高清可复制 HB 8507-2014(2017) 液压脉冲试验台通用要求

　　ICS 49.080 V 38

　　HB 8507-2014

　　液压脉冲试验台通用要求

　　General requirement for hydraulic impulse test stand

　　2014-07-09 发布 2014-11-01 实施

　　中华人民共和国工业和信息化部 发 布

　　前 言

　　本标准依据 GB/T 1. 1-2009《标准化工作导则 第 1 部分：标准的结构和编写》进行起草。本标准由中国航空综合技术研究所归口。

　　本标准起草单位：西北工业大学、中国航空综合技术研究所负责起草。

　　本标准主要起草人：袁朝辉、王鸿辉、樊泽明、吴 娟、徐鹏国。

　　液压脉冲试验台通用要求

　　1 范围

　　本标准规定了液压脉冲试验台的关键部件组成、要求和操作方法。

　　本标准适用于液压软管组件、硬管、盘旋管、接头、作动筒、阀、压力容器及类似液压系统部件的标准液压脉冲试验台的研制。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件对于本标准是必不可少的。凡是注日期的引用文件， 仅注日期的版本适用于本标准。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本标准。

　　GJB 1177-1991 石油基航空液压油

　　SAE AS 1241 磷酸酯耐燃液压油

　　CCAR 25 运输类飞机适航标准

　　3 一般要求

　　3.1 功能和组成

　　3.1.1 概述

　　液压脉冲试验是用于验证液压附件在其总寿命范围内是否具有足够承受脉冲压力的能力的试验，目的是验证液压附件满足 CCAR 25. 1435 条规定的疲劳寿命要求，属于加速疲劳试验。液压脉冲试验台则是完成液压脉冲试验的标准试验设备。一般由液压系统、控制系统、仪表系统以及试验台外壳或环境箱组成。

　　3.1.2 液压系统

　　液压系统提供产生脉冲压力波形所需的功率，主要产生的压力脉冲波形包括正弦波、梯形波和水锤波，其组成一般包括液压油源、进回油路、蓄压器、伺服阀、电磁阀、增压器、试验件安装集成块(夹具)等，液压系统原理图见图 1。

　　3.1.3 控制系统

　　控制系统用于控制液压油源，产生所需波形的压力，确保压力处于试验大纲要求的波形内。控制系统包括试验控制器和伺服控制器。在物理结构上， 这两部分可集成在一起，也可分解成几个相互紧密联系的子功能系统。控制系统原理图见图 2。

　　3.1.4 测试系统

　　测试系统用于采集系统压力信号，通过转换后显示在试验台操作界面上，主要由压力变送器、线缆、信号调理器、放大器和滤波器以及显示仪表等组成， 其中的放大器和信号调理器也可集成在压力变送器中。当采用计算机进行数据采集时，A/D 模数转换器和相关的试验软件也是仪表系统的一部分。

　　图 1 液压原理图

　　图 2 控制系统原理图

　　3.1.5 试验台外壳或环境箱

　　试验台外壳一方面应提供安全保护功能，另一方面在需要时也可作为环境温度箱，为试件提供规定的试验温度。

　　3.2 液压系统规格

　　液压系统的规格应满足被试对象的额定工作压力和流量的需求。

　　3.3 系统压力

　　脉冲试验台液压泵的输出压力通常为 14MPa～35MPa 之间的一个恒定压力，该压力的波动范围不应超过±1.4MPa。存在较大的压力脉动时，可通过选择合适的蓄压器吸收脉动，蓄压器规格的确定见4.1.2。

　　当被试对象的额定工作压力范围较宽时，可采用压力调节装置或采用增压器满足不同额定工作压力试件的需求，以提高试验台的通用性。

　　若试件额定工作压力大于液压泵输出压力时，可采用相应比例的增压器进行增压，以满足所需的高压压力脉冲要求，试验台高压段所选元件应能够承受相应的高压压力。

　　3.4 工作介质

　　试验用工作介质要求如下：

　　a) 系统工作介质应与被试件使用的介质兼容;

　　b) 对于高温脉冲试验，应使用高闪点的液压油;

　　c) 对于较低温度的试验，可使用满足 GJB 1177-1991 的石油基航空液压油;

　　d) 而带有 O 型圈的民用航空用液压附件的脉冲试验，则应使用满足 SAE AS 1241 磷酸酯耐燃液压油;

　　e) 若液压油源不能使用试件使用的液压油时，应使用隔离装置予以隔离。

　　3.5 液压油源

　　液压油源，通常又称为液压泵站，用于向试验系统提供所需的压力和流量的油液。油源应具有油滤、冷却器、高温和低油位保护装置、过流保护装置以及安全阀。

　　3.6 油液的隔离

　　被试件应使用规定的油液。对于被试对象采用的油液与液压油源的油液不相同时，应采取隔离措施。如果系统中有增压器，增压器可作为隔离装置，油源到增压器低压端为液压油源的工作介质，而增压器高压端为被试件所用工作介质。没有增压器时，可使用面积比为 1: 1 的活塞式蓄压器实现隔离功能。

　　对使用发动机燃油或可替代油品(干洗溶剂油)的元件的液压脉冲试验，其脉冲装置也应使用油液隔离措施。

　　3.7 波形控制

　　一般通过电磁阀的打开或关闭来产生预定的水锤波形，同时还可通过对油液流量的控制来调整波形参数，使波形满足规定的要求。

　　对于正弦波或梯形波，可控制伺服阀，通过闭环控制，使伺服阀开口根据预定的输出压力与实际输出压力的差值精确控制和变化。

　　4 详细要求

　　4.1 液压系统

　　4.1.1 液压管路

　　液压管路尺寸应满足规定的试验压力和流量的要求，减小伺服阀与被试件之间管路尺寸可以降低整个系统对油源流量的要求。加大管路直径也可降低管路的压降。设计中， 高压供油管路的最高流速一般

　　不应超过 9m/s，回油管路流速不超过 3m/s。当通往试件的管路及阀块开孔尺寸变小时，应计算该处压降的大小。

　　4.1.2 蓄压器

　　液压系统高压油路中，应采用蓄压器补充压力脉冲所需的瞬时流量，回油管路中可采用蓄压器吸收系统压力脉动。高压油路的蓄压器应该安装一个截止阀，在紧急情况下，它应与伺服阀隔离，并将压力油逐步释放到油箱。系统中所有的蓄压器都应具有与油箱连接的管路， 在系统关闭后，应将蓄压器内的压力释放。对于增压器的中腔蓄压器应具备快速的卸压特性，以防止空气进入被试件。

　　4.1.3 伺服阀

　　伺服阀应满足试验所需的峰值流量的要求。近似的峰值流量可用公式(1)计算：

　　Q

　　式中：

　　Q ——峰值流量，单位为升每分钟(L/min);

　　ΔP ——压力变化量，单位为兆帕(MPa);

　　ΔT ——ΔP 压力变化量对应的时间，单位为秒(s);

　　Vt ——对应区间的容腔体积，单位为立方米(m3);

　　βe ——对应区间油液的有效体积模量，计算有效体积模量可按以下公式(2)。

　　式中：

　　βf ——油液体积弹性模量，单位为兆帕(MPa);

　　βg ——油液中夹带空气相对于空气的体积弹性模量，单位为兆帕(MPa);

　　βc ——附件(软管、硬管等)的体积弹性模量，单位为兆帕(MPa);

　　Vt ——系统的总容积，单位为立方米(m3);

　　Vg ——系统中气体的体积，单位为立方米(m3);

　　Vc ——所有液压附件的容积，单位为立方米(m3)。

　　4.1.4 增压器

　　当输出压力能够满足被试件的试验所需压力时，宜采用伺服阀直接控制方式，而不采用增压器，以提高系统精度和降低系统的复杂性。

　　当输出压力不能达到被试件试验压力时，可使用增压器进行增压。确定增压器规格时需同时考虑试验压力和流量的要求;决定油源压力大小时，应考虑蓄压器引起的压降、管路损失、伺服阀压降、增压器中腔的反压以及内部泄漏等。

　　4.1.5 泄漏抑制

　　系统设计应将试验用油液的泄漏量降到最低。油源应具有“油箱低油位保护”功能，试验控制器也应具有检测峰值压力下降的超差检测功能。

　　除了采用故障保护模式外，还应安装两个保护罩，一个用于保护被试件，另一个用于保护试验装置，当试验系统发生泄漏时，保护罩可用于收集泄漏的油液。保护油盘安装在油源的底部和液压系统其他部分的底部。试验台外壳和温度箱可用作第二级保护装置。

　　4.2 被试系统

　　4.2.1 被试件阀块

　　被试件阀块一般应直接安装在增压器高压输出油口上，可使油液的体积和密封连接的数量降低到最小，减小油液体积可以降低对油源功率的要求，高压段较少的管路连接可减少长时间工作情况下的连接故障。集成阀块还可减小油路的总体积， 同时需保证足够的开口尺寸以减小对试件流阻的限制，油口流阻过大会引起峰值波形畸变。

　　4.2.2 被试件

　　被试件的安装应使系统油液中含有的空气从被试件末端排出，并采用合适的试件末端接头，使系统能够快速排气。盘旋管和弯曲软管试件要应在其自由端有支撑措施， 该支撑件不应给被试件带来不当的应力，盘旋管紧固件也应具有足够的刚度，以防止在被试件引起过大的应力。

　　4.2.3 阀块接口结构

　　整个系统的集成阀块可根据不同试件连接形式和耐用时间，分为端面密封、金属-金属连接、环形锁紧套、螺纹口。

　　4.3 试验台外壳及温度箱

　　应为试验台设计一个外壳，它可在系统故障时能安全地包围住可能发生的管接头爆裂而引起的油液喷溅，也可以利用环境温度箱提供安全保护功能，另外还能提供高温和低温的试验环境。高温试验箱应能在出现故障事件时，提供抽出烟雾和水蒸气的手段，并当故障保护系统被油液泄漏触发时，能将环境箱内的温度降至常温并启动排气系统，排到大气中的废气应该经过过滤器以消除污染。

　　4.4 测试和控制系统

　　4.4.1 总则

　　测试系统及控制系统的总体结构框图见图 3。系统使用了两个压力传感器对试件压力进行测量， 虽然工作时仅要求一个压力传感器，但使用两个压力传感器时，可通过两个压力传感器的数据对比，去掉无效的脉冲循环。压力传感器可以将激励和放大器等部件集成在内部，也可使用分散并互连的功能部件。

　　在图 3 的布局中，包括有数据采集、用户接口、试验控制、试验配置管理、油源控制和伺服阀控制等功能模块。在该布局中， 功能实体是以独立的方块和一些相互连接的方块组一起给出，在实际中，这些功能实体可以是分开的，也可集成到一个系统中去。这个系统可能完全由模拟电子电路构成， 或由与模拟电路功能相同的附带软件的数字电路组成。

　　4.4.2 伺服控制器

　　4.4.2.1 总体设计

　　对于压力控制，一般采用比例控制的伺服阀控制器，也可采用误差积分、超前-滞后或其他补偿等控制方法。系统也可使用计算机平台及软件作为控制器， 这样系统的开放性、可扩展性将得到进一步的提高。目前的液压脉冲试验台多采用此方式，同时将试验控制器集成在一起。

　　4.4.2.2 带宽

　　伺服控制器应有足够的带宽来实现和控制脉冲试验所要求的上升速率和频率。非实时操作系统有大于 10ms 的间歇性停顿，会引起瞬间的压力失控，从而触发故障保护电路或损坏试件。因此模拟控制器或数字控制器最小带宽一般为 1000Hz，以保证响应输出达到 500Hz 且相对平稳，同时确保控制器引起的闭环控制相位滞后不应超过 1ms。

　　图 3 测试系统及控制系统原理图

　　4.4.2.3 控制器可调节参数

　　控制器应有至少三个可调节参数：幅度、设定点和增益。幅度用于调节输入控制指令的幅值， 设定点决定了控制指令的零偏，而增益则指比例系数的设定值。

　　另外还有一个独立的调节参数，称为阀平衡，通过调节该参数使设定点与实际的压力反馈信号基本一致。

　　4.4.2.4 高级控制策略

　　一般不采用高级控制策略，在特殊的条件下，使用高级控制策略有很多优点。例如， 在油液和被试件的温度变化显著且无人看管的试验场合，可使用误差积分、自适应控制或变增益控制等控制策略。

　　4.4.2.5 故障保护

　　控制器应具有故障保护功能，以防在出现故障时保护试验设备和操作人员。主要故障保护功能包括油箱低油位保护、系统超压保护、泄漏保护等。

　　试验过程中，如果系统自动地对波形参数进行判定，以确保波形处于允许区域内时，系统应设计成只对正确的波形周期进行计数，当任何一个参数超差时，系统应自动停止。设置的允许误差区域应小于规定的范围，相对于测量的不确定性，应能保证试验能满足规范的要求。

　　4.4.3 压力传感器、放大器及激励

　　4.4.3.1 一般要求

　　试验过程中，系统应配备两个压力传感器，以便能对测量结果进行对比。通过人工或计算机自动地对变送器测量结果进行比较以提高测量结果的准确性。

　　4.4.3.2 带有放大器和激励的压力变送器

　　放大器与传感器集成在一起，可使变送器具有更长的疲劳寿命;电子模块集成在压力变送器内，可降低其引起的共模干扰信号的敏感度。

　　带放大器等电子模块的变送器，通常其精度要远低于带高质量仪表放大器和信号调理器的分立变送器;带放大器和滤波器的变送器，其滤波器通常是不能调节的。

　　在试验过程中，变送器常承受过度的振动，应对传感器的振动等级进行评估。

　　4.4.3.3 外部传感器激励

　　不带集成放大器同时能对静态压力进行测量的压力传感器，应通过输入一个外部电压来建立测量过程，这类压力传感器一般采用惠斯顿电桥应变片结构，这种“电桥”类传感器应具有可调的、高精度的激励电压。

　　4.4.3.4 外部传感器放大器

　　传感器外置放大器应具有较高的稳定性和精度，具有差分高阻抗输入和较好的共模抑制比，低噪声和较高的增益精度和稳定性。应定期地对影响传感器精度的参数进行标定， 以保证传感器在有效使用期内。

　　4.4.4 A/D 转换

　　数字伺服控制器中，应使用 A/D 模数转换器把模拟压力信号转换成数字形式，A/D 转换器应具备抗混叠滤波器。

　　4.4.5 计算机控制程序

　　使用模拟控制器和任意波形发生器时，可以不使用计算机而能产生压力波形信号。但是， 为液压脉冲标准试验而设计的计算机程序应能提供试验控制功能，这种具备保护限制和运行冗余的试验控制功能可使试验在无人控制时自动运行。如果计算机程序功能包括闭环控制功能，应具有“实时操作系统 ”，以保证液压脉冲压力试验的响应时间。

　　4.5 标定

　　如果试验是为了对硬管、接头和软管提供合格证书，则测试系统需按照国家或国际标准进行标定。另外，还应对标定过程进行记录，其中标定方法应提供置信因子以确保标定数据能满足规定的要求。

　　4.6 允许误差带的不确定度和精度

　　不确定度区间应处于标准规定范围之内，以确保产生的压力波形形状满足相关标准的要求。影响测量值精度的其他因素还包括放大器增益稳定性、噪声、数据采集速率和标定精度等。不确定度还应包括通道标定的精度。

　　下面给出了数据通道元件的典型精度，这些精度都是按误差相对于满量程的百分比(相对误差)来进行表示的：

　　a) 传感器：0.5%;

　　b) 信号调理器：0.05%;

　　c) 放大器：0.05%;

　　d) 采集速率引起的误差：0. 1%;

　　e) 并联标定电阻：0. 1%;

　　f) 标定过程：0. 1%;

　　g) 零位处的不确定性：0. 1%;

　　h) 噪声：0. 1%;

　　i) 漂移(温度)：0.02%。

　　则系统的精度可用以上因素精度的平方求和开方后得到，如公式(3)所示：

　　不确定度=· E感器+E大器+EDC+E定过程+E声+…+E移 ……………………(3)

　　5 操作程序

　　5.1 液压系统设置

　　液压系统设置程序如下：

　　a) 试验前的准备，如加油、污染度检查等;

　　b) 依据试验要求决定试验压力和波形;

　　c) 选择直接伺服控制方式或增压比;

　　d) 依据油液、温度、弹性模量和体积决定系统负载;

　　e) 选择伺服阀流量规格和压力级别;

　　f) 设置泵和减压阀输出压力，使其相对于峰值压力有一定余量;

　　g) 如果需要时，设置背压;

　　h) 设置所有蓄压器的气体预充量;

　　i) 安装试件并排除系统中的空气;

　　j) 减震措施以及噪声防护。

　　5.2 标定

　　所有测试仪器应按规定的方法进行标定，标定前应确定试件的最大容许压力。

　　5.3 波形设置

　　波形设置程序如下：

　　a) 为压力波形设置压力参数;

　　b) 设置压力波形频率;

　　c) 设置目标压力。

　　5.4 故障保护设置

　　故障保护设置程序如下：

　　a) 设置故障保护压力使其低于最大允许压力;

　　b) 激活故障保护系统。

　　5.5 控制器设置

　　控制器设置程序如下：

　　a) 伺服阀电流归零;

　　b) 输入指令输入幅度归零;

　　c) 零位归零;

　　d) 按试验条件将初始增益设置为合理值。

　　5.6 系统加压和检查

　　系统加压和检查程序如下：

　　a) 启动泵电机;

　　b) 关闭泵的旁路并建立压力;

　　c) 在低压力状态下，确保两个传感器的测量值一致;

　　d) 使用设置点，升高静态压力来验证量程设置和操作;

　　e) 在高压状态下，确保两个传感器的测量值一致。

　　5.7 运行试验

　　运行试验程序如下：

　　a) 开启指令信号;

　　b) 调整波形到名义波形设置;

　　c) 调整增益设置达到要求的峰值;

　　d) 如果通过调节增压达不到期望压力，提高指令信号。

　　附 录 A

　　(资料性附录)

　　液压脉冲试验台操作注意事项

　　A.1 注意事项

　　液压脉冲试验台使用时应注意以下事项：

　　a) 错误的标定可使试件压力低于或者高于设定值;

　　b) 传感器漂移可使试件压力低于或者高于设定值;

　　c) 当油液被加热时，体积模量变低导致峰值变低;

　　d) 初始循环使系统中融入空气，提高了体积弹性模量;

　　e) 融入的空气使得升率和压力峰值变小;

　　f) 泵出口和减压阀之间不恰当的压力差引起压力的波动;

　　g) 错误的蓄压器预充压导致泵冲击或者波形变平坦;

　　h) 错误的回油蓄压器或中腔蓄压器导致液压水锤波波形不满足规定的要求;

　　i) 不合规格的伺服阀导致升率和压力峰值的降低;

　　j) 过大的伺服阀产生不规则的波形;

　　k) 伺服阀使用时间过长会在常压下有静态的或者动态的振动或者阶跃;

　　l) 增压器接近筒末端使波形变平;

　　m) 密封不好的增压器使波形上部平坦;

　　n) 如果增压器带有旧的密封圈则要求额外的中间压力;

　　o) 太小的控制器增益导致漂移;

　　p) 太大的控制器增益导致不稳定的峰值或者意外的波形摆动;

　　q) 太严格的故障保护参数引起频繁的停止;

　　r) 太宽松的故障保护参数可使试件处于不正确的试验状态。