新型機(jī)載液壓泵測(cè)試設(shè)備分析

海軍裝備部 拜 斌

2 總體方案設(shè)計(jì)

液壓能是現(xiàn)代飛機(jī)的主要能源，飛機(jī)飛控系統(tǒng)、起落架系統(tǒng)、艙門(mén)系統(tǒng)等的能源多來(lái)自液壓能。飛機(jī)液壓系統(tǒng)主要由液壓泵和液壓管路組成，其中液壓泵提供液壓，液壓管路傳送液壓能，機(jī)上易出現(xiàn)的故障是由液壓泵失效和管路漏油導(dǎo)致的壓力低和流量低，進(jìn)而不足以驅(qū)動(dòng)機(jī)械機(jī)構(gòu)動(dòng)作引起的，影響飛行安全。高質(zhì)量的液壓泵是液壓系統(tǒng)安全運(yùn)行的前提，在地面建設(shè)和模擬液壓泵測(cè)試設(shè)備機(jī)上運(yùn)行環(huán)境，測(cè)試液壓泵的主要工作指標(biāo)，是監(jiān)控液壓泵質(zhì)量的重要手段[1-2]。

1 液壓泵測(cè)試需求分析

液壓泵測(cè)試項(xiàng)目有：轉(zhuǎn)速、進(jìn)口壓力、回油壓力給定時(shí)，測(cè)試液壓泵的出口壓力值和出口流量值；額定轉(zhuǎn)速，進(jìn)口壓力、回油壓力、出口壓力給定時(shí)，測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)液壓泵的出口流量；額定轉(zhuǎn)速，進(jìn)口壓力、回油壓力、出口流量給定時(shí)，測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)液壓泵的出口壓力；出口壓力-時(shí)間曲線。

結(jié)合測(cè)試技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，先進(jìn)的機(jī)載液壓泵測(cè)試設(shè)備應(yīng)該具備以下特點(diǎn)：采用先進(jìn)的總線和虛擬儀器技術(shù)，構(gòu)建開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)，功能擴(kuò)展方便，測(cè)試精度高、測(cè)試內(nèi)容深而廣，采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行采集控制，使測(cè)試設(shè)備各模塊協(xié)調(diào)工作、相互保護(hù)，具有故障告警和診斷功能，可實(shí)時(shí)記錄分析瞬態(tài)特性、動(dòng)態(tài)參數(shù)等短暫信息，改變純?nèi)斯げ僮鞣绞?，測(cè)試效率高[2-3]。

測(cè)試設(shè)備分為控制系統(tǒng)、拖動(dòng)系統(tǒng)、油路系統(tǒng)和人機(jī)交互四大系統(tǒng)[4-5]。拖動(dòng)裝置主要用于向液壓泵提供連續(xù)可變的速度源，并且能夠監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)速和扭矩；油路系統(tǒng)向待測(cè)液壓泵提供壓力油源、壓力負(fù)載等；控制系統(tǒng)分為手動(dòng)控制和自動(dòng)控制，對(duì)測(cè)試設(shè)備拖動(dòng)、油路、供油裝置實(shí)現(xiàn)全面控制；人機(jī)交互可以顯示、記錄、處理、打印當(dāng)前系統(tǒng)所有測(cè)試點(diǎn)的數(shù)據(jù)，包括被測(cè)點(diǎn)壓力、流量、溫度、支路流量、過(guò)濾器污染狀況、電機(jī)工作狀態(tài)等。

測(cè)試設(shè)備應(yīng)用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)安全報(bào)警、保護(hù)，當(dāng)壓力、溫度、污染度等不滿足要求時(shí)，能自動(dòng)關(guān)閉驅(qū)動(dòng)電機(jī)或自動(dòng)溢流，以保證被試產(chǎn)品、測(cè)試設(shè)備和人員的安全。

2.1 控制系統(tǒng)

2.1.1 控制和軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)以各類傳感器、電子控制器、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)為硬件控制核心，通過(guò)軟件完成指令產(chǎn)生、命令解釋和執(zhí)行、數(shù)據(jù)采集、閉環(huán)控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示、記錄和打印輸出[6-7]。

計(jì)算機(jī)測(cè)控裝置內(nèi)置軟件負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部各采集點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析處理，以人機(jī)界面的形式顯示在液晶顯示屏上，軟件設(shè)計(jì)模塊流程圖如圖1所示，軟件流程如圖2所示。

2.1.2 PLC控制

PLC控制（可編程控制）采用模塊化設(shè)計(jì)，功能模塊有數(shù)據(jù)采集模塊、計(jì)算模塊、數(shù)據(jù)輸出模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、界面操作模塊，系統(tǒng)的控制原理見(jiàn)圖3。

2.1.3 系統(tǒng)安全保護(hù)

為對(duì)測(cè)試設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中某些可能影響到試驗(yàn)安全的參數(shù)實(shí)施監(jiān)控，在控制系統(tǒng)中集成設(shè)計(jì)了監(jiān)控模塊，設(shè)備一旦超出正常范圍，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警處理。該模塊由若干采集儀表、PLC可編程控制器、控制面板、模塊軟件及控制電路組成。設(shè)置報(bào)警值，一旦試驗(yàn)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)的壓力等模擬量信號(hào)超限，該儀表的報(bào)警觸點(diǎn)閉合，閉合信號(hào)供PLC采集。PLC只要采集到任一臺(tái)儀表的報(bào)警信號(hào)，就發(fā)出控制信號(hào)給控制計(jì)算機(jī)，程序自動(dòng)進(jìn)行報(bào)警處理，使系統(tǒng)返回初始狀態(tài)，主電機(jī)停轉(zhuǎn)，并聲光報(bào)警。設(shè)置急停按鈕，在緊急狀態(tài)下，按下急停按鈕可以調(diào)節(jié)換向閥的狀態(tài)，使得油路快速卸油卸壓。

圖1 軟件設(shè)計(jì)流程Fig.1 Software design process

圖2 軟件運(yùn)行流程Fig.2 Software running process

圖3 系統(tǒng)控制原理Fig.3 System control principle

2.2 拖動(dòng)系統(tǒng)

拖動(dòng)系統(tǒng)向液壓泵提供連續(xù)可變的速度源，能夠通過(guò)傳感器監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)速和扭矩。由變頻電機(jī)、齒形彈性聯(lián)軸器、扭矩傳感器、光電轉(zhuǎn)速編碼器、泵安裝座、裝置安裝底座和安全保護(hù)罩等組成。動(dòng)力來(lái)自一臺(tái)變頻電機(jī)，變頻電機(jī)經(jīng)過(guò)聯(lián)軸器和變速箱為液壓泵提供動(dòng)力。采用先進(jìn)的光電轉(zhuǎn)速編碼器，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)精度高、調(diào)節(jié)速度快，為了舒適的試驗(yàn)環(huán)境，應(yīng)選擇低噪音（≤76dB）型電機(jī)，動(dòng)力從變頻電機(jī)到液壓泵的連接為彈性連接，試驗(yàn)間及操縱間內(nèi)噪音可以得到有效控制，在滿足安裝誤差的前提下，允許有小角度偏轉(zhuǎn)間隙調(diào)整，可使液壓泵安裝方便，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速為（0～5000r/min），可以使用自動(dòng)和手動(dòng)方式調(diào)節(jié)電機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速。

2.3 油路系統(tǒng)

油路系統(tǒng)向液壓泵提供壓力油源、壓力負(fù)載等，主要包括過(guò)濾器、比例調(diào)節(jié)閥、比例流量閥、安全閥、壓力傳感器、溫度傳感器、流量傳感器、散熱器和管路加熱器等?？稍?00L/min流量下工作，壓力調(diào)節(jié)選用電動(dòng)比例溢流閥，調(diào)節(jié)精度高、性能穩(wěn)定、安全可靠。液壓油溫度控制采用電加熱PID控制，滿足系統(tǒng)對(duì)溫度要求。

2.3.1 壓力調(diào)節(jié)

壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括壓力檢測(cè)傳感器、比例溢流閥、電子控制器和調(diào)壓電位器等元件組。液壓泵啟動(dòng)后，設(shè)定輸出壓力值，電子控制器控制比例溢流閥的開(kāi)度，改變了輸出壓力，壓力傳感器檢測(cè)到相應(yīng)的壓力后，將其相應(yīng)的電信號(hào)反饋回電子控制器，形成反饋回路，以穩(wěn)定壓力。當(dāng)液壓系統(tǒng)的流量減小時(shí)，電子控制器將使比例溢流閥的開(kāi)度增大，使輸出壓力穩(wěn)定，當(dāng)液壓系統(tǒng)的流量增大時(shí)，電子控制器將使比例溢流閥的開(kāi)度變小，使輸出壓力穩(wěn)定，其控制原理如圖4所示。

2.3.2 系統(tǒng)溫控裝置

系統(tǒng)的溫控裝置包括：溫度傳感器、電子控制器、風(fēng)冷設(shè)備和電加熱器。溫度傳感器在管路中將溫度轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)給電子控制器，電子控制器根據(jù)需求控制加熱器和冷卻系統(tǒng)的起動(dòng)與關(guān)閉，將溫度控制在合適的范圍。由于加熱器在油箱中對(duì)油液加熱，油箱中的油液始終為流動(dòng)狀態(tài)，利于油液的均勻加熱。油箱的容積較大，可以有效避免局部加熱導(dǎo)致介質(zhì)碳化或變質(zhì)的情況發(fā)生，其控制原理如圖5所示。

圖4 壓力閉環(huán)控制原理Fig.4 Pressure close loop control principle

圖5 溫度閉環(huán)控制原理Fig.5 Temperature close loop control principle

2.3.3 液壓泵入口壓力保證

液壓泵要求入口的壓力為（0.12±0.01）MPa，在測(cè)試設(shè)備中該壓力是由低壓補(bǔ)油/增壓泵和V型球閥來(lái)共同保證的，增壓泵將油箱中的油抽進(jìn)管路，并為使得液壓油壓力穩(wěn)定，在增壓泵的出口處安裝壓力傳感器，檢測(cè)其值是否滿足（0.12±0.01）MPa的要求，如高于該值，增大V型球閥的開(kāi)度，使壓力降低，如低于該值，則減小V型球閥的開(kāi)度，使得壓力升高。整個(gè)邏輯由電子控制器控制。

2.3.4 系統(tǒng)過(guò)濾和油樣檢測(cè)功能

在測(cè)試設(shè)備中安裝過(guò)濾器，通過(guò)閥門(mén)控制油液的流動(dòng)，在使用設(shè)備測(cè)試前可以通過(guò)局部管路（包括過(guò)濾器）液壓油循環(huán)的過(guò)程，實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓油的凈化。測(cè)試設(shè)備預(yù)留有取油口，可以對(duì)液壓油取樣，檢測(cè)液壓油是否滿足GJB的要求。

3 人機(jī)交互設(shè)計(jì)

測(cè)試設(shè)備的人機(jī)交互分自動(dòng)和手動(dòng)兩個(gè)方面，自動(dòng)方面，顯示器可以實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)的各參數(shù)，操作員可以設(shè)置試驗(yàn)參數(shù)和控制起動(dòng)，計(jì)算機(jī)自動(dòng)根據(jù)設(shè)計(jì)的參數(shù)采集系統(tǒng)各部位的壓力、流量、溫度等參數(shù)，并可以生成表格和曲線圖等。手動(dòng)方面，參數(shù)的顯示通過(guò)儀表表頭來(lái)實(shí)現(xiàn)，操作員手動(dòng)控制操作臺(tái)上面的手動(dòng)開(kāi)關(guān)來(lái)完成試驗(yàn)，手動(dòng)記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。手動(dòng)試驗(yàn)方式作為自動(dòng)試驗(yàn)的備份和補(bǔ)充。

3.1 自動(dòng)控制

可實(shí)時(shí)監(jiān)控測(cè)試設(shè)備的運(yùn)行情況，顯示控制試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行的主要參數(shù)及狀態(tài)。圖6為監(jiān)控顯示模塊，能實(shí)時(shí)顯示壓力、溫度、轉(zhuǎn)速等參數(shù)值，以及系統(tǒng)各部分的交聯(lián)工作關(guān)系。

圖6 自動(dòng)顯示界面Fig.6 Automatic display interface

對(duì)測(cè)試設(shè)備的控制包括內(nèi)部的增壓泵、球形閥、加熱/散熱器等的起動(dòng)和停止的控制，可以設(shè)置電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、油液溫度、進(jìn)出口壓力等參數(shù)。計(jì)算機(jī)自動(dòng)根據(jù)設(shè)定值，控制設(shè)備的運(yùn)行。

系統(tǒng)試驗(yàn)過(guò)程中，計(jì)算機(jī)能自動(dòng)繪制被試液壓泵的出口壓力特性曲線（P-n曲線）、流量特性曲線（Q-n曲線）、液壓泵漏油流量特性曲線（Q-t曲線）和完成特性曲線的擬合，如圖7所示。

圖7 出口壓力趨勢(shì)曲線Fig.7 Outlet pressure trend curve

3.2 手動(dòng)控制

能夠手動(dòng)起動(dòng)測(cè)試設(shè)備，控制其內(nèi)部的增壓泵、球形閥、拖動(dòng)電機(jī)。電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)通過(guò)表頭和電位計(jì)配合使用來(lái)完成，油液溫度通過(guò)表頭顯示，溫度的調(diào)節(jié)可以通過(guò)手動(dòng)控制面板的風(fēng)機(jī)、加熱器開(kāi)關(guān)來(lái)完成，試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)表頭讀取壓力、溫度、流量等參數(shù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

液壓泵測(cè)試設(shè)備涉及機(jī)械、電子、控制、軟件、流體等方面的技術(shù)，是典型的機(jī)電一體化測(cè)試設(shè)備，應(yīng)以測(cè)試準(zhǔn)確、使用安全、操作方便、可靠性高為設(shè)計(jì)制造的目標(biāo)。其他型號(hào)的液壓泵，只要壓力、流量、轉(zhuǎn)速指標(biāo)符合本測(cè)試設(shè)備已有條件，通過(guò)更換機(jī)械接口，就可以實(shí)現(xiàn)該型號(hào)液壓泵的測(cè)試。目前，該設(shè)備已初步應(yīng)用在某型機(jī)的液壓泵測(cè)試工作中，大大提高了外場(chǎng)機(jī)務(wù)維護(hù)效率。

[1] 程明學(xué)，侯祖?zhèn)?飛機(jī)液壓泵測(cè)試設(shè)備的監(jiān)測(cè)與控制. 液壓與氣動(dòng) ,2000(1)：31-32.

[2] 張勤，徐剛濤.液壓與氣壓傳動(dòng)技術(shù).北京：高等教育出版社，2009.

[3] 程明學(xué). 液壓泵智能測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì). 裝備制造技術(shù) ,2006(3)：1-2,22.

[4] 徐剛濤. 機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ).北京：高等教育出版社，2007.

[5] 楊培元,朱福元. 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明手冊(cè). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995.

[6] 湛從昌. 液壓可靠性與故障診斷. 北京：冶金工業(yè)出版社，1993.

[7] 陳錫輝，張銀鴻. LABVIEW 8.20程序設(shè)計(jì)從入門(mén)到精通.北京：清華大學(xué)出版社，2007.