低溫液壓試驗臺的設計

低溫液壓試驗臺的設計

0基于新型液壓隔離泵源的壽命試驗臺設計由于低電壓元件的價格很高，源代碼也有限，尤其是低溫泵的源，這一問題尤為突出。同時，當系統(tǒng)在低溫下工作時，由于液壓板的腐蝕，其壽命短缺。因此，使用低溫氣壓元件的許多人是不經(jīng)濟的，也是不方便的方法。為解決上述問題設計出了新型的液壓隔離泵源取代常規(guī)的低溫泵源,以常溫液壓源作為低溫試驗臺的驅(qū)動源,試驗臺采用低溫泵組這樣的隔離泵源形式用液壓隔離方式將低溫工作介質(zhì)和常溫工作介質(zhì)隔離,而低溫工作介質(zhì)的工作溫度由制冷機組來控制,這樣通過合理設計就可以大量減少試驗臺系統(tǒng)中其它低溫液壓元件的使用數(shù)量。作動筒的壽命實驗過程主要由靜壓實驗、循環(huán)實驗、應急實驗三部分組成。作動筒一個工作循環(huán)包括作動筒伸出、伸出保壓、縮回、縮回保壓四個工步。應急實驗由氮氣驅(qū)動,采用儲液缸復原,然后用低溫液壓源驅(qū)動一個循環(huán),如此交替動作20次。被試作動筒的有關工作參數(shù)如表所示。1試驗臺的工作原理根據(jù)被試作動筒的工作情況和壽命試驗臺主要液壓元件的使用要求,我們可以將壽命試驗臺劃分成常溫往復可調(diào)液壓源、低溫泵組、油溫制冷機組、低溫油箱(含溢流閥、輔助油箱、氮氣瓶等)、低溫閥組、被試作動筒和加載作動筒等7個部分組成,其簡要的工作原理如圖所示。圖中以常溫液壓源作為低溫試驗臺的驅(qū)動源,電磁閥1控制常溫驅(qū)動缸作往復運動,低溫活塞泵通過低溫閥組和電磁閥2驅(qū)動被試作動筒作往復運動。增壓油箱起輔助補油和接受多余排油的作用,油箱壓力由氮氣瓶提供。由于功率損失、運動時產(chǎn)生的摩擦熱、系統(tǒng)與外界熱交換等引起的試驗臺系統(tǒng)油液溫度升高由復疊式制冷機組冷卻。增壓油箱側的溢流閥作安全閥用,僅在保壓時才有可能溢流。2對被試作動筒的設計由圖可知試驗臺采用低溫泵組這樣的隔離泵源形式取代通常的低溫泵源。為達到兩者同步的目的,低溫活塞泵和常溫驅(qū)動缸在機械結構上采用串聯(lián)形式,設計中為使泵組結構簡單,便于制造、安裝和調(diào)試,把低溫活塞泵和常溫驅(qū)動缸設計成兩個尺寸、結構完全相同的液壓缸,但兩者所采用的密封圈不同,低溫活塞泵采用的是特殊的耐低溫的密封圈。低溫活塞泵和常溫驅(qū)動缸的聯(lián)接方式應該能保證兩者的活塞桿實現(xiàn)良好的軸線重合,由于活塞桿聯(lián)接誤差的不可避免,因此,為避免低溫泵組運動過程中出現(xiàn)左右擺動,低溫活塞泵和常溫驅(qū)動缸安裝時也應采用一定方法進行保證。但在實際的制造和裝配中很難保證兩者同軸,活塞桿在工作中不可避免的要受到附加彎矩的作用,我們可以大致估算出附加彎矩為:式中:D—低溫活塞泵大腔直徑;p0—低溫活塞泵大腔壓強;e—兩活塞桿的偏心量。這樣低溫泵組就應設計卸荷裝置以有效的抵消彎矩的作用。根據(jù)被試作動筒的缸徑、桿徑和工作循環(huán)要求,按照“容積變化相等”原則進行低溫泵組的設計。本試驗臺要對六種被試作動筒進行實驗,由表可知它們的缸徑和行程相差懸殊,我們可以分別針對產(chǎn)品1、5;產(chǎn)品2;產(chǎn)品3、4;產(chǎn)品6設計不同的四套低溫泵組,這樣做雖然增加了加工量和成本,但可以簡化低溫泵組的結構,使其工作更加可靠,而且也解決了一個最直接且又很棘手的問題:低溫活塞泵的大小腔面積比不可能同時等于六種被試作動筒的面積比,使得在滿足被試作動筒往復循環(huán)時會導致活塞泵的兩個方向的行程不等從而引起“糾偏”的頻繁動作。這樣不僅有效的解決了“跑偏”問題,而且使系統(tǒng)的速度調(diào)節(jié)和溫度調(diào)節(jié)更加的簡單可靠,同時也大大簡化了軟件的工作和難度。由表可知被試作動筒的每個工作循環(huán)中,要求在縮回和伸出位置上保壓一定時間(3～5s),壓力為28MPa,而系統(tǒng)又工作在低溫環(huán)境下,由于熱脹冷縮,系統(tǒng)的管路長度和工作行程都會有變化,尤其象本試驗臺油路比較長,這樣熱效應會更加突出,這些問題在我們的設計必須加以考慮,同時為了有效的建立壓力,設計低溫泵組時其工作行程要比相應的產(chǎn)品工作行程取得要大些。比如針對2號產(chǎn)品設計的低溫泵組其極限工作行程可取為SL=880+60×2=1000,其最大可實現(xiàn)行程為Sm=SL+20×2=1040。為了保證低溫泵組在低溫下有效的工作低溫活塞桿和低溫液壓缸的缸蓋、缸頭、缸尾等零件應用1Cr18Ni9Ti(即不銹鋼)加工,活塞桿和缸筒也要按要求進行相應的熱處理。為保證活塞桿有效工作,還應該用壓桿穩(wěn)定的歐拉公式檢驗其穩(wěn)定性。3復疊式制冷機組th的設計試驗臺的一個關鍵性指標就是要保證產(chǎn)品在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)進行實驗,而本系統(tǒng)的工作壓力較高(為280MPa),工作溫度較低(-400C～-600C),在如此低的溫度下液壓油將變得十分稠,又在高壓下往復運動,摩擦將十分嚴重,再加上由于功率損失、系統(tǒng)與外界熱交換等引起的系統(tǒng)油液溫度升高,使得溫度問題更加突出。系統(tǒng)的功率損失為:其中:N—被試作動筒各行程的損失功率;T—被試作動筒各行程的時間式中:Δp沿進—油液流經(jīng)進油管的沿程損失;Δp沿回—油液流經(jīng)回油管的沿程損失;μ—液壓油-54℃的動力粘度;L1,L2—油管的長度;d1,d2—油管的管徑;Q進,Q回—液壓油流量;v—液壓油-54℃時的運動粘度;ρ—液壓油的密度。經(jīng)過必要的計算和有關實驗我們可以看出工作一小時后的溫升ΔTh至少在10℃以上,為此必須通過制冷措施將每個循環(huán)的多余熱量吸走,為保證實驗在規(guī)定溫度下完成,制冷油溫機組的蒸發(fā)室的被冷環(huán)境溫度必須低于-60℃,參考已有的復疊式制冷系統(tǒng)的制冷能力,定此溫度為-65℃,為留有比較大的余地,制冷功率按應吸走熱量的5倍選擇。制冷油溫機組的具體實現(xiàn)是將蒸發(fā)器作成具有特殊性質(zhì)的中間冷卻介質(zhì)的容器,制冷劑汽化制冷中間介質(zhì),熱交換器管路中為被冷卻的液壓油,它浸在容器內(nèi),中間介質(zhì)通過熱傳遞使液壓油冷卻,從而使油溫得到控制。在實際使用中制冷機組的體積是有現(xiàn)實條件限制的,系統(tǒng)在設計時為了讓制冷機組充分冷卻液壓油,又要使制冷機組內(nèi)的油管長度不要太長,可以將制冷機組中的油管設計成串聯(lián)形式,這樣做既可以讓油得到充分的冷卻又可以有效的限制油管長度,但它也會增加摩擦熱的產(chǎn)生,因此要注意管路的設計,管路串聯(lián)還會增加系統(tǒng)的壓力損失,我們可以增加常溫驅(qū)動源的壓力來進行補償,這是不難實現(xiàn)的。在設計中還應充分利用低溫室的制冷能力,我們可以在增壓油箱和低溫室間增加一個內(nèi)循環(huán)使低溫室制冷盡可能多的液壓油,這樣可以使制冷機組的制冷能力進一步提高。系統(tǒng)與外界的熱交換也是使液壓油溫度上升的重要原因,必須對系統(tǒng)的外露部件和外露管路采取必要的隔熱措施,比如用保溫材料包嚴,用保溫棉包時,棉層厚度應不小于200mm。低溫活塞泵缸體外殼采用絕熱材料噴涂封裝后還應用保溫面包嚴。設計時油溫制冷機組采用分體式可移動結構,連體部分用軟管以便安裝和使用,酒精箱與制冷機組之間距離不應超過1.5m,換熱器壓力損失在流量為65L/min時不要超過0.5MPa,制冷機組的控制由PLC來完成,系統(tǒng)將溫度傳感器測量到的被試作動筒進油溫度與事先設定的溫度上限值(-40℃)進行比較后來控制制冷機組。安裝時應使制冷機組盡可能的靠近低溫室,以減少熱損失。4選擇防速系統(tǒng)優(yōu)化閥產(chǎn)品實驗時對速度有較高要求,因此應對系統(tǒng)的速度進行調(diào)節(jié)。被試作動筒的速度控制以放在常溫驅(qū)動側為妥,因為一旦放在低溫側,低溫側就變成了一個閥控節(jié)流調(diào)速回路,溢流損失加上節(jié)流損失將會使工作介質(zhì)溫度急劇上升,若這兩部分損失也考慮在內(nèi)的話將不得不進一步增加制冷機組的制冷功率,這樣是很不經(jīng)濟的,而且制冷功率的上升也是有限的。低溫側比例閥的元件也非常難選,且供貨途徑有困難,所以應盡量在常溫側做考慮。這樣做可能會因內(nèi)泄漏等原因而使產(chǎn)品控速精度受到影響,但我們可以通過實驗補償?？厮俜旁诔貍葧r,對于小缸徑作動筒實驗的控速問題,比例調(diào)速閥可以解決,為避免“伸出”和“縮回”時需切換比例閥電流,可以使用兩個相同的比例調(diào)速閥,調(diào)速閥的數(shù)學模型為:式中:QL0—調(diào)速閥額定電流時的額定流量;i0—調(diào)速閥額定電流;i-調(diào)速閥的輸入電流;ps-常溫泵源的輸入壓力;Δp-定差減壓閥調(diào)定壓差。為簡化設計,比例調(diào)速閥和電磁換向閥也可一起由電液比例換向閥取代。5系統(tǒng)壓力和使用壽命短液