液壓閥疲勞試驗臺的研發

侯小華，高 丹，王起新

(1.廣州市新歐機械有限公司，廣東 廣州 510530；2.廣東科技學院 外國語學院，廣東 東莞 523079)

0 引言

由于工程機械的主控制閥(Main Control Valve，MCV)控制動作多、集成度高，并且多工作于高壓、大流量的場景，因此，MCV具有體積大、結構復雜的特點。目前MCV的閥體主要采用鑄造的方式進行制造，液壓閥體鑄件的品質是液壓基礎元件發展的一個瓶頸[1]。高壓、大流量、高集成度已經成為當今液壓閥發展的方向，針對液壓閥體鑄件的研究已經成為液壓閥技術發展的重要課題。

液壓閥體的工況惡劣，需要承受高壓力、高頻應變，并滿足物理尺寸形變小等要求，是精密鑄造件，并且要求其具有高精度和高強度。液壓閥體外形方正結構簡單，但閥體內部有著與人體毛細血管的復雜程度一樣多的油道，而且斷面厚大，重量相差懸殊，導致閥體鑄造工藝極其復雜且通用性差[2]。因此，當液壓閥腔體承受工作壓力時，如果鑄造過程中閥體存在缺陷就會出現應力集中現象，再疊加載荷脈沖會造成閥腔體疲勞，產生局部失效、破裂，甚至外泄漏[3]。液壓閥腔體的品質好壞作為一個重要因素決定了液壓閥的性能優劣。所以，對閥體鑄造件進行脈沖測試是控制液壓閥品質的重要手段之一。可見，液壓閥疲勞試驗臺在整個行業新品研發中尤其重要，因此本文對液壓閥疲勞試驗臺進行了研制。

1 試驗臺組成

試驗臺主要由液壓系統、電氣控制系統和數據采集系統組成。本文分別從試驗臺液壓系統原理、測控系統、試驗臺軟件設計和性能試驗這四部分來介紹。

1.1 試驗臺液壓系統原理

為了完整地研究液壓閥腔體性能，需要做疲勞測試，本文參照GB/T19934.1-2021、HB 6133-1987和SAE ARP 603F-1985 R2007等測試標準，對液壓系統的先導電比例變量主泵供油回路、伺服控制回路、油液清潔循環及溫度控制回路等進行測試。綜合以上要求，設計的閥體試驗臺液壓系統原理圖如圖1所示。

先導電比例變量主泵供油回路中，主回路由主電機3及變量主泵4組成，主系統的流量是通過調整變量主泵的先導控制閥電流來控制的，主系統壓力由電磁比例溢流閥9控制。

1-主油箱;2-加熱器;3-主電機;4-主泵;5-循環泵;6-冷卻器組;7.1，7.2-壓力表;8-循環過濾泵電比例溢流閥;9-動力主泵電磁比例溢流閥;10.1，10.2，10.3-壓力傳感器;11.1，11.2-過濾器;12-循環泵電機;13-電磁換向閥;14-伺服閥;15-蓄能器組;16-單向閥;17-位移傳感器;18-增壓缸;19-溫度傳感器;20-被測試容腔;21.1，21.2，21.3-液控單向閥

伺服控制回路中，伺服閥14通過換向控制增壓缸的伸出與縮回動作，在高壓側實現建壓和卸荷功能；通過壓力傳感器10.3來監測增壓缸的輸出壓力。蓄能器組15設計在伺服閥的P口油路上，用于補充脈沖波產生時所需要的大流量。位移傳感器17安裝在增壓缸的外伸桿上，用于監測增壓缸活塞的位移。伺服閥和伺服缸作為脈沖試驗臺的核心，采用了高度集成化設計，有效地減少了管路連接，降低了泄漏點數量，更重要的是減少了增壓后容腔的大小，提高了液壓系統的剛度，縮短了系統的起壓時間。伺服油缸的工程圖如圖2所示。

圖2 伺服缸工程圖

油液清潔循環功能與溫度控制功能設計在同一個回路，由循環泵電機12和循環泵5提供液壓油源，由循環泵電比例溢流閥8控制供油壓力。溫度傳感器19采集被測試容腔20內油液的溫度，當被測試容腔20內的溫度超出(高于或者低于)測試要求的溫度范圍后，主油路分支一路壓力信號源到換向閥13驅動液控單向閥21.1，21.2，21.3。此時，循環溫控回路的油會推開單向閥16進入到被測試容腔20，實現了整個試驗臺的熱平衡。另外，增壓油缸18會存在適當的內泄漏，被測試容腔20連接管接頭也會存在適當的外泄漏。經過長期的脈沖試驗，從增壓缸18高壓側到被測試容腔20會出現油量減少的現象。此時，把循環泵電比例溢流閥8的壓力調上來，則循環溫控回路的油會在脈沖周期的降壓力時間段對壓力容腔進行補油，補油量的多少可以由增壓缸18的位移傳感器17來判斷。

1.2 測控系統構建

試驗臺的測控系統由電氣控制系統、數據采集系統(DAQ)和計算機控制系統組成。其硬件構成主要包括研華工控機、西門子PLC、傳感器、數據采集卡和比例放大器等。試驗臺控制分為上位機、下位機，分別采用研華工控機和西門子PLC系列，上位機和下位機采用以太網通訊。數據采集卡(模塊)與工控機通過PCI總線進行通訊。電氣控制柜需具有通風冷卻功能，并保證強、弱電隔離。各傳感器和儀表的信號線必須采用帶屏蔽的通訊電纜，進出控制柜的電纜必須通過全封閉的工業航空插座引入，信號線和強電必須分離，以提高整個測控系統的抗干擾能力，保證信號傳輸的穩定性。測控系統如圖3所示。

圖3 測控系統

1.3 試驗臺軟件設計

試驗臺的軟件具有自主知識產權，是以NI的LabVIEW平臺進行二次開發的軟件，其秉承了LabVIEW人機交互友好、界面簡潔明了的優點。測控軟件自動執行測試工藝流程，自動判斷每個測試項目是否合格，自動保存每臺產品測試的相關過程及判定數據。

圖4為脈沖測試軟件主界面。主界面包含曲線顯示區、參數區、指示燈顯示區、參數功能設置區和按鈕區。

圖4 測試軟件主界面 圖5 參數設置區 圖6 報表生成界面

測試期間，曲線顯示區繪制系統的輸出壓力與時間關系曲線，并設計有一些曲線區域放縮工具；參數區顯示測試時間、實時參數、試驗結果和修正參數；修正參數區(用于方波)可進行波谷修正和零點修正。

其中波谷修正調整波谷值的大小，默認值為44(相對值)，當波谷值低于20 MPa時，稍微上調波谷修正值，可達到所需的波谷值，修正值與波谷實際值成正比關系。零點修正是調整波谷曲線傾斜度，默認值為“-0.05”，該值小則波谷曲線傾斜度小，曲線越平穩。指示燈顯示區用來指示測試系統的狀態與報警信號。

參數設置區包括試驗參數與產品信息兩部分，如圖5所示。

報表導出按鈕負責將試驗結果與數據導入至Excel，報表生成界面如圖6所示。報表導出步驟如下:

(1) 打開數據庫：“在打開數據庫”路徑選擇目標數據庫路徑。

(2) 點擊“導報表”按扭。

(3) 導成功之后，點擊“退出”按扭，退出測試系統。

當自動控制系統停止，系統降壓，當檢測工件處卸壓為零，則可拆卸工件，完成檢測。以上試驗壓力數據均通過壓力傳感器、位移傳感器實時監控，并通過無紙記錄儀記錄，所有試驗數據可保存追溯，生成報表。通過壓力傳感器與測試時間周期來監測被測物件是否泄漏，其反應靈敏、精度高，若試驗過程中發生泄漏，試驗臺會觸發保護程序，自動停止。

2 性能測試

經過硬件、軟件的集成，構成了整個液壓閥疲勞試驗臺，如圖7所示。試驗臺設計的主要參數為：工作壓力:0～60 MPa;系統輸出交變壓力頻率：1 Hz～3 Hz，可以根據測試目的進行調整，測試的頻率與被測試容腔成反比。系統可以生成三角波、正弦波和方波，根據測試目標進行選擇，方波占空比可調整。連續工作時間：200 h或者250 000個測試周期。

圖7 裝配好的液壓閥疲勞試驗臺

根據國家標準GB/T 19934.1—2021，在試驗壓力波形的規定時間周期內，試驗壓力波形應達到循環試驗高壓下限值和循環試驗低壓上限值[4]。本試驗臺完成了峰值壓力為60 MPa，波谷壓力為20 MPa，壓力幅值為40 MPa，波型分別為方波、三角波、正弦波等試驗項目，試驗結果如圖8～圖10所示。

圖8 方波3 Hz波形圖 圖9 三角波3 Hz波形圖 圖10 正弦波3 Hz波形圖

3 結語

本試驗臺是為國內某主機廠專門研制的液壓閥體疲勞試驗臺，液壓閥耐久性試驗是整個液壓閥完整試驗的一個重要組成部分，目前在部分國際標桿企業有一定的應用，該試驗臺的成功運行填補了國內行業空白[5]。該系統具有高可靠性、操作方便便捷、節能環保等優點。試驗臺可進行液壓閥腔體加速疲勞試驗，為閥體的可靠性研究、提升創造了重要手段。