); 17-冷卻器; 18-電比例溢流閥; 19-十四孔閥; 20-增壓缸; 21-單向閥; 22-節(jié)流閥; 23-液控單向閥; 24-壓力表; 25-油路塊; 26-壓力傳感器

4 關(guān)鍵元件計(jì)算選型

4.1 泵和電機(jī)

泵采用BRW80/20型柱塞泵。該泵由兩泵一箱組成，一臺(tái)使用，一臺(tái)備用，如工作需要，也可兩臺(tái)泵同時(shí)使用。電機(jī)采用配套的三相異步電動(dòng)機(jī)。相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表1。

表1 泵技術(shù)參數(shù)

4.2 電控比例溢流閥的選型

選擇液壓閥主要根據(jù)閥的工作壓力和通過(guò)閥的流量。本系統(tǒng)最大工作壓力在52MPa左右；據(jù)試驗(yàn)臺(tái)BRW80/20型乳化液柱塞泵的技術(shù)參數(shù)知，其額定壓力為20MPa，額定流量為80L/min。

據(jù)此，本試驗(yàn)臺(tái)加載系統(tǒng)采用北京華德液壓閥分公司生產(chǎn)的型號(hào)為DBE10-30B/315YV的先導(dǎo)式比例溢流閥，其技術(shù)性能參數(shù)見(jiàn)表2；樣本曲線如圖6和圖7。

表2 比例溢流閥技術(shù)性能參數(shù)

圖6 最低設(shè)定壓力與流量關(guān)系樣本曲線

4.3 增壓缸的設(shè)計(jì)

增壓缸為自行設(shè)計(jì)加工制造。增壓缸是由大徑為D小徑為d的復(fù)合缸筒，以及具有特殊結(jié)構(gòu)的復(fù)合活塞等部件組成的，它能夠?qū)⑤斎氲妮^低壓力的液壓油轉(zhuǎn)變?yōu)楦邏河停员愎┮簤合到y(tǒng)中某支油路的使用，其示意圖如圖8所示。

圖7 工作壓力與流量關(guān)系樣本曲線

圖8 增壓缸示意圖

在圖8中，若增壓缸大端的輸入壓力為P1，小端的輸出壓力為P2，而且不計(jì)阻力的情況下，則根據(jù)力學(xué)平衡關(guān)系有

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，加載缸要求的加載力F=1950kN，已知加載缸活塞直徑R=220mm，則加載缸進(jìn)油腔油液壓力

即要求增壓缸的增壓腔壓力要能達(dá)到52MPa以上。自行設(shè)計(jì)制造了增壓缸，增壓缸裝配圖如圖9所示，根據(jù)增壓缸結(jié)構(gòu)尺寸算得增壓比K為

最終算得增壓缸尺寸參數(shù)如表3所示，三維模型圖如圖10所示。

4.4 液控單向閥

選擇液壓閥主要根據(jù)閥的工作壓力和通過(guò)閥的流量。本系統(tǒng)最大工作壓力在52MPa左右；據(jù)試驗(yàn)臺(tái)BRW80/20型乳化液柱塞泵的技術(shù)參數(shù)知，其額定流量為80L/min。

圖9 增壓缸裝配圖

圖10 增壓缸三維模型圖

參數(shù)名稱參數(shù)值低壓腔缸筒內(nèi)徑/mmΦ200低壓腔缸筒外徑/mmΦ240高壓腔缸筒內(nèi)徑/mmΦ125高壓腔缸筒外徑/mmΦ156活塞桿內(nèi)徑/mmΦ90活塞桿外徑/mmΦ120

因而選擇北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為FDY125/50液控單向閥，其技術(shù)性能參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 單向閥主要技術(shù)性能參數(shù)

4.5 壓力傳感器

選擇德國(guó)博德公司型號(hào)為17.600G-6003-R-1-5-M00-300-P-000的壓阻式壓力傳感器，其技術(shù)性能參數(shù)見(jiàn)表5。

表5 傳感器主要技術(shù)性能參數(shù)

5 工程實(shí)踐

系統(tǒng)的操作界面如圖11所示。

圖11 系統(tǒng)操作界面

對(duì)缸徑φ200mm、有效行程為1009mm、額定壓力為23MPa的立柱冶金缸進(jìn)行測(cè)試。

5.1 空載行程

調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力，全行程反復(fù)運(yùn)動(dòng)數(shù)次，并通過(guò)位移傳感器將活塞極限位置記入到行程長(zhǎng)度。多次測(cè)量取平均值，得到測(cè)試結(jié)果1009mm，如圖12所示。

圖12 空載行程試驗(yàn)

5.2 啟動(dòng)壓力特性試驗(yàn)

在無(wú)負(fù)載工況下，調(diào)整電比例溢流閥從零開(kāi)始加壓，使無(wú)桿腔壓力逐漸升高，至冶金缸起動(dòng)時(shí)，記錄下的起動(dòng)壓力即為最低起動(dòng)壓力。

5.3 低壓密封性能試驗(yàn)

設(shè)定保壓時(shí)間，在最低啟動(dòng)壓力下開(kāi)始保壓，在保壓時(shí)間過(guò)后記錄到終止壓力。

5.4 高壓密封性能試驗(yàn)

將立柱冶金缸活塞分別停在行程的兩端，調(diào)整電比例溢流閥旋鈕向立柱冶金缸工作腔施加1.5倍的壓力即23MPa×1.5=35MPa左右壓力，保壓3min，記入到終止壓力。測(cè)試冶金缸初始?jí)毫?5.2MPa，終止壓力為35.1MPa，如圖13所示。

圖13 高壓活塞桿腔密封性能試驗(yàn)

5.5 強(qiáng)度試驗(yàn)

1)用0.8倍的額定工作壓力使立柱冶金缸全部外伸，將壓力腔閉鎖，外加載所需壓力的壓載1次3min，在3min內(nèi)做密封性能試驗(yàn)。

圖14 增壓缸無(wú)桿腔歷史曲線

2)試驗(yàn)時(shí)，給系統(tǒng)一個(gè)階躍信號(hào)，檢測(cè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，然后進(jìn)行保壓試驗(yàn)，當(dāng)保壓3min后，逐漸升高溢流閥的壓力檢驗(yàn)試驗(yàn)臺(tái)所能達(dá)到的最高壓力。試驗(yàn)過(guò)程中增壓缸無(wú)桿腔壓力歷史曲線如圖14所示。

3)從以上實(shí)驗(yàn)曲線中可以看到，在0～3s，系統(tǒng)壓力迅速達(dá)到52MPa；10s～200s，系統(tǒng)處于保壓階段，壓力平穩(wěn)，說(shuō)明保壓效果較好，此時(shí)溢流閥顯示壓力22.5MPa；200s～230s時(shí)，壓力逐漸升高，系統(tǒng)壓力從52MPa平穩(wěn)上升到55MPa以后，系統(tǒng)仍能穩(wěn)定工作。

4)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析總結(jié)，得出如下結(jié)論：

(1)系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)中能夠達(dá)到設(shè)計(jì)的52MPa的壓力要求，并且能在壓力值為52MPa時(shí)進(jìn)行保壓試驗(yàn)。

(2)當(dāng)壓力達(dá)到55MPa時(shí)，系統(tǒng)仍可正常工作，說(shuō)明系統(tǒng)最大的實(shí)際工作壓力大于設(shè)計(jì)的52MPa，有一定的設(shè)計(jì)余量，進(jìn)而說(shuō)明試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)是合理的。

6 結(jié)論

試驗(yàn)臺(tái)依據(jù)現(xiàn)行的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)改造設(shè)計(jì)了增壓系統(tǒng)，滿足試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)的高壓要求。通過(guò)加載液壓缸和比例加載系統(tǒng)，減少裝機(jī)功率同時(shí)滿足試驗(yàn)缸測(cè)試時(shí)對(duì)加載力的需求。通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與記錄。該試驗(yàn)臺(tái)滿足高壓長(zhǎng)行程不同尺寸和不同噸位的冶金缸的測(cè)試需求，對(duì)于其他產(chǎn)品測(cè)試試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)也有一定的借鑒意義。

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[7]起草單位：北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所，哈爾濱工業(yè)大學(xué)，主要起草人：趙受琳，劉新德，姜繼海.全國(guó)液壓氣動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB/T 15622-2005液壓缸試驗(yàn)方法[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社.2005.

Test-bed Design and Analysis for the Metallurgy Hydraulic Cylinder

Wang Songjun1Xie Yongyang2,3Zhao Jingyi2,3Zhang Tiejian2,3Zhang Lan2,3

(1:Hebei Iron and Steel Group Chengde Branch, Chengde 067102；2:Hebei provincial key laboratory of Heavy Machinery Fluid Power Transmission and Control,Yanshan University, Qinhuangdao 066004; 3:Key Laboratory of Advanced Forging & Stamping Technology and Science, Yanshan University,Qinhuangdao 066004)

The metallurgy hydraulic cylinder test bed was designed according to hydraulic cylinder test standard. The stroke of load cylinder of this test bed is 1600mm and rated pressure is 34MPa. It was designed for the type test of cylinder for metallurgy with different size and tonnage which the maximum cylinder diameter is 400mm; the longest stroke is 3000mm and the maximum rated pressure is 34MPa. In order to decrease the equipped power and to reduce the power loss of this system, the test bed used the pressurization system and proportional loading system. The following test can be conducted, including: No-load running test, start-up pressure characteristic test, the low/high pressure seal test and strength test, etc. Practice has proved that the design of the test machine is successful by using the machine in the real test of passes hoisting jack diameter of φ200mm.

Cylinder test bed High pressure Pressurization system Proportional loading

王松軍，男，1970年出生，1991年畢業(yè)于吉林電氣化專科學(xué)校，大專，現(xiàn)在在河北鋼鐵集團(tuán)承德分公司熱軋卷板事業(yè)部從事設(shè)備管理工作

TH137.51

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10.3969/j.issn.1001-1269.2015.05.008

2015-04-16)