液压控制阀性能试验的试验油路及方法
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2170页（5392字）
在液压技术中应用的常规液压控制阀主要有三类：压力控制阀，流量控制阀，方向控制阀。由于各种阀的工作原理和应用场合不同，需要试验考核的性能也不同。这里只能就它们具有的共同特性和典型的阀特性的试验方法作些简单介绍。具体的、详细的内容请参照国标中有关液压控制阀试验方法标准。
关于液压控制阀的特性同样也可分为静态(或稳态)特性和动态(或瞬态)特性。
(1)稳态压差－流量特性的测试方法
此特性是液压阀共有的静态特性，指的是在被试阀允许的流量范围内，当不同流量通过被试阀口时，测出相应的进、出口压力差值。图36．2－40所示为其试验油路。试验油源是由油源泵1、安全阀2和调速阀3组成的恒流源。调节调速阀3可改变通过被试阀的流量。
图36．2－40 稳态压差－流量特性试验油路图
1－油源泵；2－安全阀；3－调速阀；4－被试阀；5－差压计；6－温度计；7－流量计
对于被试阀为溢流阀来说，上述试验是阀处于卸压工况下进行的。若被试阀为直动式的，就是将其调压弹簧全部放松；若为先导式的，则为先导口放空的情况。此时主阀芯的阀口开启最大。测量对应的阀口压降与通过的流量的关系。此特性表征着阀口的压力损失。这同样也适合于减压阀的卸压工况。
流量控制阀是在阀的各调节位置上(即各种设定的阀口开度上)，通过不同的流量时，测出对应的阀口压降值即为流量控制阀的压差－流量特性。
对于方向阀而言，分为以下四种情况。若为换向阀，则测量各控制状态下，阀口的压降与通过流量的关系，如图36．2－41(a)所示。若为直接作用式单向阀，即为正向流通时，阀压降与流量的关系；若为液控单向阀，当无控制压力(px=0)时，作为单向阀时的正向流通阀压降与流量的关系。当有控制压力，使阀口全开时，则需测量正向或反向流通时的压差－流量特性，如图36．2－41(b)所示。
图36．2－41 方向阀压差－流量特性曲线
(a)换向阀的稳态压差－流量特性曲线；(b)液控单向阀的稳态压差－流量特性曲线
(2)压力阀的稳态压力－流量特性的测试方法
对于溢流阀而言，稳态压力－流量特性就是平常所说的启闭特性。而减压阀则是在进口压力－定的条件下，出口压力与流量的关系特性。图36．2－42所示，(a)为溢流阀的稳态压力－流量特性；(b)为减压阀的压力－流量特性。
图36．2－42 压力阀稳态压力－流量特性曲线
试验油路如图36．2－43所示。当测溢流阀压力－流量特性时，去掉换向阀3c，阀2为安全阀或溢流阀。将被试溢流阀调定在所规定的流量和压力的情况下，压力值由入口压力表5a测量；流量由流量计7测量。然后使流量由零逐渐增加到规定值，再以规定值慢慢降到零，测出相应的入口压力值，即得到压力－流量特性。改变不同的调定值，可得一系列压力－流量特性曲线。出口压力可为大气压或某一规定的背压，由节流阀8a调节，压力表5b测出。
图36．2－43 压力阀压力－流量特性试验油路图
1－液压源；2－安全阀(溢流阀)；3－换向阀；4－温度计；5－压力表；6－被试阀；7－流量计；8－节流阀
当测减压阀的压力－流量特性时，油路中同样去掉换向阀3c，阀2为溢流阀。将被试阀调定在规定的流量和出口压力值的情况下。出口压力由节流阀8a调节；压力由压力表5b测量。进油压力由溢流阀2调节，使其为被试阀额定压力，并在试验过程中保持恒定。然后使通过阀的流量由零逐渐增加到规定值，再从此值慢慢降到零，测量相应的出口压力值，即为减压阀的稳态压力－流量特性。
(3)压力阀的动态特性的测试方法
动态特性对溢流阀而言，是当流量阶跃变化时，被试阀的压力响应特性；对减压阀而言，则是进口压力或出口流量阶跃变化时，被试阀出口压力响应特性。还有此两种阀的卸压和建压时间，也在一定程度上代表着阀的动态特性。为了便于比较和保证阶跃信号的质量，在液压控制阀的试验标准中，要求被试阀以及为产生阶跃信号而设置的试验管路，它的表观容积刚度应保证产生一定值的压力梯度，分为三种等级：
A级 3000～4000MPa／s
B级 600～800MPa／s
C级 120～160MPa／s
实际上这些指标就是代表着当流量突入时，在管道中(封闭容腔)引起的压力飞升速率。理论上可由下式推导
式中qV为突然进入的体积流量；β为管道系统和油液的综合容积模数；V为管道及有关部分的总容积。由试验油路图可见，流量的突然变化是通过开关阀3a的突然切断来实现的。因此，流量的大小、油源泵的特性、开关阀3a的切换速度等都影响着压力的飞升速率。从容积模数来看，试验管道和油液中含空气量的多少，对它有较大的影响。容积V标志着可压缩容积的大小，它与油的体积和管道的变形等有关。为了提高压力飞升速率，关键在于选择切换速度快的开关阀。在一定流量的情况下，插装式阀比一般电磁换向阀的切换速度快。尽量减小可压缩容积，即管道和容腔尽量小；排除系统中和油中的空气。一般要求开关阀3a的动作时间不得大于被试阀响应时间的10%，最大值不要超过10ms。根据上述公式计算出的dp／dt至少应为所测压力飞升速率的10倍。压力飞升速率(或压力梯度)指的是从起始稳态压力值与最终稳态压力值之差的10%上升到90%的时间间隔内的平均压力变化率，如图36．2－44所示。
图36．2－44 压力阀压力的阶跃响应曲线
pe－最终稳态压力；p0－起始压力；P1－(pe－P0)×10%；
p2－(pe－p0)×90%；dp／dt=(p2－p1)／(t2－t1)；
由试验油路可知，当测溢流阀的动态特性时，将被试阀调定在所规定的流量和压力工况下。调节时先使阀3a处于关闭状态；然后使阀3a开启，调节节流阀8b，使系统压力为起始压力，一般不大于最终稳态压力的20%。当突然关闭阀3a时，在被试阀与油源泵之间的封闭油路中产生一个选定的压力飞升速率的压力突变。由阀3a的电磁铁的电源电压信号(或阀芯位移信号)作为阶跃信号；由压力传感器5a测出的压力响应曲线，即为被试阀的动态特性。如图36．2－44所示。在试验过程中安全阀不能漏油和开启。
当测减压阀的动态特性时，此时阀2为溢流阀，调节它使被试阀前压力为规定值。若为了测量进口压力阶跃时阀的出口压力响应，调节被试阀6和加载阀8a，使通过阀的流量和出口压力为规定值，当然阀3c是开启的。然后使阀3a开启，系统压力下降到起始压力。突然关闭阀3a，在进油路中产生一个压力阶跃信号。由出口压力传感器5b测量压力响应曲线。若为了测出口流量阶跃变化时的阀压力响应特性，与上述一样，先调好规定值后，使阀3c关闭，则输出流量为零，然后突然开启阀3c，在出口油路中产生一个流量阶跃，测量此时出口压力的响应曲线。此时被试阀6与加载阀8a之间的油路容积刚度必须满足选定的压力梯度的要求。
至于压力阀的卸压和建压时间的测定，都需要在被试阀遥控口上连接一个开关阀3b。将被试阀调定在规定的压力和流量工况下，突然开启或关闭阀3b，测量阀的压力由最低工作压力升到规定压力，或由规定压力降到最低工作压力的变化曲线，由压力传感器5a或5b测出。由升压曲线上获得建压时间，由降压曲线上获得卸压时间。此时间间隔仍以两压力差值的10%到90%之间的时间来衡量。
(4)流量控制阀特性的试验方法
流量控制阀的静特性就是在不同的调定位置上(即不同的阀口开度)的压差－流量特性。对于调速阀而言，主要要求考核当负载压力变化时，其调定的输出流量稳定的程度，如图36．2－45所示。
图36．2－45 调速阀q－△p
流量控制阀的试验油路如图36．2－46所示。
图36．2－46 流量控制阀试验油路图
1－液压源；2－溢流阀；3－温度计；4－压力表(压力传感器)；5－被试阀；6－蓄能器；7－流量计；8－加载i节流阀；9－开关阀
当作静态试验时，将被试阀流量控制装置调到规定的位置上；入口压力由溢流阀2调节为额定压力。改变加载节流阀8a的开口大小，使被试阀前后压差△p值由小到大变化，测出相应的通过阀的流量即可。压力差由压力表4a、4b测量；流量由流量计7测量。此时流量计7为只要其精度符合要求的静态流量计即可。若要求测量调速阀的瞬态特性，则必须换成动态流量计，以测瞬时流量的变化。在被试阀5调定在规定值的条件下，突然开闭阀9，即得到被试阀出口的压力阶跃信号，测出相应的阀输出流量的响应曲线。目前此项试验的关键是动态流量计不易获得。用其他方法间接测瞬态流量误差较大。
(5)方向控制阀特性的试验方法
方向控制阀包括换向阀和单向阀。这里只着重介绍换向阀的性能试验方法和油路。其余各阀请参阅国家标准GB8106－87《方向控制阀试验方法》
A．静态特性
换向阀的静态特性除前述压差－流量特性外，主要就是其工作范围。此项试验目的在于测定换向阀能正常换向时的压力和流量的边界值范围。所谓能正常换向，就在当换向信号发出后，其阀芯能在位移的两个方向的全行程上移动。图36．2－47所示为换向阀的工作范围曲线。ABCDO曲线所包围的区域就是换向阀能正常换向的工作范围。A点代表试验规定的最大压力；D点对应的流量为规定的最大流量。OD为阀口的压差－流量曲线。BC为转换阈。
图36．2－47 方向阀工作范围特性
换向阀的试验油路如图36．2－48所示。
图36．2－48 方向阀特性试验油路图
1－液压源；2－滤油器；3－溢流阀；4－温度计；5－压力表；6－被试阀；7－蓄能器；8－截止阀；9－压力表开关；10－流量计；11－单向阀
在换向阀电磁铁的最高稳定温度下，并以电磁铁线圈电压比其额定电压低10%的情况下进行试验。用溢流阀3a调节被试阀入口压力为额定值；用加载溢流阀3b、3c调节其负载压力。使通过阀的流量由小逐渐加大到某规定的最大流量。在各流量点上通断电磁铁线圈电压，使换向阀换向。当达到某流量值时，换向阀不能正常换向，就降低入口压力再试，直至达到规定的最大流量为止。当加载溢流阀完全打开，使压力表5b或5c为最小负载压力下，然后在不同流量下，记录所对应的入口压力值，即为工作范围曲线的OD段。将所测结果画在同一坐标上，即为工作范围曲线。在ABCDO范围内，保证换向阀能正常工作。
B．换向阀的动态特性
此项试验的目的在于测量换向阀阀芯对电磁铁输入的换向信号电压的响应速度。它既可以由阀芯位移对换向信号的响应；也可以由输出口压力的变化对换向信号的响应来表示。在调整好被试阀入口压力、负载压力和流量为规定值后，接通或切断电磁铁的控制电压。同时记录电压、阀芯位移S和出口压力p信号的变化，如图36．2－49所示。
图36．2－49 换向阀阶段响应特性
t1、t2－滞后时间；t3、t4－响应时间