33《计量与测试技术》2021年第48卷第1期
宋文涛夏本松邢科礼金健
（上海大学机电工程与自动化学院，上海200444）
摘要：建立液压水锤波试验台，提出了多参数可调的液压管道水锤波试验系统方案，通过改变增压缸活塞杆质量、调整增压缸活塞杆缓冲阻尼器的阻尼系数，实现对水锤波波形超调量、升压率及振荡的控制。
关键词：水锤波；测试系统；阻尼系数；增压缸
中图分类号:V033.91文献标识码:A国家标准学科分类代码：457•4737
DOI:10.15988/j.cakt.1024-6941.2201.1.210
Reseerch on Watea Hammea Wave Test System
SONG Wentao XIA Bedsone XING KUI JIN Jias
Abstrach:The ayUranl-c wateo hammeo wavv test-bed is estaplished,and the scheme of multi parameteo apjusta-bte ayUranl-c pipaine wateo hammeo wavv test system is p—posed.By chaneine the mass of boosteopiston roP and apjushng the damping coeUicient of boosteo cylmned piston oP buffeo dampeo,the ovvrshoot of wateo hammeo wavv shape,p—ssa—Oso rate and oscillation a—cont—lUd.
Key wo C o:wateo hammeo wavv;test system；damping coefficient-boosteo colingeo
0引言
在液压系统运行过程中，执行元件或者方向控制阀的换向、变速、甚至启停，都会引起管道中油液的速度变化，油液惯性的存在会使其继续保持原有的运动状态，进而导致油液压缩，压力瞬间上升，并层层沿系统反方向传播。1］当阀门快速关闭时，管道中原本流动的液体瞬间停止并在管道末端产生压力突变，该现象称为水锤现象，压力突变形成的压力波形称为水锤波。水锤冲击是液压系统的致命危害，特别是在航空航天液压系统中更为常见。水锤波试验系统能动态考核其在寿命期内的抗冲击能力，以便快速发现产品设计中存在的问题并进行改进，提高系统的可靠性。 1液压原理图
主回路由变频电机及定量泵4组成，主系统流量通过变频电机转速调节。主系统压力由电磁溢流阀12和直动式溢流阀14调节。蓄能器21用于补充水锤波产生时所需要的大流量。伺服阀22通过换向控制增压缸活塞的伸出与返回动作，即建压和卸压功能。负载44为可调节质量的外接负载。46为液压阻尼器，一端与增压缸22活塞杆连接，另一端通过铰链与框架固定。位移传感器24用于测量增压缸活塞杆的位移。如图1所示。
补油回路由补油泵6和电磁溢流阀13组成，其流量用于给被测管道供油。当被测管道油温低于设定值，电磁换向阀38打开，主系统支出一路小流量将液控单向阀39顶开。此时，补油回路的高温液压油进入被测管道，当被测管道的温度满足要求，电磁换向阀38关闭，补油路停止供油。水锤波的前半个周期为增压动作，增压缸活塞伸出，此时被测管道内建压。水锤波的后半个周期为卸压动作，增压缸活塞缩回，此时被测管道内卸压。当被测管道卸压时，补油泵出口的压力可让活塞缩回而不使用主回路压力。这样一方面保证了卸压时增压缸活塞缩回的速度，另一方面由于不消耗主回路的压力，从而能够使蓄能器快速充液。
作者简介：宋文涛，硕士，在读研究生。
宋文涛等：水锤波试验系统研究33
图1水锤波液压系统原理图
1.主油箱；0高温油箱；3.漏油回收油箱；4.主泵及其变频电
机;5.冷却循环泵及其电机;6.补油泵及其电机;7.漏油回收泵及
其电机4〜11.单向阀；12〜13.电磁溢流阀；14〜15.直动式溢流
阀；16〜16.压力表；18.压力传感器；19.高频响压力传感器；20.压
力传感器;21.蓄能器;22.伺服阀；23•增压缸;24.位移传感器;25.
水冷器；26〜29.过滤器；34〜31.空气过滤器；32〜34•液位计；35
〜36.温度传感器;37.电加热器；38.电磁换向阀；39.液控单向阀；
44〜43.球阀；44.外接负载;45.液压阻尼
0测控系统
2.1测控系统构成
水锤波试验系统的测控系统由电气控制系统、
数据采集系统和计算机控制系统三部分构成，其构
成硬件主要有工控机、PLC、传感器、数据采集卡、比
例放大器、数显仪表等。系统以工控机作为上位机,
PLC为下位机。上位机与下位机之间通过以太网通
信。数据采集卡采集信号经PCI总线传输至工控
机，其硬件结构图如图2所示。
工控机
PCI总线
数据采集卡
以太网PLC
图0测控系统硬件结构图
0•0测控软件开发
控制面板功能及显示如图3所示°'参数设置'按钮可以设置试验压力、波形冲击频率、油温等参数。点击’开始试验'按钮，水锤波试验自动循环运行到设定次数后自动停止°⑵控制面板上可以实时显示系统各传感器数值，’主系统压力'为系统溢流阀处调定的系统压力；；设定压力'为系统压力通过增压缸增压之后的增压腔压力；’增压缸活塞位移'显示了增压缸活塞杆上的位移传感器的数值;；被测管道压力'被测试的软管处的压力值；’主油箱温度'和’高温油箱温度'分别为主油箱和高温油箱的温度°
图3水锤波试验测控系统控制面板
控制面板还显示了试验的实时冲击次数、最新一个波形的升压率、超调量等数据。其中波形的'最新波形升压率'为最新一个波形试验压力的84%压力值与水锤波上升阶段到达试验压力14%〜94%所耗费的时间的比值。当参数不满足1225MPa/s标准后，系统自动判断为被测软管升压率不足不能满足试验标准,“急停”指示灯亮起，试验就会自动停止并报警，提醒操作人员。
当试验自动停止或者手动停止后，“实时冲击次数”显示已经完成的试验循环次数，这个次数一直累加，可以通过“计数清零”来消除。试验完成后点击“生成报表”以记录试验信息：升压率、超调量、冲击次数和试验波形°
3液压水锤波试验
3.1增压缸质量对波形的影响
为了验证增压缸的活塞质量对水锤波波形的影响，将增压缸的外接负载分别选择8ky,16ky和24/三种质量进行试验。试验参数设置：试验压力23MPa，试验频率1Hz，主泵转速2004r/mic，蓄能器容量为5L，预充压力5MPa，伺服阀通流能力为・4.5MPa)，被测管道为一根1404mm，内径22mm的液压软管。
如图4(a)所示负载质量8ky时的水锤波波形，其峰值时间为32ms，调节时间为96ms，升压率为1388MPa/s，超调量为25%°如图4(b)所示为负载质量16ky时的水锤波波形，其峰值时间为33ms,
调
36《计量与测试技术》2021年第48卷第1期
节时间为120ms，升压率为1313MPa/s，超调量为
27.9%。如图4()所示为负载质量24k 时的水锤
波波形，其峰值时间为47ms，调节时间为155ms，升 压率为1310MPa/s，超调量为32. 6%。
2
N +w +M d 10
(
e d w )-R
出时间(ms)
(e d s )x
出
(a)8kg 时的水锤波波形
20'
(e d w )-R
出
(b)16kg 时的水锤波波形
■ 4V
J
j
2.
.
00 8*0 900 9*0 1000 1050 1100 1150 1200 1250 1300 1350 1400 1450 1500 1550 1600 1650 1700 1750 1800 1850 1S00 1950 2000
时间(ms)
(c)2kg 时的水锤波波形 图4活塞杆配重质量的水锤波波型
3.2阻尼系数对波形的影响
为了验证液压阻尼对水锤波波形振荡的抑制效 果，本节通过改变液压阻尼器的节流阀开度改变阻
尼系数进行对比试验。⑶试验参数设置：试验压力
28MPa，试验频率1Hz，主泵转速2000r/imn ，外接负载
质量均为24kg ，蓄能器容积为5L ，预充压力为5MP/。
图5(a )为液压阻尼器的节流阀调定在0.5开 度时的水锤波波形图，其超调量为27. 4%，图5(b ) 为节流阀调定在0.3开度时的水锤波波形图，其超
调量为10. 4% o (e d s
-R
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时间(ms)
(P2.5开度时水锤波波形图
、
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25
时间(ms)
(b)2.3开度时水锤波波形图
图6阻尼器节流阀的水锤波波型图
由图5可以看出，在水锤波经过第一个峰值之
后，阻尼器节流阀开度为0.3时的波形振荡明显弱
于开度为0.5时的波形振荡，这表明增大液压阻尼器 的阻尼系数对水锤波的振荡有抑制效果，但是增大阻
尼系数会使水锤波的超调量减小，本试验结果中，节流
阀开度从0.5变为0.3时，水锤波的超调量减少了
2• 3%，对于试验中因阻尼增大而减少的波形压力超调
量可以通过增加增压缸活塞杆负载质量来补偿。
9• 3多参数水锤波试验
节外接负载质量为8kg，并同时调节伺服阀开
度为0.9，此时可将水锤波试验波形的超调量控制
在20%。水锤波波形的参数为超调量20. 5% ，升压
率为1322MPPs >1225MPa，峰值时间为33ms，调节 时间94ms 。本试验频率为1Hz，即周期为1000ms ,
故调节时间应低于159ms，现本试验调节时间为
94ms < 150ms，因此波形轨迹满足试验标准。超调
量为20%的水锤波试验运行效果如图6所示。
从图6可以看出，本文通过改变增压缸活塞杆 质量的方法，可以将水锤波波形控制在试验要求的
指定超调量，并且可以保证升压率的稳定。而且可 以看出在增压缸活塞杆缓冲阻尼器作用下，试验波 形没有出现大幅的振荡。
(下转第39
页)
表1验证结果
M(g)PX Hz)n Mi(g)(M-M1)(g)MV2(g)(M1-M0)(g) 1.0201 4.4862 4.01537.0560-0.0006
251 4.0850 4.01427•93550.0003
202 4.993 4.04607.0036-0.0003
2524•94554•04457•9953-0.0003
203 1.0424-4.0479 1.0022000002
253 4.0950 4.04117.0935000004
204 4.0884 4.41110.98800.4004
2544•97367•42147•4788-000002
205 4.0399 4.01537.05910.4006
255 4.0845 2.01527.0549000004 4•452014•4541-000007•7541000000 251 4.04950000027•04957•0003
202 4.0514-000020.0515-0.0003
252 4.0515-2.02150.5153-0.0003
203 4.04950000027•04997•0001
253 4.04950000027•04920.0006
204 4.0514-000020.0514000002
254 4.0523-4.02230.0515000008
2054•44597•02157•04810.0006
255 4.0454*******•0485-0.0005表1中,M表示样重标称值,P表示激振频率，表示测量次数，陆表示自动称量装置称量样重真值,M1表示外置天平称量样重真值，(M-表示测量示值误差，(M1-M1)表示测量示值偏差。2•2•3验证结论
从表1测量结果中可知，在22Hz和25Hz两个激振频率下,4样重煤样5次重复自动加样称量样重最大示值误差为4•4214v<4•1404v：样重最大偏差为4•0049v<4•0414v；4.45v样重煤样5次重复自动加样称量样重最大示值误差为-0.0423v< 4.0454v，样重最大偏差为4.0008v<4.0414v。在22Hz和25Hz两个激振频率下4和4•45v两个典型样重自动加样称量的称量质量满足煤炭分析过程
(上接第36页)
图6超调量为24%的水锤波试验运行效果图
4结论
对液压水锤波试验系统进行了试验研究，并对中对煤样样重的要求。
3结论
通过电磁振动给料可实现煤样自动加样，控制坩埚样盘位置与导料槽的相对位置，实现对坩埚精准加样，坩埚样盘下降同时天平称量杆顶起称样坩埚实现自动称量。通过对自动加样称量装置的样品称量效率及样重称量质量验证，本自动加样称量装置可代替人工加样称量为煤炭智能无人化验系统提供符合试验要求的分析煤样。⑷此外，本自动加样称量装置同时可代替人工方法为仪器法分析试验快速提供无人干预的分析煤样。
在煤样数量需求量较大的情况下，我们不能一味的通过调高电磁振动加样机激振频率来提高单位时间内的称样个数，因为调高激振频率会导致电磁振动加样机产生的震动增强，将影响煤样的称量质量。在称量质量与称量效率不能兼顾的情况下，可并行采用两套或两套以上的煤样自动加样称量装置来满足煤炭分析过程对煤样的需求。⑸
参考文献
[1]赵庆荣•电磁振动定量给料系统的设计与研究[D].东北大学,2012.
[2]鹿建森•电磁振动定量给料系统设计思路浅析[]•工程建设与设计,2419,(45)：83〜84+89.
[3]刘振中•一种基于机器人自动化煤质分析系统的煤样微量添加与称量模块的特点与应用[]•衡器,2415,44(46)：16〜24.
[4]罗建明，陈超，何帅，等•煤质化验无人化智能分析系统的研究探讨[J]•煤质技术,2410,34(46)：44〜49•
[5]杨清元•并联式自动称量系统的结构设计与研究[D].燕山大学,2415.
试验结果进行了分析。试验结果表明，通过改变增压缸活塞杆质量和调整增压缸活塞杆缓冲阻尼器的阻尼系数，可以实现对水锤波波形超调量、升压率及振荡的有效控制，试验系统产生的水锤波波形的超调量可实现14%〜50%可调且升压率符合标准，证明本试验系统的开发研制是成功的。
参考文献
[1]满在朋•超高压液压脉冲波形的产生与应用[D].浙江大学,2415.
[2]王益•液压工程师技术手册[M].化学工业出版社,2014.
[3]王钧功.液压阻尼器研究[J].液压气动与密封，1998, (41)：15〜19
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