隔爆箱水压试验机的液压系统设计

摘    要：设计了矿用隔爆箱水压试验机的液压系统，使用AMESim软件对液压系统进行仿真分析，得到压紧端盖的位移、速度和加速度曲线以及压紧油缸的上、下腔压力曲线，跟踪并记录了某矿用变频器隔爆外壳的水压试验过程。

关键词：矿用隔爆箱水压试验机;液压系统仿真;AMESim;

0 引言

某矿用隔爆外壳共四个门，分别使用四个液压缸提供压紧力。液压缸分组分开动作，两个上液压缸为一组，两个侧液压缸为一组。并且约定压向箱体时，上液压缸先动作，待压到箱体表面后，侧油缸再动作[1]。压紧端盖压向箱体时应动作缓慢以防止箱体产生不必要的变形，而考虑到被测箱体排水的时间，压紧端盖离开箱体时也不必快退，因此各个液压缸在工作过程中的运动速度较小[2]。本文的液压系统负载等于箱体内部承受的水压，水压为1 MPa时达到最大值为20 T。

1 拟定液压系统图

隔爆箱水压试验机的液压系统如图1所示。设计的水压试验机液压系统的速度较低，工作负载变化小，因此可以省去调速回路。两组液压缸使用四位三通手动换向阀即可完成换向。为防止上液压缸和压紧端盖因自重而自行下落，调节单向顺序阀8使液压缸内的背压能支撑住活塞和压紧端盖，活塞就可平稳地下落。当换向阀6处于中位时，活塞就不会自行下落，最后考虑压力控制回路，系统靠溢流阀调节压力[3]。另外，使用卸荷阀，在液压泵不停止转动时，使其输出的流量在压力很低的情况下流回油箱，以减少功率损耗，降低系统发热，延长泵和电机的寿命[4]。

图1 隔爆箱水压试验机的液压系统 

1.泵；2.电机；3.安全阀；4.卸荷阀；5.压力表； 6.三位四通手动换向阀；7.液控单向阀；8.单向顺序阀

2 液压系统的建模

AMESim中液压系统的建模如图2所示，由1～5所示的五个子元件组成，其参数分别设置为：

图2 AMESim中液压系统的建模图 

1～5.液控单向阀的子模型；6.控制换向阀的信号源；7.三位四通手动换向阀；8.溢流阀；9.液压泵；10.单向阀；11.平衡阀；12.液压缸外负载的信号源；13.液压缸的外负载；14.液压缸

(1)弹簧腔：

设置活塞直径为10 mm, 活塞杆直径为5 mm, 弹簧劲度系数为1 N/mm, 初始弹力为20 N,零位容腔长度为6 mm;

(2)质量块：

设初始位移为-0.005 m, 质量为0.5 kg, 摩擦系数为0.0155,位移范围为-0.005～+0.005;

(3)带环形孔的滑块：

设置活塞直径为26 mm, 活塞杆直径为22 mm, 零位容腔长度为6 mm;

(4)弹簧腔：

设置活塞直径为10 mm, 活塞杆直径为5 mm, 弹簧劲度系数为1 N/mm, 初始弹力为20 N,零位容腔长度为6 mm;

(5)活塞腔：

设置活塞直径为17.5 mm, 活塞杆直径为5 mm[5]。

通过设置控制换向阀的信号源，0～140 s内输出-400,即换向阀处于右位，141 s～150 s内输出0,即换向阀处于中位，151 s～250 s内输出400,即换向阀处于左位[6]。

溢流阀的调定压力为20 MPa。液压泵的转速为1 420 r/min, 流量为Q=3.55 L/min, 单向阀压降为30 MPa[7]。

通过设置液压缸外负载的信号源，即0～140 s内液压缸的负载为5 000 N,141 s～150 s内液压缸的负载为200 000 N,151 s～250 s内液压缸的负载为5 000 N。设置压紧油缸的活塞直径为160 mm, 活塞杆直径为100 mm, 活塞杆及其所连接的压紧端盖的质量共为500 kg, 活塞杆行程为200 mm。

3 液压系统仿真分析

在建立好水压试验机液压系统的仿真分析模型后，即可根据其实际情况设置仿真分析所需要的相关参数：设置仿真运行时间为0～270 s, 仿真步长为1 s, 仿真允许误差10-9。采用标准解算器混合误差进行仿真分析，得到压紧油缸的活塞杆速度、加速度及位移变化曲线和油缸上、下腔的压力变化曲线[8]。

活塞杆的位移曲线如图3所示，压紧端盖在136 s时达到压向箱体的极限行程200 mm。150 s后开始反向运动，在233 s时退回到距离箱体最远的位置。

油缸的上、下腔流量曲线如图4所示，活塞杆的速度和加速度曲线分别如图5和图6所示。结合图4、图5和图6可知：在系统开始的初期即0到3 s内，活塞杆的速度由0增加到1.5 mm/s, 随后在压向箱体的过程中，活塞杆的速度非常平稳，加速度几乎为零，一直到136 s时，达到活塞杆的极限行程200 mm, 速度降为0。150 s之后，反向运动过程中，活塞杆的速度和加速度出现了较大的波动，直到t=233 s时，位移达到活塞杆的液压行程200 mm时，速度和加速度变为零，活塞杆停止移动，直至仿真时间结束。

图3 活塞杆的位移曲线 

图4 油缸的上、下腔流量曲线 

图5 活塞杆的速度曲线 

图6 活塞杆的加速度曲线 

油缸的上腔和下腔压力曲线分别如图7和图8所示。由图7和图8可知：在压紧端盖压向箱体的过程中，油缸上腔压力维持在0.25 MPa, 并基本保持不变，直到t=136 s时，压紧端盖压紧箱体，受到20 T的压力作用，油缸上、下腔压力开始突变，下腔压力基本降为零，上腔压力增大为20 MPa, 达到溢流阀的额定压力，溢流阀开始溢流，活塞杆停止移动，到t=150 s时开始换向，下腔压力出现一点波动后维持在0.64 MPa基本保持不变，直到t=233 s时，油缸下腔压力增大到20 MPa, 达到溢流阀的额定压力，溢流阀开始溢流，活塞杆停止移动，处于距离箱体最远的位置。

图7 油缸的上腔压力曲线 

图8 油缸的下腔压力曲线 

对以上仿真结果的分析可知：在该液压系统换向的瞬间，油缸上、下腔的压力有小幅度的波动，在反向运动过程中，活塞杆的速度和加速度波动较大，但是都能满足水压试验的要求，因此可以使用该液压系统。

4 现场试验

具备试验条件后，操作手动换向阀，使上压紧油缸伸出，压紧端盖压向被测试件上的前法兰，调节溢流阀得到不大于0.5 MPa的液压力。然后将可移侧支架安装在整体底座上，再依次安装侧压紧油缸和侧压紧端盖。安装完成后，操作手动换向阀，使得两侧的压紧油缸伸出，分别将侧压紧端盖推向被测试件上的左右侧门[9,10],试验现场如图9所示。打压过程中要时刻调节溢流阀，使得液压站的压力示值始终是水压表压力示值的20倍。

5 结论

本文利用AMESim软件建立水压试验机的液压系统仿真模型，通过对其仿真分析得到工作过程中液压缸高、低压油腔的压力曲线，通过多次水压试验证明，本文提供的液压系统设计合理，为今后水压试验机液压系统的设计优化提供了参考。

文章来源：电气防爆. 2023(02)