一種單向閥試驗臺的設計

(哈威油液壓技術(上海)有限公司， 上海 201206)

引言

隨著物流業的快速發展，叉車在物流業里發揮著巨大作用，而單向閥[1-2]在叉車液壓系統里扮演重要角色。作為叉車液壓系統中的關鍵部件，其性能的優劣、工作可靠性的高低直接影響到叉車的整體性能質量，所以對此單向閥的性能測試就顯得尤為重要[3]。

為了測試單向閥的綜合性能，大量的文獻從不同角度對其進行了理論分析和性能測試。文獻[4] 模擬了液控單向閥卸載時的壓力分布、速度分布矢量圖和帶有速度分布矢量的壓力分布圖，分析了空化旋渦產生和影響，優化了孔道設計，為液控單向閥的設計提供了理論依據；文獻[5]論證了單向閥密封測試的重要性，設計了一種用于單向閥密封測試的裝置；文獻[6] 針對高壓調節閥使用壽命偏低的問題，討論多級降壓結構對閥門性能的影響，為高壓閥芯的優化設計提供了參考；文獻[7] 開發了采用PLC與步進電機控制的測試工裝，介紹該測試工裝的結構、工作原理和控制要求；文獻[8]研究了一種利用永磁材料的單向閥，分析了單向閥的開啟流量壓力特性， 壓差流量特性。在已有的研究中，大都聚焦于分析單向閥的性能測試以及單向閥的單一性能測試，針對單向閥的大批量出廠檢驗測試所要求的快速與穩定測試細節，還沒有提及。

此試驗臺是為了滿足某單向閥生產企業的實際生產要求，針對單向閥的大批量出廠檢驗，從設計依據、測試液壓原理、總體結構、控制組成等多方面，對其進行分析論述[9-12]。同時試驗臺還要兼顧滿足生產效率、操作方便以及減少工作人員操作強度等要求。試驗臺實際運行半年以來，把測試效率提升了一倍，而且很好的控制了產品質量，檢出的不良品率控制在0.2%，滿足了企業生產需求，收到了較好的效果。

1 單向閥試驗臺的設計依據

1.1 單向閥結構原理

根據某生產廠家需求，此研究主要針對單向閥進行出廠性能測試。單向閥的連接方式是一款螺紋插裝閥，如圖1為叉車單向閥原理圖。

圖1 叉車單向閥原理圖

圖1中，單向閥有3個工作位置：左位、中位、右位；3個工作油口：P、A、R。右位是單向閥的初始位置，實現舉升負載功能；中位是單向閥供油壓力卸載功能和A口保持壓力功能；左位是單向閥的節流功能，實現負載快速或慢速下降功能，3個工作位置的切換由裝配在兩個鋼球之間的推桿行程決定。3個工作油口中，P口為高壓供油口，A口為工作油口，R口為低壓回油口。

1.2 試驗項目

依據單向閥的實際工況，需要對單向閥的各項性能進行測試，測試項目如下：

(1) 右位，測試A口的壓力和上置鋼球彈簧壓力，下置鋼球保壓功能；

(2) 中位，測試下置鋼球壓力卸載功能和上置鋼球保壓功能；

(3) 測試單向閥推桿行程；

(4) 左位，測試快速和慢速下降功能。

1.3 試驗主要技術要求

(1) 每個工作日每人測試數量不少于400 件；

(2) 上置單向閥彈簧壓力(1±0.2)MPa；

(3) 鋼球保壓性能不大于1 MPa/10 s；

(4) 推桿行程為(2±0.2)mm；

(5) 快速下降和慢速下降功能。

2 試驗臺的試驗原理和總體結構

2.1 保壓和推桿行程測試原理

在設計整體液壓原理前，首先需要解決2個重要參數的測試原理：保壓測試和推桿行程測試。

1) 保壓測試原理

保壓測試是單向閥性能測試的重要技術要求，需要考慮多種因素的影響，主要有以下4個方面：

(1) 電磁滑閥換向閥本身存在泄漏；

(2) 從閥連接到被測元件的連接管路短小，由于管路里的油液容積小，導致電磁閥換向的瞬間，管路壓力降低的數值較大；

(3) 負載端的穩態容腔小，很小的泄漏量就導致壓力變化很大，不能真實的反映被測試閥的保壓性能；

(4) 油液溫度的影響。

針對以上影響因素，給出了相應的解決方案：

(1) 選用G型電磁球閥，利用其零泄漏的特點，使其的泄漏量對保壓測試的影響降低到最小；

(2) 在電磁閥的壓力出口后端，增加單向止回閥，避免了電磁閥換向導致的壓力降；

(3) 在被測試元件負載端即A口端，安裝1個與提升缸的容腔容積近似的容腔，解決了小容積低泄漏導致的壓力變化；

(4) 配置油冷機，使油箱的油液溫度被控制在穩定的范圍內。

2) 推桿行程測試原理

當P口和A口的壓力為20 MPa時，步進電機進給，推動下置鋼球使P口的壓力降低0.3 MPa時，此位置為單向閥推桿初始位置，標記為行程零點；步進電機繼續進給，P口的壓力繼續降低，當步進電機推動上置鋼球使A口的壓力降低0.3 MPa時，此位置為單向閥推桿的工作位置，標記為行程終點。2個位置的差值就是單向閥頂桿的行程2 mm。

2.2 試驗臺液壓原理

根據試驗臺快速裝拆、準確檢測以及操作方便的要求，設計了單向閥試驗臺液壓原理。

其有4個測試原理相同的工位，目的是為了提高生產效率。當第1個工位裝配完成后啟動控制開關，測試程序自動進行測試，接著裝配下1個工位并啟動測試，當第4個工位開始測試時，第1個工位測試完成，4個工位正好是1個周期，保證測試效率，在此僅以一個工位的液壓原理進行說明。

如圖2所示，因為被測試閥15的工作壓力為超高壓40 MPa，所以系統油源采用超高壓徑向柱塞泵1供油，工作壓力可達70 MPa，保證被測試閥的正常測試。系統壓力由溢流閥4(設定壓力為40 MPa)和負載端溢流閥8(設定壓力為20 MPa)進行調節。換向閥3的作用是系統供油壓力卸載或加載；換向閥5的作用是系統供油選擇，連通被測試閥15的P口或A口；考慮當被測試閥15通過測試后，除換向閥11外的所有電磁閥斷電，若被測試閥15的P口有殘余壓力，那么操作人員在拆除閥時，將發生油液噴濺現象。為了防止這種油液噴濺現象，配置了換向閥6； 由于測試壓力需要在40 MPa和20 MPa之間選擇， 所以配置換向閥7；換向閥10的作用是負載供油壓力卸載或加載；考慮到

1.徑向柱塞泵 2.電機 3、6、7、10、11.二位二通換向閥4.溢流閥 5.二位三通換向閥 8.溢流閥 9.容腔12.壓力傳感器 13.步進電機 14.接近開關 15.被測試元件16、17.單向閥 18.氣缸 19.移動門圖2 單向閥測試液壓原理圖

泵在整個測試過程中是始終工作的，所以需要配置電磁閥11，防止在泵無載荷狀態下拆裝被測試元件導致的A口油液外溢現象；在被測試閥15的三個油口P、A、R分別設置一個壓力傳感器(12.1～12.3)，實時檢測油口的工作壓力。

當裝配被測單向閥時，氣缸18驅動移動門19打開，接近開關14.2檢測開門狀態；當開始測試后，氣缸18驅動移動門19關閉，接近開關14.4檢測關門狀態，接近開關14.3檢測單向閥是否被安裝，防止漏裝被測元件導致的油液噴濺。

該試驗臺工作時對油液溫度進行控制，保證每一批次被試單向閥的出廠測試條件相同，并配置主油箱油液循環過濾系統，保證油液清潔度，同時配置殘油自動回收過濾系統，實現節能減排。

2.3 試驗臺測試步驟

1) 沖洗、彈簧壓力檢測和舉升

如圖3所示，在測試開始前，接近開關14.3和14.4同時觸發，接近開關14.4觸發的作用是移動門在關閉狀態的反饋信號；接近開關14.3觸發的作用是被測試元件已經裝配好的反饋信號，防止漏裝被測單向閥而導致油液噴濺。在測試開始后，由于步進電機的位置是任意的，為了便于識別步進電機的初始位置，所以需要設置接近開關14.1，主要用于步進電機初始位置的初始化。隨后在測試過程中，被測試單向閥的彈簧壓力性能及舉升壓力檢測完全自動通過設置在油口的壓力傳感器來判斷。

圖3 沖洗、彈簧壓力和舉升測試過程

2) A口和P口的保壓測試

如圖4所示，保壓性能主要檢測單向閥在工作壓力下的壓力保持性能。在實際測試中，液壓原理中增加測試元件容腔9，其容積的大小與叉車起升油缸的容積相同，功能是補償保壓試驗時由于換向閥換向導致的壓力瞬間降低。若保壓試驗時不裝配容積9，則考慮電磁閥的換向時間為30～50 ms，保壓端壓力會在這段時間內瞬間降低3～5 MPa，而這個壓力降低是測試系統造成的，并不能真實反映被測試元件的保壓性能，所以容腔9是為了更真實的還原被測試單向閥的應用，也為了得到更準確的測試結果。同時，在測試油路中增加單向閥16，其目的也是為了減少測試系統的壓力損失對測試結果的影響。

圖4 A口和P口的保壓測試過程

3) 推桿行程測試

如圖5所示，當步進電機推動下置鋼球，P口壓力開始降低的一瞬間，就是推桿行程的起始位置：當步進電機繼續進給，推動上置鋼球使A口壓力開始降低的一瞬間，就是推桿行程的工作位置，兩個位置的差值就是推桿行程。

4) 慢速下降和快速下降測試

如圖6所示，慢速下降和快速下降測試是通過檢測負載端A口的背壓來實現的。接近開關14.2觸發的作用是移動安全門處于打開狀態的反饋信號。安全門打開后，拆除被測試元件前，為了防止拆除單向閥導致的油液噴濺，電磁閥11通電。

圖5 推桿行程測試過程

圖6 慢速下降和快速下降測試過程

2.4 單向閥試驗臺的總體結構

該單向閥試驗臺的結構主要由泵源，控制閥組，步進電機，壓力傳感器，溫度傳感器，接近開關，PC，觸摸顯示器，PLVC等組成。其中，泵源部分提供持續穩定的流量和壓力；測試閥組用于實現測試邏輯；步進電機驅動推桿；PLVC用于控制電機、電磁閥，讀取步進電機位移以及各種傳感器數據采集；PC機用于搭建人機界面，完成數據顯示、保存、查詢、打印，實現測試過程可視化，現場實物如圖7所示。

3 試驗臺的控制組成

3.1 試驗臺的硬件電路

該試驗臺的硬件電路主要由PC機，PLVC，步進電機，溫度傳感器，壓力傳感器，電磁閥，接近開關等元件組成，電路框圖如圖8所示。

圖7 單向閥試驗臺實物圖

圖8 控制組件硬件框圖

首先上位機PC與PLVC建立通信，實現指令和數據傳輸；其次通過PLVC控制步進電機、電磁閥等，實現測試邏輯控制；最后PLVC采集壓力傳感器、溫度傳感器與接近開關的反饋信號，形成測試過程自動控制。

PLVC是一款可編程控制器，區別于普通控制器，其在硬件上集成放大器，可以實現對電磁閥或比例閥的直接驅動。軟件上內置液壓控制功能塊，對動態性能低或高的應用場合均可適配，其通訊接口為速度高、抗干擾的CAN總線，可實現和電腦的高速數據交換。

3.2 試驗臺的軟件設計

試驗臺的軟件主要包括上位機軟件和現場控制軟件。上位機軟件主要由編輯語言VB實現人機界面搭建，完成數據顯示、保存與查詢、報表生成與打印功能。軟件界面包含四個完全相同的測試界面，分別命名1，2，3，4對應相應的測試工位。

現場控制軟件主要負責測試邏輯，其實質上是與上位機軟件關聯，并按測試邏輯編寫的Excel文件，可以將其稱之為程序表格參數化。它是由多個獨立的Excel文檔組成，每個Excel文檔就是一個測試步驟，各個文檔按照一定的順序自動被上位機調用。文檔內可設置電磁閥狀態、步進電機狀態、各個傳感器是否參與控制、電磁鐵通電時間、缺省參數等等。各個文檔是加密的，僅僅可以由被授權的技術人員根據實際工況和測試步驟，更改或者添加表格參數，實現試驗過程自動控制(包括手動和自動測試)，保證測試數據的安全性和準確性。

4 結論

(1) 單向閥試驗臺充分考慮了滿足生產效率的基礎上，最大化的降低操作人員工作強度，可實現1 min完成1件產品的測試工作，具有工程應用的實際意義；

(2) 用PLVC實現控制，完全有別于傳統的PLC，功能上集成放大器，驅動電流最大達到2 A，可以直接驅動電磁閥；結構上簡化和完善電氣設計；

(3) 試驗臺的不足之處在于未考慮到拆裝單向閥對油液清潔度的影響。在運行了3個月后，回油口單向閥17經常被堵塞，原因在于單向閥是用氣動扭矩扳手裝拆的，每天多次拆裝會產生很多細小的鐵屑毛刺，容易堵塞回油口單向閥17。解決方法是在此單向閥前端增加螺紋旋入式過濾網，并每2周清洗1次。改造完成后，試驗臺運行平穩。