液压综合测试装置的设计说明书.docx

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液压综合测试装置的设计说明书

第一章绪论

随着科学技术的发展，液压技术也得到了飞速发展，其应用范围也越来越广，在各种机械中发挥着越来越重要的作用，因而对液压元件和系统的性能要求也越来越高。

但也由于液压系统组成和功能日益复杂，工作原理难以掌握，给设备的维护修理带来诸多不便。

系统一旦出现了故障人们很难准确判断出故障元件及其损坏程度，因而在工程机械液压系统修理中存在着相当大的盲目性。

所以在故障诊断和排除时，不但需要熟练的技术人员，同时还要有完善的检测设备。

常常需要检测液压元件的多种技术指标，才能找出故障的部位和根源，达到及时维修的目的。

由于液压传动是在一个密封的环境里通过液压油液等传动介质来传递能量和动力，因而液压元件的结构关键主要是在其内部，不像机械零件那样，故在液压元件发生故障时，很难通过观察外表来辨别它的性能好坏，因而需要专门的液压元件检测设备。

像伺服缸、比例伺服阀等液压元件市场价格都比较高，若不经过检测就更换新的液压元件，不仅在资源上是一种浪费，在资金上也是一种浪费，这无疑是在产品生产过程中提高了成本，以至于影响了企业的竞争力，因而在在大中型企业中有必要设计一台能够检测液压元件性能好坏的综合检测装置。

针对上述情况，我设计了一台综合液压检测装置可以满足液压元件的测试要求，为液压元件的维修和检测提供了一种操作简单、实用的检测维修设备。

该液压检测装置不仅可以对普通阀、伺服阀和比例阀进行快速检测，而且也可以对液压缸、伺服缸进行试验。

第二章液压综合测试装置的设计要求

本测试台主要用于现场下线阀、油缸等液压元件修复测试使用。

测试的阀主要有方向阀、单向阀、溢流阀、减压阀、流量阀，且对不同通经的阀均可测量。

测试的液压缸主要有活塞缸、柱塞缸、伺服缸。

其测试性能和设计要求是：

2.1系统参数

系统的最高压力为315bar，系统的最大流量100L/min。

2.2系统的测试要求

（1）换向实验。

（2）内部泄漏量实验。

（3）稳定压差—流量特性实验。

（1）内部泄漏量实验。

（2）最小开启压力实验。

（3）稳定压差—流量特性实验。

（1）压力调整—流量特性关系。

（2）压力调整与泄漏量。

压力调整—流量特性关系实验。

（1）测试压力增益与零位泄漏。

（2）额定流量、滞后、零偏电流和死区。

（3）稳定压差条件下、额定流量测试。

（4）动态测试。

另外，还包括伺服缸的动态测试。

2.3液压部分基本组成

a：

动力单元：

液压源蓄能器站

b：

系统回路：

控制阀组液压缸测量接口阀板组主测试台

2.4需完成的内容

a：

测试装置方案设计、元件选择

b：

系统回路部分设计

c：

主阀台结构设计

d：

回油小泵站设计

e：

测试块设计

2.5设计计算要求（完成与设计相一致的设计说明书一份）

（1）根据需完成的各项工作，进行液压系统总体方案的选择和确定；

（2）根据要求，计算出系统所需的最大压力、流量；

（3）液压缸的设计及校核；

（4）液压元件的选择；

（5）液压装置的总体设计；

（6）验算系统性能，如系统的压力损失、热平衡等。

2.6需完成的图纸

完成工程设计图纸折合甲1图纸7张（含一张手工制图）

（1）液压测试装置原理图；

（2）主阀台装配图；

（3）蓄能器装配图；

（4）测试块零件图；

（5）主阀台水平、垂直面板图；

（6）回油小泵站装配图等。

第三章液压测试系统回路的方案选择

多功能液压测试装置的液压系统包括液压主油路、各种液压元件的测试回路、液压循环冷却回路和液压回油油路等。

首先，拟定主油回路,因本设计为综合测试装置，系统压力大，流量大，因此发热高，为便于散热，应采用开式系统回路。

其次，该系统主要测试各种阀，因此应根据各种阀的要求单独拟定系统回路，然后再加以综合，以满足测试的要求和需要。

3.1主油路的方案选择

任何液压元件测试系统都离不开液压动力部分——油源。

在测试不同的液压元件时所需要系统提供的压力和流量都是不一样的，在测试液压元件的泄漏量时流量很小用小流量泵，在测试液压元件的通流能力时需要较大流量用大流量泵。

主油路的防污能力的设计，液压系统回路压力和流量的稳定性等，都是我们设计要考虑的因素。

方案一：

如图3.1所示，为了保证系统压力，该油路采用了溢流阀调压回路，且为了防止污物进入系统，该油路还在泵的出口处安装了一道精过滤器来保证供油清洁。

为考虑到停机检查维修时防止管路中油液倒流回液压泵，特在过滤器处增设单向阀。

该油路的油源部分采用了大小相同的两套泵组（图中只作了一个液压泵），需要小流量时只要一个液压泵工作即可。

图3.1

方案二：

如图3.2所示，该油路不仅采用了滤油器、单向阀、溢流阀和大小相同的两套泵组（图中只作了一个液压泵），为保证液压系统调定压力和流量的稳定性，还添加了蓄能器。

又因该系统用来测试各种阀，因此应满足不同通径，不同压力等级，所以采用变量泵，以减少用定量泵的功率损失，且为了节省功率采用了卸载回路。

图3.2

方案比较：

方案一结构比较简单，但不能保证压力和流量稳定，而且功率损失大。

而方案二可以，且功率损失小，所以选择方案二。

3.2换向阀测试回路的方案选择

换向阀是利用阀芯在阀体中的相对运动，实现液压油路的沟通、切断和换向，以及压力卸载和顺序动作的控制阀门。

换向阀应满足流体流经阀时的压力损失要小，互不相同的通口间的泄漏要小，换向要平稳迅速且可靠等条件。

所以换向阀的性能是决定着回路的关键。

方案一：

如图3.3所示，换向阀测试时，分别采用两个单向节流阀12、13对其A口和B口进行加载。

换向阀的主要试验内容包括换向性能试验、中位机能测试和泄漏特性试验。

换向性能试验：

在额定压力和流量，换向阀连续进行换向，测试其P口、T口、A口和B口的压力变化以及流量变化，判断换向阀是否能够正常换向。

中位机能测试：

在额定压力和流量下，记录换向阀处于中位时各口的压力值，判断换向阀的中位机能是否合格。

泄漏特性试验：

使换向阀处于每一位置时，再关闭保压球阀5和14，分别记录每一位置时被试阀11各口的压力值，根据压力损失值间接测试被试阀各口的泄漏量。

图3.3

方案二：

如图3.4所示，该回路主要可测试内容有功能和换向性能试验、泄漏量试验等。

功能和换向性能试验：

调节溢流阀2，使系统压力为被试阀10的额定压力，将被试阀10连续动作十次，试验换向和复位情况。

要求换向和复位迅速，不得有外渗漏现象，换向不得有叫声和抖动。

泄漏量试验：

将A、B点堵死，调节溢流阀2，使系统压力为被试阀10的额定压力，按照滑阀机能和结构，分别从A（或B）和T口测量被试阀10的阀芯在各个不同位置时的内泄漏量（对有泄漏口的，应包括外泄漏量，并在泄漏口测量）。

图3.4

方案比较：

方案一结构较复杂，费用高。

方案二测试性能已经满足基本要求，且结构简单，综合考虑各种因素，采用方案二。

3.3单向阀测试回路的方案选择

单向阀通常分为普通单向阀和液控单向阀。

普通单向阀的作用是使油液只能沿一个方向流动，不许它反向倒流。

而液控单向阀则反向倒流时需要提供控制压力油。

单向阀的试验内容包括正向最小开启压力，稳态压差流量测试和内泄漏特性。

液控单向阀还需要进行控制压力的试验，测试使被试液控单向阀反向开启并保持全开所必须的最小控制压力。

方案一：

如图3.5所示，换向阀5在左、右位时，可以分别对单向阀9的紧密性内泄漏试验、稳态压差流量测试和最小开启压力试验，液控单向阀的控制压力有减压阀7控制。

图3.5

方案二：

如图3.6所示，与方案一系统回路基本一样，但方案二采用了量杯测量泄漏量。

因单向阀泄漏很小，流量计测试流量不明显，使用量杯测量显得更准确。

图3.6

方案比较：

综上所述，方案二更合理，因此采用方案二。

3.4压力阀测试回路的方案选择

压力阀大体可分为溢流阀和减压阀。

溢流阀是通过阀口的溢流使被控制系统或回路的压力维持恒定，实现稳压、调压或限压作用。

减压阀主要是维持该阀出口压力恒定，不受进口压力通流量大小的影响。

它们的试验内容主要包括稳态压力流量特性和压力调整与泄漏量的关系等。

方案一：

如图3.7所示。

稳态压力流量特性：

将被试阀6调定在所需流量和压力值上，包括最高和最低压力值，然后在每一试验压力值上使流量从零增加到最大值，再从最大值减少到零，测试此试验过程中被试阀6的进口压力。

溢流阀内泄漏试验：

将溢流阀8全开，在被试阀6完全闭死的状态下，试验系统给额定压力的油液，通过被试阀6的开启和密封过程，从被试阀6的回油口测量的流量为内泄漏量。

减压阀外泄漏量：

在溢流阀8设定所需压力下，经过其先导阀的外泄漏量不得大于规定值。

图3.7

方案二：

①溢流阀测试回路（如图3.8所示）

压力调整与流量测试：

在回路中，通过调整可调流量控制阀5可获得不同的压力和流量，用流量计8测试通过溢流阀7的流量。

压力调整与泄漏量测试：

调节被试阀7至全封闭，在一定压力和流量下，然后再调节被试阀7，使其开启，再完全关闭，从被试阀7的回油口测量的流量即为内泄漏量。

调节可调流量控制阀5可获得不同的压力和流量下的泄漏量。

图3.8

②减压阀测试回路（如图3.9所示）

压力调整与流量测试：

把背压阀10调节到一定压力，再调节单向节流阀5来控制油路流量和压力，用流量计11测试通过减压阀的流量。

压力调整与泄漏量测试：

减压阀为外泄漏阀，通过调节单向节流阀5可得到不同压力下的泄漏量。

关闭背压阀10，打开换向阀7，通过换向阀7的流量即是减压阀6的泄漏量。

图3.9

方案比较：

方案一结构简单，但无压力和流量调定，不能满足压力调整与流量、泄漏量的关系。

方案二测试性能较可靠，系统回路并不比方案一复杂。

所以选择方案二。

3.5流量阀测试回路的方案选择

流量阀的作用是在阀的进出口压差变化的情况下，维持通过的流量恒定，从而维持与之串联的被控对象的流量恒定。

方案一：

如图3.10所示，该方案试验内容主要包括稳态流量压力特性、入口压力阶跃响应和出口压力阶跃响应等。

压力调整与流量特性试验：

将被试阀6调定在所需流量和压力值上，包括阀的最高和最低流量值，然后在每一试验流量值上使压差从零增加到最大值，再从最大值减小到零，测试此试验过程中被试阀6的流量变化。

入口压力阶跃响应特性：

将被试阀6调定在所需流量和压力值上，使被试阀6的供油压力发生阶跃变化，记录下被试阀6的流量变化。

出口压力阶跃响应特性：

将被试阀6调定在所需流量和压力值上，调整比例方向阀11，使出口压力发生阶跃变化，记录下被试阀6的流量响应变化。

图3.10

方案二：

如图3.11所示。

压力调整与流量特性试验：

用单向节流阀5来调节流量和压力大小，使用溢流阀9来产生一定背压。

试验开始时，将被试阀7调定在所需流量和压力值上，包括阀的最高和最低流量值，然后在每一试验流量值上使压差从零增加到最大值，再从最大值减小到零，测试此试验过程中被试阀7的流量变化。

进口压力变化对流量的影响试验：

将单向节流阀5全开，调节被试阀7，使其通过的流量为最小稳定流量的1~2倍，调节溢流阀2，使被试阀7的进口压力从最低变化到最高。

被试阀7进口在此时的流量变化率是（流量最大值—流量最小值）/流量平均值×100%.

出口压力变化对流量的影响试验：

将单向节流阀5全开，调节溢流阀2至阀7的公称压力。

调节阀7，使通过的流量为最小稳定流量和最大流量，分别作如下试验。

调节溢流阀9，使阀7的出口压力在公称压力的5%和90%范围内取六个数值，用流量计和秒表测量每个不同出口压力下流经阀7的流量。

计算流量变化率，绘制压力——流量特性曲线。

图3.11

方案比较：

方案二结构简单，回路能够满足测试流量阀的性能要求。

方案一虽能测试阶跃响应，但结构复杂，费用较高。

因此选用方案二。

3.6伺服缸、伺服阀与比例阀测试回路的拟定

伺服阀、伺服缸的测试需要传感电路，只需将传感器接入普通阀的回路中，将普通阀换成伺服阀、比例阀即可完成试验。

伺服阀安装在伺服缸上，用单向节流阀来调整油路的压力和流量，即可完成试验。

具体方案在这不再累赘。

第四章综合液压测试系统原理图的方案拟定

4.1综合液压系统原理图设计原则

液压系统原理图拟定是通过对液压回路的反复对比选出合适的液压回路，既要考虑结构性能可靠性，还要保证尽可能经济、有效的利用能量，达到高效、可靠运行的目的。

然后把各种液压回路放在一起，进行归纳、总结、整理，再增加或更换一些必要的元件和液压辅助油路，最后得到完整的综合液压系统回路。

一般液压系统设计应考虑的几点原则：

⑴合理的设计应该在保证产品必备功能的前提下，使制造成本最低。

⑵设计过程中既要针对产品的不同功能特点，又要使产品具有良好的维修方便性。

⑶最终工作循环中每个动作都要可靠，无相互干扰。

⑷在元件的选用方面，应尽量选用那些效率高、能耗低的元件，减少能量消耗，防止系统过热。

⑸坚持标准化、通用化、系列化的“三化”原则。

4.2确定综合液压测试系统原理图

动力源部分，采用两个变量泵为系统提供压力和流量，当小流量时，采用单个泵工作。

泵的调定压力由远程比例溢流阀来调节，系统的工作压力由带有方向阀的可调溢流阀来控制。

因温室和工作时系统发热量较大，决定在泵站部分加入冷却循环系统以降低系统的发热量。

为了能够检测油箱的油量，系统采用油标等测量设备。

由于油箱中的油液在换油时要和空气接触，为了防止空气的进入油液，故在油箱上安装了空气滤清器。

同时油箱应有放油口。

考虑到该系统今后的维修，需要在液压泵和油箱之间设置截止阀。

为防止液压泵在工作时把一些油箱的杂质或者泵的磨损颗粒带入到系统中，所以把精过滤放在液压泵之后。

为防止过滤器堵塞，在选择过滤器时应考虑选择带有警报器装置，且能在堵塞时通过自身带有的压力传感器感应进出口过滤器的压差来自动控制压力继电器打开旁路释放压力，以防止堵塞压力过大而损坏液压泵。

考虑到试验时可能会出现压力和流量不足，决定在系统中加入一个蓄能器,以稳定液压系统压力和流量。

并在蓄能器与液压泵之间设置单向阀，防止蓄能器里的油液在液压泵不工作时倒灌。

此外在蓄能器和系统之间设置了截止阀，供充压、检查、维修蓄能器或长时间泵不工作时使用。

考虑到整个系统的布局整洁、合理、紧凑性，决定系统中各阀主要用板式来连接。

考虑到各测试试验的快速性，决定在整个回路中增加一些快换接头，各测试试验单独甩出接头，以便和其它元件快速组合，完成不同的试验功能。

考虑到各阀测试完后会有余油残留在阀中，还有由泄漏留下很多油液，为减少浪费，决定在系统中增加余油收集回路。

由于简化液压管路，流量计和其他测试元件公用回油管路，为了防止在其它使用回油管路时油液倒流过流量计，故在流量计后加了单向阀。

由于系统主油路上的过滤精度达不到测试元件要求，所以在一些控制油路中再设置一道超精过滤器。

综上所述，将各个试验原理图改进并加以综合得到综合液压测试图。

该图主要包括泵站和主台两部分（详图见附原理图）。

4.3综合液压测试系统原理图

综合液压系统原理图具体如下图4.1与4.2所示：

图4.1泵站原理图

图4.2主台原理图

第五章液压元件的计算和选择

5.1设计参数的要求

设计要求液压执行元件的最大工作压力使31.5Mpa，最大流量是100L/min。

考虑到在检测不同液压元件时所需要的系统压力和流量大小是不同的，但只要能够保证所需的最大工作压力和最大工作流量即可，其它工作压力大小可以通过溢流阀调定。

5.2液压泵的计算和选择

查阅《液压与气压传动》第330页得知，液压泵的最大工作压力Pp按下式计算

Pp=P1+∑△p（5-1）

式中P1——液压执行元件工作腔的最大工作压力，P1=31.5MPa；

∑△p——从液压泵出口到液压执行元件入口处的总管路损失。

∑△p的准确计算须在选定液压元件并绘制出管路布置图后才能进行计算。

初算时，可按经验数据选取：

当管路简单或有节流阀调速时，取∑△p=0.2~0.5MPa；当管路复杂或有调速阀调速时，取∑△p=0.5~1.5MPa。

在此取∑△p=1.5MPa，所以Pp=31.5+1.5=33MPa，故在选择液压泵时要求泵的最大供油压力应不小于33MPa。

查阅《液压与气压传动》第330页得知,液压泵的最大流量Qp由系统工作时的最大流量qmax确定，即

Qp≥Kqmax（5-2）

式中Qp——液压泵的流量：

K——考虑系统泄漏和溢流阀保持最小溢流量的系数，通常取K=1.1~1.3，在此取K=1.2。

qmax——液压执行元件所需最大流量，由设计参数可知qmax=100L/min。

所以Qp≥Kqmax=1.2×100=120L/min。

根据算出的压力和流量（单个变量泵的最大流量应大于等于60L/min，但有蓄能器，所以单个泵也可小于60L/min）。

查《力士乐产品样本》选取A4VSO40HS/22R-PZB13N00Z型号变量柱塞泵，具体参数见下表。

表5-1泵参数

规格

额定压力

流量（n=1500r/min）

功率（n=1500r/min）

净重

40

350bar

60L/min

35KW

39kg

查液压《液压系统设计元器件选型手册》第1页表1-2知，柱塞泵的效率是0.81~0.88，现取0.88。

5.3电动机的选择

根据泵的转速和功率选择相应的电机，由上述知

。

查《机械设计手册》第4卷（成大宪）第17-53页表17-1-35选用Y225M-4型号的电机。

表5-2电机参数

型号

额定功率

额定电流

转速

同步转速

效率

功率因数

质量

Y225S-4

37KW

70.4A

1480r/min

1500r/min

91.8%

0.87

284kg

5.4液压管路的设计计算

当设计方案确定后，各液压元件是通过管路连接，由于主油路以及其它各回路之间的流量和压力是不同的，所以各回路管子的类型和通经也不相同。

查阅机《械设计手册》第5卷（成大宪）第21-579页可得，

管子内径

（mm）（5-3）

管子壁厚

（mm）（5-4）

钢管：

（5-5）

铜管：

≤25MPa

式中d——管内直径；

Q——管内流量，L/min；

v——管内油液流速，按推荐值选定；

δ——管子壁厚；

p——管内工作压力，MPa；

σp——管道材料的许用应力，MPa；

σb——管道材料的抗拉强度，MPa；

n——安全系数，当p＜7MPa时，n=8；7MPa≤p≤17.5MPa时，n=6；p＞17.5MPa时，n=4。

金属管内油液的流速推荐值v：

吸油管路取0.5~2m/s，现取v=1.5m/s；压油管路取2.5~6m/s，现取v=5m/s；短管道及局部收缩处取5~10/s，现取v=10m/s；回油管路取1.5~3m/s，现取v=2.5m/s；泄油管路取v≤1m/s，现取v=0.5m/s。

由系统所给参数可知，系统所需最大流量为100L/min，故在两泵联合工作时所用的管路应按Q=100L/min计算，两泵在单独工作时可按Q=50L/min计算。

系统所需最大压力31.5MPa，所以一般选择钢管。

由前面说明可知v=5m/s、Q=50L/min。

由式（5-3）得

（mm）即d≥14.578mm。

查阅《工程材料》第157页，表7-13可得，选用1Cr18Ni9Ti不锈钢，则σb=539MPa。

由于系统工作压力p＞17.5MPa，所以安全系数n=4。

由式（5-4）、（5-5）得

（mm）即δ≥1.785mm。

查阅《液压系统设计元器件选型手册》第864页，表5-2得，选取油管的公称直径DN=15mm，钢管外径D=22mm，管子壁厚δ=3mm，即选用22×3无缝钢管。

由前面说明可知v=5m/s、Q=100L/min、σb=539MPa、安全系数n=4。

由式（5-3）得

（mm）即d≥20.6mm。

由式（5-4）、（5-5）得

（mm）即δ≥2.5mm。

查阅《液压系统设计元器件选型手册》第864页，表5-2得，选取油管的公称直径DN=25mm，钢管外径D=34mm，管子壁厚δ=5mm，即选用34×5无缝钢管。

由前面说明可知v=2.5m/s、Q=100L/min、σb=539MPa、安全系数n=8。

因回油管路直接与油箱相连，所以回油管中压力很小，现取p=1.0MPa。

由式（5-3）得

（mm）即d≥29.2mm。

由式（5-4）、（5-5）得

（mm）即δ≥0.217mm。

查阅《液压系统设计元器件选型手册》第864页，表5-2得，选取油管的公称直径DN=32mm，钢管外径D=42mm，管子壁厚δ=2mm，即选用42×2无缝钢管。

由前面说明可知v=1.5m/s，由泵的计算知泵的流量为60L/min，σb=539MPa，安全系数n=8。

因吸油管路直接与油箱相连，所以吸油管中压力很小，现取p=1.0MPa。

由式（5-3）得

（mm）即d≥29.2mm。

由式（5-4）、（5-5）得

（mm）即δ≥0.217mm。

查阅《液压系统设计元器件选型手册》第864页，表5-2得，选取油管的公称直径DN=32mm，钢管外径D=42mm，管子壁厚δ=2mm，即选用42×2无缝钢管。

因液压系统控制油路的流量和压力都比较小，因此对管子的内经和壁厚要求不，满足要求即可。

参考相关设备，查阅《液压系统设计元器件选型手册》第864页，表5-2得，选取油管的公称直径DN=12mm钢管外径D=18mm，管子壁厚δ=2.5mm，即选用18×2.5无缝钢管。

5.5液压缸的设计计算

由于液压缸在本液压系统设计中所起的作用只是用来检测换向阀的换向机能，被压不大，故对液压缸的各种设计参数要不是很严格，只要能满足要求即可。

为了便于观察换向阀的机能，液压缸的速度不能太快，也不能太慢，即液压缸内径要适中，根据相关设备资料和上述数据，现取液压缸工作的速度现取为0.4m/s。

查阅《液压与气压传动》第109页单干活塞缸的相关公式，得

（5-6）

（5-7）

式中

——活塞杆的运动速度；

q——流经液压缸的流量；

——容积效率；

D——液压缸内经；

d——活塞杆直径。

查阅《液压与气压传动》第128页表3-3知，当p＞7MPa时，取活塞杆的直径d=0.7D1，由《机械设计手册》第5卷（成大宪）第21-278页知，当活塞密封为弹性材料时，取容积效率

≈0.98。

将q=100L/min、v=100mm/s、

=0.98代入上式，得

D=72.1mmd=50.5mm

液压缸的缸筒长度最大工作行程决定，缸筒的一般工作长度不可超过20倍的内径。

查阅《力士乐产品样本》，根据计算的液压缸内径和活塞杆的直径来选取液压缸：

表5-4液压缸参数

型号

液压缸内径

活塞杆直径

行程

CDT3MS2/80/56/800Z1XR

80mm

56mm

800mm

第六章液压系统辅助装置的计算与选择

6.1蓄能器的选择

蓄能器是将压力液体的压力能转换为势能储存起来，当系统需要时再由势能转换为液压能而做功的容器。

因此，蓄能器可作为辅助的或者应急的动力源，可以补充系统的泄漏，稳定系统的压力，以及吸收泵的脉动和回路上的液压冲击等。

根据蓄能器的种类、特点和用途选用蓄能器的类型，再根据计算