挖掘機多路閥加速壽命試驗加載方式研究

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摘要：為準確度量反鏟液壓挖掘機多路閥正常工作的可靠壽命，基于實測挖掘機挖掘作業(yè)時的載荷數(shù)據(jù)及Archard磨損方程提出兩種多路閥正常工作的可靠性加速壽命預估試驗方法. 以20 t級反鏟液壓挖掘機為研究對象，首先采集液壓挖掘機典型作業(yè)工況下的載荷數(shù)據(jù)，并根據(jù)挖掘機作業(yè)時多路閥閥口的壓力特點，從載荷數(shù)據(jù)內(nèi)提取出100組典型挖掘作業(yè)循環(huán)數(shù)據(jù).為在短時間內(nèi)度量出多路閥正常工作的可靠壽命，提出了同步加載和擬實加載兩種加速壽命試驗方法.其中同步加載采用A/B口封堵，輸入主溢流閥的額定流量，并保持恒定，在連續(xù)換向過程中，利用主溢流閥的額定壓力對多路閥進行壓力加載，閥芯回到中位的穩(wěn)態(tài)時間通過AMESim仿真得出，并利用材料變形等因素確定各閥口的保壓時間.擬實加載則是各閥口按照挖掘機進行90°回轉(zhuǎn)作業(yè)時各閥口動作順序進行加載.最后運用Archard磨損方程計算出兩種加速試驗的加速倍數(shù)并結(jié)合多路閥實際工作狀況得出，同步加載的加速倍數(shù)更大，而擬實加載則與真實工作循環(huán)更為貼近.

關(guān)鍵詞：多路閥；可靠性；壽命試驗；Archard方程；載荷譜

中圖分類號：TH137.52 文獻標志碼：A

多路閥是液壓挖掘機的核心元件之一，它可以控制泵對動臂、斗桿、鏟斗及回轉(zhuǎn)的液壓缸的供油，以實現(xiàn)對單一動作以及復合動作的控制［1］.載荷譜編制是疲勞壽命分析和疲勞可靠性試驗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而載荷譜是反映整機結(jié)構(gòu)或關(guān)鍵零部件受載情況的載荷時間歷程［2-3］.作為液壓挖掘機的控制樞紐，多路閥的疲勞壽命和可靠性對整機性能有很大的影響.因此建立獲得載荷譜的試驗臺并確定載荷譜加載方式是具有重要意義的［4

在對多路閥載荷譜的研究中，國內(nèi)學者進行了多路閥仿真以及試驗臺搭建等方面的研究. 何志鵬［5］以《液壓多路換向閥》（JB/T 8729—2013）［6］為基礎(chǔ)，研制出液壓多路閥綜合試驗臺，得到了一套能夠達到B級精度要求的瞬態(tài)試驗方案，并通過試驗驗證了方案的可行性.曾定榮［7］通過使用仿真模型且進行試驗的方式，以綜合試驗系統(tǒng)為基礎(chǔ)，并將某種型號的多路閥作為研究對象，研究典型多路閥功能的動態(tài)過程.楊林［8］結(jié)合PLC的數(shù)據(jù)采集功能以及LabVIEW的數(shù)據(jù)分析和處理技術(shù)，設(shè)計了液壓泵、馬達與多路閥的綜合性能試驗臺，研制出測量精度高、測試性能好的試驗臺. 王起新等設(shè)計出包含液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的多路閥試驗臺［9］.由于針對多路閥載荷譜的加載的試驗時間過長，一般只有多路閥試驗臺的搭建而缺少實際的試驗.

而對于液壓泵載荷譜的加載，在國內(nèi)，翟新婷在編制液壓泵的脈動加載譜時，假設(shè)忽略載荷均值對疲勞損傷的影響，采用等效損傷原則基于液壓泵固定件進行載荷譜編制，直接利用雨流計數(shù)后的幅值進行相關(guān)編譜工作［10-11］.邵繼海［12］在確定柱塞泵壽命試驗載荷譜時，按照壓力、流量的變化，將載荷譜劃分為四個階段，并確定了每個階段所占時間.以上幾種載荷譜加載方式是在基于液壓泵的基礎(chǔ)上提出的，而目前缺乏針對多路閥載荷譜的加載方式.

針對上述問題，本文以液壓20 t挖掘機多路閥為研究對象，通過傳感器獲得挖掘機作業(yè)工況下的載荷數(shù)據(jù)，在載荷譜中提取出若干個循環(huán)周期，并提出兩種載荷譜加載方式.1） 同步加載：由多路閥材料等因素確定高應力加載時間，結(jié)合AMESim 仿真結(jié)果和臺架性能確定低應力保壓時間的多油缸同時加載的加載方式；2）擬實加載：基于所獲得的載荷數(shù)據(jù)及等效加載時間并模擬挖掘機實際作業(yè)工況進行加載的加載方式.并對這兩種加載方式的優(yōu)勢和局限性進行分析.

1 多路換向閥載荷譜的確定

為了獲得挖掘機的各工作裝置在作業(yè)過程中載荷隨時間的變化趨勢，需要進行載荷測試［13-14］.

根據(jù)挖掘機常見的作業(yè)模式和作業(yè)場地，本次試驗中，選擇沙土混合物作為作業(yè)對象.沙土混合物一般包括大量的沙和少量的黏土.測試中，應保證地面沒有明顯的坡度，平整度達標，且應在沒有降雨的天氣下進行測試，以防止沙土濕度對測試數(shù)據(jù)的影響.

在此工作條件下，進行連續(xù)作業(yè)，即反復完成90°回轉(zhuǎn)作業(yè)，其中包括挖掘、回轉(zhuǎn)舉升、卸料和回轉(zhuǎn)下放這幾個動作.挖掘試驗現(xiàn)場如圖1所示.并安裝傳感器對動臂、斗桿、鏟斗以及回轉(zhuǎn)馬達的壓力等信號進行采集.

本文中，確定樣本長度為1 200 s，采樣頻率為1 000 Hz，并按照當前傳感器安裝位置對信號進行采集，采集到多組數(shù)據(jù)用以處理分析，選取其中一組數(shù)據(jù)進行展示，如圖2所示.

從中提取出包含典型挖掘循環(huán)（440～470 s）的三油缸位移數(shù)據(jù)，如圖3所示.

2 載荷譜的加載方式

多路閥的疲勞壽命較高，如果按照正常工況進行壽命試驗，需要較長時間，因此可以在試驗時適當提高加載的壓力和流量或增加多路閥的操作頻率，使多路閥加速失效，以節(jié)省試驗時間，這一方法即加速壽命試驗.

多路閥的疲勞壽命受到工作壓力、操作頻率、設(shè)備運行中的振動和沖擊以及工作介質(zhì)的腐蝕性和溫度等多種因素的影響.其中多路閥的工作壓力和操作頻率對其疲勞壽命影響較大.

因此本文提出同步加載和擬實加載兩種加載方式.其中，同步加載通過增加多路閥操作頻率和壓力以加速其失效，而擬實加載則是通過增加多路閥工作壓力以加速其失效.

2.1 同步加載

同步加載的試驗原理如圖4所示，在試驗前，將多路閥所有閥口堵死，試驗時，首先在a1、a2、a3口輸入控制信號，此時，銜鐵通過閥桿將閥芯推向右側(cè)，各閥塊A口與P1口相連，B口與T口相連。（剩余7338字）