可調液壓缸試驗臺設計及結構優化

鐘坤，張衛，馬宇辰，吉倩

(南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094)

0 引言

液壓缸作為液壓系統的重要執行元件，其性能直接影響液壓系統的工作性能，不合格的液壓缸將造成工程上的故障甚至事故，因此液壓缸的檢測環節非常重要。

目前，國內研制的液壓缸試驗臺存在著一定的問題[1-2]，如呂少力[3]等設計了一種能夠在三維空間對液壓缸加載的試驗臺，但實際的操作性較差，液壓缸在三維空間不便于安裝且難以實現穩定加載；史俊青等人[4]設計了2種可以側向加載的液壓缸試驗臺，模擬液壓缸在實際工況中收到的側向力，但試驗臺架體積過大，非常笨重； 李文新[5]設計了一種集成化的液壓系統，并進行了電液比例系統建模與仿真分析，但其液壓系統中采用單泵供油，造成了能源浪費。

本文針對企業需求設計一種液壓缸綜合性能測試試驗臺，通過對試驗臺架進行仿真校核和輕量化的優化，降低了液壓系統的能耗和臺架質量，提高了臺架測試性能，不僅可以完成型式試驗，且易于安裝拆卸，能完成多種型號規格液壓缸的測試。

1 總體方案設計

液壓缸綜合性能試驗臺的設計要求如下：

1) 能夠完成試運行、啟動壓力、內外泄漏、負載效率、行程測試、耐壓、耐久、緩沖等各種型式的實驗。

2) 滿足被測試液壓缸行程420～600mm，最大型號液壓缸缸徑40～63mm，額定最大工作壓力20MPa。

3) 能夠完成GB/T15622-2005《液壓缸試驗方法》規定的型式試驗，測試精度不低于國家標準B級精度。

總體設計方案如圖1所示，分為液壓試驗系統設計和試驗臺架結構設計。試驗臺架作為被試缸和加載缸的搭載平臺，在保證測試精度的基礎上，通過液壓系統驅動液壓缸的運動，為液壓缸提供不同的流量和壓力，來控制液壓缸運行的速度和加載力，從而保證液壓缸在臺架上正常運行，同時可以通過壓力表實時監測壓力，并通過臺架的結構調整和臺架與液壓缸的安裝關系保證液壓缸的全行程運動[6]。

2 試驗臺液壓系統設計

液壓系統的設計是要能夠完成國家標準和行業標準所規定的型式試驗[7]，為使液壓系統簡單實用，采用模塊化和集成化的設計，液壓系統主要由圖2中3個模塊組成。

M1、M2、M3—機泵組；1—空氣濾清器；21—加熱器；10—過濾器；2、6、7、9、11、22、24、33、34、42、43、51、52—截止閥； 8—蓄能器；3、12、13、15、16、23、25、29、32、45、46、49、50—單向閥；5、41、54—比例溢流閥；4、19、40、53—先導溢流閥；14、26、30、31、47、48—壓力計； 35、36、38、39—壓力傳感器；28—電液比例換向閥；27—比例調速閥；20、44—電磁換向閥圖2 液壓系統原理圖

1) 被試缸子液壓系統：電液比例換向閥28同時控制被試缸的往復換向和系統的流量，在進油路接上電液比例調速閥27，通過給定電流信號調節比例調速閥使開口由最大逐漸變小，被試液壓缸無桿腔壓力逐漸增大，進而得到啟動壓力，實驗證明這種方法測量啟動壓力平穩準確。

2) 加載缸子液壓系統：三位四通電磁換向閥44實現加載缸的往復換向，先導溢流閥40、53和比例溢流閥41、54調節加載液壓缸有桿腔和無桿腔壓力，主要測試被試缸的負載效率和泄漏量。

3) 主油路液壓系統中，先導溢流閥4和比例溢流閥5調節被試液壓缸的壓力，蓄能器8為被試液壓缸補油，高壓小流量變量泵M1和低壓大流量變量泵M2為被試液壓缸供油，根據不同測試項目選擇不同變量泵供油，節約能源。變量泵23為加載缸供油。配備壓力表便于測試系統壓力。

3 實驗臺架結構初步設計

該臺架結構具體如圖3所示，橫梁2和支腿3作為安裝底架，橫梁長2 800mm，寬650mm。被試缸支撐座1用于安裝被試液壓缸，根據缸徑和行程大小調整支撐座5的位置(支撐座5在實際裝配時通過螺釘與橫梁2連接)，可以對行程為420mm～600mm的液壓缸進行測試。安裝有圓柱形滑動導軌8，通過滑動導軌8和導向軸6保證被試液壓缸和加載液壓缸的同軸度。加載缸支撐座5固定在橫梁上，安裝加載液壓缸。拉壓力傳感器安裝在中間連接板4上，固定被試缸和加載缸的活塞桿，同時測試拉壓力。

試驗臺架用于安裝被試液壓缸和加載液壓缸，不僅要滿足多種行程液壓缸測試要求，易于裝拆液壓缸，還要滿足剛度要求，結構輕便，節約材料。

1—被試缸支撐座；2—橫梁；3—支腿；4—中間連接板；5—加載缸支 撐座；6—導向軸；7—被試液壓缸；8—圓柱導軌；9—加載液壓缸圖3 試驗臺架三維圖

4 臺架結構強度分析與優化

4.1 強度校核

取最大缸徑液壓缸校核，液壓缸公稱壓力為20MPa，實驗過程中液壓缸產生的壓力很大，最大壓力取公稱壓力的1.5倍，考慮到沖擊等不確定因素，在分析臺架受力時取最大壓力為32MPa，則所承受的最大壓力為：

其中D為被試缸最大缸徑，mm。

為保證實驗臺架在實驗過程中的安全性，必須對試驗臺架進行強度分析。在AnsysWorkbench中對試驗臺架進行整體受力有限元分析(圖4)[8]，忽略小的倒角和螺紋孔。材料為45鋼：密度ρ為7.89kg·m-3，彈性模量E為2.09e+5MPa，泊松比u為0.269。所有零部件均為六面體網格。將導向軸和被試液壓缸支撐座之間、導向軸和加載缸支撐座之間的接觸設置為No Seperation，其余各零部件之間的接觸設置為Bonded。對被試液壓缸支座和加載缸支座同時施加集中力載荷Force=99 752 N。對于45鋼選取安全系數為2，則各組件要滿足σmax≤σ=σs/s=355÷2=177.5MPa,為滿足強度要求。圖4中最大應力36.288MPa<177.5MPa,底座支撐部分滿足許用抗拉強度，而且安裝了直線導軌，壓力不會發生軸線偏斜。

圖4 試驗臺架等效應力圖

4.2 輕量化設計

以上設計過于保守，導致材料浪費，所以對臺架進行了輕量化設計。采用ANSYS Workbench中的Shape Optimizaition模塊對臺架進行拓撲優化設計。為保證結構的強度，在拓撲優化中建立的數學模型如下:

Find:V=v1,v2,v3,...,vn

minMV=ρV

s.t.σ-σ≤0

式中，V為臺架的體積，M為臺架的質量，σ為臺架承受的最大應力，v1,v2,v3...vn為臺架各組成部分的體積。

以臺架質量減輕30%為優化目標，對臺架進行拓撲優化，優化結果如圖5所示,可以對試驗臺架橫梁和支腿的肋板多余的部分在尺寸上改進，減小被試缸和加載缸的支座體積，得到優化的試驗臺架強度校核結果如圖6，臺架優化前后質量和最大應力對比見表1，優化后的試驗臺架質量減輕了13.0%，且依然滿足強度要求。

表1 臺架優化前后對比

圖5 試驗臺架拓撲優化結果

圖6 優化后的試驗臺等效應力圖

5 結語

設計的液壓缸綜合性能測試試驗臺架試運行表明：采用模塊化、集成化的液壓系統可根據不同實驗流量和壓力大小不同采用雙泵供油，節約能耗；采用電液比例調速閥改進啟動壓力試驗，提高測量準度。試驗臺架結構輕便合理，適用范圍廣，能夠滿足不同缸徑液壓缸的測試。通過ANSYS Workbench對臺架成功地進行了輕量化改進，并通過了強度校核，減輕了13%的質量。總體布局合理，便于操控和檢修。

參考文獻:

[1] 彭熙偉. 液壓缸綜合性能試驗臺設計[J]. 液壓與氣動,2011(11):93-94.

[2] 陳東寧, 徐海濤, 姚成玉. 大缸徑長行程液壓缸試驗臺設計及工程實踐[J]. 機床與液壓,2014, 42(3): 79-84.

[3] 呂少力, 王保相. 一種創新的液壓缸加載試驗臺的液壓系統設計[J]. 液壓與氣動, 2012(7): 28-29.

[4] 史俊青, 孫政, 王連洪, 等. 液壓缸性能測試試驗臺的研究[J]. 工程機械, 2006(2): 41-44.

[5] 李文新. 液壓缸綜合性能檢測技術的理論研究與系統開發[D]. 合肥: 合肥工業大學碩士學位論文, 2009.

[6] 王新民, 方巧軍, 王紀森. 一種液壓缸耐久試驗臺的設計[J]. 機床與液壓, 2012, 40(14): 59-61.

[7] 雷天覺. 新編液壓工程手冊[M]. 北京：北京理工大學出版社，1998.

[8] 馮炳儒. 液壓缸試驗臺加載平臺的有限元分析[D]. 沈陽: 沈陽工業大學碩士學位論文, 2012.