液压试验设备
出处：按学科分类—工业技术 北京理工大学出版社《新编液压工程手册下册》第2142页（9470字）
(1)液压源
液压源是能提供符合要求的压力值、流量值的清洁液压油的装置。就液压试验而言，它是主要的基本设备之一，其性能和适应性直接关系到液压试验的质量和范围。
A．液压源的种类
根据液压源输出的特征量不同分为恒压源和恒流源两种。
一般液压源由动力装置、液压泵、参数调节装置(包括压力阀、恒流阀以及恒压调节机构等)和过滤器、热交换器、油箱等辅助装置所组成。两种液压源的主要不同点在于调节装置的作用。
(A)恒压源
恒压源就是在充分供给不同输出流量的条件下，保证其输出压力为常值。图36．1－1所示为最简单的恒压源油路。它主要由定量泵和溢流阀组成。其恒压原理是由溢流阀的稳压特性保证的。压力变化范围就是它的调压偏差。
图36．1－1 恒压源油路图
若采用这种恒压源油路的话，当试验系统要求提供的流量变化范围较大时，必然引起溢流阀的工作点变动，导致油源输出压力的变化。输出流量越多，则通过溢流阀的流量越少，输出压力则会降低，这是溢流阀特性所决定的，由于油源压力变化，势必影响被试对象特性的变化。所以在试验过程中，要求油源压力尽量保持不变或在允许的变化范围内。比如在电液比例方向阀和伺服阀的试验中就要求恒压源供油。进一步的详细分析将在36．2．6节中讨论。
(B)恒流源
恒流源则是以输出恒值流量作为特征量的。最简单的恒流源油路方案就是定量泵和安全阀配合，如图36．1－2所示。
图36．1－2 恒流源油路图
对液压源的要求主要是其输出压力和流量必须满足液压试验的要求，即容量要足够。一般要求液压源的参数为被试对象的最大要求值的1．5倍，且性能稳定。除此之外，对液压源的要求还有：
·确保提供的油液清洁度应符合要求；
·参数调节要方便，适应性要广；
·油路方案要简单、实用、先进，且具有一定的安全保护措施和节能措施；
·结构要紧凑、体积小、噪声低等。
有关液压源更为详细的资料，请参阅本手册中的液压源部分。
B．液压泵的动力源及驱动方式
液压泵在液压系统及试验系统中主要是作为油源泵使用的。它本身还要求由其他的动力源来驱动。对作为油源泵而言，它对驱动装置的要求，一般只要具有足够的功率和稳定的转速匹配即可。而在液压试验系统中，液压泵还有两个主要的作用：一是作为加载装置；一是作为试验对象。这样它对其驱动装置除功率足够外，还需要有许多其它方面的要求，如转速的调节范围要宽，转速的保持精度要高；过载能力要强等等。
(A)动力源的选择原则
·输出功率一定要满足被驱动泵的要求，并具有一定的过载能力。
·转速随负载的变化要小，即动力源的机械特性好。调节应方便。
·噪声小、使用可靠、寿命长。
·对自动化试验的适应性强。由于今后对试验过程的自动化要求愈来愈强，因而动力装置必须适应这方面的要求。如能够采用闭环控制回路来进行恒速控制；动力装置本身的动态特性好，对控制信号能快速作出响应；能在较宽的范围内对输出功率和转速进行自动地或方便地调节，通过接口装置可直接接受计算机控制等等。
·成本要低、保养维护方便。
·外型尺寸、重量和占地面积要小。
(B)液压泵的驱动方式
交流电动机驱动 三相异步电动机直接驱动液压泵供油，是最简单的形式。且三相异步机具有一定刚度的机械特性、启动容易、价格便宜，是常用的动力装置。另外，常用的液压泵的转速也是按四极或六极电机转速设计的。
可变速交流电动机驱动或交流电动机通过离合器、变速箱来驱动，此方案也简单、易行。但都只能是有级变速，且调速范围窄，只适用于较低级的调速应用场合。现在已有通过变频调速装置来控制交流电动机实现无级调速。
柴油机或内燃机驱动 这种方式不易实现无级变速、转速不易稳定、振动和噪音较大、还会排放大量的废气等。故它只适宜于较大功率的场合及野外工作的液压设备上。
可控硅整流调速装置控制直流电动机驱动 这种方式可达到无级变速，调节方便，调速范围较宽的目的。但线路复杂、价格昂贵、需要一定的维护条件和占地面积。
总的来说，不论交流电动机还是直流电动机都是常用的动力源。在不要求变速的情况下，交流电动机的优点突出，是公认的优良的动力装置。在要求无级变速、调速范围宽、并有一定稳速精度要求的情况下，多采用直流电动机为动力装置。而直流电动机需要一定功率的直流电源供电。一般直流电源的获得有两种办法：一是由专用的交－直流发电机组供电；另一是由可控硅整流调速装置供电，如图36．1－3所示。
图36．1－3 可控硅整流调速装置控制直流电动机系统原理框图
1－给定器；2－放大器；3－移相脉冲触发器；4－可控硅整流装置；5－直流电动机；6－负载；7－RC微分反馈网络；8－电压、电流反馈；9－测速发电机反馈
虽然目前在很多应用方面，可控硅整流调速装置取代了直流发电机组，但直流发电机供电仍有可取之处，所以在两者之间作出选择时，需持慎重态度。两者的优、缺点比较如下：
发电机组具有比可控硅装置较强的过载能力。在电网和直流电动机之间，机组能起到隔离作用。使直流系统受电网电压、频率变化及干扰信号的影响小；另外反过来直流系统中突然的变化过程对电网的影响也较小。直流发电机输出的电流波形平稳。而可控硅装置的动态响应快、噪声低、没有机械旋转部分，振动小。输出电流波形脉动大，这将直接影响直流电动机的输出扭矩的平稳性。这两种设备占地面积和成本都差不多。可控硅设备为了解决和电网之间的相互影响而需要增加一些设备，如隔离变压器等。为了使输出波形平滑，需要采用大型的平波电抗器滤波；为了稳速精度的提高而需要采用闭环速度调节系统等，这样势必造成费用提高和维护困难。
关于紧急停车保护问题。在试验过程中不可避免的会出现由于试验对象的偶然故障，因而造成突然的机械制动情况，导致动力源过载、测试设备及试验对象的损坏等。如果不采取紧急停车保护措施，势必整个直流电动机转动部分的全部惯量将加到试验系统的薄弱环节上，造成机件损坏，如转矩传感器的核心零件——扭力轴扭断或产生永久变形；试验对象严重损坏等。为此，在发电机组供电场合下，通过电流调节器使发电机激磁截止，输出电枢电压突降；进而使直流电动机电枢反电势短路，形成能耗制动，吸收部分惯量，造成紧急刹车保护。而在可控硅整流设备供电情况下，虽然当突然机械制动时，负载突增，通过电流保护线路可使可控硅的触发断开。但电动机转子得不到制动，因而它的全部惯量仍加到试验系统的薄弱环节上，造成永久性损坏。所以要增加一些保护措施，如转矩传感器超载保护装置等。
目前通过交流变频装置来控制交流电动机实现无级调速这一技术，已受到工程界的重视。在中、小功率的驱动电机上已获得满意的应用效果。
(2)试验台、油箱及试验辅助装置
A．试验台
按用途的广度，试验台习惯上分为专用试验台和通用试验台。专用者大都只能在其上进行试验对象的一项或几项试验。故它适宜于具有一定批量的工厂使用，如油缸密封强度试验台、液压泵寿命试验台、液压阀出厂试验台等。所谓通用试验台，实际上其通用性也是相对的，只不过指的使用范围更广些，能进行更多的试验项目而已，如能对不同型式的、中等功率的液压泵进行试验的液压泵性能试验台、液压阀性能试验台等。
试验台的主要组成部分包括：
——台面；
——仪表安装板；
——电控台；
——试验台本身的油路系统：包括液压源供油管路系统、试验回油管路系统、台面回油系统等。这部分还应包括各种操纵手柄，如远程调压手柄、压力表开关手柄等。
对试验台的基本要求有：
·要求试验台架必须具有一定的刚度。否则由于试验过程中的振动和冲击等将引起整个试验台的振动；加载时试验台架变形等。这些都可能影响被试对象的特性，仪器、仪表的测量精度，情况严重时将使试验无法进行。
·被试对象在试验台面上要装卸方便。如采用标准接头、快速接头、软管连接等。
·参数调节方便、控制灵活、服务范围广阔；自动化适应性强。
·结构简单、布局合理。
·自带照明设备，保证工作环境明亮，读数清晰。
·经济、实惠，造型美观。
由于在试验过程中，油和油雾对电器元件的侵蚀，将使其绝缘性能下降和绝缘材料老化变质，因而导致元件的使用寿命缩短，进而造成控制失灵和误动作等事故。为了可靠地工作，实践证明在设计和装配试验台时，应尽量使电器元件和液压元件分开安装，把电控柜和试验台分开配置。对于各种不同功率的液压元件试验，试验台、液压源、电控台的配置方法有：对于小功率液压元件试验，可把液压源安装在试验台后或台下，因为小功率的液压泵和电机运转时噪音和振动都较小。但为了不使液压源的振动传到试验台上，还是要求液压源与试验台架不要刚性连接为好。如可采用增设防振垫和软管连接等措施。对于中等功率的液压试验，要求把液压源与试验台分置。在保证连接管道尽量短的前提下，最好把它们分别安置在两间房间内。这样既保证了隔音，又保证液压源的振动传不到台架上。当然也需要采取相应的消除压力脉动和减振措施。为了结构的紧凑性和维修、安装的方便性，可将大部分设备，如油箱、过滤器、调压装置、冷却器、电机启动设备等相对集中在油源间内；试验台和测试仪器在试验间内；在试验台旁设置独立的电控台。对于大功率的液压试验，由于被试对象比较笨重，动力驱动装置也较庞大，故试验台面就是在地面上铺设大型的带有T型槽的铸铁地板。这样可使液压源和试验台同时安装在试验间内；为了隔音和防振，可以将试验控制台、测试仪器等安装在与试验间用墙壁隔开的控制间内。但在墙上要开观察窗时，必须密封严实。
B．油箱
在液压试验设备中，油箱的主要作用是作为液压源的一部分，用于贮存油液以保证充分供给液压泵的需要；并接受试验后的回输油液。由于回输油液中夹带着空气泡、污物等，故油箱必须通过其自身的结构设计尽量使空气逸出、污物充分沉淀或过滤掉。另外，通过其箱体壁还可使回油带入的热量发散，起到部分散热作用。有关油箱的更为详细的资料，请参阅本手册辅件中的油箱部分。
C．油箱与液压泵、试验台的布置
油源泵必须从油箱中吸入油液，油箱与泵的相互位置应保证泵吸油充分，而首要条件是要保证吸油管短而粗，其中的流速应限制在0．5m／s以下。若泵的自吸能力强，允许油箱可以安装在泵的下面。此时应注意泵的进油口超出液面的高度应小于该泵规定的吸油高度。如果以油箱盖作为油泵－电机组的安装板时，除上述吸油高度问题外，主要应考虑油箱体的刚度问题以及机组与油箱之间的减振问题。因为此时油箱相当于－个“共鸣箱”，将使噪音增大。作为试验室用的固定式油箱和泵站，一般使油箱底面高出泵的进油口一米左右，以保证泵工作时吸油绝对充分，还可省去压力供油泵。
由于油箱位置的升高，它与试验台之间就带来了无压回油不方便的问题。作为试验装置的主回油油液是通过管道强制回流，只不过使回油管压力稍增加一点而已。而通常像试验台台面的油液、泵壳的外漏油液等都只能依靠高度差来自然流动回油的。今油箱位置提高，这部分油液就不能回流，必须在试验台下或较低处增设小油箱来收集这部分回油，然后再由附设的回油泵抽回主油箱。值得注意的是自然回流的回油管，其管口一定要在液面之上，否则一方面会造成回油困难；另方面在停止回油时，由于虹吸现象可能使油箱之油液倒流，造成严重的漏油事故。
台面回油主要是在试验过程中，因安装或拆卸管路而流到台面的油液、被试对象的外漏口(L口)流出的油液、遥控调压阀的回油油液等汇集而成。因为台面是试验的工作场所，经常暴露在外面，不可避免的有工具上带来的污物、空气中的尘土、破碎的密封带、棉丝等杂质混在台面回油油液中，如果使其直接流回油箱当然是极不合适的。所以也需要通过台面下的集油油箱先过滤和沉淀。当收集到一定数量的油液后，由回油泵抽出，再经精滤油器过滤后送回主油箱。为了避免人员监控的疏忽而造成油满溢出事故，一般要根据集油箱液面的高度来控制回油泵驱动电机的启停。当液面升到预定高度时，使回油泵工作；当液面降到最低限时，使油泵自动停止。图36．1－4所示，液面高度的感测是依靠浮球。当浮球在最高液面位置时，通过杠杆使微动开关1的常开触点闭合，使油泵电机启动；由于油泵工作，箱中液面下降，浮球随着下降，当液面回落到最低液面时，杠杆使微动开关2的常闭触点断开，使电机断电，油泵停止工作。图36．1－5所示为控制电路简图。
图36．1－4 用液面高度控制回油泵启停原理图
图36．1－5 控制回油泵启停的电路图
D．试验辅助装置
(A)油温的控制
油温的控制是液压试验技术中的一个重要环节，主要因为油温直接影响油的粘度，而油的粘度变化其影响面是很广的。它直接影响被试对象的性能指标，如容积效率、系统的阻尼、流量计的量程及测试精度等。所以在试验条件中，油温是作为一个重要参数而规定的。规定试验用油的品种、粘度变化范围，都是以油温变化范围作为限制条件。故试验过程中应严格控制油温在所规定的范围之内。油温如何控制呢?根据油温的控制精度要求不同，可以采取不同的方法。总的来说不外乎是冷却和加热。一般最容易实现的是油箱油温控制。
为了要达到油温自动控制的目的，就必须对影响油温的一些因素加以控制，这些因素归纳起来有：
·控制冷却水(或制冷剂)的通断时间或流量；
·控制通过热交换器油液的流量；
·控制电加热器电源的通断时间、电源电压的大小；或热水、蒸汽的流量。
根据要求控制的温度范围大小(或控制精度)，可以采取不同的控制方案。概括起来，油温控制方案有两种：继电式控制和连续式控制。
所谓继电式控制就是基于对被控因素实施通断控制的方法。一般采用电接点温度计作为油温的检测元件。它可以预先由人工装定所需要控制的温度变化范围，如试验要求油温保持在50±5℃范围，就将其下限调到45℃、上限调到55℃处。当油温降至45℃时，其下限触点闭合；当升至55℃时，上限触点闭合。在正常工作范围内时，上、下限触点均处于断开位置。若用电磁水阀控制冷却水的通断，用电加热器来加热油液的话，通过电接点温度计就可实现油温的继电式控制，如图36．1－6所示。当温油在下限以下时，下限触点常闭。一旦“自动”开关闭合或手动启动按钮Q按下，则接触器C线圈通电，触点C闭合，加热器通电，油温升高。当油温超过下限，下限触点断开，接触器C失电，切断加热器电源，停止加热。由于试验过程中使油温继续升高，达到上限值时，上限触点闭合，使继电器J线圈通电，从而使水阀线圈通电，冷却水进入冷却器，热油开始被冷却，油温逐渐下限。当降到上限值以下时，上限触点虽断开，由于保持触点J的作用，J线圈仍处于通电状态，冷却器一直仍在工作，直到油温降到下限值时，加热器重新投入工作，由于在冷却线路中串联的常闭触点C断开，冷却停止。到此完成了一次加热、冷却的工作循环。此方案简单、易行，所采用的元件也比较少和便宜。但因为其工作原理是继电式的，在系统的热惯性的作用下，油温在控制点附近有较大的摆动。
图36．1－6 通过电接点温度计实现油温继电控制原理
所谓连续式控制就是根据自动控制原理对一个或多个与油温有关的因素进行调节控制。例如根据要求油温的控制精度，对冷却水的流量和加热器的电压进行控制来保证，如图36．1－7所示。由人工设定主令信号，它与温度传感器检测的反馈信号进行比较，形成误差信号，经电放大器1放大后驱动两种执行器：一为比例式水阀3控制着进入冷却器的水流量qω；一为电压调节器2(如可控硅整流器)控制着电加热器的电源电压U。由于加热器和冷却器的综合作用，使通过它们的油液获得要求的温度。实际上这是一个完整的闭环控制系统，结构比较复杂、价格也较高。但其控制精度可达±0．5℃以上。
图36．1－7 连续式油温自动控制原理图
1－电放大器；2－电压调节器；3－比例式水阀；4－温度传感器
下面介绍一种较好的油温控制系统方案，图36．1－8所示为其简单工作原理。该系统主要由下列部件组成：
图36．1－8 油温控制系统方案之一的工作原理图
1－主令电位计；2－温度传感器；3－伺服放大器；4－比例调节混合阀；5－混流装置；6－冷油箱；7－热油箱
冷油箱6和热油箱7 油箱中的油温t低于要求的油温tL的叫冷油箱6；t高于tL的叫热油箱7。这种状态的保持是分别由一套冷却系统和一套加热系统来完成。
比例调节混合阀4 该阀是用来使冷、热油箱中的油通过此阀进行混合。当其主阀芯处于中立位置时，由冷、热油箱来的油液按同样流量混合；根据不同极性和大小的输入信号，冷、热油可按不同的比例混合。
混流装置5 由混合阀流出的冷、热油混合流再经过此装置多次分流和汇合，使它们得到充分混合，以获得所要求温度的油液提供使用。
混合阀控制系统 混合阀是由一套闭环控制系统控制的。该系统由主令电位计1、温度传感器2、放大器3、比例混合阀和温控油液所组成。主令电位计的输出电压信号是由人根据所要求控制的温度值预先装定的。当由温度传感器测得的实际油温与装定值不符时，比较后得到误差信号，经放大器放大后驱动比例调节混合阀。若实际油温高于装定值时，使冷油流量加大，热油流量减少；反之亦然。
此系统对油温控制的精度取决于：冷、热油箱保持高于或低于给定值温度的稳定性；混流装置对冷、热油的混合均匀程度；温度传感器对实际油温变化的敏感程度等。
如果此系统所提供的液压油是直接输往液压泵进油口的话，那么混合阀和混流装置的内部通道面积必须足够大，以保证沿程损失小，并确保吸油管中的压力不能低于0．3kPa。整个系统虽然比较复杂，但对油温的控制精度可达±0．2℃以上。
(B)液压试验系统用液压油的污染控制
液压系统和元件发生故障的重要原因之一就是工作油液被污染。因此任何液压设备，特别是含有精密液压控制元件如电液伺服阀、精密流量控制阀等，在各种使用工况下，都必须注意工作油液的被污染问题。由于液压试验系统是用来考核各种被试对象的性能的。因此，除了考核液压元件或系统对污染的灵敏度外，都必须首先要保证给它提供尽可能干净的工作油液，以保证不会因提供的油液不符合清洁度要求而影响测试性能。一般液压试验用液压源提供的油液过滤精度为3～10μm，油液清洁度等级：ISO4406标准中的13／10～17／14，相当于NAS1638标准中的4～8级。控制油液不受污染的办法主要是设置不同规格的滤油器和采取各种预防污物进入试验系统的措施。