功率回收式液壓泵可靠性試驗(yàn)臺(tái)的研制

， ， ， ， ，

(1. 沈陽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 遼寧 沈陽　110159； 2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱　150000；3. 沈陽中之杰流體有限公司， 遼寧 沈陽　110000)

引言

液壓泵可靠性壽命試驗(yàn)[1]周期長(zhǎng)、能耗大，在試驗(yàn)過程中需采取功率回收方式，機(jī)械補(bǔ)償式功率回收和電功率回收是常見的兩種方式。目前，國內(nèi)很多高校和企業(yè)針對(duì)液壓泵功率回收式試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了諸多方面的探索。在文獻(xiàn)[2-8]中，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)被試液壓泵，被試液壓泵輸出高壓液壓油驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，液壓馬達(dá)再通過機(jī)械傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)被試液壓泵實(shí)現(xiàn)機(jī)械補(bǔ)償功率回收；在文獻(xiàn)[9-13]中，增壓系統(tǒng)使高壓液壓油直接驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，而在文獻(xiàn)[14]中，增壓系統(tǒng)使高壓液壓油通過液壓橋路驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，液壓馬達(dá)通過機(jī)械傳動(dòng)帶動(dòng)被試液壓泵工作從而實(shí)現(xiàn)液壓補(bǔ)償功率回收；在文獻(xiàn)[15]中，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)被試液壓泵，被試液壓泵輸出高壓液壓油驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，液壓馬達(dá)驅(qū)使發(fā)電動(dòng)機(jī)發(fā)電，電能通過逆變或整流系統(tǒng)回饋給電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)電功率回收。

本研究開發(fā)一種機(jī)械補(bǔ)償功率回收式可靠性試驗(yàn)臺(tái)可實(shí)現(xiàn)多臺(tái)泵同時(shí)加載的加速壽命試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)，并且給出了試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)方案以及對(duì)部分試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。

1　液壓泵可靠性試驗(yàn)臺(tái)方案設(shè)計(jì)

1.1　現(xiàn)有功率回收試驗(yàn)臺(tái)的特點(diǎn)

現(xiàn)有的功率回收式液壓泵試驗(yàn)臺(tái)具有以下共同點(diǎn)：

① 試驗(yàn)對(duì)象為單個(gè)液壓泵；

② 加載方式為系統(tǒng)壓力均采用溢流閥加載。

現(xiàn)有的功率回收式液壓泵試驗(yàn)臺(tái)不足之處有：

(1) 現(xiàn)有多數(shù)液壓泵試驗(yàn)臺(tái)，液壓馬達(dá)工作壓差幾乎與液壓泵相同，如果試驗(yàn)臺(tái)需要實(shí)現(xiàn)液壓泵耐久壽命試驗(yàn)，液壓馬達(dá)未得到相應(yīng)的保護(hù)；

(2) 國產(chǎn)液壓泵與外國知名品牌液壓泵性能相比，尚有一定差距，但國產(chǎn)液壓泵性能較以往已經(jīng)有了質(zhì)的飛躍，其中就體現(xiàn)在可靠度和平均無故障壽命(MTTF)上。根據(jù)文獻(xiàn)[16]，國產(chǎn)工業(yè)液壓泵耐久壽命試驗(yàn)額定工況下需要達(dá)到2400 h，既使利用加速壽命試驗(yàn)方法，加速因子達(dá)到4～6倍[17]，試驗(yàn)時(shí)間也需要300～400 h，如果樣本量12個(gè)，試驗(yàn)時(shí)間就需要3600～4800 h，所以很有必要實(shí)現(xiàn)多臺(tái)液壓泵同時(shí)試驗(yàn)；

(3) 液壓泵可靠性試驗(yàn)方法有多種，加速試驗(yàn)方法按照加速方式可以分為應(yīng)力加速試驗(yàn)方法和使用頻率加速試驗(yàn)方法。如前文所述，應(yīng)力加速試驗(yàn)方法可以分為恒定、步進(jìn)和序進(jìn)應(yīng)力加速試驗(yàn)方法。使用頻率加速試驗(yàn)方法又稱為循環(huán)應(yīng)力沖擊加速試驗(yàn)方法?，F(xiàn)有多數(shù)液壓泵試驗(yàn)臺(tái)只能實(shí)現(xiàn)其中一種或兩種加速方式。

本研究設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺(tái)欲實(shí)現(xiàn)恒定應(yīng)力和步進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)方案(下文簡(jiǎn)稱加速壽命試驗(yàn)方案)。同時(shí)，試驗(yàn)臺(tái)另一個(gè)目標(biāo)是利用液壓泵實(shí)際工況載荷譜進(jìn)行液壓泵循環(huán)應(yīng)力沖擊加速壽命試驗(yàn)方案。

1.2　本試驗(yàn)臺(tái)的液壓系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)

本研究所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)原理圖如圖1所示。試驗(yàn)臺(tái)可完成以下試驗(yàn)：

1) 多臺(tái)液壓泵同時(shí)加載試驗(yàn)

由相關(guān)資料可知，可靠性試驗(yàn)的技術(shù)要求是液壓泵在相同工況下進(jìn)行試驗(yàn)，如溫度、壓力、扭矩、轉(zhuǎn)速、振動(dòng)等均相同。若采用傳統(tǒng)的單泵單馬達(dá)試驗(yàn)方式則很難保證可靠性試驗(yàn)要求。因此，本研究欲采用分動(dòng)箱來實(shí)現(xiàn)多臺(tái)液壓泵同時(shí)試驗(yàn)。

2) 雙應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)

加速壽命試驗(yàn)方案中關(guān)鍵點(diǎn)是加速應(yīng)力的選取，液壓系統(tǒng)因?yàn)槠涔逃刑攸c(diǎn)，在加速試驗(yàn)中，往往以轉(zhuǎn)速和壓力作為加速應(yīng)力[18]。本研究采用變頻器可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速無極可調(diào)，比例溢流閥可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)壓力無極加載，從而可以方便實(shí)現(xiàn)液壓泵雙應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)方案。

3) 循環(huán)應(yīng)力沖擊加載試驗(yàn)

液壓泵，比如工程機(jī)械用柱塞泵，在工作周期中往往伴隨著大量沖擊載荷，在實(shí)驗(yàn)室中為了模擬其實(shí)際工況，通常采用采集液壓泵工作載荷譜方法對(duì)其進(jìn)行加載試驗(yàn)。高頻數(shù)字開關(guān)閥具有響應(yīng)速度快，重復(fù)誤差小，控制簡(jiǎn)單，抗污染能力強(qiáng)，可以在惡劣環(huán)境下連續(xù)工作的特點(diǎn)[19]。因此，本試驗(yàn)臺(tái)欲使用高頻數(shù)字開關(guān)閥與比例溢流閥相互配合來實(shí)現(xiàn)沖擊加載。

1、2.被試液壓泵　3.分動(dòng)箱　4.電動(dòng)機(jī)　5.液壓馬達(dá)6、14.壓力表　7.比例節(jié)流閥　8.比例溢流閥　9.安全閥10～12.流量計(jì)　13.單向閥　15.液壓蓄能器16.數(shù)字開關(guān)閥　17.低壓補(bǔ)償系統(tǒng)18.分動(dòng)箱冷卻系統(tǒng)　19.油箱冷卻系統(tǒng)圖1　功率回收式液壓泵可靠性試驗(yàn)臺(tái)原理圖

2　試驗(yàn)臺(tái)的特點(diǎn)

2.1　本試驗(yàn)臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)

1) 分動(dòng)箱的設(shè)置

此方案具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1) 縮短試驗(yàn)周期從應(yīng)用角度上而言，分動(dòng)箱在車輛上可以實(shí)現(xiàn)“一分五”傳動(dòng)，但是由于可靠性加速壽命試驗(yàn)加載應(yīng)力高，傳動(dòng)功率大，并且考慮安裝精度要求，本試驗(yàn)臺(tái)欲采用“一分二”分動(dòng)箱，縮短了試驗(yàn)周期，提高了試驗(yàn)效率；

(2) 保證相同工況排除加工設(shè)計(jì)以及安裝等因素，此方案可以最大程度上實(shí)現(xiàn)多臺(tái)泵加載工況(轉(zhuǎn)速、壓力、溫度及振動(dòng)等)完全相同，最大程度上保證可靠性試驗(yàn)方法評(píng)估的準(zhǔn)確性。

2) 比例節(jié)流閥的設(shè)置

本試驗(yàn)臺(tái)欲在液壓馬達(dá)前安裝一個(gè)節(jié)流閥。該閥的作用：

(1) 保護(hù)液壓馬達(dá)液壓泵可靠性耐久試驗(yàn)周期長(zhǎng)，而液壓馬達(dá)作為功率回收元件如果工作壓差太高其壽命會(huì)大大縮減，通過調(diào)節(jié)比例節(jié)流閥開口度可以很好解決此問題。在圖1中，如果減小比例節(jié)流閥開口度，在系統(tǒng)相同輸出流量下液壓馬達(dá)工作壓差會(huì)相應(yīng)減小，達(dá)到保護(hù)液壓馬達(dá)的目的。

(2) 調(diào)節(jié)扭矩匹配在流量匹配的前提下，通過調(diào)節(jié)比例節(jié)流閥開口度可以改變馬達(dá)工作壓差，進(jìn)而改變馬達(dá)回收功率和電動(dòng)機(jī)輸出功率。

2.2　方案設(shè)計(jì)計(jì)算

考慮到功率回收方式，本試驗(yàn)臺(tái)電動(dòng)機(jī)功率的選取要滿足以下條件：

1) 流量匹配

由于液壓泵本身就存在泄漏，溢流閥通過溢流來穩(wěn)定系統(tǒng)壓力，所以本試驗(yàn)方案流量匹配要求需要滿足：

(1)

式中：Qp、Qm—— 液壓泵、液壓馬達(dá)流量，L/min

ηpv、ηmv—— 液壓泵、液壓馬達(dá)容積效率

i—— 分動(dòng)箱傳動(dòng)比

m—— 被試液壓泵個(gè)數(shù)

由式(1)可知，本試驗(yàn)方案中被試液壓泵的流量和必須大于液壓馬達(dá)的流量，如果不滿足，液壓馬達(dá)將成為電動(dòng)機(jī)負(fù)載，此時(shí)系統(tǒng)不但無法實(shí)現(xiàn)功率補(bǔ)償回收，反而將額外提供能量克服液壓馬達(dá)外負(fù)載能量消耗。

2) 扭矩匹配

被試液壓泵理論扭矩為：

(2)

式中：Vp—— 液壓泵的理論排量，mL/r

Δpp—— 液壓泵的進(jìn)出口壓差，MPa

ηpm—— 液壓泵的機(jī)械效率

無功率回收時(shí)，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)理論扭矩為：

(3)

式中：ηm—— 傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械效率

液壓馬達(dá)輸出的理論扭矩：

(4)

式中：Vm—— 液壓馬達(dá)的理論排量，mL/r

Δpm—— 液壓馬達(dá)的進(jìn)出口壓差，MPa

ηmm—— 液壓馬達(dá)的機(jī)械效率

由式(1)、式(2)、式(4)可得：

(5)

由式(5)可知，液壓馬達(dá)輸出扭矩不足以驅(qū)動(dòng)被試液壓泵，不足部分功率由電動(dòng)機(jī)來補(bǔ)償。

3　試驗(yàn)臺(tái)的電氣設(shè)計(jì)

根據(jù)本試驗(yàn)臺(tái)的特點(diǎn)，該系統(tǒng)采用PLC作為主站，監(jiān)控計(jì)算機(jī)和變頻調(diào)速器作為從站。如圖2所示，各數(shù)字I/O和傳感器連接到PLC上，實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的自動(dòng)化控制、數(shù)據(jù)采集以及故障報(bào)警等工作。

圖2　試驗(yàn)臺(tái)總線原理圖

自動(dòng)化控制主要體現(xiàn)在：

(1) 當(dāng)油溫高于設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)冷卻系統(tǒng)；

(2) 當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)局部壓力過高、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速過高、油箱液位較低時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)停機(jī)等。

本試驗(yàn)臺(tái)擁有自己獨(dú)立的在線監(jiān)測(cè)界面，在檢測(cè)界面中可以清晰地看到該試驗(yàn)系統(tǒng)重要參數(shù)。點(diǎn)擊啟動(dòng)按鈕后，便可了解每個(gè)被試液壓泵的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，如壓力、扭矩、轉(zhuǎn)速等。此外，系統(tǒng)還專門安裝報(bào)警程序，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障(如節(jié)流口堵塞、局部漏油等)時(shí)報(bào)警裝置會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，故障解除后按復(fù)位按鈕報(bào)警聲停止。

4　試驗(yàn)結(jié)果及分析

由試驗(yàn)臺(tái)原理可知，比例節(jié)流閥開口度最大時(shí)，系統(tǒng)的功率回收效率最高。此時(shí)，試驗(yàn)臺(tái)功率回收率為：

(6)

式中：Nm—— 液壓馬達(dá)輸出功率，W

Np—— 液壓泵輸入功率，W

由式(6)可知，試驗(yàn)臺(tái)回收率ξ的大小與液壓馬達(dá)輸出功率及液壓泵輸入功率有關(guān)：

(7)

式中：T1、T2—— 液壓泵的輸出扭矩，N·m

n—— 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min

ηi—— 分動(dòng)箱的傳動(dòng)效率

Nm=qvΔpmηt

(8)

式中：qv—— 液壓馬達(dá)的輸出流量，L/min

ηt—— 液壓馬達(dá)的機(jī)械效率

qv=q1+q2-qy

(9)

式中：q1、q2—— 液壓泵的輸出流量，L/min

qy——溢流閥的溢流量，L/min

經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得國產(chǎn)某型號(hào)液壓泵相關(guān)參數(shù)如下：

n=1500 r/min；

Δpp=27 MPa；

Δpm=24 MPa；

ηt=0.92；

q1=22.28 L/min；

q2=23.78 L/min；

qy=3 L/min；

T1=90.2 N·m；

T2=88.6 N·m；

ηi=0.98。

由式(6)～式(9)得：ζ=0.6。此時(shí)，電動(dòng)機(jī)的輸出功率僅為液壓泵所需輸入的40%左右，極大降低了電動(dòng)機(jī)的輸出功率。

5　結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺(tái)通過采用機(jī)械補(bǔ)償功率回收方式實(shí)現(xiàn)了多臺(tái)液壓泵同時(shí)加載的加速壽命試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)，不僅大大縮短了試驗(yàn)時(shí)間，而且系統(tǒng)回收能量高，從而減少了能源的浪費(fèi)；分動(dòng)箱的設(shè)置，更能有效保證多臺(tái)液壓泵在相同工況下試驗(yàn)的要求；此外，試驗(yàn)臺(tái)電氣部分實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程操控與觀測(cè)以及數(shù)據(jù)的在線采集等，從理論上實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)過程全自動(dòng)化。本試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)方案對(duì)相關(guān)的可靠性試驗(yàn)臺(tái)提供了理論指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] WAYNE B.NELSON.Accelerated Testing Statistical Models, Test Plans, and Data Analysis [M]. WILEY,2004:15-17.

[2]張志生,芮豐.變頻調(diào)速功率回收液壓泵及馬達(dá)試驗(yàn)系統(tǒng)分析與實(shí)現(xiàn)[J].流體傳動(dòng)與控制,2008,2(1):41-43.

[3]沙明元,李建英,李春林.大型液壓試驗(yàn)臺(tái)功率回收系統(tǒng)研究[J].石家莊鐵道學(xué)院院報(bào),1998,11(4):84-87,91.

[4]吳時(shí)飛,胡軍科,何國華.功率反饋式閉式液壓泵、液壓馬達(dá)系統(tǒng)研究[J].機(jī)床與液壓, 2007, 35(2): 119-124.

[5]白國長(zhǎng),王占林,祁曉野.航空液壓泵變負(fù)載加速壽命試驗(yàn)臺(tái)研制[J].液壓與氣動(dòng), 2006,5 (3): 47-50.

[6]白國長(zhǎng), 王占林. 機(jī)械補(bǔ)償液壓功率回收系統(tǒng)研究[J]. 機(jī)械科學(xué)與技術(shù), 2007, 26(2): 213-216.

[7]張崢明, 胡軍科, 葛玉柱. 一種液壓功率回收試驗(yàn)系統(tǒng)的工作特性及回收效率研究[J].現(xiàn)代制造工程, 2010, 3(5): 126-128.

[8]羅寧, 胡軍科, 黃新磊. 一種新型功率回收液壓泵試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)及研究[J].塑料工業(yè), 2011, 1(6):45-48.

[9]劉斌, 姜偉, 裘信國. 雙向變量液壓泵試壓臺(tái)功率回收系統(tǒng)分析[J].機(jī)床與液壓, 2006,7(12): 139-141.

[10]候小華, 黃志堅(jiān), 章宏義. 基于液壓反饋的功率回收式試壓臺(tái)的分析[J].液壓與氣動(dòng), 2012, 3(4):73-75.

[11]郭開明, 高殿榮. 油泵油馬達(dá)串并聯(lián)液壓補(bǔ)償式功率回收試驗(yàn)系統(tǒng)分析[J].東北重型機(jī)械學(xué)院學(xué)報(bào), 1994,12 (6): 32-34.

[12]喬江, 陳圖. 液壓泵、馬達(dá)試驗(yàn)和功率回收[J].機(jī)電設(shè)備, 2001, 5(18):13-20.

[13]蔡廷文. 串并聯(lián)液壓補(bǔ)償式大功率試驗(yàn)系統(tǒng)的研究[J].華東船舶工業(yè)學(xué)院院報(bào), 2002, 6(3):43-46.

[14]繆雄輝, 郭承志. 工程機(jī)械功率回收液壓馬達(dá)試驗(yàn)臺(tái)的研究與設(shè)計(jì)[J].工程機(jī)械, 2012,3(2):22-24.

[15]付永領(lǐng), 汪明霞. 液壓泵加速壽命試驗(yàn)臺(tái)中的節(jié)能設(shè)計(jì)[J].機(jī)床與液壓, 2010, 38(4): 41-43.

[16]JB/T7043-2006，液壓軸向柱塞泵[S].

[17]王少萍, 李沛瓊. 雙應(yīng)力加速模型的建立與參數(shù)估計(jì)[J].航空學(xué)報(bào), 1994, 2(8):236-241.

[18]許耀銘. 液壓可靠性工程基礎(chǔ)[M].江蘇: 科學(xué)出版社, 1991.

[19]郜立煥, 生凱章. 新型高速數(shù)字開關(guān)閥為導(dǎo)閥的多路換向閥[J].蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2006, 3(12):56-58.