液压试验台设计

液压试验台设计
摘要:液压系统的组成、功能日益复杂，因而发生故障的机率也随之增多。

液压系统的故障具有隐蔽性、变换性和诱发因素的多元性，所以在故障诊断和排除时，不但需要有熟练的技术人员，同时还要有完善的检测设备。

检测液压元件性能参数的试验设备多为性能单一的液压试验台。

而且一般为液压件生产厂家和研究所专用。

从使用方面来看，一旦液压系统发生故障，常常需检测多种液压元件的技术指标，才能找出故障部位和根源，达到及时修理的目的。

本文阐述了一种液压试验台的设计、工作原理及主要技术指标。

它综合了液压阀和液压缸专用试验台的性能，达到了一机多用的目的，该试验台具有测试可靠、制造容易、维护方便、成本低廉等特点。

关键词：液压试验台；油箱；液压阀；液压缸；压力机
THE DESIGN OF HYDRAULIC TEST BENCH
Abstract:The components and functions of hydraulic system become more and more complex , and thus the probability of failure also increase. Hydraulic system failure with elusive, transformation-induced and inducing factor multiplicity, so in the fault diagnosis and rule out the possibility, not only the need for skilled personnel, but also have a well-developed testing equipment, most of the test equipments that used for detecting the performance parameters of hydraulic components are a single hydraulic test bed. And generally to hydraulic parts manufacturers and research institutes dedicated. From the perspective of using, once the hydraulic system failure, are often required to detect a wide range of hydraulic components of the technical indicators to identify the root causes of fault location and to achieve the purpose of timely repairs. In this paper we explain the design of one kind of hydraulic test bench, working principle and the main technical indicators. It combinated the performance of hydraulic valves and hydraulic cylinders dedicated test-bed, to become multiple use, the test bench with characteristics of test reliable, easy to manufacture, easy maintenance, low cost and so on.
Key words:hydraulic test stand; tank; hydraulic valve; hydraulic cylinder; forcing press
目录
摘要 (1)
Abstract. (2)
1 绪论 (1)
1.1 课题背景及目的 (1)
1.2 国内外研究状况 (1)
1.2.1 国内外发展现状 (1)
1.2.2 发展趋势 (3)
1.2.2.1 以计算机软件为平台，实现液压传动实验的虚拟化 (3)
1.2.2.2 以计算机网络为平台实现液压传动实验的网络化 (3)
1.2.2.3 利用PLC编程实现液压传动实验的智能化 (3)
1.2.2.4 以液压故障诊断系统为平台，实现液压系统的检测与故障分析 (3)
1.2.2.5 利用纯水液压传动节约能源、保护环境 (4)
1.3 论文构成及研究内容 (4)
2 液压试验台基本设计计算 (5)
2.1 液压系统设计步骤与设计要求 (5)
2.2 初选系统工作压力 (5)
2.3 计算液压缸的主要结构尺寸 (5)
2.4 制定基本方案和绘制液压系统图 (8)
2.4.1 制定基本方案 (8)
2.4.2 液压试验台系统原理图 (9)
3 液压试验台选用设计 (12)
3.1 液压泵的选型与安装 (12)
3.1.1 液压泵工作压力的确定 (12)
3.1.2 液压泵流量的确定 (12)
3.1.3 液压泵的安装方式 (12)
3.2 电动机功率的确定 (15)
3.3 液压阀的选型与安装 (15)
3.4 液压油缸的选型 (17)
3.5 液压油管的选型 (17)
3.6 液压油箱的设计 (18)
3.6.1 液压油箱有效容积的确定 (18)
3.6.2 液压油箱的散热计算 (18)
3.6.3 液压油箱的容量计算 (19)
3.6.4 液压油箱的结构设计 (19)
4 简易轻载压力机设计 (23)
4.1 概述 (23)
4.2 简易压力机设计 (24)
5 结论 (25)
参考文献 (26)
致谢 (27)
1 绪论
1.1 课题背景及目的
随着液压工业的发展，液压技术在各种机械中发挥着越来越重要的作用。

由于液压系统的组成、功能日益复杂，因而发生故障的机率也随之增多。

液压系统的故障具有隐蔽性、变换性和诱发因素的多元性，所以在故障诊断和排除时，不但需要有熟练的技术人员，同时还要有完善的检测设备。

检测液压元件性能参数的试验设备多为性能单一的液压试验台，而且一般为液压件生产厂家和研究所专用。

从使用方面来看，一旦液压系统发生故障，常常需检测多种液压元件的技术指标，才能找出故障部位和根源，达到及时修理的目的。

同时液压传动课程是各类工科大学及职业院校机械、机电类专业学生的重要课程，而液压试验台则是进行液压传动课教学必不可少实验设备。

为了满足课程教学需要，拓宽学生知识面，提高现代工业技术应用能力，我们设计了一种价格低廉，制造容易，于数据检测、演示和装置检验为一身的液压实验台。

1.2 国内外研究状况
1.2.1 国内外发展现状
液压行业的科学研究和工业生产的速度发展对试验提出了新的要求和先进的测试技术，以获得较高的试验精度并实现测量自动化。

试验台是检验产品的性能，验证产品质量的关键设备，目前国内液压行业生产厂均有相应产品的实验台，但是，试验项目、精度大部分不能满足试验方法标准：GB/T1562-1995的要求，特别是一些动态的性能得不到检验。

此外，人工操作效率低，劳动强度大，人为因素严重影响试验结果。

而且就是现有的设备只是单一的检测项目，而不能在一台设备上同时对多个液压元件进行试验。

国内状况：普通的试验台设备简陋，完全通过人手工操作方式进行试验和记录数据，这样导致试验标准不易掌握，试验方法缺乏一致性，操作人员劳动强度大，达不到通过试验最终控制和提高产品质量的目的。

国内现有的超声检测，针对温度、流速、压力对超声传播速度的影响，建立温度—压力—声速模型在温度、压力、流量大范围变化条件下对流量和压力的测量。

它能够克服了传统声速流量仪器对温度敏感且不能有流量大范围变化场合的不足。

而现在普遍使用的超声测量试仪器无论采用频差、相差或声差都必须在液体声速变化范围不大的前提下进行，而液压系统中，液压油的温度、压力的变化范围都很大，如温度变化–40℃~60℃，压力变化从0—32MPa。

这两个因素会引起声速在大范围内变动，由此引起的影响，用超声测试液压元件对测量的精度能够满足。

同时液压元件系统CAT的研究应用比较广泛，CAT试验台的功能比较单一，不能满足综合
试验的要求。

另外还有计算机辅助测试CAT，它是由硬件和软件所组成的，针对测量信号复杂，为减小信号的干扰，采取数据处理方法和系统抗干扰措施，使测试数据更加真实、可靠，较为全面地满足对被测液压元件的测试要求。

在实验台方面，传统液压实验台实验回路单一，实验效果较差，大多通过对泵和阀的控制实现液压传动，主要是由实物液压元件所组成的，导致了实验台的重量和体积都较大，并且由于实物元件和管路不透明，学生观察不到其内部的结构、液流及动作等情况。

同时，由于元件位置不能随意变动，使得所实现的液压回路单一，不利于培养学生的创造能力，直接影响了实验效果。

其次，传统液压实验台自动化程度低，由于传统的液压实验台多采用继电器等元件作为控制系统的控制元件，其成本高；实现功能少，耗电高，使用寿命短，电路连接繁琐。

并且还存在可靠性和灵活性差，自动化程度低等缺点。

还有传统液压实验台液压油漏泄容易污染实验场所，在液压传动系统中，通常以矿物型液压油作为工作介质，既消耗大量宝贵的石油资源，加重环境污染，又易泄漏、易燃烧，并且泄漏出的油液还会污染实验场所，同时也会导致部分学生怕脏而不肯动手。

[1]
国外状况：日本岛津VEH型及美国STEX公司的HVL型液压万能试验机均采用电液伺服及阀控制双向油缸负荷、变形、位移控制由电液伺服闭环控制，同时具有电子测试和计算机数据处理功能，电液伺服阀的优点是静动态性能良好，分辨率高，滞环线性度高，工作范围广，更适合动态电液伺服试验机。

其缺点是：由于静态液压万能试验机上未能发挥其特点，使其造价提高，抗污染能力变差，工作噪声较大，油温升高快，有些还需要水冷却。

西德申克公司的UPV液压万能试验机，其控制原理是由速度控制器控制力矩而带动压力控制阀，施加负载，并且有速度电流反馈，是一种传统的控制方式。

在本试验台上进行产品出厂测试，同时也可进行行业检测，采用调速电机、加载、压力、流量、转速、控力、温度、自动控制和显示，被测数据（参数）实现自动采集实时显示。

液压缸、液压泵、流量阀、压力阀、溢流阀等进行综合的测试。

该试验台试验范围广，可以满足各种型号的液压元件的试验，结构紧凑，操作方便，整个系统人机界面友好，可以进行各种试验，负载效率试验，耐久性试验等，实现了测量控制参数设定，记录和数据处理的全自动化，不仅减轻了操作人员的劳动强劳动强度。

改善了操作环境，而且达到了较高的试验效率和测量精度，通过对各种液压元件的预测量可以看出，试验台及其测控系统的立意和设计都比较新颖，合理和成功，取得了良好的效率。

此外，在减轻试验人员的劳动强度，改善工作条件方面，综合测试系统都具有无可比拟的优点。

但不足之处是：系统需要的设备及投资较多，设备及元件的可靠行对试验工作的影响较大，设备的使用，维修和编程比较复杂，需要一定的专职人员。

1.2.2 发展趋势
1.2.2.1 以计算机软件为平台，实现液压传动实验的虚拟化
虚拟实验的概念是从虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)的概念中衍生出来的。

从本质上讲，VR系统是对现实环境的仿真，因此，仿真技术无论对于虚拟现实和虚拟实验都是关键性的技术。

虚拟仪器(Virtual Instrument，简称VI)在20世纪80年代末由美国研制成功，它开创了仪器使用者可以成为仪器设计者的新时代。

虚拟仪器作为仪器技术与计算机技术深层次结合的产物，是全新概念的仪器，是对传统仪器概念的重大突破，虚拟仪器采用相应原理代替传统仪器进行模拟实验，用户利用软面板实现数据采集、数据分析和数据显示功能，实现了测试的自动化、智能化，体现了软件就是仪器的设计思想。

虚拟仪器使用户能够根据自己的需要定义仪器功能，利用虚拟仪器，用户可以更好的组建自己所需的测试系统。

由于PC机强大的数据处理能力，借助于一块通用的数据采集卡，用户可以利用软件构造几乎任意功能的仪器。

1.2.2.2 以计算机网络为平台实现液压传动实验的网络化
随着计算机网络及计算机通信技术的开发，网络实验平台随之提出，教学和实验环境正在发生巨大变化，它的开放性、共享性变得越来越重要。

目前网络教学系统己经得到广泛应用，通过计算机网络进行远程课堂教育，已经是比较成熟的技术，国内外多所大学已经开办了远程教育。

近年来，网络的使用越来越得到广泛重视，在大学里或大学之间利用网络技术，通过远程登陆相互共用各具特色的实验设备，使之成为一个教学实验的共享系统，是当今实验教学发展的必然趋势。

使用户能在不同地点、不同时间选择完成所需要的实验与实验研究，不仅可以节约时间，还将节约人力、物力等方面的资源。

因此，实验资源共享，对能够最大限度发挥仪器设备的使用率、开创新的实验方法、提高实验水平都有着十分重要的意义。

1.2.2.3 利用PLC编程实现液压传动实验的智能化
利用先进的控制技术开发新的实验台或对原有的实验台进行改进，将液压技术与先进的控制技术结合，实验台自动化程度大大提高。

1.2.2.4 以液压故障诊断系统为平台，实现液压系统的检测与故障分析
液压故障诊断专家系统是采用智能型的诊断方法，是一种基于液压领域众多著名专家的理论知识和实践经验，能仿真人类专家解决液压系统领域故障的智能计算机推理系统。

1.2.2.5 利用纯水液压传动节约能源、保护环境
德国的Hauhinco机械厂，于1995年就研制成功淡水径向柱塞泵陶瓷阀芯的水压滑阀产品；Tampere大学等联合开发研制成功用于内燃机喷射控制器、造纸、水切割等动力源的海水轴向柱塞泵和马达。

1996年Tampere大学又成功研制出比例流量控制纯水液压系统[2]。

现今纯水液压技术已成为现代液压传动技术发展的新方向。

以水(天然水、海水)为液压介质，具有无污染、安全、清洁卫生等优点，并且以水为介质的水传动技术具有结构简单、效率高、经济等优点，在众多领域有着广泛的应用前景。

1.3 论文构成及研究内容
本论文主要对液压试验台进行液压系统设计、液压元件选型、液压泵站、油箱、管路及管件等选择，具体内容包括：
（1）液压试验台基本设计计算；
（2）液压试验台选用设计；
（3）简易轻载压力机设计。

2 液压试验台基本设计计算
2.1 液压系统设计步骤与设计要求
液压系统的设计步骤并无严格的顺序，各步骤间往往要互相穿插进行。

一般来说，在明确设计要求之后，大致按如下步骤进行。

（1）确定液压执行元件的形式；
（2）进行工况分析，确定系统的主要参数；
（3）定制基本方案，拟定液压系统原理图；
（4）选择液压元件；
（5）液压系统的性能验算；
（6）绘制工作图，编制技术文件。

[3]
2.2 初选系统工作压力
压力的选择要根据载荷大小和设备类型而定。

还要考虑执行元件的装配空间、经济条件及元件供应情况等的限制。

在载荷一定的情况下，工作压力低，势必要加大执行元件的结构尺寸，对某些设备来说，尺寸要受到限制，从材料消耗角度看也不经济；反之，压力选的太高，对泵、缸、阀等元件的材质、密封、制造精度也要求很高，必然要提高设备成本。

一般来说，对于固定的尺寸不太受限的设备，压力可以选低一些，行走机械重载设备压力要选的高一些。

具体选择可参考表2-1、表2-2。

表2-1按载荷选择工作压力
载荷/kN＜55-10 10-20 20-30 30-50 ＞50
工作压力/MPa＜0.8-1 1.5-2 2.5-3 3-4 4-5 ≥5
表2-2各种机械常用的系统工作压力
机械类型
机床农业机械
小型工程机
械建筑机械
液压凿岩机
液压机大中
型挖掘机重
型机械起重
运输机械磨床组合机床龙门刨床拉床
工作压力/MPa0.8-2 3-5 2-8 8-10 10-18 20-32 本试验台属于中低压装置，初选最大工作压力16MPa。

2.3 计算液压缸的主要结构尺寸
液压缸有关设计参数见图2-1。

（a ）
（b ）
图2-1 液压缸的主要设计参数
图（a ）未液压缸活塞杆工作在受压状态，图（b ）未活塞杆工作在受拉状态。

活塞杆受拉时
2111A p A p F F m
W -==
η （3-1） 活塞杆受压时 1221A p A p F F m W -=
η （3-2） 式中 214D A π=
——无杆腔活塞有效作用面积（m 2）； )(4
222d D A -=π
——有杆腔活塞有效面积（m 2）； p 1——液压缸工作腔压力(Pa)；
p 2——液压缸回油腔压力(Pa)，即被压力，初算时按表2-3选取；
D ——活塞直径；
d ——活塞杆直径。

表2-3 执行元件被压力
系统类型
被压力/MPa 简单系统或轻载节流调速系统
0.2-0.5 回油路带调速阀的系统
0.4-0.6 回油路设置有背压阀的系统
0.5-1.5 用补油泵的闭式回路
0.8-1.5 回油路较复杂的工程机械
1.2-3 回油路较短，且直接回油箱
可忽略不计
一般，液压缸在受拉状态下工作，其活塞面积为 1
221p A p F A += （3-3） 运用式（3-3）须事先确定A 1与A 2的关系，或是活塞杆径d 与活塞直径D 的关系，
令杆径比D d /=φ，其比值可按表2-4和表2-5选取为0.5。

表2-4 按工作压力选取d/D
工作压力/MPa ≤5.0 5.0-7.0
≥7.0 d/D 0.5-0.55 0.62-0.70 0.7 表2-4 按速比要求确定d/D
v 2/v 1 1.15 1.25 1.33 1.46
1.61 2 d/D 0.3 0.4 0.5 0.55
0.62 0.71
注：v 1—无杆腔进油时活塞运动速度；
v 2—有杆腔进油时活塞运动速度。

F W 初选为20kN,m η为液压缸的机械效率，取0.9，由式（3-1）可计算出F ≈22.2kN ，由表2-3选取被压力为0.2MPa,则可由公式
)]
1([4221φπ--=p p F D （3-4） 计算出D=40.093mm ,按表2-5圆整为40mm 。

表2-5 常用液压缸内径D （mm ）
40 125 50 140 63 160 80 180 90
200 100 220 110 250
2.4 制定基本方案和绘制液压系统图
2.4.1 制定基本方案
（1）制定调速方案
运动方向和运动速度的控制是拟定液压回路的核心问题。

方向控制用换向阀或逻辑控制单元来实现。

对于一般中小流的液压系统，大多通过换向阀的有机组合实现所要求的动作。

对高压大流量的液压，现多采用插装阀与先导控制阀的逻辑组合来实现。

速度控制涌过改变液压执行元件输入或输出的流量或者利用密封空间的容积变化来实现。

相应的调速方式有节流调速、容积调速以及二者的结合——容积节流调速。

节流调速一般采用定量泵供油，用流量控制阀改变输入或输出液压执行元件的流量来调节速度。

此种调速方式结构简单，由于这种系统必须用溢流阀，故效率低，发热量大，多用于功率不大的场合。

容积节流调速一般是用变量泵供油，用流量控制阀调节输入或输出液压执行元件的流量，并使其供油量与需油量相适应。

此种调速回路效率也较高，速度稳定性较好，但其结构性比较复杂。

节流调速又分别有进油节流、回油节流和旁路节流三种形式。

进油节流启动冲击较小，回油节流常用于有负载荷的场合，旁路节流多用于高速。

综合考虑本试验台采用旁通节流调速，调速回路一经确定，回路的循环形式也就随之确定了，采用开式循环形式，在开式系统中，液压泵从油箱吸油，压力油流经系统施放能量后，再排回油箱。

开式回路结构简单，散热性好。

（2）制定压力控制方案
液压执行元件工作时，要求系统保持一点的工作压力或在一定压力范围内工作，也有的需要多级或无级连续地调节压力。

由于采用节流调速，本系统由定量泵供油，用溢流阀调节所需压力，并保持恒定。

（4）制定顺序动作方案
主机各执行机构的顺序动作，是根据设备类型不同，有的按固定程序，有的则是随机的或人为的。

工程机械的控制机构多为手动，一般用手动的多路换向阀控制。

加工机械的各执行机构的顺序动作多采用行程控制，当工作部件移动到一定位置时，通过电气行程开关发出电信号给电磁铁推动电磁阀或直接压下行程阀来控制连续的动作。

行程开关安装比较方便，而用行程阀需连接相应的油路，因此只适用于管路连接比较方便的场合。

为降低成本，同时使操纵可靠，本系统采用手动操纵方式。

（5）选择液压动力源
液压系统的工作介质完全有液压源来提供，液压源的核心是液压泵。

本系统采用定量泵供油，在无其他辅助油源的情况下，液压泵的供油量要大于系统的需油量，多余的油经溢流阀流回油箱，溢流阀用时起到控制并稳定油源压力的作用。

油液的净化装置是液压源中不可缺少的。

在泵的入口装有吸油过滤器，使进入系统的油液符合使用要求。

2.4.2 液压试验台系统原理图
液压系统图由拟定好的控制回路及液压源组合而成。

各回路相互组合时要去掉重复多余的元件，力求系统结构简单。

注意各元件间的连锁关系，避免误动作发生。

要尽量减少能量损失环节。

提高系统的工作效率。

液压综合试验台系统图如图l所示。

该试验台的动力来源于电动机1，它可以驱动液压泵3运转。

液压泵3是该试验台的压力油源。

当需要测试液压阀和液压缸时，由液压泵3供给压力油，通过调速阀13进行分流，可使供油量发生变化，以满足不同类型液压阀和液压缸对流量的要求，安全阀12可以限定系统的最高压力。

测试液压阀和液压缸时，采用先导型溢流阀作调压阀，调压阀11并联在主油路中。

系统中的换向阀10采用了手动操纵方式，降低了成本，同时使操纵可靠。

测试液压缸时，调压阀11松开，调整调速阀13的开度，使供油量达到液压缸的额定流量。

将快速头分别与液压缸的进出油口相连接。

液缸的主要测试项目如下：
(1)最低启动压力，在空载工况下，向液压缸无杆腔通入液压油，逐渐拧紧调压阀11手柄，通过压力表8记录活塞杆启动时的压力值；
(2)内泄漏，通过上下移动换向阀10，即可压力油分别送入液压缸各腔，再逐渐拧紧调压阀11手柄，当活塞运行到行程终点后，使调压阀11调至被测缸的额定压力，卸下液压缸的回油管并接一量杯，保压5分钟，观察内泄漏量；
图2-2液压系统图
(3)耐压试验，根据(2)的调整方法，当活塞运行到行程终点后，使调压阀11调至被测缸额定压力的1.5倍，保压2分钟，观察零件的破坏或永久变形情况；
(4)外渗漏，在(2)、(3)测试项目中，观察活塞杆处及其他结合面渗油情况。

测试液压阀时，同测试液压缸一样，调整调速阀13的开度，使供油量达到液压阀的额定流量。

将快速接头分别与液压阀的进出油口相连接。

以溢流阀为例，其主要测试项目如下：
(1)压力调节范围，将换向阀10上移，调压阀11调至被测阀额定压力的1.15倍左右。

调节被测阀的调压手轮，从最小压力至被测阀额定压力，再从额定压力至最小压力，重复三次，观察压力表8的上升与下降情况，并记录调压范围；
(2)压力振摆值，将换向阀10上移，调压阀11调至被测阀的额定压力。

压力振摆值可由压力表8读出；
(3)内泄漏，将换向阀10上移，调节被测阀的调压手轮，使阀口关闭。

调压阀24调至比被测阀额定压力高0.3-0.5 MPa，从被测阀的溢油口测量泄漏量，该值应小于规定值；
(4)压力损失，将换向阀10上移，调节被测阀的调压手轮至全松位置，分别通过压力表8和9(低压表)测出进口和出口压力，其差值即为被测阀的压力损失。

[4]
3 液压试验台选用设计
3.1 液压泵的选型与安装
3.1.1 液压泵工作压力的确定
∑∆+≥p p p p 1 （3-1）
p 1是液压执行元件的最高工作压力，对于本系统由于设计原始数据给定系统最高压力为16MPa,则泵的工作压力选定为16MPa 。

3.1.2 液压泵流量的确定
∑≥)(max Q K q vp (3-2)
设计给定原始数据要求系统最大流量为12L/min ，则相当于∑max Q =12L/min ，取泄露系数K=1.2，求得液压泵流量q vp =14.4L/min 。

根据以上参数，综合考虑后选用上海申叶液压件厂生产的YB-E10型定量叶片泵，当压力为16MPa 、驱动转速为1440时，泵流量为14.4MPa/min 。

油泵从轴端看转向为顺时针，进油口与出油口在同一侧方向。

3.1.3 液压泵的安装方式
液压泵装置包括不同类型的液压泵、驱动电机及其联轴器等，其安装方式分为立式和卧式两种。

（1）立式安装 将液压泵和与之相连的油管放在液压油箱内，这种结构形式紧凑、美观，同时电动机与液压泵的同轴度能保证好，吸油条件好，漏油可直接回液压油箱，并节省占地面积。

但安装维修不方便，散热条件不好。

（2）卧式安装 液压泵及管道都装在液压油箱的外面，安装维修方便，散热条件好，但有时电动机与液压泵的同轴度不容易保证。

电动机与液压泵的联结方式可分为法兰式、支架式和支架法兰式。

（1）法兰式：液压泵安装在法兰上，法兰再与带法兰盘的电动机联接，电动机与液压泵依靠法兰盘上的止口来保证同轴度，这种结构装拆很方便。

（2）支架式：液压泵直接安装在支架的止口里，然后依靠支架的底面与底板相连，再与带底座的电动机相连。

这种结构对于保证同轴度比较困难（电动机与液压泵的同轴度≤0.05mm ）。

为了防止安装误差产生的振动，常用带有弹性的联轴器。

（3）法兰支架联接：电动机与液压泵先以法兰联接，法兰再与支架联接，最后支。