液压缸综合性能测试系统设计

液压缸综合性能测试系统设计
作者：xxxx 指导老师：xxxx
xxx大学工学院 11机制xx班合肥 23000
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摘要：液压缸在整个液压系统中充当执行元件，起着尤为重要的作用，因此它的综合性能非常重要。

液压试验台是对液压元件检测的最佳设备，能够对液压缸及其他液压元件做出全方位的测量。

此次毕业设计的主要内容就是设计一个简单的实验测试系统，对它工作方式、组成成分等做出分析设计。

本文对液压缸综合性能测试系统进行设计，液压缸的综合性能直接反应整个液压系统工况，因此对液压缸综合性能的测试是十分必要。

于是，在达到国家标准的前提下，进行液压缸的出厂实验，即试运行实验、启动压力特性实验、耐压实验、泄漏实验以及负载效率实验，将其实验结果整理分析，通过所学的液压回路，运用必要的元件组合成一个完整的液压缸综合性能测试系统液压回路。

主要对测试系统的控制装置以及加载装置进行详细的介绍。

关键词：液压缸综合性能测试系统
1 绪论
1.1 课题背景
随着现在工业化步伐的加快，传统的液压传动和装置已经满足不了产品的需求，高性能液压元件和系统越来越重要。

因此，液压传动与控制领域的研究与设计越来越深入，为了满足产品的不同种需求，新型液压系统与元件也就得到了高度的重视。

液压缸综合性能的测试在液压领域有着十分重要的地位，在进行测试时，主要是对有关物理量进行直接或间接的测量，因此先进的测量仪器以及实用的测量系统能在很大程度上改进液压缸综合性能测试技术，当然这一切都要迎合国家标准和行业标准。

1.2 液压缸综合性能测试系统研究现状
存在的问题有：
（1）不能实现简单自动的机械型检测而且数据及结果不清晰；
（2）达不到国家标准和行业标准，不能进行如耐压试验、负载效率实验等一些液压缸重要性能测试；
（3）现在的测试系统存在不稳定不安全性对一些实验仪器会有损害，如实验时压力控制不好，温度控制不好；
（4）现在的测试设备太落后，没有计算机的控制系统，压力、油温和液位等不能够准确实时的反馈，组合不成一个闭环控制系统；
（5）现在的测试系统太过于复杂，检测人员的工作过于繁琐，对人才资源过于浪费。

由此可得，现在的测试系统过于落后，测试结果不准确不能达到要求，而且实验不够全面，实验过程不安全，而且不能实现简单自动化的测试。

1.3 课题目的
本论文的主要宗旨在于通过自己的实验和理论分析设计出一个实用型的液压缸综合性能测试系统。

首先，必须在符合国家规定和行业规定的前提下，对液压缸进行试运行实验、启动压力特性实验、耐压实验、泄露实验以及负载效率实验。

其次，对测试得出的数据和现象要准确，能够反应出液压缸的性能，最后测试系统实验过程必须有操作简单、安全性高的特点。

综合上述要求设计出由PLC控制系统、动力源和液压缸综合性能实验台组成的液压缸综合性能测试系统。

2 液压缸综合性能
2.1 液压缸的综合性能实验的规定
液压缸的分类，
①按照结构特点不同分为：活塞式液压缸、柱塞式液压缸、摆动式液压缸。

②按照作用方式不同分为：单作液压缸、和双作用液压缸。

国标GB/T 15622-2005 对液压缸综合性能实验的项目、实验方法、实验要求做出了详细的规定，主要分为型式试验和出厂实验。

2.2 液压缸综合性能实验
液压缸的型式试验主要是为了全面的理解液压缸的结构和确定产品有没有
定型包括它的完整性、工作性能和耐久性。

而液压缸的出厂实验则是真正的体现了液压缸的综合性能，也就是在生产设计中所重视的。

液压缸综合性能实验项目、试验方法和实验要求如表1
3 综合性能实验及回路
3.1 试运行试验
在进行每个实验之前一定要先做一个试运行试验，因为试运行试验是接下来每个实验能够顺利进行的前提。

实验分析：在调整试验系统压力的时候，溢流阀无非是最好的选择，其作用就是让液压缸能够在完全无负载的情况下顺利启动，查液压缸的参数确定全行程的时
候往复运动所规定的次数，将液压缸里面的空气完全排除，处于一个近真空的状态，观察是否有什么异常情况。

基本回路图如图1所示
3.2 起动压力特性实验
实验分析：按照起动压力特性试验的基本要求，当试运转实验结束后，液压缸不受任何外力的作用即空载时，使得液压缸无杆空腔压力渐渐上升，一直到液压缸顺利启动，观察压力表，记录被测缸工作腔活塞在启动时所受到的压力，即为实验所需的最低启动压力。

这里是通过调节比例调速阀来使得液压缸无杆腔所受压力改变，其过程不复杂而且实用。

实验原理：这里主要的是根据比例调速阀的流量不会因为出口压力的变化而变化，从而实验数据更加有效的特点设计的。

先就得确定比例调速阀的信号，当比例调速阀接收信号后，油管内有流量小的液压油流入液压缸无杆腔，设定时间，使液压油不断的流入无杆腔，随之液压油的增多，液压缸无杆腔所受的压力也不段的上升，当上升到能够使活塞杆伸出，即液压缸无杆腔所受压力大于被试缸活塞摩擦力等阻力，直至活塞杆接近开关时，立即停止该项试验。

实验的过程中的所需的数据是液压缸无杆腔所受压力，由压力传感器显示，通过分析选取该过程中的最大压力即为被试缸的启动压力。

基本回路图如图2所示
3.3 泄漏实验
液压缸泄露主要有两种泄露方式，分别是内泄漏和外泄露。

液压缸的泄漏现象能够直接影响液压缸的工作性能的好坏，因此进行液压缸泄露实验时一定要谨慎，在进行液压缸泄露实验之前一定要检测以下项目
（1）液压缸在正常的工况下，各运动元件是否存在运动缓慢和爬行现象；（2）实验结束过后，仔细检查各个密封处是否出现泄漏；
（3）仔细检查没有节流的部件有没有泄漏；
（4）如果液压缸存在焊缝，实验结束过后观察焊缝是否泄漏。

通过查资料得知，外泄露实验比较简便，只需要额外增加系统负载就可以，这里不做过度的研究。

而现有的液压缸内泄漏量的测式方式主要有2种。

一种方法是直接测量，对被试缸无杆腔施加额定压力，加载缸锁紧，使被试缸实现保压，使用密度仪测量出油口流出的油量。

这种方法的泄漏量包含了加载缸的泄露量和
液压缸的泄露量，所得测量结果误差大，不可取。

另一种方法是间接法测量，也就是本实验的原理，具体操作如下：首先锁紧被试缸无杆腔油路，使用加载缸对被试缸加载，由于受到加载缸的作用被试缸无
杆腔压力增大，从而使得该腔内液压油从活塞和内缸体泄漏至有杆腔，被试缸活塞则向无杆腔端移动微小位移，通过测量该位移量即可计算出泄漏量。

液压缸的泄漏量采用全新的测量方法，利用密度仪更精确的测量液压缸的泄漏量。

基本回
路如图3所示
3.4.耐压实验
由于液压缸的种类很多，每种液压缸的额定压力也不同，在进行耐压试验时工控机的加载力不能统一，因此本实验需要用到电液比例溢流阀使工控机能够远程调节对被试液压缸的加载压力，并且在加载缸回油路上装上单向阀实现对不同类型液压缸加载。

耐压试验的具体操作是在被试液压缸无杆腔端施加1.5倍的额定压力，保压时间要达到两分钟。

基本回路如图4所示
3.5负载效率实验
同耐压试验一样由于液压缸的种类比较多，需要通过工控机来控制。

负载效
率实验的具体操作是使用工控机对比例溢流阀进行缓慢的加载，使得被试液压缸在规定的压力下运行，这里使用压力传感器测量并记录被试液压缸无杆腔压力p，用力传感器测量并记录负载力F，实验之前确定好被试液压缸最大直径，通
η便可计算出无杆腔面积A。

过工控机程序中定义负载效率公式%
F
100
/⨯
=pA
我们知道负载效率在液压缸的综合性能中起着尤为重要的作用，它直接反应了液压缸质量的优劣，因此进行该实验时要特别的仔细。

基本回路如图5所示
3.6 总回路设计
通过分析上面五个试验回路图可以得到以下总回路图如图6所示
S1-油温传感器 S2-液位继电器 SP1.SP2-压力传感器 L1.L3-压力表 P1-电机 P2-油泵P3-冷却器 C1-被试缸 C2-加载缸 X1.X2-单向阀 D1-三位四通电磁换向阀 D2-三位四通电磁换向阀 J-截止阀 Y1.Y2-比例溢流阀 Y3-比例调速阀 Y4-直动式溢流阀工作原理：在进行试运行实验时，溢流阀使得系统压力恒定，液压缸能够在完全无负载的情况下启动；在进行启动压力特性实验时，比例调速阀使得液压缸无杆腔所受的压力均匀上升，从而使得活塞杆能够伸出；在进行泄露实验时使用截止阀将被试缸无杆腔锁紧，从而使加载缸直接对被试缸加载，被试缸无杆腔压
力增大，使得被试缸活塞位移；在进行耐压实验时，电液比例溢流阀使工控机能够远程调节对被试液压缸的加载压力，并且在加载缸回油路上装上单向阀实现对不同类型液压缸加载；在进行负载效率试验时，工控机对比例溢流阀进行缓慢的加载，使得被试液压缸在规定的压力下运行。

4 PLC 控制系统
4.1 PLC控制系统的优点
①使得整个系统抗干扰能力强；
②在操作上面，安全可靠性高；
③硬件的安装和接线比较简单；
④在各种系统中能够灵活的运用。

4.2 选型
（1）第一要从PLC的性能方面考虑，不同的PLC工作的方式不同，最基本的是了解PLC的计算速度、储存量等，如果有特殊情况就得看PLC能不能执行任务；
（2第二方面是PLC 的价格，不同厂家所生产的 PLC 在价格上存在很大的差异，有些 PLC功能和质量相当、输入点和输出点数也差不多，可是它们的价格却相差很多。

所以在选择PLC时，除了要能完成控制任务还要考虑经济因素以及PLC控制的稳定性。

综合以上的选择西门子公司的S7-200系列的PLC产品CPU226N.
4.3 I/O地址的分配
4.4 控制程序设计
这里选择顺序功能图的设计方法，这里是将一个实验分成几个控制动作，并且按照先后顺序来完成。

操作如下
每个实验都设计相应的程序从而使得PLC控制系统能够更加的全面的控制整个系统，使得测试人员更加简单轻松的进行实验操作。

5 液压缸试验台设计
5.1 技术参数
①最大公称压力16Mpa
②测试实验时的油温是46℃-54℃。

③选定液压缸最大缸径为200mm
④各类仪表测量精度等级不低于B级
(1)技术参数计算
液压系统元件设计压力
由于技术参数规定最大被试缸的公称压力为 16MPa，则液压系统在工作时的最高压力为 16×1.5=24MPa，
考虑到过载，各个液压元件设计压力为 24×1.25=30MPa；
（2）液压系统最大流量
由于技术参数规定最大缸径为 2000mm ，取液压缸最大的运动速度来计算，最大流量为4/106026v D Q π-⨯=计算得出最大流量在100-120(L/min)之间
其中 Q=流量，单位是L/min ；
D=被试缸径，单位是mm ；
V=被试缸液压缸活塞杆速度，单位是mm/s 。

(3)液压泵参数
由于液压系统的最大压力为24Mpa ，最大流量为100-120(L/min)根据
n V Q ⨯=（Q 为泵的流量，V 为泵的排量， N 为额定转速）通过查资料可以选择64YCY14-1B 型斜盘式轴向柱塞泵。

它的公称压力为p ＝32MPa ，公称排量为64mL/r ，额定转速为n ＝1500r/min 。

(4)驱动电机
驱动电机功率计算公式为
η60/pQ P =
式中 P=电机功率
P=是液压泵压力
Q=泵的流量
η=液压泵的总效率
5.2 部分元件功能
5.2.1 调压
在液压缸的试运行实验和启动压力实验过程中，通过面板上的溢流阀来调
节压力，使其压力不得大于2Mpa 。

进行耐压试验时，使“快速升压”换向阀通电，主泵由于压力上升到8Mpa 时，通过电磁溢流阀自动泄压。

系统的压力通过面板上的溢流阀来调定，由高压泵供油，但是前提是按照液压缸实验要求确定，最大压力为但不得超过30Mpa 。

5.2.2加热
电加热器为液压油加热，但温度上升到一定程度时停止加热。

而冷却泵的作用刚好相反，起到降温的作用，即当油温过低时冷却泵开始工作，提取温度过高的油送至风冷器上面，等到降温到一定的成都后停止工作，使油重新回到油缸。

5.3 综合性能测试试验台结构及功能
5.3.1 结构
将试验台设定成单体落地式的结构，一切实验用到的仪器和元件都安装在试
验台的正上方。

主要由显示面板、控制面板、工作台、油箱、泵、阀等主要元件
组成。

5.3.2 面板
1.面板第一行由左口高压表、左口低压表、右口低压表、右口高压表组成。

低压表的作用:更精确更简单的测量和显示油缸启动时的压力
高压表的作用：当压力升高时，自动减压保护各种阀不受损，反馈给压力表减压保护阀，使其自动切断通过低压表的回路
2.面板第二行由气压表、系统压力表、主泵压力表三只耐震压力表组成。

气压表的作用：显示气压。

主泵压力表的作用：工作项目单一的仪表，仅仅显示主泵进入工作时的压力。

系统压力表：显示系统工作时高压泵的压力
3.面板第三行是压力表的开关。

4.面板第四行有四只调节手轮，
气压调节手轮：调节工况下送往油缸的气压；
速度调节手轮：调节工况下油缸的运行速度；
高压调节手轮: 调节工况下系统最高压力不超过1.5Mpa；
低压调节手轮：调节工况下系统低压运行的压力。

控制温度和压力必要的按钮，还有各种必备的按钮和指示灯根据设计的需要分布在面板的各部分。

5.3.3 工作台
工作台是测试实验最主要的部分，过滤器安置在工作台上面，其作用是沉淀液压油中的大颗粒物体，它的结构复杂；实验油缸也安装在工作台上面，每次测试试验过后所流出的液压油都会由此回收。

5.3.4 油箱
油箱位于工作台下方，其主要的用途是存储油液，油箱的容量和结构满足的要求如下：
①具有足够大的容量，能为系统提供足够的动力源
②能够排除油中的空气和杂质，能消散热量，降低油温。

③油箱上部应当适当地透气，以保证油泵正常吸油。

④能够方便油箱中元件和附件的安装和更换。

⑤能够方便装卸和排油。

5.3.5 液压装置
1.主油泵电机组是实验过程非常重要的部分，选择卧式主油泵电机组，组成部分是柱塞泵、吸油过滤器、电动机、油泵座等，安装在油箱前面但是不能太靠近，由于工作过程中震动太大，为了不损坏电机组必须选择橡胶的隔震垫。

吸油泵、法兰和吸油过滤器从上到下依次排列。

2.高压小泵电机组的组成与主油泵电机组的组成十分类似，主要是通过小流量柱塞泵、电动机、油泵座、吸油过滤器等组成，由于测试实验的要求选择立式的高压小泵电机组，将其安装位置选择在油箱左上方。

为了简化测试实验的维护和装卸，先将油泵和过度法兰连接，再将法兰和油泵座连接，但是不能隔得太近，以免产生摩擦损坏。

将油泵吸油口安装在圆法兰的左上方，将吸油过滤器安装在安装在圆法兰的下方。

结论
液压缸综合性能测试系统是检测液压缸达到产业标准和国家标准的重要设备，能完成液压缸的出厂实验和型式试验，从而可以更好保证液压缸的质量。

由于测试的项目比较多，有些还比较复杂，所以为了简化这些实验选择PLC作为控制系统。

选择PLC的原因是它在很大程度上降低了工作量，节约了时间，而且测量的结果也会相对比较的精确，也使增加了整个系统的稳定性。

通过对液压缸综合性能测试系统的研究设计有以下的收获：
1．通过对测试系统液压回路图的分析，设计出一台实用的液压缸综合性能试验台，并且能通过试验台试验反应出液压缸的标准；
2．在对液压缸综合性能进行测试时，不在局限于常规的人工控制，而是采用PLC控制，从效果上来看，PLC控制更加适合于测试系统，它所获得数据精确，所能达到的要求更高，能完成液压缸的所有出厂试验；
3．液压缸综合性能比较广泛，设计测试系统一定要谨慎。

在元件的选择、安装以及仪器的使用上一定要仔细，在性能参数的计算和确定上不能随便，才能使做好液压缸综合性能测试系统的设计。

致谢
本文是在刘薇老师的细心的指导和督促下完成的。

老师的教学态度严谨、学识渊博，在毕业设计的时候给了我许多的建议，并且在我困惑之时花时间细心的给我分析，使我的难题迎刃而解。

刘老师诲人不倦的精神给我留下了深刻的印象，每当我在毕业设计是遇到了难题就会去请教老师，无论是工作日还是休息日老师都会给我分析。

如今论文完成了，谨向老师致以最崇高的敬意和最衷心的感谢！
在毕业论文的设计过程中，不仅得到了老师们的无私帮助和细心指导，还得到同学和朋友的关心，在此，我谢谢大家的关心和帮助。

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Title The Hydraulic Cylinder Comprehensive Performance Test System Design
Abstract
The hydraulic cylinder serves as executive element in the whole hydraulic system, plays a particularly important role, so its comprehensive performance is very important. Hydraulic test bench is one of the best equipment for hydraulic components detection, capable of hydraulic cylinder and other hydraulic components to make a full range of
measurement. The main content of this graduation design is to design a simple test system, it works, composition and so on to make analysis and design.
In this paper, the hydraulic cylinder to design comprehensive performance test system, the hydraulic cylinder directly influences the quality of the whole hydraulic system performance, so the test of the hydraulic cylinder must be comprehensive. Then, according to the provisions of the state of the hydraulic cylinder factory experiment, the hydraulic cylinder for commissioning and start-up pressure characteristic experiments, compression experiment efficiency, leakage test and load experiment, the experimental results, through learning the hydraulic circuit, using the necessary components combined into a complete hydraulic cylinder hydraulic circuit comprehensive performance test system. The main control device for testing system and loading device is introduced in detail.
Keywords Hydraulic cylinder Comprehensive performance est system。