王淑坤,吳曉雷（長(zhǎng)春理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,長(zhǎng)春130022）

驅(qū)動(dòng)疲勞試驗(yàn)機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王淑坤,吳曉雷
（長(zhǎng)春理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,長(zhǎng)春130022）

文章中設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)其功能是，給予液壓制動(dòng)疲勞試驗(yàn)機(jī)傳遞一定量的壓力源，液壓油作為主要介質(zhì)，液壓缸作為執(zhí)行設(shè)備，應(yīng)用壓力控制系統(tǒng)時(shí)利用液壓控制系統(tǒng)中的伺服控制器實(shí)現(xiàn)，使用電液伺服閥按照一定運(yùn)動(dòng)比例調(diào)劑液壓缸。在設(shè)計(jì)也要過(guò)程中具有一定理論作為基礎(chǔ)，以及詳細(xì)的設(shè)計(jì)理念，設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)與該公司試驗(yàn)機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置技術(shù)需求相符，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)設(shè)備并運(yùn)行。

液壓系統(tǒng)；液壓缸；液壓泵；流量

0　引言

液壓系統(tǒng)的作用是給液壓疲勞試驗(yàn)機(jī)供給壓力源，組成部分包括伺服控制系統(tǒng)、液壓動(dòng)力機(jī)構(gòu)以及部分液壓輔助設(shè)備等，運(yùn)動(dòng)介質(zhì)為液壓油，液壓缸作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在液壓控制系統(tǒng)中利用伺服控制器實(shí)現(xiàn)控制壓力，采用電液伺服閥調(diào)節(jié)液壓缸運(yùn)動(dòng)比例。試驗(yàn)機(jī)內(nèi)包含的液壓測(cè)試子回路具有獨(dú)立性，數(shù)量為兩套，在測(cè)試試驗(yàn)機(jī)時(shí)，若某個(gè)子回路制動(dòng)軟管出現(xiàn)損壞造成壓力降低，與測(cè)試壓力最低值相等后，當(dāng)液壓系統(tǒng)不再提供壓力源，另外一個(gè)試驗(yàn)機(jī)的子回路狀態(tài)不發(fā)生改變。

1　液壓系統(tǒng)的技術(shù)要求

液壓制動(dòng)疲勞試驗(yàn)機(jī)在液壓系統(tǒng)上提出的基本要求：測(cè)試兩件相同試件，壓力范圍設(shè)置為1516.8到1620.3千帕，不間斷運(yùn)行三十五個(gè)小時(shí)，管內(nèi)壓力出現(xiàn)降低后，停止向已發(fā)生損壞的軟管供應(yīng)壓力；并對(duì)管路中的壓力值采用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)停止后仍然可記錄管路中的壓力值。

在水中完制動(dòng)軟管試驗(yàn)，水表面產(chǎn)生的粘度系數(shù)較小，對(duì)液壓原件不會(huì)造成腐蝕，在傳統(tǒng)的液壓回路中不適合使用該方式，在液壓系統(tǒng)中采用兩種不同的工作介質(zhì)，包括乳化液與礦物油，該物質(zhì)的組成部分為防腐劑與水的混合體，通過(guò)該方式可實(shí)現(xiàn)壓力調(diào)節(jié)，系統(tǒng)壽命增長(zhǎng)，系統(tǒng)要求得到滿足；運(yùn)行液壓調(diào)節(jié)子系統(tǒng)使用的介質(zhì)為礦物油，測(cè)試軟管回路時(shí)在測(cè)試的軟管中通入乳化液。系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置夾緊油路，可有效地定位軟管固定管接頭的活動(dòng)梁，與之前設(shè)計(jì)的鉸鏈夾緊機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)有關(guān)動(dòng)作，包括松開、夾緊等。

2　液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1執(zhí)行機(jī)構(gòu)選型

液壓系統(tǒng)中應(yīng)用的液壓油是礦物油，軟管中含有的液體為乳化液，可實(shí)現(xiàn)油與水之間的相分離，通過(guò)兩個(gè)液壓缸連接故擬定執(zhí)行器。設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)應(yīng)用球鉸連接增壓器與工作液壓缸，可提高工作壓力可調(diào)節(jié)范圍，液壓泵的壓力等級(jí)也有所下降，系統(tǒng)投入的成本降低，系統(tǒng)操作安全性與可靠性更高，同時(shí)壓力提高，油與水相分離。

夾緊油路的功能主要為夾具松動(dòng)與夾緊，擬定液壓缸可產(chǎn)生的最大推力是5KN，與已設(shè)計(jì)成熟的夾具機(jī)構(gòu)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)有關(guān)動(dòng)作。執(zhí)行器作為一種較輕的拉桿式液壓缸，缸體內(nèi)部構(gòu)造為無(wú)縫鋼管，按照不同的工作壓力選擇對(duì)應(yīng)的管壁厚度。經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)緩沖后可使性能的穩(wěn)定性得到提升，壓力范圍在3.5—21MPa之間。

2.2選擇液壓回路

（1）在壓力調(diào)節(jié)—卸荷回路中，主要作用為完成壓力供應(yīng)并可以向其他設(shè)備提供穩(wěn)定壓力，調(diào)節(jié)試件壓力可通過(guò)伺服閥方式實(shí)現(xiàn)。利用直動(dòng)式電液伺服閥科提高壓力調(diào)節(jié)能力，完成壓力線性調(diào)節(jié)，并符合試驗(yàn)機(jī)的基本工作要求。

（2）利用球鉸實(shí)現(xiàn)增壓器與工作液壓缸連接，完成對(duì)回路的測(cè)試，提升測(cè)試能力，實(shí)現(xiàn)分離水與由。

（3）通過(guò)夾緊油路，實(shí)現(xiàn)夾具的多種動(dòng)作，包括松開與夾緊。

（4）采用換向閥配合單向閥的方式，可實(shí)現(xiàn)在同一時(shí)間測(cè)試兩根軟管，其中一根軟管出現(xiàn)損壞后可停止該軟管壓力，實(shí)現(xiàn)獨(dú)立測(cè)試兩根軟管回路。

（5）液壓源，該設(shè)計(jì)內(nèi)回路中產(chǎn)生的流量較小，同時(shí)不會(huì)產(chǎn)生較大變化，測(cè)試壓力也較小，可應(yīng)用比較成熟且經(jīng)濟(jì)的流量較小的定量葉片泵。

2.3合成液壓回路

選擇液壓系統(tǒng)回路后，采用適合的方式結(jié)合各個(gè)回路，并去除較多的液壓元件，合并功能相同的元件，從而可獲得液壓回路基本原理圖。

利用電磁閥的電磁鐵方式控制系統(tǒng)基本功能，由于直動(dòng)式電液伺服閥是一種輸入模擬控制信號(hào)，因此單獨(dú)介紹，剩余應(yīng)用數(shù)字信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓閥動(dòng)作順序的有效控制，如下表1中顯示的全部電磁鐵動(dòng)作。

表1　各電磁鐵動(dòng)作表

應(yīng)用帶有反饋系統(tǒng)的伺服閥，可提高控制試驗(yàn)壓力的準(zhǔn)確性。利用線性輸入信號(hào)的方式，實(shí)現(xiàn)控制電液伺服閥信號(hào)，閥口開啟面積表現(xiàn)為線性化，準(zhǔn)確度與精度提高，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)溢流量線性化。

綜上所述，下圖1表示已繪制的液壓回路基本原理。

3　液壓元件選型設(shè)計(jì)

3.1液壓泵選型設(shè)計(jì)

通過(guò)上表1可得，系統(tǒng)液壓執(zhí)行工作壓力通過(guò)兩個(gè)試件軟管入口處無(wú)破損的壓力=1620.3kPa+1620.3kPa=3240.6kPa與夾具上方夾緊液壓缸入口位置的壓力值為3.5兆帕，產(chǎn)生的推力最大值為7.1KN，通過(guò)上圖1可得，單向閥與三位四通換向閥位于增壓器、液壓缸以及泵之間，同時(shí)將測(cè)試油路中產(chǎn)生的乳化液水箱等管路會(huì)產(chǎn)生一定的壓力損失，因此，取泵到執(zhí)行器上產(chǎn)生的全部壓力損失值為ΣΔP=1MP，如下為按液壓泵工作壓力公式：

處于正常轉(zhuǎn)動(dòng)情況下的壓力泵，計(jì)算輸出的壓力值為：

測(cè)試回路時(shí)，回路中產(chǎn)生的流量最大值為軟管中的容積，因此該回路中的最大流量較?。粖A緊回路中使用的活塞桿直徑為22毫米，缸徑為50毫米，設(shè)計(jì)系統(tǒng)活動(dòng)距離比輕型100毫米拉桿式液壓缸值低，產(chǎn)生的流量值較??；系統(tǒng)處于工作狀態(tài)下，會(huì)存在一定的伺服反饋調(diào)壓，損失一定量的力量，獲取服閥流量最小值為2L/min，取系統(tǒng)的側(cè)漏系數(shù)值為，流量較大取其中較小值，流量較小時(shí)取較大值，因此側(cè)漏系數(shù)為1.3時(shí)的公式如下：

液壓缸產(chǎn)生的流量最大值的計(jì)算公式為：

得到泵產(chǎn)生的實(shí)際流量值qz=3L/min。

通過(guò)確定液壓泵壓力與流量的比例，根據(jù)以下功率公式進(jìn)行計(jì)算：

Pz——表示液壓泵可承受的工作壓力最大值；qz——表示液壓泵實(shí)際工作流量；

ηz——表示為液壓泵整體工作效率；

表2　液壓泵工作效率表

通過(guò)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，選擇的單級(jí)葉片泵型號(hào)為YB-A6BDTFL-1。圖2為液壓系統(tǒng)總體裝配。

運(yùn)行液壓站的主要驅(qū)動(dòng)裝置為泵組，組成部分包括液壓馬達(dá)與液壓泵?；谝簤罕美碚摴綄?duì)型號(hào)為YB-A6BDTFL-1的單級(jí)葉片泵計(jì)算，并得到理論值，額定壓力值為7兆帕，排量為6.5毫升每分鐘，驅(qū)動(dòng)功率為1.0千瓦，輸出流量為每分鐘4升，額定轉(zhuǎn)動(dòng)速度為每分鐘1000轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)速度最高可達(dá)到每分鐘2000轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)速度最低為每分鐘800轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)的方向?yàn)槟鏁r(shí)針，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)用的電機(jī)為河南黃河電機(jī)廠生產(chǎn)的型號(hào)為Y280S-6的三相異步電機(jī)，該電機(jī)的額定功率為25千瓦，額定轉(zhuǎn)動(dòng)速度為每分鐘1000轉(zhuǎn)。與型號(hào)為YB-A6BDTFL-1的單級(jí)葉片泵應(yīng)用要求相同。連接電機(jī)與液壓泵過(guò)程中，軸心的準(zhǔn)確性具有一定保障，產(chǎn)生的誤差值不能高于正負(fù)0.01毫米。

3.2液壓閥選型設(shè)計(jì)

以文本設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)基本需求作為基礎(chǔ)，在選擇控制閥時(shí)需要對(duì)控制元件流體流量、方向以及壓力的方式實(shí)現(xiàn)，電液伺服根據(jù)輸出特性的不同，可劃分多種不同種類的控制閥，如壓力、流量、壓力-流量等；主要的結(jié)構(gòu)形式分為噴嘴擋板、圓柱滑閥以及射流管閥等，以液壓系統(tǒng)基本需求為主，可選擇系統(tǒng)中使用的伺服控制閥為圓柱滑閥結(jié)構(gòu)的QDYD—I直動(dòng)式電液伺服閥作。

下圖3表示系統(tǒng)中使用的直動(dòng)式電液伺服閥內(nèi)部構(gòu)造圖，通過(guò)零位調(diào)節(jié)螺塞調(diào)節(jié)零偏，安裝閥套的目的是減少閥芯之間產(chǎn)生的摩擦，可提高控制準(zhǔn)確性。

圖4為QDYD—I電氣原理圖，由原理圖可知，首先比較器會(huì)對(duì)輸入信號(hào)做出對(duì)比，然后調(diào)幅器將調(diào)幅處理傳送至反饋環(huán)，最后輸出控制信號(hào)由反饋調(diào)節(jié)送達(dá)液壓驅(qū)動(dòng)器。

基本設(shè)計(jì)理論作為基礎(chǔ)，通過(guò)調(diào)整額定流量較小的電液伺服閥，可提高系統(tǒng)運(yùn)行效率，該設(shè)計(jì)中繪制的閥功率特性曲線對(duì)液壓系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)軌跡覆蓋，因此采用的伺服閥額定流量為10分鐘每升，零位泄漏值的大小為0.8每分鐘每升。通過(guò)以上分析可獲得相關(guān)特性，見(jiàn)下表3。

表3　QDYD—I性能指標(biāo)

通過(guò)電信號(hào)轉(zhuǎn)換液壓信號(hào)控制的液壓閥成為直動(dòng)式電液伺服閥，系統(tǒng)壓力按照輸入不同大小的信號(hào)值控制，該方式適合在自動(dòng)化系統(tǒng)中使用，該系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生較多變化的級(jí)別，主要在注塑機(jī)等高壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)中應(yīng)用。

4　結(jié)論

本文主要介紹液壓制動(dòng)疲勞試驗(yàn)機(jī)液壓系統(tǒng)的主要技術(shù)與整體結(jié)構(gòu)，分析并進(jìn)一步計(jì)算負(fù)載結(jié)構(gòu)，并對(duì)系統(tǒng)中使用的動(dòng)力源液壓泵組機(jī)構(gòu)進(jìn)行確定，得到與試驗(yàn)機(jī)供壓需求相符的液壓馬達(dá)與液壓泵。除此以外，同時(shí)簡(jiǎn)單描述液壓系統(tǒng)內(nèi)直動(dòng)式電液伺服閥特征與具有控制液壓系統(tǒng)的特點(diǎn)，進(jìn)一步分析與計(jì)算試驗(yàn)機(jī)液壓系統(tǒng)負(fù)載，最終對(duì)設(shè)計(jì)的試驗(yàn)液壓機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行確定，為試驗(yàn)機(jī)的液壓系統(tǒng)研制和裝配提供了理論依據(jù)和技術(shù)保障。

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王淑坤（1969—），博士，教授，博士生導(dǎo)師，機(jī)械設(shè)計(jì)及理論專業(yè)，研究方向:現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理論與方法。