测试是液压的灵魂
Hydraulics Pneumatics &Seals/No.6.2010
测试是液压的灵魂
张海平
（上海
hpzhang856@https://www.wendangku.net/doc/b511373824.html, ）
The Soul of Hydraulic Component and System ：Test and Measurement
ZHANG
Hai-ping
（Shanghai ，hpzhang856@https://www.wendangku.net/doc/b511373824.html, ）
摘
要：本文通过分析论证和实例，指出要开发高水平的液压产品，只测绘仿造不行，光搞仿真更不行。呼吁重视测试在液压产品设计
制造中所起的不可替代作用，并对提高测试水平提出了一些建议。关键词：流体技术；测试；研发中图分类号：TP273
文献标识码：A
文章编号：1008-0813(2010)06-0001-05
Abstract:This paper ,through analysis and examples,points out that alone copy,alone digital simulation ,or both copy and digital simulation cannot develop hydraulics products with high levels and qualities ,appeals to regard the vital function of test and measure in development of hydraulic elements and systems.Key Words:fluid power ；test ；development
前言
“实践是检验真理的唯一标准”，体现在我们液压
技术领域中，可以说，测试是评判、改进液压元件性能的最终依据。尽管现在有数字仿真、有限元分析、流场分析(CFD)等等现代理论分析手段，但离开实际测试的评价和检验，就是纸上谈兵，就是空对空。测试是最重要的研发手段，是改进的开始和终结。要创新，离不开测试。所以，说“测试是液压的灵魂”一点也不过分。
这里所说的对液压元件和系统进行的测试，既包含了性能试验、耐压试验，也包含了寿命试验和环境试验等，既包含了在研发过程中的形式（型式）试验，也包含了批量生产时的出厂试验。
要提高中国液压产品的水平，光测绘仿造不行，光搞仿真更不行。
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测绘仿造应该继以测试评价再创新
现代液压技术经过五十多年的发展，已经相当成
熟，高端产品中科技含量很高。而目前中国很多液压产品离世界先进水平还有相当大的差距。要迅速赶上世界先进水平，开发新产品，在相应产品或技术没有专利保护的情况下，从测绘仿造开始，不失为一个有利的起点。国内现在很多厂家也都是这么做的。但测绘仿造仅仅是开发的起点而已，绝不应该是开发的终点。只测绘仿造而不测试，就如同没有灵魂，形似神不似，只能永远跟在别人后面走，永远停留在低水平，永远不可能创新，永远不会有自主知识产权。其理由如下。
1.1测绘仿造不可能与样品一模一样
搞机械的都知道，在图纸上加工尺寸要标注加工
允差，因为所有机械产品在制造时都会有偏差。那测绘仿造的产品怎么可能与样品一模一样呢？因此，对液压元件来说，测绘只能了解大致结构和尺寸。比如说，配合间隙的加工允差光靠测量两三件样品的几何尺寸是不能得到的。而众所周知，通过配合间隙的泄漏量也受到部件相对运动的速度的影响，在某些场合可以起阻尼作用，从而减少系统的振荡。配合间隙也会影响到稳态液动力和瞬态液动力。因此如果不能合理恰当地确定配合间隙的加工允差，就可能会对元件或系统的性能带来相当影响。要确定加工允差，除了根据经验，或理论分析外，最可靠的方法就是测试。制作不同配合间隙的样品，测试实际效果。
另外，材料成分、热处理、强度等也不那么容易通过测绘获得。即使知道了材料成分，国内也未必就能搞到同样的材料。即使搞到了同样的材料，未必能实现同样的热处理，达到同样的强度硬度和延伸率。而这些都对液压元件的耐压性及寿命起着至关重要的作用。国内产品与世界先进产品的差距大多都在这里。
还有加工工艺过程也无法通过测绘获知。这些都注定了测绘仿照品不可能与样品一模一样。
1.2测绘仿造不需要与样品一模一样
既然不可能一模一样，那么根据自己的材料及工
艺条件更改测绘尺寸是完全可以而且应该的。
因为，制造液压元件的根本目的是为了实现需要的控制功能和控制特性，所以，只要不是存心假冒，就不需要与样品一模一样。即使是为了与样品抢备件市
收稿日期：2010-03-02
作者简介：张海平（1947-），男，江西湖口人。
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液压气动与密封/2010年第6期
场，那也只要接口尺寸相同，其他尺寸不必完全相同。改动带来的影响就应该通过测试来确定。图1a是某世界知名大公司产品样本上提供的一个溢流阀的流量压力特性曲线，图1b是它的实测曲线。如果不去实测，你怎么知道你的比它好还是差？
(a)产品样本上的(b)实测的
图1一个溢流阀的流量压力特性曲线
在测绘过程中，也常会遇到一些奇特的结构和参数，其作用令人百思不解。产品说明书上没有介绍，你也无法找到原设计师去求教，甚至专利说明书上都对此缄口不言。这时，测试就是一个很有用的辅助手段。改变结构或参数，进行测试，比较结果，就能了解该结构参数的效果和影响。
1.3即便有了完整的图纸也应该进行测试
国内有个主机厂，数年前曾向国外一公司购买某规格工程机械的整套图纸，包括液压控制阀的图纸。生产几年后，打算制造大一号的主机。机械构件部分已可以自行设计。液压阀的图纸决定还是向原外国公司购买。那外国公司开价200万元。等付了款收到图纸后，打开一看，与原先购买的小一号的主机所使用的液压阀的图纸一模一样。与外国公司交涉，回答说，对啊，就是这个啊，这个阀流量大一些也可以用的啊。因为原先光按图制造阀，从未进行过性能测试，因此白花了200万。痛定思痛，该厂决定，今后，其他地方能省则省，搞试验台买测试设备要多少给多少。
有一德国公司，为中国多个重大工程项目提供关键配套件，基本上占垄断地位，供不应求。但该公司老板对笔者坦诚，该件不是自己研发的，而是根据几年前从另一公司买来的全套图纸制造的。因为没有走过弯路，因此不清楚，现在自己走的路是否就是最好的路。因为没有做过多变形多方面的测试，总觉得不踏实，所以现在决定进行再研发，对该元件及可能的改进做全面的审视。
1.4测绘仿造之后应该继以改进创新
测绘仿造是开发的第一步，更重要的是改进创新。德国人有时也搞测绘仿造，日本人更是如此。不同的是，他们不停留于测绘仿造，而是继续不断改进。
世界先进水平的产品也是在不断改进中的。凭什么说，我们拿来作为仿造对象的那个样品就是完美无缺，必须依样画葫芦，不能再改进逾越的呢？
专利保护所禁止的也只是一模一样的照抄。如果你能在它基础上有所改进，那就不但不受它限制，反过来还可以再申请专利保护。
而要改进，就需要测试比较，确定目前达到的水平、存在的问题，从而确定改进创新的方向。
1.5成功占领市场的产品都有很多变形
现代的液压产品大多被同时用于多个领域多个场合，因此对它的要求往往是多种多样的。要成功占领市场，产品就必须要有多种变形，以满足这些要求。
例如，普通电磁滑阀中阀芯阀体间的间隙。有的应用场合需要泄漏少些，间隙就必须做得小些。有的应用场合泄漏大些关系不大，但希望抗污染性强些，这间隙就要做得大些。不能分别满足这些要求，就不容易打开销路，占领市场。
复杂的高端产品更是如此。图2为国外某公司的某种比例节流阀可提供的各种变形。而除了产品样本所列出的标准变形外，再制造一些特殊的变形，满足顾客的特殊需要，从而占领市场，这在国外大公司是习以为常的。而要做到这样，就不能简单仿造，而是要动脑筋，想方设法，绞尽脑汁地去理解样品的工作原理。对此，测试是一个极有用的支持手段。
图2某种比例节流阀的输入信号-流量特性
迄今为止，所有好的液压产品，都是经过大量性能试验、寿命试验、耐压试验和环境试验做出来的。
不懂制造，固然造不出液压产品，但不搞测试，就肯定造不出好的液压产品。所以，要了解一个液压产品的水平，只要看它的生产厂有些什么试验台，进行些什么性能试验，出厂前又做哪些试验，就大致清楚了。
2仿真应该以测试为基础
随着数字计算机和信息技术的飞速发展，数字仿真技术获得了长足的发展，很多领域都在设法应用数字仿真：如气象预报、汽车碰撞、核试验等
。液压元件系
统的数字仿真也有很多应用，出了不少成果，可喜可
贺。
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这里说的液压元件系统的数字仿真是广义的，除了稳态特性动特性仿真外，也包含了对液压元件作强度有限元分析，或作元件内部的流场计算CFD。
对于动特性分析，过去用于伺服阀系统卓有成效的线性（频响）理论，用于常规液压元件时，由于系统中存在很多非线性，因此，就显得非常局限牵强。而使用数字仿真技术可以较好地描述这些非线性特性，为深入研究提供了一个有力的工具，打开了一个新天地。由于计算结果可以比较接近真实情况，就有可能进一步预测液压元件系统性能。但是必须看到仿真不可能完全“真”，与实测对比是万万少不了的。
2.1仿真不可能完全“真”
液压技术中还是有许多参数，只能近似，很难精确确定。例如，阀芯与阀体间的摩擦力，受阀芯阀孔间隙形位偏差的影响很大。阀芯与密封圈之间的摩擦力，受到安装间隙压力温度磨损状况的影响。大家都熟知的通过薄壁小孔的流量公式Q=αA（2Δp/ρ）1/2只适用于孔长孔径比小于1.5的场合，但这一条件在很多实际场合下都不能满足。通过细长孔的流量计算公式也只是在层流时有效。
液压介质的黏度随温度压力而变，这就影响到层流紊流的界限，从而影响到液阻的计算。
实际系统中，液动力的计算也远不是像教科书上的公式那么简单。滑阀的出流角就受到很多因素的影响，很难精确计算。比例阀的响应时间不仅受到阀芯质量弹簧力液动力的影响，还受到电磁力的影响。而比例电磁铁的电感及滞环非线性又相当复杂，且实际上随行程有所变化，不易表述。很多分布参数由于种种原因只能近似为集中参数处理。
诸如此类，都注定了液压元件的特性，即使用数字仿真，也只能得到近似的结果。这些，其实每个认真搞过数字仿真的人都心知肚明。
图1b为一个溢流阀实测的流量压力特性曲线，这对研究改进该元件的性能是最基本的，对分析系统的特性也很有价值。仿真研究那么多年，未见有谁能仿真出这样的曲线。
元件特性不能准确计算，系统特性又怎么可能精确得到呢？
2.2仿真结果必须与测试对照
但是，仿真仿真，就是要接近“真”。就是要和实际比较，证明是接近“真”的。因此，必须取一些工作点，把仿真结果与实测结果相对比，才能改进数学模型，确定数学模型的可信度。而只有从比较符合实际的数学模型出发，才能预测系统性能，寻找最优参数组合，才能作出一些对进一步研发有参考或指导意义的分析和结论，供实际调试参考，缩短试验时间。这才是仿真的最终目的。
所以仿真应该以测试为基础。建立在测试基础上的仿真才有意义，否则就是空中楼阁，甚至是故弄玄虚，自欺欺人。单造一二层楼，不造三楼，固然有点欠缺，但还不至于倒塌。但光造三层，不造一层，其后果不言自明。
当然，为了让学生了解液压系统中各部件对系统特性可能的影响作用，对液压系统建立仿真模型，利用计算机及仿真软件，计算系统的特性，纯粹作为教学工具，不和实际测试对比，也是可以的，但那不应该叫仿真。
液压元件的耐压可以利用有限元方法来分析，但至今也未见有谁能通过仿真研究液压元件的寿命，以及不同温度环境下的特性。所以，仿真不是万能的，测试是万万不可少的。
2.3IFAS是怎么做的
德国亚琛工大流体技术研究所IFAS（前身为巴克教授在1968年创建的IHP）[1，2]是世界上大学中规模最大的流体技术研究所。IFAS在三十多年前就在巴克教授的指导下开始了液压元件系统动特性数字仿真及仿真软件DSH的研究[3，4]，20世纪90年代又在此基础上构建了DSHplus，进行了商业化推广。目前IFAS已开发了多种仿真软件，多数硕士博士论文中都有仿真。但是IFAS的指导思想是，测量先于仿真，没有测试手段就不做仿真。在IFAS，每个博士生都有至少一个他专用的试验台。仿真结果不和测试结果对照，就不能成为一篇论文，即使是作为硕士论文也通不过。
举个例子。为了研究密封圈的受力发热情况，巴克教授在20世纪八九十年代连续安排两个博士生[5,6]，专门研制改进能测量密封圈密封部位的微型压力温度传感元件。直到研发出直径为0.05mm的温度传感元件和直径为0.2mm的压力传感元件（见图3），可以测出密封唇边局部在活塞杆运动时的压力温度变化（见图4）后，巴克教授说，可以了，现在可以搞密封圈仿真了。通过仿真结果与实测结果对比（见图5），仿真模型被不断改进。在接近真实的仿真模型的基础上，再进行分析研究，提出了新的密封圈形状，再仿真优化，然后交给工厂试制，果然取得了良好的效果。前后持续了十几年。
再比方说，通过取控制体，计算动量变化来推算作用在阀芯上的液动力的公式，在中国的20世纪70年代的大学液压教材上就有了，仿佛已经是天经地义的了，可以不加思索地接受了。但在IFAS，直到2004年前
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后，还安排几个硕士生，搭建测试装置，来实测作用在阀芯上的液动力，校验公式，分析其在系统中的作用。
IFAS 是如何重视测试的作用，由此也可见一斑。
图3测量孔用密封圈密封唇边处的压力传感元件[7]
图4一个密封圈密封处的压力温度分布
[7]
图5
一个密封圈密封处压力的测试和仿真对比[8]
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几点建议
鉴于测试在液压元件系统开发中的作用如此重
要，我们应当大大提高我们的测试能力。为此，笔者有如下建议。
3.1关于测试方法与标准
有人说，现在测试标准不全，因此无法进行测试。
对此，笔者有如下看法。
（1）标准是人制定的，完全可能有错。例如大家每
天都在用的液压气动图形符号的国际标准ISO1219，其
1991版和2006版都有错。德国的做法是，一成不变地转为德国工业标准DIN ，然后加脚注指正[9]。中国的做
法是把错误改掉作为国家标准，然后在前言中加以说明，做了哪些改动[10]。
（2）标准的制定审批手续繁复，从提出草案到最后通过，往往要好几年。再修改，至少是5年以后了。因此跟不上技术的发展是常有的事。固守标准很可能会阻碍技术的发展。
（3）因此，在德国乃至整个欧共体范围里，标准不等于法令，只要你能说明，你的方法比标准更好，就可以不执行该标准。例如，关于液压阀测试方法的
ISO6403-1988，很多欧美大公司都不执行。推出二十多
年都未修订，也说明该标准根本不受欢迎。
（4）在缺乏标准，或现有标准有缺陷，或很难执行时，可以参考已有的标准，拟定自己的测试方法。因为测试的终极目的不是为了执行某个标准，而是为了研发出更好的产品。
（5）在没有统一的测试方法时，不同的测试台得到的结果就不一定能相比，但我们可以做比较性试验。在同一个试验台上，使用同样的仪器、同样的试验方法和试验过程，对自己的产品和国际先进产品进行比较试验。仪表准确度也不必拘泥于ISO6403规定的A 级B 级或C 级，只要能测出差异即可。
（6）在德国有大量接近于标准的工程师协会准则
VDI-Richtlinie 。它的目的是为工程师提供帮助，可以执
行，也可以不执行。我们的行业协会或学会能否也组织力量，拟一些测试方法，以补充标准的不足？因为不是标准，因为仅供参考，所以不必经过繁复的审批过程。不必求完美无缺，但求覆盖面广。在杂志上开辟一个论坛。大家都可以对这些测试方法进行讨论补充，使之逐步完善。适当时候也可像德国工程师协会准则那样，上升为标准。
3.2
关于测试仪器
尽管液压元件种类极其繁多，但需要测试的物理
量种类却并不多，无非是压力、流量、温度、位移，要研发泵或马达的，再加上转速和扭矩。杂志能否开辟一个关于测试仪器的论坛，邀请这些仪器的生产厂和使用者来介绍使用须知、使用体会和遇到的问题。
几年前，笔者在建一个液压试验台时需要流量传感器。一是为了省钱，二是想支持国货，最初选了国内大量生产的椭圆齿轮流量计。不料响应时间甚长，
几十
秒乃至几分钟才出一个数据，
阀的流量压差特性曲线测试简直就没法做。后来，选用了上海某自动化仪表
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Hydraulics Pneumatics&Seals/No.6.2010
厂的涡轮流量计，响应是快些了，但在较小流量时会突然输出一个很大的不现实的值。问供货商，答曰，就是这样，改不了。最后不得已，通过敏泰公司买了德国产的涡轮流量计，十几毫秒出一个测量值，在极小流量时，准确度略低一些（2%～4%），但绝不会出那种不现实的值。之后才听到朋友介绍，上海某航天研究所生产的涡轮流量传感器可以满足要求。如果预先能学到同行的经验的话，就可以少走这样费钱费时的弯路了。
3.3给在校生的建议
学液压的，无论是本科生硕士生还是博士生，都要把培养测试能力放在学习仿真之前。除了学习基本的测试原理、测试仪器的使用外，还应该学习设计测试回路。特别重要的是，培养自己阅读测试曲线、分析测试结果的能力。要学会找出形成测试曲线形态的原因和影响因素。不知道原因的，如何通过改变测试回路、测试方法以及被测件（弹簧刚度、阀芯质量、阻尼等等）来寻找。通过测试，比较不同生产厂产品的性能差异，找出引起差异的原因，提出改进的措施，那就是一篇很有实际价值的论文。学校测试条件不足，可以到工厂去寻求支持。这也是一个很好的产学研切入点。
有位硕士研究生，写了一篇文章称，建立了挖掘机的数学模型，用AMESim进行了仿真，并得出结论：“可见，负载较大的时候，消耗的能量多；而负载小，消耗能量少。”这样的结论，学过了能量守恒定律，操作过几天挖掘机的工人都知道，用不着通过数字仿真来研究。如果这个“研究项目”还是靠国家博士点资金资助的话，那会贻笑大方的。
一定要牢牢地树立这么一个观念：解决一个实际问题，对一个实际液压元件或系统做出改进，哪怕是很小的，也比建立100个无用的数学模型强。
德国工业强大的原因之一，就是因为他们崇尚实际。在德国工业界广为流传着一句谚语：“什么是理论家？他什么都懂，就是解决不了问题。什么是实干家？他解决了问题，但不知道为什么。”这句话有些戏谑，但却是我们搞理论的时时刻刻要警惕的。
创新是靠实际干出来的，靠建立无用的数学模型是创不了新的。德国还有句人人知晓的谚语：“试验胜过啃书”，也值得我们借鉴。
学会测试远比学习仿真重要。学会测试，进入企业后容易上手，容易为企业带来实效。对企业有利，当然就会给你带来利益。脱离实际，只会玩数学公式而不懂测试，结果于人于己都不利。
4结束语
测试是液压技术的灵魂。要想制造出高水平的液压元件系统，就必须要有相应的测试设备和高水平的测试能力，进行大量的测试。舍此之外，别无他径。
参考文献
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[8]Institutsbroschuere_2006，IFAS，RWTH Aachen,2006.
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Schaltplane,1996(3).
[10]GB/T786.1-2009流体传动系统及元件图形符号和回路图
第1部分：用于常规用途和数据处理的图形符号[s].中国国家标准化管理委员会，2009.
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......................................................................................特种液压支架填补国内空白
北方重工工程机械公司日前成功研制出型号为ZZ9000特种液压支架，大大提高了液压支架撤出工作的安全性，降低了支架撤出成本，提高了回撤速度。
据了解，ZZ9000特种液压支架全称为“ZZ9000支撑掩护式特种自行液压支架”，是用于工作面支架撤出后的及时支护。该支架可降低成本，提高工作面回撤速度及安全状况。它的研发成功填补了国内煤矿开采工作面液压支架机械化支护的一项空白。
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