船用低速大扭矩液壓馬達(dá)維修測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

, , , (燕山大學(xué) 河北省重型機(jī)械流體動(dòng)力傳輸與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河北 秦皇島 066004;先進(jìn)鍛壓成形技術(shù)與科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(燕山大學(xué))， 河北 秦皇島 066004)

引言

船舶甲板機(jī)械使用液壓傳動(dòng)已有近百年的歷史。隨著液壓技術(shù)的發(fā)展，液壓傳動(dòng)被進(jìn)一步應(yīng)用于船舶裝備的其他方面。一旦這些液壓傳動(dòng)裝置出現(xiàn)故障，將嚴(yán)重影響船舶運(yùn)輸生產(chǎn)，增加船舶運(yùn)輸公司的營運(yùn)成本。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，船舶液壓系統(tǒng)的故障，近30%是由于液壓馬達(dá)的故障導(dǎo)致的[1]。所以，液壓馬達(dá)的維修以及維修質(zhì)量的檢測(cè)，對(duì)船運(yùn)公司具有重大意義。對(duì)于一些船用液壓馬達(dá)維修企業(yè)，通常需要維修的船用液壓馬達(dá)的種類型號(hào)各異， 且不需要進(jìn)行全面的性能測(cè)試。 而常規(guī)馬達(dá)試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試種類型號(hào)單一，已不能滿足大型船舶維修企業(yè)的使用要求。因此，研制出一種用于船用液壓馬達(dá)維修檢測(cè)的試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)馬達(dá)維修企業(yè)具有重要的意義。

本研究針對(duì)某公司船舶修理需要，提出了一種適用于多型號(hào)、多種類的船用液壓馬達(dá)維修測(cè)試系統(tǒng)。根據(jù)馬達(dá)維修實(shí)際情況，選定馬達(dá)的扭矩和容積效率兩個(gè)主要參數(shù)對(duì)維修后馬達(dá)質(zhì)量進(jìn)行判斷。測(cè)試系統(tǒng)主要完成壓力、流量、溫度、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等一些隨時(shí)間連續(xù)變化的物理量的測(cè)量，并計(jì)算馬達(dá)的容積效率。

1 液壓馬達(dá)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

船用馬達(dá)維修測(cè)試系統(tǒng)由液壓動(dòng)力系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、過濾溫控系統(tǒng)、試驗(yàn)控制臺(tái)、馬達(dá)試驗(yàn)臺(tái)架、漏油回收系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)等部分構(gòu)成。

1.1 試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)原理

系統(tǒng)液壓原理如圖1所示。液壓系統(tǒng)采用閉式結(jié)構(gòu)，通過單向泵、換向閥組合實(shí)現(xiàn)待測(cè)馬達(dá)正反向運(yùn)轉(zhuǎn)?；芈分鲃?dòng)力源由2個(gè)定量泵和1個(gè)變量泵組成，通過不同泵的組合使用可得到不同排量范圍，便于實(shí)現(xiàn)容積調(diào)速。根據(jù)負(fù)載決定壓力原理，通過改變外負(fù)載(扭矩)調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力。

1.2 加載系統(tǒng)

船用液壓馬達(dá)具有輸出轉(zhuǎn)矩范圍寬、馬達(dá)種類多、形式各異的特點(diǎn)，這就對(duì)馬達(dá)負(fù)載的通用性以及提供轉(zhuǎn)矩的能力提出了一定的要求。目前國內(nèi)對(duì)于液壓馬達(dá)測(cè)試的加載裝置，常用液壓泵、磁粉制動(dòng)器等，但所提供的扭矩加載量最多只能達(dá)到20 kN·m，船用液壓馬達(dá)扭矩最大達(dá)到50 kN·m，因此，這些方案無法滿足對(duì)船用液壓馬達(dá)的加載要求。為了提供更大扭矩的測(cè)量，國內(nèi)通常采用同類型的馬達(dá)作為加載對(duì)象，這種方案不符合多類型馬達(dá)維修檢測(cè)的要求。根據(jù)以上加載方案分析，本試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)了一種可調(diào)負(fù)載的大扭矩加載裝置。該裝置由電渦流測(cè)功機(jī)、齒輪變速器構(gòu)成，可以實(shí)現(xiàn)最大扭矩為50 kN·m，最大轉(zhuǎn)速為1500 r/min的測(cè)量。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.加熱器 2.液位液溫計(jì) 3.電接點(diǎn)液位計(jì) 4.空氣濾清器 5.油箱 6、21.溢流閥 7.輔泵 8、10、13、15、19、20.單向閥 9、18.過濾器 11.截止閥 12.主泵 14.手動(dòng)泵 16、25.安全閥 17.板式冷卻器 22.換向閥組 23.壓力、溫度傳感器 24.補(bǔ)油橋式回路 26.待測(cè)馬達(dá) 27.電磁換向閥 28.流量傳感器 29.量杯 30.蓄能器及安全閥組

圖2船用液壓馬達(dá)測(cè)試系統(tǒng)加載結(jié)構(gòu)

1.3 性能指標(biāo)的測(cè)試及計(jì)算

測(cè)試系統(tǒng)采用壓力、流量、扭矩等多種傳感器對(duì)維修后液壓馬達(dá)進(jìn)行測(cè)量，并通過轉(zhuǎn)速、泄漏流量等數(shù)據(jù)，計(jì)算馬達(dá)容積效率。使用馬達(dá)輸出扭矩及容積效率兩個(gè)主要參數(shù)對(duì)維修質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。

主油路進(jìn)出油口分別設(shè)置了壓力和溫度傳感器，便于實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)溫度、壓力數(shù)據(jù)的采集。待測(cè)馬達(dá)的泄漏油口處設(shè)置有流量傳感器及量杯，并可通過電磁換向閥進(jìn)行切換，以適應(yīng)不同流量測(cè)量要求。通過馬達(dá)泄漏流量結(jié)合轉(zhuǎn)速、排量，可計(jì)算出馬達(dá)的容積效率。計(jì)算公式如下:

式中，n—— 待測(cè)馬達(dá)轉(zhuǎn)速，r/min

V—— 待測(cè)馬達(dá)排量，mL/r

Q泄漏—— 泄漏流量，mL/min

2 液壓馬達(dá)維修測(cè)試系統(tǒng)性能參數(shù)及設(shè)計(jì)特點(diǎn)

2.1 主要性能參數(shù)

電動(dòng)機(jī)功率：350 kW

電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速：1500 r/min

壓力調(diào)節(jié)范圍：0～32 MPa

允許流量測(cè)試范圍：0～500 L/min

油箱容積：3000 L

齒輪箱傳動(dòng)比：1∶5/1∶25

測(cè)功機(jī)功率范圍：0～350 kW

2.2 試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

1) 閉式回路與多泵組合

試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)主油路采用閉式結(jié)構(gòu)，容積式調(diào)速，閉式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、所需油箱體積小，提高了馬達(dá)測(cè)試系統(tǒng)布局的靈活性。

由于船用馬達(dá)形式結(jié)構(gòu)各異，對(duì)流量的要求也不盡相同。試驗(yàn)臺(tái)調(diào)速系統(tǒng)采用多泵合流的形式，主泵由2臺(tái)定量泵和1臺(tái)變量泵組成，通過不同泵的組合可以滿足0～500 L/min流量無級(jí)調(diào)速要求。實(shí)驗(yàn)時(shí)，可根據(jù)被測(cè)馬達(dá)排量及額定轉(zhuǎn)速等情況，靈活選取泵的組合形式，從而降低能耗。

閉式回路采用多泵組合的供油方式，考慮具體實(shí)現(xiàn)形式及制造成本，系統(tǒng)采用單向泵結(jié)合換向閥組的供油形式。換向閥組采用插裝閥，通流能力強(qiáng)，且便于實(shí)現(xiàn)多種中位機(jī)能。

2) 補(bǔ)油系統(tǒng)與強(qiáng)制冷卻

閉式回路具有能耗低、結(jié)構(gòu)緊湊并易于實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速的特點(diǎn)[2]，但閉式回路在設(shè)計(jì)和使用時(shí)需注意吸空現(xiàn)象的發(fā)生。補(bǔ)油系統(tǒng)由被測(cè)馬達(dá)兩側(cè)管路補(bǔ)油部分(見圖1，元件6～9、24)和主泵吸油側(cè)補(bǔ)油部分(見圖1元件6～10)組成，另考慮預(yù)防主泵吸空增加補(bǔ)油單向閥20。

補(bǔ)油系統(tǒng)的作用是不斷地向回路低壓側(cè)補(bǔ)入油液，以補(bǔ)充系統(tǒng)泄漏。其中，補(bǔ)油流量按最大流量的5%選取。系統(tǒng)進(jìn)回路之間連接有由單向閥組成的橋式回路(見圖1組件24)：左半橋?qū)⒌蛪河脱a(bǔ)入系統(tǒng)回油管路；右半橋引出系統(tǒng)高壓，經(jīng)安全閥25接回油管路，起到過載保護(hù)作用。

強(qiáng)制冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1元件19～21。這部分是針對(duì)補(bǔ)油系統(tǒng)提出來的。一般情況下，補(bǔ)油系統(tǒng)補(bǔ)入的流量多于泄漏流量。在未設(shè)置強(qiáng)制冷卻溢流閥時(shí)，補(bǔ)油回路通過溢流閥6將多余流量流回油箱，形成溢流損失，加劇系統(tǒng)生熱。強(qiáng)制冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)旨在改善這一狀況。

強(qiáng)制冷卻系統(tǒng)在低壓管路與泵之間設(shè)置溢流閥21，其調(diào)定壓力略低于補(bǔ)油壓力(溢流閥6調(diào)定壓力)。當(dāng)系統(tǒng)主回路油液充足時(shí)，強(qiáng)制冷卻系統(tǒng)將系統(tǒng)回油部分流量通過溢流閥21流回油箱；當(dāng)系統(tǒng)流量不足時(shí)，溢流閥21關(guān)閉，系統(tǒng)接受全部補(bǔ)充油液。如此，保障系統(tǒng)不吸空的前提下，強(qiáng)迫閉式回路與油箱發(fā)生油液交換，從而提高系統(tǒng)的散熱能力。在回油管上特別設(shè)計(jì)有單向閥19，其目的是防止補(bǔ)入油液直接從吸油管道經(jīng)溢流閥21流回油箱。

補(bǔ)油系統(tǒng)與強(qiáng)制冷卻系統(tǒng)相互配合，共同構(gòu)成主系統(tǒng)的輔助回路，能夠有效防止系統(tǒng)吸空，并改善系統(tǒng)散熱效果。

3) 負(fù)載匹配過程

由于所測(cè)馬達(dá)的扭矩、轉(zhuǎn)速測(cè)量范圍大，采用一般的加載裝置無法實(shí)現(xiàn)，因此本實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用350 kW電渦流測(cè)功機(jī)進(jìn)行加載。

電渦流測(cè)功機(jī)功率吸收曲線如圖3所示。電渦流測(cè)功機(jī)最大扭矩達(dá)到2000 N·m，此時(shí)轉(zhuǎn)速在1800～2000 r/min，轉(zhuǎn)速高于2000 r/min時(shí)，保持功率恒定，扭矩降低；轉(zhuǎn)速低于1800 r/min時(shí)，功率降低，扭矩降低。電渦流測(cè)功機(jī)能夠?qū)β饰涨€之內(nèi)的輸出扭矩和轉(zhuǎn)速進(jìn)行加載測(cè)量。

圖3 電渦流測(cè)功功率吸收曲線

根據(jù)電渦流測(cè)功機(jī)的加載特性，需要將被測(cè)馬達(dá)的輸出扭矩和轉(zhuǎn)速進(jìn)行變換，常用的船用液壓馬達(dá)扭矩大而轉(zhuǎn)速低，故而將馬達(dá)通過增速箱進(jìn)行增速，同時(shí)降低輸出扭矩，使得轉(zhuǎn)換結(jié)果符合電渦流制動(dòng)器的測(cè)量范圍。常用的增速箱輸出速度小于3000 r/min，結(jié)合扭矩傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器和被測(cè)馬達(dá)的參數(shù)，選定增速比為1∶5和1∶25，幾種具有代表性的馬達(dá)轉(zhuǎn)換結(jié)果，如表1所示。

表1 常用馬達(dá)轉(zhuǎn)換結(jié)果

4) 通用工裝設(shè)計(jì)

船用液壓馬達(dá)測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)涉及的馬達(dá)種類多，結(jié)構(gòu)尺寸和性能參數(shù)變化范圍大，馬達(dá)最大額定扭矩達(dá)45000 N·m ，最小的額定轉(zhuǎn)矩僅有434 N·m，對(duì)應(yīng)的馬達(dá)徑向尺寸分別為1075 mm和207 mm，因此設(shè)計(jì)通用性強(qiáng)、安裝簡(jiǎn)便的機(jī)械工裝結(jié)構(gòu)對(duì)測(cè)試系統(tǒng)正常運(yùn)行是非常必要的。

船用液壓馬達(dá)多使用法蘭或螺釘連接，考慮安裝結(jié)構(gòu)的通用性和強(qiáng)度要求，設(shè)計(jì)安裝結(jié)構(gòu)如圖4所示，結(jié)構(gòu)組成主要包括底板、T形架、配合板和聯(lián)軸器四部分，其中配合板和聯(lián)軸器根據(jù)不同馬達(dá)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)換。

圖4 馬達(dá)工裝臺(tái)結(jié)構(gòu)

利用有限元分析軟件對(duì)設(shè)計(jì)的安裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析，設(shè)定材料的性能參數(shù)，按照液壓馬達(dá)的實(shí)際工況要求，施加相應(yīng)的力矩、螺栓預(yù)緊力、固定約束和標(biāo)準(zhǔn)重力加速度。并通過分析計(jì)算結(jié)果，調(diào)整結(jié)構(gòu)形態(tài)和尺寸。經(jīng)過對(duì)各型號(hào)馬達(dá)進(jìn)行試驗(yàn)分析，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)符合系統(tǒng)安全要求，能夠滿足系統(tǒng)通用性的特點(diǎn)。

系統(tǒng)涉及的液壓馬達(dá)種類多，結(jié)構(gòu)尺寸變化大，對(duì)不同的馬達(dá)進(jìn)行性能參數(shù)檢測(cè)時(shí)，需要更換相應(yīng)的配合板和聯(lián)軸器。利用CAD二次開發(fā)語言，編寫繪制程序，操作者在繪圖窗口中選擇特定的馬達(dá)型號(hào)或者輸入馬達(dá)的參數(shù)，就可自動(dòng)生成配合板和聯(lián)軸器二維零件圖，并且該尺寸已經(jīng)通過有限元分析強(qiáng)度檢驗(yàn)，可直接指導(dǎo)零件的加工制作。這一設(shè)計(jì)節(jié)約了設(shè)計(jì)者用在零件設(shè)計(jì)上的時(shí)間，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，降低了設(shè)計(jì)誤差出現(xiàn)的概率。

圖5 CAD二次開發(fā)界面

3 測(cè)控系統(tǒng)的硬件與軟件組成

3.1 硬件組成

測(cè)控系統(tǒng)的硬件部分主要由工控機(jī)IPC、數(shù)據(jù)采集卡、傳感器、二次儀表、PLC、操控按鈕和狀態(tài)指示燈等部件組成。硬件結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 測(cè)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

首先，被測(cè)液壓馬達(dá)需要檢測(cè)的參數(shù)值通過相應(yīng)的傳感器來采集。其次，所有采集到的模擬信號(hào)統(tǒng)一進(jìn)入二次儀表進(jìn)行顯示和信號(hào)調(diào)理。然后，將調(diào)理好的模擬信號(hào)輸入到數(shù)據(jù)采集卡中進(jìn)行模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。最后通過PCI數(shù)據(jù)總線將數(shù)字信號(hào)送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示、處理和存儲(chǔ)。實(shí)驗(yàn)人員可以通過操作臺(tái)上的指示燈和操作按鈕對(duì)液壓泵站系統(tǒng)、水冷卻系統(tǒng)和加載系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視和控制。

3.2 軟件系統(tǒng)

測(cè)試系統(tǒng)軟件以Windows 7操作系統(tǒng)為運(yùn)行平臺(tái)，目的是利用Windows的強(qiáng)大功能，為使用者提供友好的人機(jī)交互圖形界面。測(cè)試軟件采用LabVIEW為開發(fā)工具，LabVIEW具有圖形化編程語言環(huán)境，適合應(yīng)用于計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試系統(tǒng)(CAT)的開發(fā)，能夠提高測(cè)試軟件的設(shè)計(jì)開發(fā)效率[5]。

本項(xiàng)目所開發(fā)的船用液壓馬達(dá)測(cè)試軟件操作界面如圖7所示，軟件操作界面主要實(shí)現(xiàn)顯示當(dāng)前實(shí)驗(yàn)狀態(tài)下的各傳感器所測(cè)得的數(shù)值， 處理測(cè)試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并通過圖表的形式顯示，保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和打印實(shí)驗(yàn)報(bào)告等功能。

圖7 測(cè)試軟件操作界面

4 驗(yàn)證試驗(yàn)

馬達(dá)試驗(yàn)臺(tái)實(shí)物如圖8所示，待測(cè)馬達(dá)基本參數(shù)如表2所示。

圖8 馬達(dá)測(cè)試系統(tǒng)

表2 待測(cè)馬達(dá)基本參數(shù)

試驗(yàn)進(jìn)行之前，根據(jù)馬達(dá)型號(hào)要求選擇開啟相應(yīng)的泵并適當(dāng)調(diào)節(jié)變量泵排量。實(shí)驗(yàn)過程中，分階段提高測(cè)功機(jī)加載功率，馬達(dá)進(jìn)口壓力隨之提高。被測(cè)馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)、換向平穩(wěn)，各傳感器數(shù)據(jù)顯示正常，換向閥組及補(bǔ)油回路工作機(jī)能正常，馬達(dá)工裝無明顯震動(dòng)；系統(tǒng)

運(yùn)行一段時(shí)間后，油液溫度無明顯提高，冷卻系統(tǒng)工作正常。

利用測(cè)功機(jī)調(diào)節(jié)馬達(dá)負(fù)載壓力，馬達(dá)進(jìn)出口壓力變化如圖9所示。

圖9 馬達(dá)進(jìn)出口壓力時(shí)間曲線、加載扭矩曲線

由試驗(yàn)曲線可以看出：

(1) 測(cè)功機(jī)結(jié)合齒輪箱的加載方式可以有效地模擬馬達(dá)負(fù)載，通過改變負(fù)載可實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)壓力進(jìn)行控制；

(2) 由于補(bǔ)油回路作用，測(cè)試過程中馬達(dá)背壓穩(wěn)定在0.6 MPa左右，系統(tǒng)未發(fā)生吸空現(xiàn)象。

5 結(jié)論

船用低速大扭矩液壓馬達(dá)維修測(cè)試系統(tǒng)，以企業(yè)實(shí)際需求為向?qū)В怨こ虒?shí)際及國家標(biāo)準(zhǔn)為基準(zhǔn)，采用通用工裝設(shè)計(jì)和可調(diào)大功率加載，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多種類、多型號(hào)船用液壓馬達(dá)的維修測(cè)試。馬達(dá)維修測(cè)試系統(tǒng)的成功研制為馬達(dá)維修質(zhì)量的評(píng)判提供了依據(jù)，必將有效地提高船舶液壓系統(tǒng)維修效率，促進(jìn)我國船舶維修事業(yè)的發(fā)展。

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