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國內液壓測試技術的現狀與發展趨勢

日期:2017/7/6 點擊:1744

國內液壓測試技術的現狀與發展趨勢
 
白清鵬
(中航力源液壓股份有限公司,貴陽 550018)
摘  要:液壓測試技術是驗證液壓產品性能指標的關鍵技術。本文闡述了國內液壓測試技術取得的一些成果及經驗,以及對液壓產品研制及生產的作用。并介紹了今后發展的技術方向。
關鍵詞:液壓測試技術 模擬載荷 動態性能 環境因素 發展趨勢
中圖分類號:T-19 TH137  文獻標識碼:A  文章編號:
The Current Situation and Development Trend of Domestic Hydraulic Testing Technologies
                           Bai Qingpeng
(AVIC Liyuan Hydraulic Co.,Ltd,Guiyang 550018,China)
Abstract: The hydraulic testing technologies are key technologies to validate the performance of hydraulic products . This thesis explains some of the achievements and experience gained from domestic hydraulic testing technologies and their role on the development and production of hydraulic products. Also, it introduces the technical direction of future development.
Key words: hydraulic testing technologies, simulated loading, dynamic performance, environmental factors,   development trend.
 
0 概述
       液壓測試技術作為液壓元件及液壓系統研制和生產的關鍵技術,是驗證產品性能指標,可靠性,壽命等的重要手段。長期以來,由于國內液壓產品的自主知識產權不多,測試設備的投入較大等因素,液壓測試技術未得到深入的利用和有效的重視。液壓測試設備在軍工行業相對投入較多,在民品領域,尤其是主機單位僅僅只是做一些必要的驗證,甚至很多均只是進行隨主機考核試驗。
    進入21世紀以來,隨著中國經濟的快速增長,國家發展軍工行業,發展民用高端裝備制造業的決心和能力逐步增強。尤其是2008年金融危機以來,民用主機廠家及液壓專業廠家因轉型升級的需要,自主研發的動力極大提升。在此背景下,液壓技術作為軍民用高端裝備制造業的關鍵技術,得到了比較大的推動。液壓測試技術也因此呈現出較大的發展變化。
1 液壓測試技術現狀
       液壓測試技術經過最近十年的發展,從傳統的以穩態測試為主,僅滿足一些必要的工作應力和環境應力模擬,逐漸過渡到關注動態性能,微觀特性以及系統匹配性能等測試技術。液壓測試設備從手動操作,二次儀表顯示逐步過渡到以計算機為測控中心,兼具數據處理、分析的復雜系統技術。其主要技術特點主要有以下幾個方面。
1.1 測試設備智能化
       主要指的是根據通信技術,網絡技術,智能控制技術,信息處理技術等匯集而成的針對液壓測試設備及技術的應用。測試設備智能化的重點及方向主要有下述五個方面。
1.1.1 執行器件電控化
       為了實現計算機測控,液壓測試設備的各類控制閥等執行元器件必需實現電控操作。尤其是液壓調節單元和液壓加載單元需要應用比例伺服技術或數字控制技術。比例伺服技術應用較多,響應較快。數字控制技術主要應用在一些高壓場合(50Mpa以上)的溢流閥、節流閥,重復精度較高。
1.1.2 自診斷技術
       隨著測試設備的技術越來越復雜,價值越來越高,保護設備和被試產品的安全越來越重要。設備異常報警功能可以保護測試設備的正常運行。故障診斷功能可以幫助一般的技術維護人員也可以及時排除設備故障。同時,產品健康預警技術對被測試產品在測試中的故障先兆可以及時發現識別,報警并停機,避免被試產品徹底損壞,對分析產品的故障癥候尤為關鍵。自診斷技術應該在某些關鍵點采取冗余設計的方法。
1.1.3 測試工藝自動化
       測試工藝員可以根據產品的試驗流程,事先設置試驗工藝路線及合格判據。由測試設備根據事先設置的程序進行試驗,減少人員的工作量,避免人為測試誤差的影響。應用于批生產試驗及壽命試驗可以較大提高測試效率及測試質量。
1.1.4 產品裝夾自動化
       液壓產品與測試設備的連接較復雜。比如,液壓泵的連接,既要對接傳動軸,又要連接不同的油管。裝拆復雜,費人工,效率低。滴落的油液也不環保。使用自動裝夾的目的主要是減少人員的工作量,提高效率,并達到在裝拆產品過程中油液盡量不溢出。
產品自動裝夾系統主要由自動傳送系統,自動對中系統,自動夾緊系統,自動連接管路系統,自動注排油系統等組成。目前歐美國家液壓測試設備僅具備部分自動裝夾功能,如自動夾緊,自動注排油,管路連接使用快換接頭等。日本盛和工業(SEIWA)的技術較完備,成熟。但待試產品要人工預先裝在專用工裝上,才能進行自動裝夾。實際上并沒有省人工,僅僅只是省了測試設備等待裝拆的時間。中航力源液壓公司近年來致力于研究自動裝夾系統,目前已取得了一些突破,既可以省人工,也更省設備等待裝拆產品時間。該項成果應用在批產試驗臺上將大大提高測試效率。圖1為液壓泵自動裝夾系統三維設計簡圖。

圖1
1.1.5 儀器儀表在線校驗
       儀器儀表作為液壓測試設備的檢測系統,測試數據的準確性非常重要。因此,需要定期或不定期進行校驗。傳統的校驗方法需要把各種傳感器、二次儀表拆下來送檢。如果配置的是計算機測試系統,需要拆信號傳感器、板卡等送檢,很不方便。因此,在線校驗測試系統越來越得到用戶的共識,同時還可以消除信號導線不同帶來的微小誤差。在線校驗主要采用比較法進行靜態標定。表1為在線校驗標定各種信號的常用方法。
序號
傳感器類型
標定的標準器具
備  注
1
壓力傳感器
活塞式壓力計
直接讀取砝碼更可靠。
2
溫度傳感器
干井式溫度校驗儀
也可用標準溫度計比較。
3
流量傳感器
標準流量計
測試臺要留出串接標準流量計的位置。
4
扭矩傳感器
杠桿式砝碼標定裝置
注意標定裝置與測試臺傳動頭的連接角度,計算時,要消除角度的影響。
5
轉速傳感器
手持式測速儀
不夠精確,但滿足液壓測試臺對轉速精度的要求。
表1
1.2 動態性能測試
       液壓產品的動態性能測試主要是考核產品對激變因素的響應及調節適應能力,測試產品的動態性能可以為液壓系統匹配提供依據。這就需要測試設備具備模擬激變因素的功能以及測量系統,才能準確的測出產品的動態特性。針對一些響應時間較慢的傳感器,如流量計,可以使用壓力傳感器經換算得到瞬時流量值。動態性能測試常用的測試項目主要有系統阻抗測試,壓力脈動測試,最大瞬時壓力測試,閥啟閉特性測試等。
1.3 特種試驗
       針對液壓元件的某一結構或某一性能進行深入的測試研究,便于查找產品缺陷,提高性能。因此,也需要配備專用的特種性能測試設備。比如:研究液壓泵流量脈動的流量脈動測試臺;考核結構強度的壓力脈沖測試臺;研究液壓泵摩擦副的配油盤油膜承載能力測試臺;研究油液清潔度對液壓產品性能、壽命影響的污染耐受度測試臺等等。
1.4 節能環保技術
       基于資源的短缺及生態的需要,為促進經濟可持續發展,倡導綠色工業,國家出臺了一系列節約能源和環境保護的法律法規。液壓測試設備也應該充分考慮節能環保技術的應用。
1.4.1 節能技術
       長期以來,液壓測試臺對被試產品的加載均使用的是節流或溢流加載。不但造成了加載功率全部損耗,同時因油液吸能溫度升高,還要采取冷卻措施,耗費了大量的能源。尤其是生產企業大批量的生產試驗耗能更多。因此,液壓測試設備需要采用功率回收技術,達到節省能源,降低成本的目的。
    功率回收技術一般主要有機械功率回收,液壓功率回收,電功率回收三種。機械功率回收和液壓功率回收適用范圍較窄,控制不便,較少使用。由于變頻技術的發展及價格下降,目前電功率回收技術得到了較多的推廣應用。液壓測試臺因既具備能源電動機又具備加載發電機,采用共直流母線的電功率回收方式性價比較高。根據液壓元件及液壓測試系統的效率不同,功率回收效率不盡相同,一般可以達到65%左右,設備運行2~3年即可收回投入成本。圖2為液壓泵測試電功率回收原理圖。
圖2
1.4.2 環保技術
       液壓元件及系統的環保技術主要涉及三個方面:一是降低工作噪聲。為了避免測試設備本身工作噪聲對被測產品的影響,需要設置專用的噪聲測試間,單獨把被測產品進行隔離測試。目前國內僅有極個別航空航天研究院所具備測試能力,絕大部分的單位均無液壓產品工作狀態下的噪聲測試手段;二是防止滲漏油。主要研究液壓產品的動、靜密封性能,需要配置專用的動、靜密封測試臺;三是環保工作介質的研究。比如:水液壓系統,芬蘭的Tampere工業大學有較成熟的研究,國內浙江大學也有一些研究成果,但要完全取代液壓油還有很多困難。
1.5 外觀機床化
       老式的液壓測試設備主要以敞開分布式為主,便于搭建,維護。近年來,隨著集成閥塊的大量應用以及人們對設備安全性,人性化的要求提升。液壓測試臺逐漸向集成化、封閉式的機床化方向發展。圖3中,左圖為美國Titan公司設計制造的液壓泵測試臺,右圖為中航力源液壓公司設計制造的液壓泵、馬達測試臺。
   
圖3
2 液壓測試技術發展趨勢
       國內液壓測試技術經過多年發展,在硬件方面基本達到了歐美日等國家的水平。但在幫助液壓產品研制的方面,缺乏對試驗方法的理論支撐,在分析試驗方法和輔助分析軟件應用等方面差距較大。因此,今后液壓測試技術除了繼續完善提升現有技術外,應該在以下方面著力加強。
2.1 模擬主機環境的測試技術
       所有液壓元件及液壓系統技術參數的測試驗證,應該盡量模擬主機裝機的真實運行狀態和考慮工作環境的影響。只有貼近真實環境的測試,才能研制出合適的產品。既不會達不到設計指標,也不會造成較大的設計余量。尤其是液壓泵、液壓馬達、液壓閥等液壓核心器件更應該予以考慮。比如:同一臺液壓泵,裝在起重機和挖掘機上,雖然工作壓力及轉速都沒有超過液壓泵額定值,因運行狀態不同,壽命肯定不同,且差異可能還比較大。
2.1.1 隨機載荷譜的研究
       絕大部分機器的運行都是無規律的,所承受的載荷也是隨機的。但因機器的不同,隨機中又有一定的規律可循。因此,需要根據主機的運行狀態,研究相適應的隨機載荷譜用于測試產品。國內在材料強度等領域有一些研究及應用,但在液壓行業,幾乎沒有進入實用階段的研究,國標規定的測試載荷譜也不是隨機載荷譜。
2.1.2 模擬環境因素的測試技術
       液壓產品在裝機運行中,工作性能總是受到運行環境因素的影響。比如,因主機工作帶來的振動,因天氣變化帶來的環境溫度及工作介質溫度的變化,因高海拔地區帶來的大氣壓的變化等。因此,液壓產品在研制過程中,需要模擬各種環境因素并在這些復合應力的共同作用下測試產品性能,才能更加真實的反映產品裝機性能。軍品領域很早就開展了相關工作,早期主要是非工作狀態下各種環境因素分別施加測試,以后逐漸過渡到工作狀態下同時施加某幾種環境因素(如:振動,環境高低溫等)。對民品領域的液壓產品,試驗室條件下的環境測試工作幾乎是空白,主要以隨主機考核為主。今后該測試技術的發展必然是液壓產品在工作狀態下,多種環境因素同時施加測試。某航天研究所搭建的液壓產品三綜合測試臺,可以在液壓泵工作狀態下,同時施加振動因素(通過振動臺),環境溫度因素(通過高低溫箱)進行試驗,對產品的研制起到了重要的作用。
2.2 模擬主機系統的測試技術
       該技術需要按主機液壓系統的配置情況及相對位置,按1:1的比例,在地面搭建系統測試臺。目的主要是為了測試各液壓元件和液壓系統的動態性能。通過先期測試驗證,得到優化匹配的液壓系統。航空領域的“鐵鳥”臺,潛艇領域的“鐵魚”臺等就是運用的此類測試技術。
    該類測試技術的難點主要有兩方面。一方面是加載裝置的設計。需要模擬主機運行時承受的各種復合載荷;另一方面是輔助分析軟件的應用。今后,系統匹配測試應該是半物理和分析仿真軟件的有機結合。
2.3 加速壽命試驗技術
       壽命試驗是液壓元件及系統必需要做的測試項目。隨著國內裝備制造業的不斷發展,對液壓產品壽命的要求也不斷提高,一些要求高的主機提出的壽命要求甚至達到3萬小時。按一年365天,每天24小時不間斷試驗,都需要三年半。如果其中有一些問題需要反復,加上測試設備也需要維護,試驗時間就更長了。因此,加速壽命試驗就成為了必然的選擇。
    加速壽命試驗的統一定義最早由美羅姆航展中心于1967年提出,加速壽命試驗實際上是在進行合理工程及統計假設的基礎上,通過提高產品的試驗參數,如轉速、壓力、動態沖擊頻率等,利用與物理失效規律相關的統計模型對在超出正常應力水平的加速環境下獲得的信息進行轉換,得到產品在額定應力水平下的特征可復現的數值估計,但不改變產品失效分布的方法。俄羅斯蘇-27飛機主液壓泵采用的就是加速壽命試驗,加速比達到了1:8,也即是加速試驗1小時,等同于可靠性壽命達8小時。國內航空領域,中航力源液壓公司、南京液壓中心在液壓泵加速壽命試驗方面開展了一些研究應用。但總體來說,缺乏足夠的理論及實踐基礎,難以形成普適性的加速壽命測試方法。今后,應該借助國家項目,采取院校與企業聯合的方式,結合國外的專業技術公司,研究液壓產品加速壽命測試方法,有效縮短產品的研制周期及試驗成本。
圖4
2.4 修訂國家標準
       國家標準是一個國家指導行業發展的規范、準則。有關部門應該積極組織相關院校、科研院所及企業,及時總結國內液壓測試技術一段時間以來的成果和經驗,充分考慮今后的發展趨勢,及時修訂完善或制訂新的液壓測試標準。從國家層面,引導整個液壓行業的提升和發展。
2.5 數字化測試工作平臺
       通過平臺軟件的規劃管理,最大限度的提高測試效率。為企業提供測試協同工作平臺,使液壓產品測試的準備、執行、分析、評估四大階段處于自動和受控的狀態,對測試工作各階段的工作進行專業協作,幫助企業從測試數據中獲取知識和經驗,達到改進產品設計,提高產品質量,提升企業生產力和競爭力的目的。圖4為應用某測試管理軟件的流程圖。
3 結束語
       借助我國大力發展軍工行業,發展民用高端裝備制造業的契機,國內液壓測試技術未來將會得到越來越多的重視。液壓行業各院校、研究院所及企業對液壓測試設備在性能及數量上均會有更多的需求。
當然,液壓測試技術是為液壓產品服務的。液壓產品需要在生產流程及工藝方法上固化、提高,使各批次的液壓產品性能的穩定性、一致性得到強化,液壓測試技術才能有效促進液壓行業的發展。
 
參考文獻
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⑺ 潘東升,等. 液壓仿真技術的現狀及發展趨勢新技術新工藝 2005年4期
 
本文發表于《液壓氣動與密封》雜志(2015年第1期)
 

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