液压缸负载打压通用试验台架的设计优化分析

沈树林，赵 兵，何东升，吴建雄，田 鹏

液压缸是将液压能转变为机械能的、做直线往复运动或摆动运动的液压执行元件。用它来实现往复运动时，可免去减速装置，并且没有传动间隙，运动平稳，液压缸基本上由缸筒和缸盖、活塞和活塞杆、密封装置、缓冲装置与排气装置组成。随着液压技术的高速发展，它结构简单、工作可靠、没有污染等优点。在各种机械的液压系统中得到广泛应用。伴随的发生故障的可能性也随之增多，液压缸维修完成时，需要对液压缸进行打压试验及性能指标参数进行校核，各项指标符合行业技术要求，满足生产设备工艺要求，满足甲方要求。我公司目前的打压试验台架最大压力为25Mpa，无法满足25Mpa 以上的液压缸打压试验，由于生产线上不同压力液压缸尺寸型号量程距离也都不统一，因此需要一种满足于各种尺寸、压力的液压缸进行对顶负载打压试验的台架装置，进行液压缸打压试验及各数据参数性能比对，从而减轻人力及成本费用的浪费，本论文的目的是针对现有打压试验台架通用性不足的问题，设计一种用于液压缸进行对顶负载打压试验的台架装置，属于液压技术领域。

1 液压缸负载打压试验台架的设计

首先给出了液压缸打压试验台架的设计目标和主要完成技术指标，可以用于不同尺寸、不同行程、不同安装形式、超高压（25Mpa-45Mpa）的液压缸进行负载打压试验。即设计最大承载能力为50000KN 的四梁可调，液压缸打压试验台架的形式，通过SolidWorks 完成了试验台主体结构设计：上下梁设计、立柱设计和梯形底座等设计，并完成了试验台虚拟装配，如调高、定位、孔轴和调架等位置、强度校核等，并利用Simulation模块进行工况模拟，不断调整，优化整体钢架及部分零件的强度。最总满足试验标准及对液压缸打压试验台架的技术要求及行业要求。

下面对液压缸打压试验台架的组成部件进行详细介绍：

A 梁、B 梁、对顶缸、试验缸、对顶缸固定底座、试验缸固定底座、筋板、1#横梁、2#横梁、3#横梁、轴销、轴套、立柱、A梁连接板、B 梁连接板等主要部件组成。

用于液压缸进行对顶负载打压试验的台架装置：包括A 梁、B 梁、对顶缸、试验缸、对顶缸承力套件、试验缸（耳轴、底座）承力套件、立柱、A 梁连接板、B 梁连接板。A 梁与A 梁连接板通过螺栓连接为框架整体；B 梁与B 梁连接板通过螺栓连接为框架整体，A 梁和B 梁为焊接件；A 梁的两侧内立面对称设置若干相同尺寸的等距槽；B 梁两侧内立面对称设置若干相同直径的等距孔和相同尺寸的等距槽,两侧上平面设置若干相同直径的等距螺栓孔；对顶缸承力套件和试验缸（耳轴、底座）承力套件通过两侧对称的等距槽或等距孔安装固定；对顶缸分别与对顶缸承力套件和试验缸活塞杆连接；试验缸分别与试验缸（耳轴、底座）承力套件和对顶缸活塞杆连接；试验缸随着对顶缸运动而运动。

如上所述，其特征在于A 梁的内立面和B 梁的内立面槽均为长方形，上下对应的槽相重合，对顶缸中心线与试验缸中心线重合，对顶缸中心线和等距孔中心线高度相同，特征在于对顶缸活塞杆直径小于试验缸活塞杆直径。对顶缸承力套件包括对顶缸固定底座、筋板、1#横梁、2#横梁和3#横梁，对顶缸固定底座，通过两侧内立面对称的等距槽安装固定，对顶缸承力套件之间通过焊接方式进行连接固定。

当试验缸为尾部耳环型安装方式时，采用试验缸耳轴承力套件，试验缸耳轴承力套件包括轴销和轴套，轴销中间部位穿过耳轴，轴销两端插入轴套内，轴销和轴套插入B 梁两侧立面对称等距孔内；当试验缸为径向底座型安装方式时，采用试验缸底座承力套件，试验缸底座承力套件包括试验缸固定底座、筋板、1#横梁、2#横梁和4#横梁，试验缸固定底座通过两侧内立面对称的等距槽安装固定，试验缸底座承力套件之间通过焊接方式进行连接固定。A 梁的内立面和B 梁的内立面槽均为长方体，上下对应的槽相重合。对顶缸中心线与试验缸中心线重合，对顶缸中心线和等距孔中心线高度相同。对顶缸活塞杆直径小于试验缸活塞杆直径。当试验缸为径向底座型安装方式时，采用试验缸底座承力套件，试验缸通过螺栓连接固定到试验缸承力套件上；对顶缸的活塞杆与试验缸的活塞杆相连接，当对顶缸运动时，试验缸也会随之运动，对顶缸活塞横截面积比试验缸的大，相同的力，试验缸产生的压强比对顶缸大，以满足高压负载的需要。

进一步说明液压缸负载打压试验台架的设计，A 梁1、B 梁2、对顶缸3、试验缸4、对顶缸承力套件、试验缸（耳轴、底座）承力套件、立柱14、A 梁连接板15、B 梁连接板16。A 梁1 和B 梁2 为焊接件， A 梁1 与A 梁连接板15 通过螺栓连接为框架整体；B 梁2 与B 梁连接板16 通过螺栓连接为框架整体；A 梁1 的两侧内立面对称设置若干相同尺寸的等距槽，槽为长方体；B 梁2 两侧内立面对称设置若干相同直径的等距孔和相同尺寸的等距槽,两侧上平面设置若干相同直径的等距螺栓孔；对顶缸承力套件是由对顶缸固定底座5、筋板7、1#横梁8、2#横梁9 和3#横梁10 焊接而成，试验缸底座承力套件；试验缸底座承力套件是由试验缸固定底座6、筋板7、1#横梁8、2#横梁9 和4#横梁11 焊接而成；对顶缸承力套件和试验缸底座承力套件通过等距槽进行安装固定，对顶缸通过螺栓连接固定到对顶缸承力套件上；当试验缸为尾部耳环型安装方式时，采用试验缸耳轴承力套件，轴销12 中间部位穿过耳轴，轴销12 两端插入轴套13 内，轴销12和轴套13 插入B 梁2 两侧立面对称等距孔内进行固定；当试验缸为径向底座型安装方式时，采用试验缸底座承力套件，试验缸通过螺栓连接固定到试验缸承力套件上；对顶缸的活塞杆与试验缸的活塞杆相连接，当对顶缸运动时，试验缸也会随之运动，对顶缸活塞横截面积比试验缸的大，相同的力，试验缸产生的压强比对顶缸大，以满足高压负载的需要，以上考虑了所有的安装方式及相应的对策，解决了实际的安装问题，并对现场生产及安装人员起到了技术指导作用，综上液压缸打压试验台架的所有的零部件设计完成，并相应的组合完成，并对关键位置的高度和孔的强度进行了强度校核，至此本设计的机械部分完成。

2 液压缸负载打压试验台架的机构与试验指标

根据试验台架的设计目标和主要技术指标，即设计出最大承载能力为 50000KN 的液压缸支架试验台形式，完成了试验台架主体结构设计，是一种用于液压缸进行对顶负载打压试验的台架装置，根据试验缸尺寸不同、行程不同、安装方式不同，可以使用不同位置的等距孔或等距槽；可以满足超高压（25Mpa-45Mpa）的液压缸进行负载打压试验的装置。

液压缸装配试验规范:

（1）准备设备、工量具、工装、（2）按装零件明细表（3）清理：检查并最终清除所有机加工零件、标准件、塑料件、橡胶件飞边、毛刺、锈迹。活塞杆应擦拭干净并检查是否有掉铬、碰伤现象；清除时，零件不能有损伤，同时复查各零件外观是否合格、（4）清洁：清洗前用压缩空气吹净工作台及待装配零件各部位的异物，再用煤油或清洗剂清洗干净。要注意缸筒内孔、缸头各内孔、活塞、向套各油槽的细小异物；清理、清洗所有装配工具、工装、（5）要求：部装前、自检时严禁带线手套、帆布手套；部装中允许带绵质薄手套。所有零部件必须先行自检，然后通知检验进行检查，合格后方可进行下一步；（6）组装活塞：分别装配活塞密封组件和支承环；活塞密封、组装导向套：分别装配轴用组合密封、Y 型密封圈、防尘圈和 O 型圈，组装导向套必须采用干式装配。（7）组装活塞杆、（8）缸体组装、（9）检验、（10）试验验收出厂。

液压缸再修复后，试验台架主要的试验项目指标：

（1）试运转 ：调整试验系统压力，被试液压缸在无负载工况下起动，并全行程往复运动数次，完全排除液压缸内的空气,油缸在无负载的情况下，自由运动，看是否有异常现象；

（2）全行程检查：设置压力小于额定压力1/10， 流量小于缸体容积的0.5L/Min,油缸在运行过程中，通过装在油缸活塞杆上的位移传感器检测其行程，

PLC 自动与设定的可调整的行程进行比较，若达到设定值判为合格，否则判为：不合格；

（3）启动特性试验 ：试运转后，调整油压，使无杆腔、双活塞杆液压缸、两腔均可、压力逐渐升高，至液压缸起动时，记录下的起动压力即为最低起动压力（伺服缸最低启动压力≤1.5bar,动摩擦力≤ 1bar）；

（4）内、外泄漏试验 ：

内泄漏设定压力等于额定压力，流量小于缸体容积的1L/MIN；判定20MPa 下内泄量低于4ml/min 或2ml/min，油缸在内部有压力情况下， 通过装在油缸进出油口处的压力表或压力传感器，观察压力表指针是否下降或通过压力传感器用 PLC 检测其压力并与某一设定压力进行比较判断，若检测压力始终保持某一压力，判为合格，否则判为不合格，若不合格则进行内泄漏量的计算，以便操作人员掌握其泄漏情况，检查原因，并测试活塞的密封效果；

外泄漏设定：对油缸进行冲压试验，试验过程中油泵连续给油缸供油看油缸在压力油作用下外部焊缝等部位是否有渗漏等现象，测试活塞杆处的密封效果；

（5）缓冲试验 ：将被试液压缸工作腔的缓冲阀全部松开，调节试验压力为公称压力的50%，以设计的最高速度运行，检测当运行至缓冲阀完全关闭时的缓冲效果；

（6）耐压试验 ：实验油缸内部充油，被测的油腔管线断开，对顶缸加压到额定值，将被试液压缸处于行程极限位置,分别向工作腔输入公称压力的 1.5 倍的油液 , 保压2min 以上进行试验。

液压缸修复后，吊运至液压缸负载打压试验台架通过以上的试验项目指标达标后方可进行验收清理工作。

3 液压缸负载打压试验台架的机构优化及可行性分析

通过 Solidworks 软件对试验台三维几何建模，试验模型设计可行性分析，要进行应力及位移分析，考虑极端情况下的最大载荷，最大压力45Mpa，在Simulation 模块分析前，需要做大量的模型设计及设定等工作，运用SolidWorks 对部分模型简化，例试验缸内螺栓及螺栓孔进行删除替代，把试验缸属性设置为一个整体进行受力分析，另外一些不影响强度校核零件或删除或替代，设置零件材料属性：A 梁、B 梁为实际的退火不锈钢ss、对顶缸、试验缸为锻造合金钢、对顶缸固定底座、试验缸固定底座、筋板为100mmQ235 钢板焊接而成、立柱为普通碳钢Q235、A 梁连接板、B 梁连接板为100mm 普通碳钢，零件接触属性:A 梁、B 梁为焊接接触、对顶缸、试验缸为面接触、对顶缸固定底座、试验缸固定底座为面接触，筋板、1#横梁、2#横梁、3#横梁为面接触、轴销、轴套为机械接触、A 梁连接板、B梁连接板为螺栓接触；外部载荷：地面梁设定为固定与地面接触不动、对顶缸、试验缸所受最大力矩为45Mpa 静载荷，方向为对顶缸、试验缸纵向静载荷；设定夹具固定，编辑网格属性，网格密度：良好、网格参数：基于混合曲率的网格、单个尺寸：63.3679mm、公差：3.1684mm 自动过滤、高级雅可比点：29 点、实体的自动试验：实验体3、品质：高； 应用控制：3 分别为对顶缸、试验缸接触面，试验缸整体和所有支撑梁。最终得到了网格划分图形，网络类型：实体网格、节总数49710、单元总数量为：216934，以上得到静力学受力分析所用的良好网格。

运用Simulation 静力学分析模块得到了试验台架在不同加载模式下的应力云图。发现试验台在T 型挡板中间横梁中心部位出现明显的集中应力现象，最大为2.93e+008 应力，局部最大应力值超出材料的屈服极限235Mpa，由于出现的位置为试验缸所对应的挡板T 型横梁中间区域及挡板中心区域应力集中，发现T 型挡板的设计有所缺陷，所以加固挡板厚度由原来的50mm 增加到100mm，再次重新运用Simulation 静力学分析模块得到应力云图，发现挡板中心局部应力为2.85e+008 应力，有所改善，但没有到达材料屈服应力极限以下，继续设计，由原先的2 块中间横梁，增加到3 块横梁，中心区域应力云图得到2.33e+008 应力，满足材料屈服应力，但是中间横梁侧面出现应力集中，最后优化更改中间横梁位置，应力云图得到较好的效果，最终修订了T 型挡板的设计模型，增加了50mm 的厚度，加入中间1 块横梁，并根据计算结果调整了的位置，所有横梁为满焊，T 型挡板满足材料屈服强度需要。

运用Simulation 模块得到了试验台在不同加载模式下的应力和位移云图。为了检验整体结构屈服应力及部分组件的应力极限，通过分析得到，试验台在顶梁偏心加载底座扭转加载、顶梁偏心加载底座两端集中加载和顶梁扭转加载底座两端集中加载的工况下，试验台架最大应力值均在材料的屈服极限内，从而满足材料的强度要求。而在B 梁扭转加载底座横筋扭转加载的工况下出现了应力集中现象，发生在活动梁扭转处且最大应力值为350MPa，超过了材料的屈服极限。因此对试验台架B 梁卡槽结构进行了优化，对其底座设计中的内部筋板采取加厚 10mm的措施，结构优化之后B 梁的集中应力降为材料的屈服极限以内，从而满足了强度要求，优化结构设计，满足设计要求，增加了试验台的整体刚度。整体结构优化后的应力分析最大应力点为2.05e+008 应力和位移分析图最大变形量为1.05mm，均满足设计要求及行业标准，可以从图形变化符合设计要求，达到了试验台的设计要求。不过试验台台架设计中也存在一些不足，还需要在以后的实际运用中加以升级及优化。

4 结论

（1）通过以上论证，液压缸打压试验台架再优化过后，运用Simulation 模块得到了试验台在不同加载模式下的应力和位移云图。试验台架最大应力值均在材料的屈服极限内为205Mpa，满足材料的屈服强度要求。试验缸固定底座横梁的位移由 5.04mm减小到 1.05mm，变形量可以忽略不计，并且增加了底座横梁筋板的厚度，优化了局部设计，增加了试验台的整体刚度。

（2）该液压缸打压试验台架通过试验可以根据试验缸尺寸不同、行程不同、安装方式不同，可以使用不同位置的等距孔或等距槽进行调整满足于设计要求；

（3）通过模拟分析该液压缸打压试验台架可以满足超高压（25Mpa-45Mpa）的液压缸进行负载打压试验分析。

（4）本文设计的液压缸打压试验台架通用性强，适用于各种结构的液压缸的打压负载试验，操作简单方便，实用性强。

（5）经过试验证明其功能齐全、性能可靠、测试范围广，达到了预期目的。