CN105784396B - 一种包含环境场的液压系统元器件可靠性试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种包含环境场的液压系统元器件可靠性试验装置及方法，属于液压系统元器件可靠性试验技术领域。监控装置固定在三维振动平台上表面，电液伺服装置、连接装置和液压缸组件通过底板实现对正之后将其固定在支撑框架上，三位四通电磁换向阀、各传感器安装在支撑框架的上表面,液压缸组件和三位四通电磁换向阀通过连接油管连接，温湿度控制箱组件安装在三维振动台的上表面。通过模拟实际工况从而找出液压系统中的薄弱环节，通过电液伺服装置完成对液压系统的动态力、静态力的加载试验，以及碰撞试验，从而得到发生故障时的相应参数，对液压系统的设计有很大的帮助，对于提高液压系统的可靠性具有重要的作用。

Description

一种包含环境场的液压系统元器件可靠性试验装置及方法

技术领域

本发明涉及一种包含环境因素的液压系统元器件(接头、管路、阀体、液压缸)可靠性试验技术领域的试验装置及可靠性试验方法，更确切地说，本发明涉及一种通过三维振动平台、温湿度箱和加载装置实现液压系统在不同温度、湿度、振动、压力条件下，对液压系统进行加载试验从而模拟多工况的可靠性试验装置及方法。

背景技术

随着制造业的不断发展，数控机床成为制造业中的必备工具，而液压系统又是数控机床能够正常工作的前提。液压系统在现代工业领域得到广泛的使用，尤其在工程机械、提升装置、数控机床等更是必不可少的一种动力源；然而，液压系统在使用过程中存在着一系列的问题，我们对液压系统可靠性的研究却相对较少；尤其在数控机床中，高压力、振动等因素会使得液压油管的接口处出现经常性的泄漏现象。因此，提高液压系统自身可靠性水平是所有科技工作者共同关心的问题，也对整个机床的可靠性起着至关重要的作用。

针对数控机床液压系统存在的泄漏的这一问题，目前，国内关于液压系统的可靠性试验装置及方法甚少；同时，对于液压系统在不同工况下的可靠性研究也很少，因此研究包含环境场的液压系统元器件的可靠性试验装置具有重要的实际意义。现在，关于液压系统可靠性技术的研究主要采用故障模式及影响分析(FMEA)、故障树分析(FTA)等方法，其主要目的是通过试验找到液压系统中的薄弱环节，对其结构进行改进设计，降低液压系统的故障率。为了进一步提高液压系统工作的稳定性与可靠性，并且最大可能的模拟液压系统的实际工况，本发明专利设计了一种包含环境场的液压系统元器件的可靠性试验装置及试验方法。

发明内容

本发明提供一种包含环境场的液压系统元器件可靠性试验装置及方法，以解决目前机床液压系统可靠性较低、没有一个合适的试验装置来通过试验改善液压系统的可靠性的问题。用以实现对数控机床液压系统在不同温度、湿度、压力、振动条件下，对液压系统进行动态加载、静态加载、碰撞试验从而模拟液压系统实际工况，并且提供了相应的试验方法。

本发明采取的技术方案是：三维振动平台通过地脚螺栓固定在地面上，监控装置固定在三维振动平台上表面，支撑框架固定在三维振动平台的上表面，电液伺服装置、连接装置和液压缸组件通过底板实现对正之后将其固定在支撑框架上，三位四通电磁换向阀、温度传感器、流量传感器、压力传感器安装在支撑框架的上表面,液压缸组件和三位四通电磁换向阀通过连接油管连接，温湿度控制箱组件安装在三维振动台的上表面。

所述支撑框架为板类零件，支撑框架由四个立柱和一个钢板焊接而成，所述钢板上开4个等距的矩形通槽。

所述温湿度控制箱组件包含温湿度箱门、油管孔、温度控制器、湿度控制器、箱体，所述箱体为绝热类零件，正面有温湿度箱门，其侧面开两个油管孔用来穿液压管路，所述温度控制器和湿度控制器固定在温湿度控制箱组件后方的凸台上。

所述电液伺服装置由底座、位移传感器、电液伺服阀、弹性单元、电液伺服伸出杆、轮辐式力传感器、连接头组成，所述底座通过螺钉固定到底板上，所述电液伺服缸体通过螺钉固定到底座上，所述位移传感器固定到电液伺服液压缸后方，所述电液伺服阀安装在电液伺服缸体上方，所述弹性单元固定在电液伺服伸出杆中，所述轮辐式力传感器固定在电液伺服伸出杆上，所述连接头一端通过螺纹与轮辐式力传感器连接。

所述连接装置由销钉一、加载滑板、滑块、弹性阻尼单元组成，所述加载滑板通过螺栓与底板连接，所述滑块通过其上的T形凸台与加载滑板上的燕尾槽滑动连接，滑块通过销钉与所述连接头连接，所述弹性阻尼单元固定在滑块右侧。

所述液压缸组件由球头杆、压力传感器、液压杆、液压缸、销钉二、支撑板组成，所述球头杆通过销钉二与弹性阻尼单元连接，所述球头杆与压力传感器螺纹连接，所述压力传感器与液压杆螺纹连接，液压缸体连接在支撑板上方，所述支撑板固定在底板上。

所述连接头为球头式同时在球头上开销孔，从而实现与滑块的连接，所述滑块其形状像L形，所述滑块左侧为一个圆柱形凸台，并且在圆柱形凸台上开销孔实现与连接头的连接，所述滑块右侧开四个螺纹孔用于安装弹簧阻尼单元；所述加载滑板为板类零件，其上表面开一燕尾通槽，其上表面左前方做两个三角形凸台，用于限制滑块行程，为后面要介绍的碰撞试验所设置的，所述的加载滑板上开四个螺纹孔用来与底板连接；

所述弹性阻尼单元由弹簧、接触块、套筒组成，所述弹簧套在接触块上，所述接触块套在套筒中二者属于间隙配合，所述接触块左侧为T型结构，用于安装弹簧及弹簧的固定，右侧为一个半球状结构，用于增加球头杆与接触块的接触面积，所述套筒左侧有一个方形的凸台，且在凸台上加工四个螺纹孔通过螺栓固定在滑块右侧，所述套筒左侧的内孔加工一个小的台阶，用于接触块的限位，所述套筒右侧的圆柱面上加工一个垂直向下的通孔用于和球头杆连接。

所述球头杆为杆类零件，所述球头杆前端开一销孔，从而实现与弹簧阻尼单元连接，所述球头杆后端加工成螺纹从而实现与压力传感器连接。

所述监控装置由减震弹簧、CCD图像传感器、吸油纸、磁铁组成，CCD图像传感器安装在减震弹簧上，该减震弹簧固定在三维振动平台上表面，所述吸油纸通过磁铁平铺固定在三维振动平台上，所述吸油纸为变色吸油纸。

一种包含环境场的液压系统元器件可靠性试验方法，包括如下步骤：

一、建立实验对象液压系统实际工作中的载荷谱

(1)确定环境因素的参数

1)采集液压系统在正常工作的环境温度最小值T_min和最大T_max，从而按照比例将温度值划分为n个区间，分别为[T_min，T₁]、……[T_i，T_i+1]……[T_n-1，T_max]，每个温度区间对应的工作时间间隔为t₁、……t_i、……t_n，为了使液压系统处于持续工作的状态，对采集液压系统工作时间按照等比例放大，比例因子α，使得小时；

其中T_i为第i区间的温度值；

2)采集液压系统在正常工作环境下湿度最小值h_min和h_max，将空气湿度也按照一定的比例划分为m个子区间，分别为[h_min，h₁]、……[h_j，h_j+1]……[h_m-1，h_max]，每个湿度区间对应的工作时间间隔为t₁、……t_j、……t_m，，为了使液压系统处于持续工作的状态，对采集液压系统工作时间按照等比例放大，比例因子β，使得小时；

其中h_j为第j区间的湿度值；

3)采集实际工作过程中的振动参数：

液压系统在不同工况下，振动频率取值区间[f_min，f_max]，按照所采集数据分布情况将其分为L个子区间，各个子区间为[f_min，f₁]、……[f_k，f_k+1]……[f_L-1，f_max]，每个频率区间相对应的振动幅值为A₁、……A_K、……A_L，与之对应的工作持续时间t₁、……t_k、……t_L，为了使液压系统处于持续工作的状态，对采集液压系统工作时间按照等比例放大，比例因子γ，使得小时；

其中f_k为第k区间的振动频率值；

(2)确定液压系统工作载荷

1)采集液压系统在不同工况下的油液压力得到液压系统静态压力值最小值P_min和最大值P_max，分别记录一系列的压力值：P_min、P₁、P₂、……P_max；并记录各压力值所对应的N个持续工作时间值：为保证液压系统持续工作从而确定期寿命的加速试验，所以各时间间隔按照比例因子δ进行放大使得：小时；

5)采集液压油的种类G₁、……G_i、……G_x共x种，在试验过程中定期更换不同种类的液压油进行比较；

二、按照建立的载荷谱进行可靠性加载试验步骤如下

(1)静态加载

1)开启三维振动台、温湿度控制器建立环境场1

在温湿度控制器中输入环境温度范围值[T_min，T₁]、湿度范围值[h_min，h₁]并设置工作时间t₁，在三维振动台控制面板中输入振动频率[f_min，f₁]、振动幅值A₁及持续时间t₁；

2)安装试验装置

将液压缸组件中的液压缸替换成待试验液压缸，将电液伺服伸出杆与滑块左端面套筒通过销钉一连接到一起，再将滑块右侧的弹性阻尼单元与待试验液压杆前段的球头杆通过销钉二连接，所述滑块安装在加载滑板上方，二者通过滑块上的T形凸台与加载滑板上的燕尾槽配合，待试验液压缸体安装在底板的上方；

3)进行恒流量压力加载试验：

4)恒压力流量加载试验：

5)将环境因素中的各个参数重新组合确定环境场2、环境场3……依次重复上述步骤3)和4)，直至完成静态加载试验；

(2)动态加载

1)开启三维振动台、温湿度控制器建立环境场1

在温湿度控制器中输入环境温度范围值[T_min，T₁]、湿度范围值[h_min，h₁]并设置工作时间t₁，在三维振动台控制面板中输入振动频率[f_min，f₁]、振动幅值A₁及持续时间t₁；

2)安装试验装置，与静态加载过程相同；

3)进行恒流量压力加载试验

使电液伺服伸出杆与待试验液压缸的液压杆实现对托的运动完成动态加载过程，前提是保持待测液压系统流量恒定不变，设定电液伺服装置加载压力基值B_min、幅值C_min不变，调整频率的值，每一个频率值对应加载时间完成第一组试验；

保持连接装置不变，流量恒定不变，设定电液伺服装置加载压力幅值C_min、频率不变，调整基值B_j的值，每一个基值对应加载时间完成第二组试验；

采用同样的方法调整加载压力的幅值C_j完成第三组试验；

4)进行恒压力流量加载试验

5)将环境因素中的各个参数重新组合建立环境场2、环境场3……依次重复上述步骤3)、4)两种加载试验，直至完成动态加载试验；

(3)模拟碰撞

1)开启三维振动台、温湿度控制器建立环境场1

2)在温湿度控制器中输入环境温度范围值[T_min，T₁]、湿度范围值[h_min，h₁]并设置工作时间t₁，在三维振动台控制面板中输入振动频率[f_min，f₁]、振动幅值A₁及持续时间t₁；

3)安装试验装置

将液压缸组件中的液压缸替换成待试验液压缸，将加载滑板固定在底板的上方，将滑块通过滑块上的T形凸台与加载滑板上的燕尾槽安装在加载底板上，将滑块紧靠在加载滑板上的凸台右侧，去掉销钉二，使球头杆与使弹性阻尼单元分离，且保证球头杆与弹性阻尼单元对正，检查连接在球头杆右侧的轮辐式压力传感器工作正常，为碰撞试验做准备；

4)进行恒流量压力加载试验

加载方式一，保持同一压力值多次碰撞试验：调节待试验液压缸以压力P₀，调整弹簧弹性系数K_min、阻尼系数E_min，设置具体的碰撞次数D_min，即液压杆以恒定压力向前运动持续时间到液压杆运动到弹性阻尼单元位置处与弹性单元发生碰撞，设置轮辐式压力传感器的值F_min，当压力为F_min时液压缸体内部压力刚好达到P_min，碰撞持续时间设置为△t，即完成碰撞后，液压杆保持压力P₀回程，之后进行第二次碰撞，依次类推完成D_min次碰撞试验；之后可以改变压力值P₁、P₂……P_max完成这一组试验，同时为保证液压系统持续工作从而确定期寿命的加速试验，所以各时间间隔按照比例因子η进行放大使得：小时；

加载方式二，在不同压力值下完成碰撞试验：

调节待试验液压缸以压力P₀₀，调整弹簧弹性系数K_min、阻尼系数E_min，控制液压杆恒压力向前运动时间为设置轮辐式压力传感器的值为F_min，当与弹簧阻尼发生第一次碰撞后，保持原来压力回程，回程时间t₁；设置轮辐式压力传感器的值为F₁，使得液压缸在碰撞过程中压力刚好达到P₁，液压杆在第二次伸出的过程中，经过短暂的时间t₀进行加压，使得压力值达到P₀₁，液压杆再经过时间向前运动，与弹簧阻尼发生第二次碰撞，依次类推，调节压力值P₂、P₃、……P_max，完成相应的试验，同时为保证液压系统持续工作从而确定期寿命的加速试验，所以各时间间隔按照比例因子η进行放大使得：小时；调整弹簧弹性系数K_min、K₁……阻尼系数E_min、E₁……重复上述两种加载方式；

5)进行恒压力流量加载试验，加载方式与步骤3)相同；

6)将环境因素中的各个参数重新组合建立环境场2、环境场3……依次重复上述步骤3)、4)加载试验，直至完成碰撞试验。

本发明通过模拟实际工况从而找出液压系统中的薄弱环节，通过电液伺服装置完成对液压系统的动态力、静态力的加载试验，以及碰撞试验，同时还可以通过温度传感器、流量传感器、压力传感器等实时对液压油进行监测，从而得到发生故障时的相应参数，对液压系统的设计有很大的帮助，对于提高液压系统的可靠性具有重要的作用。

本发明的有益效果：

1.本发明采用三维振动平台为振动源为试验装置及试验方法提供振动条件，还采用温湿度控制箱为试验装置及试验方法提供确切可控的温湿度环境，从而实现液压系统在不同的温度、湿度、振动等条件下，模拟实际工作过程。

2.本发明通过压力传感器、流量传感器、温度传感器对液压油的具体压力、流量、温度进行了实时的检测，传感器将测得的信号传输到控制系统，在控制柜的显示屏上可以看到液压油的实时信息，通过调整温湿度及振动情况，激发液压系统发生故障；这样通过调整环境参数可以找出液压系统元器件，并且记录发生故障时液压油的温度、流量、压力等一系列参数；从而，改进液压系统中的薄弱环节，提高整个液压系统的可靠性。

3.本发明通过力加载装置实现对液压系统的静态力、动态力的施加过程，具体施加方法主要依靠电液伺服系统来完成，具体采用对托的方式将电液伺服系统的伸出杆和参与实验的液压系统的伸出杆通过滑块连接起来，两侧各装有一个轮辐式力传感器进行测电液伺服系统的伸出杆施加给液压系统力的大小，通过控制电液伺服系统施加力的大小完成一系列的力加载试验；这样一直持续为液压系统加载，直到故障产生这样就可以得到液压系统在确定的施力条件下平均故障间隔时间。

4.本发明还可以模拟液压系统伸出杆发生碰撞的情况，具体将滑块与加载滑板上的凸台紧靠，弹簧阻尼装置连接在滑块右侧，在液压系统伸出杆快速伸出的过程中与前方的弹簧阻尼单元碰撞，从而模拟液压杆发生碰撞的情况；还可以通过更换弹簧阻尼中弹簧的刚度模拟液压系统伸出杆与不同材料的碰撞过程，通过安装在伸出杆上的轮辐式力传感器采集碰撞瞬间的最大力；在这种试验条件下，当发生故障时我们就可以得到碰撞力的大小与发生故障的关系，从而确定液压系统在碰撞过程中发生故障的机理。

5.本发明采用CCD图像传感器进行实时的故障监控，原理是在振动工作台上开一个矩形槽，在矩形槽中方一块吸油纸用磁铁固定，当液压系统的管件发生故障时油液就会滴到吸油纸上，此时吸油纸上就会发生颜色的变化，CCD图像传感器就通过这个变化识别液压系统发生故障，将信号反馈给控制系统，控制系统将立刻发出停机信号从而起到故障报警的作用，在发生故障后立马停机。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明温湿度控制箱组件轴侧投影图；

图3是本发明电液伺服装置连接装置和液压缸组件的结构轴测投影图；

图4是本发明的弹簧阻尼单元全剖视图；

图5是本发明的三维振动平台及CCD图像传感器的轴侧投影图；

图6是本发明作模拟碰撞试验所用装置的轴侧投影图；

图7是本发明作模拟动、静态加载过程试验所用试验装置的轴侧投影图；

图8是本发明的静态加载曲线图；

图9a是本发明的动态加载调节频率曲线图；

图9b是本发明的动态加载调节振幅曲线图；

图9c是本发明的动态加载调节基值曲线图；

图10a是本发明的碰撞加载方式一的曲线图；

图10b是本发明的碰撞加载方式二的曲线图；

图中：1.三维振动平台，2.支撑框架，3.监控装置，301.减震弹簧，302.CCD图像传感器，303.吸油纸，304.磁铁，4.电液伺服装置，401.底座，402.位移传感器，403.电液伺服阀，404.弹性单元，405.电液伺服伸出杆，406.轮辐式力传感器，407.连接头，408.电液伺服缸体,5.温湿度控制箱组件，501.温湿度箱门，502.油管孔，503.温度控制器，504.湿度控制器，505箱体，6连接装置，601.销钉一，602.加载滑板，603.滑块，604.弹性阻尼单元，60401.弹簧，60402.接触块，60403.套筒，7.液压缸组件，701.球头杆，702.压力传感器，703.液压杆，704.液压缸，705.销钉二，706支撑板，8.底板，9.连接油管，10.三位四通电磁换向阀，11温度传感器，12流量传感器，13压力传感器，14.待试验液压管路一，15待试验液压管路二。

具体实施方式

三维振动平台1通过地脚螺栓固定在地面上，监控装置3固定在三维振动平台1上表面，支撑框架2固定在三维振动平台1的上表面，电液伺服装置4、连接装置6和液压缸组件7通过底板8实现对正之后将其固定在支撑框架2上，三位四通电磁换向阀10、温度传感器11、流量传感器12、压力传感器13安装在支撑框架2的上表面,液压缸组件7和三位四通电磁换向阀10通过连接油管9连接，温湿度控制箱组件5安装在三维振动台1的上表面。

三维振动平台1通过安装在其工作台下面的两组偏心轮机构在电机带动下的运动，从而实现工作台的振动过程，同时其振动频率可以根据电机的转速进行调整，从而满足试验所需振动要求，由于该部件为外购部件，所以具体工作原理就不做赘述。

所述支撑框架2为板类零件，支撑框架2由四个立柱和一个钢板焊接而成，四个立柱直径为50mm，立柱的主要作用是支撑钢板及安装在其上的所有装置；立柱下方焊接一个正方形的平板，平板上开4个光孔用来和三维振动平台1连接；所述钢板上开4个等距的矩形通槽主要目的是保证液压系统元器件出现泄漏时，能保证油液滴到正下方的监控装置上，从而达到故障监控的作用。

参阅图2，所述温湿度控制箱组件5包含温湿度箱门501、油管孔502、温度控制器503、湿度控制器504、箱体505，所述箱体505为绝热类零件，正面有温湿度箱门501，其侧面开两个油管孔502用来穿液压管路，所述温度控制器503和湿度控制器504固定在温湿度控制箱组件5后方的凸台上，所述的温湿度控制箱组件5整体罩在三维振动平台1正上方，连接处采用橡胶密封圈密封，用螺栓将其固定在三维振动平台1上表面，从而实现对整套试验装置温度、湿度持续性的控制。

所述温度传感器11、流量传感器12、压力传感器13、分别通过信号线接到控制柜上，通过传感器采集到的实时数据从而实现对整个液压系统中液压油的一些重要参数进行实时监控，当液压系统中任意元器件发生故障时，可以通过控制柜得知发生故障时的相应参数。

参阅图3,所述电液伺服装置4由底座401、位移传感器402、电液伺服阀403、弹性单元404、电液伺服伸出杆405、轮辐式力传感器406、连接头407组成，所述底座401通过螺钉固定到底板8上，所述电液伺服缸体(408)通过螺钉固定到底座401上，所述位移传感器402固定到电液伺服液压缸后方，所述电液伺服阀403安装在电液伺服缸体上方，所述弹性单元404固定在电液伺服伸出杆405中，所述轮辐式力传感器406固定在电液伺服伸出杆405上，所述连接头407一端通过螺纹与轮辐式力传感器406连接；

所述连接装置6由销钉一601、加载滑板602、滑块603、弹性阻尼单元604组成，所述加载滑板602通过螺栓与底板8连接，所述滑块603通过其上的T形凸台与加载滑板602上的燕尾槽滑动连接，滑块603通过销钉601与所述连接头407连接，所述弹性阻尼单元604固定在滑块603右侧；

所述连接头407为球头式同时在球头上开销孔，从而实现与滑块603的连接，所述滑块603其形状像L形，所述滑块603左侧为一个圆柱形凸台，并且在圆柱形凸台上开销孔实现与连接头407的连接，所述滑块603右侧开四个螺纹孔用于安装弹簧阻尼单元604；

所述加载滑板602为板类零件，其上表面开一燕尾通槽，其上表面左前方做两个三角形凸台，用于限制滑块行程，为后面要介绍的碰撞试验所设置的，所述的加载滑板602上开四个螺纹孔用来与底板8连接。

参阅图4所述弹性阻尼单元604由弹簧60401、接触块60402、套筒60403组成，所述弹簧60401套在接触块60402上，所述接触块60402套在套筒60403中二者属于间隙配合，所述接触块60402左侧为T型结构，用于安装弹簧及弹簧的固定，右侧为一个半球状结构，用于增加球头杆701与接触块60402的接触面积，所述套筒60403左侧有一个方形的凸台，且在凸台上加工四个螺纹孔通过螺栓固定在滑块603右侧，所述套筒左侧的内孔加工一个小的台阶，用于接触块的限位，所述套筒右侧的圆柱面上加工一个垂直向下的通孔用于和球头杆701连接。

所述液压缸组件7由球头杆701、压力传感器702、液压杆703、液压缸704、销钉二705、支撑板706组成，所述球头杆701通过销钉二705与弹性阻尼单元604连接，所述球头杆701与压力传感器702螺纹连接，所述压力传感器702与液压杆703螺纹连接，液压缸体704连接在支撑板706上方，所述支撑板706固定在底板8上；

所述球头杆701为杆类零件，所述球头杆701前端开一销孔，从而实现与弹簧阻尼单元604连接，所述球头杆701后端加工成螺纹从而实现与压力传感器702连接；

参阅图5,所述监控装置3由减震弹簧301、CCD图像传感器302、吸油纸303、磁铁304组成，CCD图像传感器302安装在减震弹簧301上，该减震弹簧固定在三维振动平台1上表面，所述吸油纸303通过磁铁304平铺固定在三维振动平台1上，所述吸油纸303为变色吸油纸，当有油液滴到吸油纸上，吸油纸会变色；同时根据油液滴落位置大概确定发生故障的元器件；所述CCD图像传感器302用于监控吸油纸上出现变色情况，实时将信号反馈给控制柜，从而起到故障报警的作用。

本发明用于完成液压系统的碰撞试验、动态加载试验、静态加载试验，根据具体试验要求，可以将液压缸组件中的液压缸替换为待试验液压缸，或将三位四通电磁换向阀替换为待试验电磁换向阀，或将待试验液压管路一14、待试验液压管路二15分别与三位四通电磁换向阀连接或与压力传感器连接；

所述待试验液压管路一14和待试验液压管路二15分别有若干节油管串联而成，主要通过激发各个接头处发生故障，并且，被试验装置可以对数控机床液压系统的各种型号接头、油管进行试验；

如图6所示，所述碰撞试验装置由加载滑板602、滑块603、弹簧阻尼604、球头杆701、压力传感器702、液压杆703、待试验液压缸704、支撑板706组成，所述的滑块603紧靠在加载滑板602的三角形凸台右侧，所述的弹簧阻尼单元604通过4个内六角螺栓固定在滑块603右侧，所述的球头杆701通过螺纹固定在压力传感器702左侧，同时球头杆701与弹簧阻尼单元604保持一定的距离，所述压力传感器702通过螺纹连接在液压杆703左侧，安装完成后保证球头杆701与弹性阻尼单元604同轴，从而可以实现液压杆的碰撞试验；

如图7所示，所述加载试验装置由位移传感器402、电液伺服阀403、轮辐式力传感器406、连接头407、滑块603、销钉601、加载滑板602、弹簧阻尼单元604、压力传感器702、液压杆703组成，所述位移传感器402通过螺栓固定在电液伺服缸体408上，所述位移传感器402通过信号线和控制柜连接，用于测量液压杆伸出长度，以及在加载过程中的实时位移采集；所述轮辐式力传感器406与连接头407相连，所述连接头407通过销钉一601与滑块603连接；所述弹性阻尼装置604与滑块603通过螺栓连接，所述球头杆701与弹性阻尼单元604通过销钉二705连接；从而实现对待试验液压系统动、静态加载，同时由于左侧电液伺服系统的输出压力、流量等参数可控为本试验提供了前提条件，也是本发明的一个创新点。

一种包含环境场的液压系统元器件可靠性试验方法，包括如下步骤：

一、建立实验对象液压系统实际工作中的载荷谱

(1)确定环境因素的参数

1)、采集液压系统在正常工作的环境温度最小值T_min和最大T_max，从而按照比例将温度值划分为n个区间，分别为[T_min，T₁]、……[T_i，T_i+1]……[T_n-1，T_max]，每个温度区间对应的工作时间间隔为t₁、……t_i、……t_n，为了使液压系统处于持续工作的状态，对采集液压系统工作时间按照等比例放大，比例因子α，使得小时；

其中T_i为第i区间的温度值；

2)、采集液压系统在正常工作环境下湿度最小值h_min和h_max，将空气湿度也按照一定的比例划分为m个子区间，分别为[h_min，h₁]、……[h_j，h_j+1]……[h_m-1，h_max]，每个湿度区间对应的工作时间间隔为t₁、……t_j、……t_m，，为了使液压系统处于持续工作的状态，对采集液压系统工作时间按照等比例放大，比例因子β，使得小时；

其中h_j为第j区间的湿度值；

3)采集实际工作过程中的振动参数：

液压系统在不同工况下，振动频率取值区间[f_min，f_max]，按照所采集数据分布情况将其分为L个子区间，各个子区间为[f_min，f₁]、……[f_k，f_k+1]……[f_L-1，f_max]，每个频率区间相对应的振动幅值为A₁、……A_K、……A_L，与之对应的工作持续时间t₁、……t_k、……t_L，为了使液压系统处于持续工作的状态，对采集液压系统工作时间按照等比例放大，比例因子γ，使得小时；

其中f_k为第k区间的振动频率值；

(2)确定液压系统工作载荷

1)采集液压系统在不同工况下的油液压力得到液压系统静态压力值最小值P_min和最大值P_max，分别记录一系列的压力值：P_min、P₁、P₂、……P_max；并记录各压力值所对应的N个持续工作时间值：为保证液压系统持续工作从而确定期寿命的加速试验，所以各时间间隔按照比例因子δ进行放大使得：小时；

5)采集液压油的种类G₁、……G_i、……G_x共x种，在试验过程中定期更换不同种类的液压油进行比较；

二、按照建立的载荷谱进行可靠性加载试验步骤如下

(1)静态加载

1)开启三维振动台、温湿度控制器建立环境场1

在温湿度控制器中输入环境温度范围值[T_min，T₁]、湿度范围值[h_min，h₁]并设置工作时间t₁，在三维振动台控制面板中输入振动频率[f_min，f₁]、振动幅值A₁及持续时间t₁；

2)安装试验装置

将液压缸组件7中的液压缸704替换成待试验液压缸，将电液伺服伸出杆405与滑块603左端面套筒通过销钉一601连接到一起，再将滑块603右侧的弹性阻尼单元604与待试验液压杆前段的球头杆通过销钉二705连接，所述滑块安装在加载滑板602上方，二者通过滑块603上的T形凸台与加载滑板602上的燕尾槽配合，待试验液压缸体安装在底板8的上方；

3)进行恒流量压力加载试验：

使待试验液压杆位置不动，具体加载过程通过电液伺服装置压力值从0→P_min持续时间为当压力值达到P_min以后持续试验时间之后压力值从P_min→P₁所用时间为当压力值达到P₁以后持续时间依次类推依次将压力值P₂、P₃、……P_max加载到待试验液压系统上；持续的时间分别为且满足小时，具体加载曲线参阅图8；

4)恒压力流量加载试验：

5)将环境因素中的各个参数重新组合确定环境场2、环境场3……依次重复上述步骤3)和4)，直至完成静态加载试验；

(2)动态加载

1)开启三维振动台、温湿度控制器建立环境场1

在温湿度控制器中输入环境温度范围值[T_min，T₁]、湿度范围值[h_min，h₁]并设置工作时间t₁，在三维振动台控制面板中输入振动频率[f_min，f₁]、振动幅值A₁及持续时间t₁；

2)安装试验装置，与静态加载过程相同；

3)进行恒流量压力加载试验

使电液伺服伸出杆与待试验液压缸的液压杆实现对托的运动完成动态加载过程，前提是保持待测液压系统流量恒定不变，设定电液伺服装置加载压力基值B_min、幅值C_min不变，调整频率的值，每一个频率值对应加载时间完成第一组试验；

保持连接装置不变，流量恒定不变，设定电液伺服装置加载压力幅值C_min、频率不变，调整基值B_j的值，每一个基值对应加载时间完成第二组试验；

采用同样的方法调整加载压力的幅值C_j完成第三组试验；

4)进行恒压力流量加载试验

5)将环境因素中的各个参数重新组合建立环境场2、环境场3……依次重复上述步骤3)、4)两种加载试验，直至完成动态加载试验；

(3)模拟碰撞

1)开启三维振动台、温湿度控制器建立环境场1

2)在温湿度控制器中输入环境温度范围值[T_min，T₁]、湿度范围值[h_min，h₁]并设置工作时间t₁，在三维振动台控制面板中输入振动频率[f_min，f₁]、振动幅值A₁及持续时间t₁；

3)安装试验装置

将液压缸组件7中的液压缸704替换成待试验液压缸，将加载滑板602固定在底板8的上方，将滑块603通过滑块603上的T形凸台与加载滑板602上的燕尾槽安装在加载底板602上，将滑块紧靠在加载滑板602上的凸台右侧，去掉销钉二705，使球头杆701与使弹性阻尼单元604分离，且保证球头杆701与弹性阻尼单元604对正，检查连接在球头杆701右侧的轮辐式压力传感器工作正常，为碰撞试验做准备；

4)进行恒流量压力加载试验

加载方式一，保持同一压力值多次碰撞试验：调节待试验液压缸以压力P₀，调整弹簧弹性系数K_min、阻尼系数E_min，设置具体的碰撞次数D_min，即液压杆以恒定压力向前运动持续时间到液压杆运动到弹性阻尼单元位置处与弹性单元发生碰撞，设置轮辐式压力传感器的值F_min，当压力为F_min时液压缸体内部压力刚好达到P_min，碰撞持续时间设置为△t，即完成碰撞后，液压杆保持压力P₀回程，之后进行第二次碰撞，依次类推完成D_min次碰撞试验；之后可以改变压力值P₁、P₂……P_max完成这一组试验，同时为保证液压系统持续工作从而确定期寿命的加速试验，所以各时间间隔按照比例因子η进行放大使得：小时；

加载方式二，在不同压力值下完成碰撞试验：

调节待试验液压缸以压力P₀₀，调整弹簧弹性系数K_min、阻尼系数E_min，控制液压杆恒压力向前运动时间为设置轮辐式压力传感器的值为F_min，当与弹簧阻尼发生第一次碰撞后，保持原来压力回程，回程时间t₁；设置轮辐式压力传感器的值为F₁，使得液压缸在碰撞过程中压力刚好达到P₁，液压杆在第二次伸出的过程中，经过短暂的时间t₀进行加压，使得压力值达到P₀₁，液压杆再经过时间向前运动，与弹簧阻尼发生第二次碰撞，依次类推，调节压力值P₂、P₃、……P_max，完成相应的试验，同时为保证液压系统持续工作从而确定期寿命的加速试验，所以各时间间隔按照比例因子η进行放大使得：小时；调整弹簧弹性系数K_min、K₁……阻尼系数E_min、E₁……重复上述两种加载方式；

5)进行恒压力流量加载试验，加载方式与步骤(3)相同；

6)将环境因素中的各个参数重新组合建立环境场2、环境场3……依次重复上述步骤3)、4)加载试验，直至完成碰撞试验。

故障监控

通过静态加载试验、动态加载试验、碰撞试验激发液压系统易损件发生故障，比如说常见故障：液压管涨破、接头处密封装置松动、液压缸密封圈故障、缸壁磨损、电磁阀阀芯断裂等；这些故障可以通过安装在三维振动平台上的CCD图像传感器进行实时监控，当吸油纸上有油斑出现时，CCD图像传感器就将这一信号传递给控制柜，控制柜第一时间停止液压系统工作，找到油斑上方所对应的液压元器件，确定其具体故障；同时还可以根据流量传感器、压力传感器、温度传感器，分别给他们设置一个阈值，当液压油达到某一阈值，系统就会报警提示，停机找出原因。

可靠性试验的结果分析

通过试验激发液压系统易损件(液压管涨破、接头处密封装置、液压缸密封圈故障、缸壁磨损、电磁阀阀芯断裂等)发生故障，得到如下结论：

(1)确定被试液压系统的平均故障间隔工作时间MTBF值；

(2)对故障进行分析，找出液压系统中的薄弱环节，为液压系统的设计提供整改意见，提高其可靠性水平；

(3)确定液压系统的正确使用技术规范，防止长时间超载超压工作对液压系统的破坏，为用户提供一个正确的液压系统使用说明书；

(4)为液压系统提供一个监测报警系统，在发生故障时第一时间关闭液压系统，防止油液的大量泄漏；

(5)为一些特定环境下的液压系统提供预警装置，当液压油的压力、流量、温度低于某一阈值、或者超过某一阈值时，液压系统自动停止工作，对液压系统进行故障诊断。

本发明主要通过模拟实际工况从而找出液压系统中的薄弱环节，通过电液伺服装置完成对液压系统的动态力、静态力的加载试验，以及碰撞试验，同时还可以通过温度传感器、流量传感器、压力传感器等实时对液压油进行监测，从而得到发生故障时的相应参数，对液压系统的设计有很大的帮助，对于提高液压系统的可靠性具有重要的作用。

Claims (9)

1.一种包含环境场的液压系统元器件可靠性试验装置，其特征在于：三维振动平台通过地脚螺栓固定在地面上，监控装置固定在三维振动平台上表面，支撑框架固定在三维振动平台的上表面，电液伺服装置、连接装置和液压缸组件通过底板实现对正之后将其固定在支撑框架上，三位四通电磁换向阀、温度传感器、流量传感器、压力传感器安装在支撑框架的上表面,液压缸组件和三位四通电磁换向阀通过连接油管连接，温湿度控制箱组件安装在三维振动台的上表面；

所述电液伺服装置由底座、位移传感器、电液伺服阀、弹性单元、电液伺服伸出杆、轮辐式力传感器、连接头组成，所述底座通过螺钉固定到底板上，所述电液伺服缸体通过螺钉固定到底座上，所述位移传感器固定到电液伺服液压缸后方，所述电液伺服阀安装在电液伺服缸体上方，所述弹性单元固定在电液伺服伸出杆中，所述轮辐式力传感器固定在电液伺服伸出杆上，所述连接头一端通过螺纹与轮辐式力传感器连接。

2.根据权利要求1所述的一种包含环境场的液压系统元器件可靠性试验装置，其特征在于：所述支撑框架为板类零件，支撑框架由四个立柱和一个钢板焊接而成，所述钢板上开4个等距的矩形通槽。

3.根据权利要求1所述的一种包含环境场的液压系统元器件可靠性试验装置，其特征在于：所述温湿度控制箱组件包含温湿度箱门、油管孔、温度控制器、湿度控制器、箱体，所述箱体为绝热类零件，正面有温湿度箱门，其侧面开两个油管孔用来穿液压管路，所述温度控制器和湿度控制器固定在温湿度控制箱组件后方的凸台上。

4.根据权利要求1所述的一种包含环境场的液压系统元器件可靠性试验装置，其特征在于：所述连接装置由销钉一、加载滑板、滑块、弹性阻尼单元组成，所述加载滑板通过螺栓与底板连接，所述滑块通过其上的T形凸台与加载滑板上的燕尾槽滑动连接，滑块通过销钉与所述连接头连接，所述弹性阻尼单元固定在滑块右侧。

5.根据权利要求1所述的一种包含环境场的液压系统元器件可靠性试验装置，其特征在于：所述液压缸组件由球头杆、压力传感器、液压杆、液压缸、销钉二、支撑板组成，所述球头杆通过销钉二与弹性阻尼单元连接，所述球头杆与压力传感器螺纹连接，所述压力传感器与液压杆螺纹连接，液压缸体连接在支撑板上方，所述支撑板固定在底板上。

6.根据权利要求4所述的一种包含环境场的液压系统元器件可靠性试验装置，其特征在于：所述滑块其形状像L形，所述滑块左侧为一个圆柱形凸台，并且在圆柱形凸台上开销孔实现与连接头的连接，所述滑块右侧开四个螺纹孔用于安装弹簧阻尼单元；所述加载滑板为板类零件，其上表面开一燕尾通槽，其上表面左前方做两个三角形凸台，用于限制滑块行程，所述的加载滑板上开四个螺纹孔用来与底板连接；

所述弹性阻尼单元由弹簧、接触块、套筒组成，所述弹簧套在接触块上，所述接触块套在套筒中二者属于间隙配合，所述接触块左侧为T型结构，用于安装弹簧及弹簧的固定，右侧为一个半球状结构，用于增加球头杆与接触块的接触面积，所述套筒左侧有一个方形的凸台，且在凸台上加工四个螺纹孔通过螺栓固定在滑块右侧，所述套筒左侧的内孔加工一个小的台阶，用于接触块的限位，所述套筒右侧的圆柱面上加工一个垂直向下的通孔用于和球头杆连接。

7.根据权利要求5所述的一种包含环境场的液压系统元器件可靠性试验装置，其特征在于：所述球头杆为杆类零件，所述球头杆前端开一销孔，从而实现与弹簧阻尼单元连接，所述球头杆后端加工成螺纹从而实现与压力传感器连接。

8.根据权利要求1所述的一种包含环境场的液压系统元器件可靠性试验装置，其特征在于：所述监控装置由减震弹簧、CCD图像传感器、吸油纸、磁铁组成，CCD图像传感器安装在减震弹簧上，该减震弹簧固定在三维振动平台上表面，所述吸油纸通过磁铁平铺固定在三维振动平台上，所述吸油纸为变色吸油纸。

9.一种包含环境场的液压系统元器件可靠性试验方法，其特征在于包括如下步骤：

一、建立实验对象液压系统实际工作中的载荷谱

(1)确定环境因素的参数

1)采集液压系统在正常工作的环境温度最小值T_min和最大T_max，从而按照比例将温度值划分为n个区间，分别为[T_min，T₁]、……[T_i，T_i+1]……[T_n-1，T_max]，每个温度区间对应的工作时间间隔为t₁、……t_i、……t_n，为了使液压系统处于持续工作的状态，对采集液压系统工作时间按照等比例放大，比例因子α，使得小时；

其中T_i为第i区间的温度值；

2)采集液压系统在正常工作环境下湿度最小值h_min和h_max，将空气湿度也按照一定的比例划分为m个子区间，分别为[h_min，h₁]、……[h_j，h_j+1]……[h_m-1，h_max]，每个湿度区间对应的工作时间间隔为t₁、……t_j、……t_m，，为了使液压系统处于持续工作的状态，对采集液压系统工作时间按照等比例放大，比例因子β，使得小时；

其中h_j为第j区间的湿度值；

3)采集实际工作过程中的振动参数：

液压系统在不同工况下，振动频率取值区间[f_min，f_max]，按照所采集数据分布情况将其分为L个子区间，各个子区间为[f_min，f₁]、……[f_k，f_k+1]……[f_L-1，f_max]，每个频率区间相对应的振动幅值为A₁、……A_K、……A_L，与之对应的工作持续时间t₁、……t_k、……t_L，为了使液压系统处于持续工作的状态，对采集液压系统工作时间按照等比例放大，比例因子γ，使得小时；

其中f_k为第k区间的振动频率值；

(2)确定液压系统工作载荷

1)采集液压系统在不同工况下的油液压力得到液压系统静态压力值最小值P_min和最大值P_max，分别记录一系列的压力值：P_min、P₁、P₂、……P_max；并记录各压力值所对应的N个持续工作时间值：为保证液压系统持续工作从而确定期寿命的加速试验，所以各时间间隔按照比例因子δ进行放大使得：小时；

2)采集液压系统在不同工况下的油液压力得到液压系统动态压力值基值：B_min、B₁、B₂、……B_max，幅值：C_min、C₁、C₂、……C_max，频率：在各种工作的条件下记录M个持续工作时间值：同样为保证液压系统持续工作从而确定期寿命的加速试验，所以各时间间隔按照比例因子ε进行放大使得：小时；

3)采集液压系统在发生碰撞过程中的油液压力值与被撞材料的弹性系数和阻尼系数，得到液压系统瞬时压力值：被撞材料的弹性系数K_min、K₁、K₂、……K_max，阻尼系数E_min、E₁、E₂、……E_max及在个压力条件下的碰撞次数D_min、D₁、D₂、……D_max和O个持续工作时间值同样为保证液压系统持续工作从而确定期寿命的加速试验，所以各时间间隔按照比例因子η进行放大使得：小时；

4)采集液压系统在不同工况下的油液流量，得到相应的流量值：Q_min、Q₁、Q₂、……Q_max，在各个流量条件下记录下Z个持续工作时间值同样为保证液压系统持续工作从而确定期寿命的加速试验，所以各时间间隔按照比例因子θ进行放大使得：小时；

5)采集液压油的种类G₁、……G_i、……G_x共x种，在试验过程中定期更换不同种类的液压油进行比较；

二、按照建立的载荷谱进行可靠性加载试验步骤如下

(1)静态加载

1)开启三维振动台、温湿度控制器建立环境场1

在温湿度控制器中输入环境温度范围值[T_min，T₁]、湿度范围值[h_min，h₁]并设置工作时间t₁，在三维振动台控制面板中输入振动频率[f_min，f₁]、振动幅值A₁及持续时间t₁；

2)安装试验装置

将液压缸组件中的液压缸替换成待试验液压缸，将电液伺服伸出杆与滑块左端面套筒通过销钉一连接到一起，再将滑块右侧的弹性阻尼单元与待试验液压杆前段的球头杆通过销钉二连接，所述滑块安装在加载滑板上方，二者通过滑块上的T形凸台与加载滑板上的燕尾槽配合，待试验液压缸体安装在底板的上方；

3)进行恒流量压力加载试验：

使待试验液压杆位置不动，具体加载过程通过电液伺服装置压力值从0→P_min持续时间为当压力值达到P_min以后持续试验时间之后压力值从P_min→P₁所用时间为当压力值达到P₁以后持续时间依次类推依次将压力值P₂、P₃、……P_max加载到待试验液压系统上；持续的时间分别为 且满足小时；

4)恒压力流量加载试验：

保持待试验液压缸工作压力恒定且压力值为P_min，使得电液伺服装置可以拖动待试验液压缸伸出杆做伸缩运动，调节电液伺服伸出杆的速度是待试验液压缸流量得到控制，从而使得流量值从0→Q_min变化时间为△t₁'，当流量达到Q_min以后是液压杆保持匀速的状态下持续伸缩，持续时间为θ*t₁'；之后流量值从Q_min→Q₁所用时间为△t'₂，当流量值达到Q₁以后持续时间θ*t'₂；依次类推依次将流量值Q₃、Q₄、……Q_max加载到待试验液压系统上；持续的时间分别为θ*t′₃、θ*t′₄……θ*t'_j……θ*t′_Z，且满足小时；

5)将环境因素中的各个参数重新组合确定环境场2、环境场3……依次重复上述步骤3)和4)，直至完成静态加载试验；

(2)动态加载

1)开启三维振动台、温湿度控制器建立环境场1

在温湿度控制器中输入环境温度范围值[T_min，T₁]、湿度范围值[h_min，h₁]并设置工作时间t₁，在三维振动台控制面板中输入振动频率[f_min，f₁]、振动幅值A₁及持续时间t₁；

2)安装试验装置，与静态加载过程相同；

3)进行恒流量压力加载试验

使电液伺服伸出杆与待试验液压缸的液压杆实现对托的运动完成动态加载过程，前提是保持待测液压系统流量恒定不变，设定电液伺服装置加载压力基值B_min、幅值C_min不变，调整频率f_i ^*的值，每一个频率值对应加载时间完成第一组试验；

保持连接装置不变，流量恒定不变，设定电液伺服装置加载压力幅值C_min、频率不变，调整基值B_j的值，每一个基值对应加载时间完成第二组试验；

采用同样的方法调整加载压力的幅值C_j完成第三组试验；

4)进行恒压力流量加载试验

让电液伺服伸出杆与待试验液压缸的液压杆实现对托的运动完成动态加载过程，前提是保持待测液压系统压力恒定不变，分别完成流量Q_min、Q₁、Q₂……Q_max的加载过程，在各个流量条件下持续工作时间为同样为保证液压系统持续工作从而确定期寿命的加速试验，所以各时间间隔按照比例因子θ进行放大使得：小时；

5)将环境因素中的各个参数重新组合建立环境场2、环境场3……依次重复上述步骤3)、4)两种加载试验，直至完成动态加载试验；

(3)模拟碰撞

1)开启三维振动台、温湿度控制器建立环境场1

2)在温湿度控制器中输入环境温度范围值[T_min，T₁]、湿度范围值[h_min，h₁]并设置工作时间t₁，在三维振动台控制面板中输入振动频率[f_min，f₁]、振动幅值A₁及持续时间t₁；

3)安装试验装置

将液压缸组件中的液压缸替换成待试验液压缸，将加载滑板固定在底板的上方，将滑块通过滑块上的T形凸台与加载滑板上的燕尾槽安装在加载底板上，将滑块紧靠在加载滑板上的凸台右侧，去掉销钉二，使球头杆与使弹性阻尼单元分离，且保证球头杆与弹性阻尼单元对正，检查连接在球头杆右侧的轮辐式压力传感器工作正常，为碰撞试验做准备；

4)进行恒流量压力加载试验

加载方式一，保持同一压力值多次碰撞试验：调节待试验液压缸以压力P₀，调整弹簧弹性系数K_min、阻尼系数E_min，设置具体的碰撞次数D_min，即液压杆以恒定压力向前运动持续时间到液压杆运动到弹性阻尼单元位置处与弹性单元发生碰撞，设置轮辐式压力传感器的值F_min，当压力为F_min时液压缸体内部压力刚好达到P_min，碰撞持续时间设置为△t，即完成碰撞后，液压杆保持压力P₀回程，之后进行第二次碰撞，依次类推完成D_min次碰撞试验；之后可以改变压力值P₁、P₂……P_max完成这一组试验，同时为保证液压系统持续工作从而确定期寿命的加速试验，所以各时间间隔按照比例因子η进行放大使得：小时；

加载方式二，在不同压力值下完成碰撞试验：

调节待试验液压缸以压力P₀₀，调整弹簧弹性系数K_min、阻尼系数E_min，控制液压杆恒压力向前运动时间为设置轮辐式压力传感器的值为F_min，当与弹簧阻尼发生第一次碰撞后，保持原来压力回程，回程时间t₁；设置轮辐式压力传感器的值为F₁，使得液压缸在碰撞过程中压力刚好达到P₁，液压杆在第二次伸出的过程中，经过短暂的时间t₀进行加压，使得压力值达到P₀₁，液压杆再经过时间向前运动，与弹簧阻尼发生第二次碰撞，依次类推，调节压力值P₂、P₃、……P_max，完成相应的试验，同时为保证液压系统持续工作从而确定期寿命的加速试验，所以各时间间隔按照比例因子η进行放大使得：小时；调整弹簧弹性系数K_min、K₁……阻尼系数E_min、E₁……重复上述两种加载方式；

5)进行恒压力流量加载试验，加载方式与步骤3)相同；

6)将环境因素中的各个参数重新组合建立环境场2、环境场3……依次重复上述步骤3)、4)加载试验，直至完成碰撞试验。