燃?xì)廨啓C(jī)滑油泵耐久性試驗(yàn)臺(tái)研制及應(yīng)用

賈新旺，吳一鳴，唐祖定，季 杰

(中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七○三研究所無(wú)錫分部，江蘇 無(wú)錫 214151)

滑油泵是燃?xì)廨啓C(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件，主要用于軸承和傳動(dòng)齒輪部分潤(rùn)滑油的輸送和回收，其質(zhì)量好壞直接關(guān)系到燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行安全[1-2]。某型燃?xì)廨啓C(jī)滑油泵為五聯(lián)變位齒輪滑油泵，具有流量大、可靠性高、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)[3]，由壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子通過(guò)下部傳動(dòng)箱間接驅(qū)動(dòng)。來(lái)自滑油箱的低壓油經(jīng)滑油泵供油泵增壓后轉(zhuǎn)化為高壓油供給至各轉(zhuǎn)子軸承腔，再由滑油泵的4個(gè)回油子泵從各處腔室將滑油抽回至滑油箱，形成油路循環(huán)。由滑油泵基本工作原理可知，當(dāng)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，滑油泵做功能力理論上也應(yīng)該固定[4]，但實(shí)際運(yùn)行可能會(huì)受溫度、滑油泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)制造等因素影響[1]。因此研究其耐久性運(yùn)行能力，尤其是流量衰減性能對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行安全、使用壽命至關(guān)重要。

目前燃?xì)廨啓C(jī)滑油泵多是作為附屬系統(tǒng)隨燃?xì)廨啓C(jī)整機(jī)一起進(jìn)行耐久性考核，該方式有兩個(gè)弊端：一是使用燃?xì)廨啓C(jī)作為動(dòng)力源，試驗(yàn)成本太高；二是受它在燃?xì)廨啓C(jī)上的安裝方式、功能作用，以及空間限制影響，不能直接測(cè)量各子泵的實(shí)際流量，因而不能對(duì)各子泵的工作能力進(jìn)行研究分析。也有少數(shù)科研機(jī)構(gòu)對(duì)滑油泵進(jìn)行了單部件性能試驗(yàn)，但該方式存在一些問(wèn)題：一是需要手動(dòng)控制，操作復(fù)雜；二是滑油泵的每個(gè)子泵流量只能逐一測(cè)試，無(wú)法同時(shí)進(jìn)行測(cè)試。

因此，須要研制一套能模擬燃?xì)廨啓C(jī)耐久性試驗(yàn)運(yùn)行的滑油泵試驗(yàn)臺(tái)，且該試驗(yàn)臺(tái)要保證滑油泵安裝方式、被驅(qū)動(dòng)方式基本與它在燃?xì)廨啓C(jī)整機(jī)上狀態(tài)一致，同時(shí)還能獲取運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速、流量、壓力等參數(shù)，最終通過(guò)對(duì)各參數(shù)分析研究，判斷滑油泵耐久性是否滿足研制要求。

1 試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)方案

燃?xì)廨啓C(jī)滑油泵結(jié)構(gòu)如圖1所示，由供油泵A泵和四個(gè)回油子泵(B泵、Г泵、Д泵、Б泵)組成?；捅弥苯影惭b在下部傳動(dòng)箱一側(cè)，兩者傳動(dòng)軸是通過(guò)花鍵配合，即由下部傳動(dòng)箱的輸出軸通過(guò)花鍵配合直接驅(qū)動(dòng)滑油泵齒輪旋轉(zhuǎn)。

圖1 滑油泵結(jié)構(gòu)示意圖

為了模擬滑油泵裝配在燃?xì)廨啓C(jī)整機(jī)上運(yùn)行時(shí)狀態(tài)，總體設(shè)計(jì)方案采用了相同的安裝方式，即滑油泵水平式安裝于安裝座上；采取相似的驅(qū)動(dòng)方式，即使用變頻電機(jī)替代原下部傳動(dòng)箱；變頻電機(jī)和安裝座之間通過(guò)梅花聯(lián)軸器聯(lián)接。主設(shè)備布置見(jiàn)圖2。

1—底架；2—變頻電機(jī)；3—聯(lián)軸器；4—安裝座；5—滑油泵。圖2 主設(shè)備布置示意圖

總體設(shè)計(jì)方案基本原理如下:控制系統(tǒng)根據(jù)耐久性圖譜考核要求，控制變頻電機(jī)到達(dá)相應(yīng)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而通過(guò)聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)滑油泵運(yùn)行；潤(rùn)滑系統(tǒng)為滑油泵正常運(yùn)行及潤(rùn)滑提供必要的滑油；測(cè)控系統(tǒng)對(duì)相關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，并對(duì)各參數(shù)進(jìn)行采集、監(jiān)測(cè)、顯示、記錄；電氣系統(tǒng)為各試驗(yàn)設(shè)備提供電氣保障。

1.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)

滑油泵試驗(yàn)臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)包括底架、聯(lián)軸器及安裝座。底架通過(guò)地腳螺栓與場(chǎng)地導(dǎo)軌進(jìn)行固定，其上布置有變頻電機(jī)和安裝座，如圖2所示。因底架和聯(lián)軸器相對(duì)簡(jiǎn)單，本文重點(diǎn)介紹安裝座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。由圖1可知滑油泵的B泵是直接從下部傳動(dòng)箱抽吸滑油，然后經(jīng)回油泵總出口至滑油箱。因此在對(duì)滑油泵進(jìn)行單部件試驗(yàn)時(shí)，為保證工作狀態(tài)與它在燃?xì)廨啓C(jī)整機(jī)上狀態(tài)基本一致，需要將安裝座設(shè)計(jì)成可模擬下部傳動(dòng)箱腔室的結(jié)構(gòu)件，如圖3所示。

1—平鍵軸；2—軸承；3—軸承座；4—骨架密封圈；5—腔體；6—觀察窗；7—預(yù)埋螺栓；8—彈性軸；9—進(jìn)油口。圖3 安裝座結(jié)構(gòu)組成

安裝座結(jié)構(gòu)組成及作用如下：平鍵軸由兩個(gè)軸承定位支撐，通過(guò)聯(lián)軸器與變頻電機(jī)聯(lián)接；彈性軸與滑油泵輸入軸通過(guò)花鍵配合聯(lián)接，且彈性軸被設(shè)計(jì)為中空結(jié)構(gòu)，起到扭矩傳遞以及超扭故障時(shí)提前扭斷從而保護(hù)滑油泵作用；軸承座內(nèi)設(shè)有骨架密封圈，防止腔體內(nèi)滑油進(jìn)入軸承；觀察窗可用于目視腔體內(nèi)滑油狀態(tài)；滑油從進(jìn)油口進(jìn)入腔體內(nèi)供B泵抽吸；腔體與滑油泵通過(guò)預(yù)埋螺栓定位安裝。

1.3 滑油系統(tǒng)

為了對(duì)滑油泵各子泵的流量能力進(jìn)行耐久性考核，同時(shí)為其運(yùn)行提供必要的潤(rùn)滑，設(shè)計(jì)了一套滑油系統(tǒng)，如圖4所示。其基本工作過(guò)程如下：滑油泵運(yùn)轉(zhuǎn)前，由外置泵給滑油泵提供一定壓力的潤(rùn)滑油；變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)滑油泵運(yùn)轉(zhuǎn)后，各子泵分別從滑油箱抽吸經(jīng)Y型濾器過(guò)濾的滑油；經(jīng)供油泵和回油泵增壓后的滑油通過(guò)電動(dòng)閥門(mén)、濾器、換熱器回至滑油箱；電動(dòng)調(diào)節(jié)閥門(mén)用于調(diào)節(jié)供/回油泵后滑油壓力；供油泵出口設(shè)有一單向支路供運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)潤(rùn)滑滑油泵；整個(gè)試驗(yàn)期間外置泵持續(xù)工作，當(dāng)供油泵后壓力高于外置泵后壓力時(shí)則由供油泵提供潤(rùn)滑，該設(shè)計(jì)可始終保持潤(rùn)滑滑油泵的壓力不小于外置泵后壓力，以滿足滑油泵正常運(yùn)行要求。

1—供油泵；2—回油泵；3—滑油箱；4—外置泵；5—Y型濾器；6—流量計(jì)；7—潤(rùn)滑滑油泵壓力傳感器；8—回油泵出口壓力傳感器； 9—回油泵出口溫度傳感器；10—回油泵后電動(dòng)閥門(mén)；11—換熱器；12—過(guò)濾器；13—供油泵出口溫度傳感器；14—供油泵出口壓力傳感器；15—供油泵后電動(dòng)閥門(mén)。圖4 滑油系統(tǒng)

1.4 測(cè)控系統(tǒng)

為滿足滑油泵耐久性試驗(yàn)要求，設(shè)計(jì)了一套測(cè)控系統(tǒng)，主要具備以下功能：各模塊間相互通訊，包括上位機(jī)、PLC程序；實(shí)時(shí)采集、顯示和存儲(chǔ)流量、轉(zhuǎn)速、壓力、溫度等參數(shù)并提供查詢與打印功能；根據(jù)試驗(yàn)要求自動(dòng)加載控制變頻電機(jī)、電動(dòng)閥門(mén)開(kāi)度。

PLC是以微處理器為核心的數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)裝置，與常規(guī)繼電器組成的控制系統(tǒng)相比，在系統(tǒng)中減少了大量中間繼電器和時(shí)間繼電器，使控制系統(tǒng)大大簡(jiǎn)化[5]。因其具有編程簡(jiǎn)單、抗干擾強(qiáng)、軟硬件齊全、硬件接線少、通用性強(qiáng)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各工業(yè)控制領(lǐng)域，包括燃?xì)廨啓C(jī)試驗(yàn)[6-8]。LabVIEW是使用較為廣泛的虛擬儀器，用于開(kāi)發(fā)上位機(jī)程序，具有編程簡(jiǎn)單、直觀、開(kāi)發(fā)效率高等特點(diǎn)，已應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)多個(gè)方向試驗(yàn)測(cè)控領(lǐng)域[9-11]。因此，基于LabVIEW和PLC開(kāi)發(fā)了本滑油泵試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)，其基本組成如圖5所示，工作原理如下：上位機(jī)程序提供人機(jī)交互界面，與PLC、變頻電機(jī)控制器協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)臺(tái)的自動(dòng)控制；試驗(yàn)人員在上位機(jī)程序中選擇試驗(yàn)內(nèi)容后，程序?qū)⒃囼?yàn)圖譜的工況順序轉(zhuǎn)化為試驗(yàn)時(shí)序在PLC程序內(nèi)執(zhí)行；PLC實(shí)時(shí)采集傳感器信號(hào)并傳輸至上位機(jī)進(jìn)行顯示；當(dāng)進(jìn)行變工況時(shí)，PLC將加載參數(shù)變化指令發(fā)送給變頻電機(jī)控制器和供/回油泵后的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥門(mén)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速、供/回油泵后滑油壓力控制。

圖5 測(cè)控系統(tǒng)軟件組成

2 驗(yàn)證及應(yīng)用

為了驗(yàn)證研制的試驗(yàn)臺(tái)能否滿足滑油泵耐久性試驗(yàn)考核，進(jìn)行了試驗(yàn)運(yùn)行。經(jīng)試驗(yàn)表明各項(xiàng)數(shù)據(jù)均滿足試驗(yàn)要求，單個(gè)圖譜運(yùn)轉(zhuǎn)周期內(nèi)各參數(shù)變化如圖6所示。其中變工況過(guò)程中供/回油泵出口壓力突變是因?yàn)樵O(shè)計(jì)的控制邏輯為：在工況運(yùn)行時(shí)間結(jié)束后，電動(dòng)閥門(mén)位置全開(kāi)；當(dāng)轉(zhuǎn)速到達(dá)下一工況后，調(diào)節(jié)電動(dòng)閥門(mén)位置，使得出口壓力滿足試驗(yàn)要求。

(a) 轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化

目前，該套燃?xì)廨啓C(jī)滑油泵耐久性試驗(yàn)臺(tái)已無(wú)故障運(yùn)行累計(jì)約2 000 h，進(jìn)一步說(shuō)明了該套試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，能完成燃?xì)廨啓C(jī)滑油泵單部件耐久性考核試驗(yàn)任務(wù)。

3 結(jié)論

因使用燃?xì)廨啓C(jī)作為動(dòng)力源進(jìn)行滑油泵耐久性試驗(yàn)成本太高，且受安裝、管路布置等因素影響，無(wú)法獲取更多反映滑油泵能力的運(yùn)行參數(shù)，而現(xiàn)有的滑油泵性能試驗(yàn)臺(tái)又存在手動(dòng)操作不便，且無(wú)法同時(shí)完成5個(gè)滑油子泵流量測(cè)試，因此研制了一套燃?xì)廨啓C(jī)滑油泵耐久性試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證應(yīng)用，得出以下結(jié)論：

(1) 滑油泵安裝及被驅(qū)動(dòng)方式基本與它裝配在燃?xì)廨啓C(jī)上狀態(tài)相同；

(2) 設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及滑油系統(tǒng)滿足滑油泵各子泵流量試驗(yàn)、運(yùn)行要求；

(3) 基于LabVIEW和PLC實(shí)現(xiàn)的測(cè)控系統(tǒng)，具備自動(dòng)控制、數(shù)據(jù)采集、記錄等功能，運(yùn)行穩(wěn)定可靠；

(4) 長(zhǎng)時(shí)間無(wú)故障運(yùn)行，進(jìn)一步說(shuō)明了該試驗(yàn)臺(tái)滿足滑油泵耐久性考核試驗(yàn)，滿足任務(wù)需求。

該試驗(yàn)臺(tái)的成功應(yīng)用為燃?xì)廨啓C(jī)滑油泵改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了重要的試驗(yàn)支撐，同時(shí)也為其他相似的泵類試驗(yàn)提供借鑒參考。