雙作用安全閥調(diào)壓試驗臺設(shè)計

江代祥

（廣西柳工機(jī)械股份有限公司，廣西柳州545007）

0 引言

液壓系統(tǒng)的各種元件在裝配或維修后都需要進(jìn)行性能試驗，尤其是液壓閥為了達(dá)到預(yù)期的方向控制、流量控制、壓力控制等功能必須進(jìn)行試驗，以保證其使用性能。

大小腔雙作用安全閥（結(jié)構(gòu)和原理圖詳見圖1、圖2）是裝載機(jī)工作裝置液壓系統(tǒng)中分配閥上關(guān)鍵的液壓閥部件之一，其主要功能主要是對轉(zhuǎn)斗油缸壓力過載溢流保護(hù)和真空補(bǔ)油防止“氣穴”現(xiàn)象。補(bǔ)油單向閥主要通過單向閥和壓緊閥芯的彈簧構(gòu)成，不需要調(diào)整；壓力保護(hù)主要由溢流閥調(diào)定，大小腔雙作用安全閥的溢流閥重新裝配或維修后都需要重新調(diào)定。

圖1 閥結(jié)構(gòu)圖

圖2 閥原理圖

本文主要對雙作用安全閥的溢流閥壓力調(diào)定試驗臺系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。

1 試驗臺設(shè)計步驟

液壓試驗臺系統(tǒng)設(shè)計需要了解被試液壓元件要求，設(shè)計液壓試驗的液壓系統(tǒng)，需要考慮測試的參數(shù)和性能。液壓系統(tǒng)的設(shè)計流程并無嚴(yán)格的順序，各步驟間往往要相互穿插進(jìn)行[1]。在明確設(shè)計要求之后，設(shè)計流程如下：確定液壓執(zhí)行元件的型式、進(jìn)行工況分析、確定系統(tǒng)的主要參數(shù)、制定基本方案擬定液壓系統(tǒng)原理圖、選擇液壓元件、液壓系統(tǒng)的性能驗算、繪制工作圖、編制技術(shù)文件。

以上步驟在試驗臺設(shè)計都會涉及到，本文參照以上流程主要圍繞以下幾個方面進(jìn)行：大小腔雙作用安全閥參數(shù)確定、試驗方案分析和系統(tǒng)原理圖確定、液壓元件選擇和設(shè)計計算等。

2 大小腔雙作用安全閥主要試驗參數(shù)

2.1閥主要參數(shù)

大小腔雙作用安全閥在設(shè)計時就已經(jīng)確定，只需要對其制造和維修后采用一定的試驗方法調(diào)整以保證其參數(shù)性能即可，閥的參數(shù)詳見表1.

表1 安全閥性能參數(shù)

2.2各參數(shù)說明

閥本身參數(shù)主要有5項，流量范圍、公稱流量、公稱壓力、壓力振擺、內(nèi)泄漏量等。對于雙作用安全閥來說，公稱壓力是需要在公稱流量條件下通過試驗調(diào)整而來；壓力振擺主要衡量被試的雙作用安全閥彈簧和閥本身零件質(zhì)量的參數(shù)，如果振擺出現(xiàn)異常，通常反應(yīng)被試雙作用安全閥可能存在問題，用以評價閥質(zhì)量的一項指標(biāo)。內(nèi)泄漏量內(nèi)泄漏不僅會降低液壓系統(tǒng)的效率和引起發(fā)熱而造成能源耗損，而且會影響執(zhí)行機(jī)構(gòu)的正常工作，安全閥在試驗過程中保壓試驗，由于保壓過程存在液壓油從溢流閥泄油以及泵的運(yùn)行等，都容易造成溫度升高，需要進(jìn)行熱平衡計算，由于熱平衡系統(tǒng)屬于試驗設(shè)備其他附屬系統(tǒng)，僅提出指導(dǎo)性要求，在文中不做設(shè)計計算。

3 試驗臺系統(tǒng)分析和設(shè)計計算

3.1大小腔雙作用安全閥試驗方案分析

根據(jù)雙作用安全閥的參數(shù)要求，雙作用安全閥作為被試閥試驗臺需要的功能包括提供滿足試驗壓力和流量的液壓油。試驗臺主要組成部分包含滿足液壓試驗的動力裝置（電機(jī)、泵）、控制液壓油通斷的方向控制閥、系統(tǒng)安全閥、流量計、油箱、附屬油管和接頭等。大體方案如下：應(yīng)用電機(jī)帶動泵供油，泵出油到方向控制閥給被試的雙作用安全閥供油，泵出口附近設(shè)置系統(tǒng)安全閥，安全閥壓力設(shè)定高于被試閥的調(diào)定壓力，同時起到系統(tǒng)負(fù)載的作用，通過液壓管路和接頭等把系統(tǒng)個部件連接起來形成完整的試驗系統(tǒng)。

3.2試驗系統(tǒng)原理圖確定

根據(jù)試驗系統(tǒng)方案分析，考慮到安全閥試驗的效率問題，因此選擇方向控制閥時一次裝夾可以實(shí)現(xiàn)輪流測試兩套安全閥的目的，采用三位四通手動換向閥作為系統(tǒng)方向控制閥，試驗液壓系統(tǒng)原理圖詳見圖3.

圖3 試驗液壓系統(tǒng)原理圖

3.3液壓元件選擇和設(shè)計計算

試驗臺液壓系統(tǒng)元件的選擇是在滿足系統(tǒng)壓力、流量和相應(yīng)功能的基礎(chǔ)上確定，因此，需要根據(jù)實(shí)際被試閥的參數(shù)計算出需要選擇的液壓元件的參數(shù)。相應(yīng)的設(shè)計計算如下：

3.3.1液壓泵的選擇

1）確定液壓泵的最大工作壓力pp

pp≥ p1+∑△p

式中：p1為被試閥的最大工作壓力（MPa）；∑△p為從液壓泵出口到被試閥入口之間的管路損失被試閥要求的壓力p1=20 MPa，根據(jù)機(jī)械設(shè)計手冊：管路簡單、流速不大的，取∑△p=0.2～0.5 MPa；管路復(fù)雜、串聯(lián)有調(diào)速閥的，取∑△p=0.5～1.5 MPa.根據(jù)圖2及被試閥參數(shù)，試驗液壓系統(tǒng)管路簡單，只有流量計和方向控制閥，因此取∑△p=0.4 MPa.

液壓泵的最大工作壓力：pp=20+0.4=20.4 MPa

2）確定液壓泵的流量

qvp≥ K（∑qvmax）

式中：K為系統(tǒng)泄漏系數(shù)，一般取K=1.1～1.3，取K=1.2；系統(tǒng)中主要工作元件為被試閥，被試閥的最大流量87 L/min，額定流量38 L/min，∑qvmax取87 L/min，qvp=1.2×87=104.4 L/min.

3）根據(jù)壓力和流量選擇泵，根據(jù)最大工作壓力20.4 MPa，同時考慮泵有一定的壓力儲備泵的額定壓力一般比最大工作壓力大25%～60%，因此選擇泵的額定壓力20.4×1.3=26.52 MPa，外嚙合齒輪泵難以滿足壓力要求，選擇內(nèi)嚙合齒輪泵NB5-G100F，額定壓力25 MPa（與計算額定壓力接近），最高壓力32 MPa（壓力儲備足夠）。在額定壓力下泵，流量最大150 L/min，滿足使用要求。

3.3.2電機(jī)功率的確定

在雙作用安全閥試驗過程中泵的壓力和流量的變化比較恒定，電機(jī)功率確定主要跟泵最大工作壓力、最大流量及泵的總效率有關(guān)，因此采用如下公式計算：

式中：pp為泵最大工作壓力（Pa）；qvp為泵的流量（m3/s）；ηp為液壓泵的總效率。參照機(jī)械設(shè)計手冊齒輪泵總效率0.6～0.7，取ηp=0.65，則

電機(jī)一般情況下允許短時間超載25%，試驗只有在保壓試驗時持續(xù)30 s，而且試驗時使用的流量沒有到被試閥的最大流量104.4 L/min，而實(shí)際使用流量只有38 L/min，電機(jī)的功率還可以更小，即

P=54.6÷1.25=43.68 kW，查電動機(jī)樣本，選用45 kW的電機(jī)滿足功率要求。

3.3.3方向控制閥和溢流閥選擇

方向控制閥根據(jù)系統(tǒng)工作壓力和通過閥的最大流量選擇，系統(tǒng)最大工作壓力20.4 MPa，被試閥實(shí)際需要流量38 L/min，考慮系統(tǒng)泄漏等損失，按照計算的最大流量104.4 L/min，綜合考慮選擇流量范圍40～100 L/min的WMM型帶有定位功能的手動換向閥，壓力32 MPa，通徑16 mm，能滿足基本的使用要求。

溢流閥根據(jù)液壓泵的最大流量選擇，泵最大流量150 L/min，同時考慮系統(tǒng)壓力，選擇DBD型直動式溢流閥，壓力調(diào)整范圍2.5～63 MPa，額定流量330 L/min滿足系統(tǒng)安全閥的要求。

3.3.4液壓油管及油箱設(shè)計

1）管道內(nèi)徑計算

液壓管道在液壓系統(tǒng)中的作用，主要是連接泵、閥、缸等液壓元件，構(gòu)成液壓油傳輸回路，實(shí)現(xiàn)液壓能的傳遞[1]。本液壓試壓臺管路相對簡單，主要分為吸油管路、壓油管路、排油管路，根據(jù)三種不同管路按照流速不同選取。主要計算依據(jù)：

式中：d為管道內(nèi)徑（mm）；qv為系統(tǒng)液體流量（m3/s）；v為流速（m/s）。參照設(shè)計手冊，推薦流速，吸油管取1～2 m/s（一般取1 m/s以下）；對于壓油管取3～6 m/s；對于回油管取1.5～2.5 m/s.液壓系統(tǒng)管路內(nèi)徑計算及參照管路內(nèi)徑標(biāo)準(zhǔn)系列取值如下表2.

表2 管路內(nèi)徑取值

2）油箱設(shè)計計算

V=aqv

式中：qv為泵每分鐘排出壓力油的容積（m3）；a為經(jīng)驗系數(shù)。參照設(shè)計手冊試驗臺屬于中壓系統(tǒng)，取a=6.

已知泵的總流量150 L/min，泵每分鐘排出液壓油的體積0.15 m3，算得有效容積：

V=6×0.15=0.9 m3

經(jīng)過計算液壓系統(tǒng)需要有效容積達(dá)到0.9 m3，在確定油箱尺寸時，一方面需要滿足系統(tǒng)供油要求，還要保證執(zhí)行元件全部排油時，油箱中的油液不能溢出，以及系統(tǒng)中最大可能充滿油時，油箱的油位不能低于最低限度[1]。

3.3.5流量計、壓力表和濾油器選擇

流量計在系統(tǒng)中需要檢測兩個流量，一是檢測流入被試閥的額定流量，二是閥在進(jìn)行保壓時的內(nèi)泄漏流量。測量額定流量的流量計設(shè)置在泵出油口和方向控制閥之間，用于檢測流入被試閥的額定流量38 L/min，要求滿足額定壓力20 MPa的耐壓要求；測量被試閥內(nèi)泄漏的流量計設(shè)置在被試閥出油口后端，需要設(shè)置切斷閥（低壓球閥），在保壓過程中開啟，其他情況下關(guān)閉，滿足30 ml/min以下內(nèi)泄漏檢測精度的要求，因為測內(nèi)泄漏的流量計量程小，在不保壓試驗的情況下切斷閥處于關(guān)閉狀態(tài)，防止系統(tǒng)回油超過流量計量程而損壞。由于流量計量程小，精度要求高，也可選擇量杯作為測量的手段，以降低流量計投入的成本。

壓力表主要檢測系統(tǒng)壓力，在進(jìn)行被試閥保壓操作時監(jiān)測額定壓力值，壓力不足或壓力過高，需要進(jìn)行被試閥壓力進(jìn)行調(diào)整，是檢測壓力最關(guān)鍵的儀表，根據(jù)被試閥壓力20 MPa，精度達(dá)到0.5 MPa的要求選取。考慮到系統(tǒng)試驗時存在一定的液壓沖擊，選擇耐震型壓力表。

濾油器分為吸油濾和回油率，根據(jù)液壓系統(tǒng)清潔度和過濾精度推薦要求，試驗系統(tǒng)要求達(dá)到NAS1638標(biāo)準(zhǔn)9級，過濾精度20 μm，流量大于實(shí)際流量2倍以上，被試閥額定流量38 L，因此流量大于76 L以上即可，根據(jù)濾油器規(guī)格選通流量100 L的濾油器。

流量計、壓力表和濾油器的選擇如下表3.

表3 流量計、壓力表、濾油器選擇

3.3.6 試驗臺設(shè)計的其他輔助功能考慮

經(jīng)過對雙作用安全閥試驗系統(tǒng)分析和設(shè)計計算，確定了系統(tǒng)的主要部件及其參數(shù)，在手動操作情況下已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)雙作用安全閥的出廠調(diào)壓試驗。隨著技術(shù)的進(jìn)步，許多液壓系統(tǒng)要求流量和壓力能夠連續(xù)地或按比例地隨輸入信號的變化而變化，比例控制閥簡稱比例閥，是一種按輸入的電信號連續(xù)按比例對油液的壓力、流量和方向進(jìn)行遠(yuǎn)距離控制的閥。工作時，將手動調(diào)節(jié)的普通閥改為電動調(diào)節(jié)，并使被調(diào)整的參數(shù)和給定的電流成一定比例[2]。通過電信號控制閥的使用，可以使液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制集中到電控操作臺上，如試驗系統(tǒng)溢流閥采用比例溢流閥就可以通過電控直接設(shè)定系統(tǒng)壓力值，而不需啟動系統(tǒng)手動對直動溢流進(jìn)行壓力設(shè)定。因此，后續(xù)在提高系統(tǒng)自動化上可以增加電磁閥、電比例閥及采用PLC控制實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)試驗自動運(yùn)行，可以提高效率，降低勞動強(qiáng)度。

液壓系統(tǒng)的無功損耗都將變成熱能，使系統(tǒng)溫度升高。而工作液的性能與溫度有著密切的關(guān)系，高溫會加速液體的老化，誘發(fā)各種故障，影響液壓元件的使用壽命和系統(tǒng)工作的可靠性[3]。在做試驗過程中，油液溫度的變化對油液產(chǎn)生影響，溫升容易造成油液粘度變化，加速變質(zhì)老化，溫度過低對油液的粘度也有影響。因此，試驗臺最好還能配備熱平衡系統(tǒng)，保持系統(tǒng)油液溫度的相對恒定，系統(tǒng)檢測的數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確和系統(tǒng)功能就更加完善。試驗臺照片如圖4所示。

（續(xù)下圖）

（接上圖）

圖4 試驗臺照片

4 結(jié)束語

經(jīng)過對雙作用安全閥的試驗臺進(jìn)行設(shè)計計算，確定了進(jìn)行試驗需要的液壓系統(tǒng)方案，并對試驗臺電機(jī)、泵、液壓方向控制、壓力控制、管路和油箱等構(gòu)成試驗臺主要的元件進(jìn)行計算和選型，確定了試驗臺液壓系統(tǒng)需要滿足的各項技術(shù)參數(shù)，并對試驗臺輔助熱平衡系統(tǒng)和控制系統(tǒng)提出了指導(dǎo)性的要求，基于這些技術(shù)依據(jù)，我公司在一臺泵試驗臺的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，配備相應(yīng)的液壓元件如方向控制閥、溢流閥、壓力表、油管、接頭等元件，流量計采用量杯法手動測量內(nèi)泄漏，最后改造成為可以進(jìn)行雙作用安全閥試驗的試驗系統(tǒng)，試驗系統(tǒng)臺簡單實(shí)用，經(jīng)過對多套雙作用安全閥調(diào)壓試驗驗證，各項要求都能達(dá)到設(shè)計預(yù)期，可為其他類似閥試驗系統(tǒng)設(shè)計提供參考。

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