張翔,周燕飛,夏天,包磊,王立超,房連強
(南京航空航天大學 機電學院,江蘇 南京 210016)
液壓馬達是液壓系統(tǒng)重要的動力元件,它將系統(tǒng)壓力能轉(zhuǎn)化為機械能,輸出旋轉(zhuǎn)運動,具備在較寬的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)工作的能力[1-2]。泵和液壓馬達作為液壓系統(tǒng)中至關(guān)重要的設(shè)備,其性能的好壞直接決定著整個系統(tǒng)的工作狀況。
目前,國內(nèi)許多科研院所與相關(guān)企業(yè),為開展科學研究、教學演示或生產(chǎn)需要,配備有液壓馬達測試系統(tǒng)或其他液壓測試系統(tǒng)。經(jīng)過多年的探索,液壓測試系統(tǒng)研究呈現(xiàn)出一些顯著特征,主要表現(xiàn)為系統(tǒng)設(shè)計與計算機技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)相結(jié)合,虛擬儀器技術(shù)大量應(yīng)用于系統(tǒng)的測量與控制,系統(tǒng)自動化程度和控制水平不斷提高,系統(tǒng)設(shè)計更加注重功率回收、節(jié)能環(huán)保等[3-5]。液壓伺服系統(tǒng)[6]、液壓CAT涉及液壓、自動化、微型計算機、測試技術(shù)、數(shù)字信號處理等多學科理論與技術(shù),也是國內(nèi)發(fā)展方向[7]。相比國內(nèi)而言,國外液壓測試試驗臺的設(shè)計與研究工作開展較早,且液壓測試系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是綜合運用計算機技術(shù)、傳感器技術(shù)、比例控制技術(shù)、集成插裝技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)及新的可靠性理論、現(xiàn)代控制理論等相關(guān)技術(shù),不斷提高試驗臺系統(tǒng)性能,節(jié)約能源,提高環(huán)保水平,開展綜合應(yīng)用研究[8]。
液壓馬達的測試,是在液壓馬達出廠前必須對其進行的性能檢測,要保證其轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩符合標準的要求。很多液壓馬達的使用工況復雜、環(huán)境惡劣,損耗很大,因此,須定期對液壓馬達進行性能檢測。液壓泵和液壓馬達試驗系統(tǒng)是檢驗這些重要元件的測試裝置,它的測試結(jié)果對液壓系統(tǒng)的工作性能有巨大的影響。
傳統(tǒng)的液壓馬達測試系統(tǒng),占用空間大,組成部分多,如果檢測多種類型的液壓馬達而只配備一種實驗臺是很難實現(xiàn)的。不同的馬達配備不同的實驗臺,會造成很大的資源浪費。不同的實驗臺有很多共同點,關(guān)鍵是要找出其共性[9-10]。因此,通用測試系統(tǒng)研究,構(gòu)建液壓馬達維修測試平臺,為企業(yè)創(chuàng)造出廠及維修所需的液壓馬達性能測試的設(shè)備與條件,具有重要的實際意義。
本實驗測試系統(tǒng)以現(xiàn)有液壓馬達測試臺為研究基礎(chǔ)進行分析與設(shè)計,主要由1套液壓源(動力系統(tǒng))、操作臺、試驗臺架及液壓管路組成。
1) 電機泵組
電機泵組為油源的核心部分,油泵選用定量柱塞泵,流量為500mL/min,耐壓可達35MPa,低噪聲、壓力脈動小、效率高,耐氣穴、吸油壓降和殼體壓力峰值的能力強。
電機選用西門子變頻電機,電機和泵安裝鐘形護罩,保證電機與泵連接的同軸性,同時鐘形護罩將電機與泵的連接軸及聯(lián)軸器罩住,具有隔音、防塵的功能。
2) 底座
底座用于安裝電機泵組及油箱,底部由槽鋼焊接組成框架,配備地腳螺栓安裝孔及方斜墊圈;上部鋪有鋼板,作為安裝底面并兼有接油盤的功能,結(jié)構(gòu)牢靠且外形簡潔大方。外表面采用整體噴漆,耐油性好。
3) 控制系統(tǒng)原理
控制系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu),從層次上分為2層。
第1層為試驗管理層,它通過上位計算機完成操作員對試驗的進程控制,并通過高速數(shù)據(jù)傳輸模塊完成上下層之間的數(shù)據(jù)通信。
第2層為實時控制層,它通過底層DSP完成包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)字閉環(huán)控制、速度超限處理等功能,以滿足系統(tǒng)對反饋信號采樣的精度要求;同時發(fā)揮了嵌入系統(tǒng)實時性好,處理速度快的特點。信號采樣、模數(shù)轉(zhuǎn)換及常規(guī)的PID控制算法直接在下位機的DSP上完成。
圖1所示為控制系統(tǒng)原理圖。
圖1 控制系統(tǒng)原理框圖
設(shè)備操作采用“手動”與“自動”兩種方式。“手動”方式通過“手柄操控,儀表顯示”實現(xiàn)逐級分步試驗,用于產(chǎn)品的初次驗證;“自動”方式采用“PLC+計算機”程序控制,實現(xiàn)一鍵式完成所需檢測的各項指標,并對檢測進行記錄、存盤與打印,用于產(chǎn)品的批量化驗證。兩種控制方式相互驗證設(shè)備的精度,更可靠地對產(chǎn)品進行精度測試,其中通用性體現(xiàn)在實驗臺支架的連接部位、轉(zhuǎn)速扭矩儀的升降,整個實驗臺的負載功率可以滿足待測馬達的檢測指標。圖2是液壓系統(tǒng)原理圖。
1—柱塞泵;2—變頻電機;3—空氣濾清器;4—單向閥;5—比例溢流閥;6—蓄能器;7—流量計;8—多路球閥;9—液控換向閥;10—電液伺服閥;11—壓力傳感器;12—試驗件;13—扭矩轉(zhuǎn)速儀;14—柱塞馬達。圖2 液壓系統(tǒng)工作原理圖
a) 待測液壓馬達的選擇
為了實現(xiàn)試驗臺的通用性,每一種類型的液壓馬達都有其規(guī)定的檢測標準和方法,而由于液壓馬達大致分為齒輪馬達、葉片馬達、柱塞馬達、擺線馬達等幾大類別,故在這4種液壓馬達中分別選取2種同系列馬達。選擇同系列中參數(shù)相差較大的液壓馬達,建立的負載系統(tǒng)如果能滿足這些液壓馬達的要求,那么待測液壓馬達在這些系列的參數(shù)范圍內(nèi),也能夠保證實驗臺的適用性,在一定程度上,擴大了實驗臺的通用性,但缺點是在構(gòu)建系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和選定負載泵時需要花費更多的時間。表1為液壓馬達選型表。
表1 液壓馬達選型表
b) 負載泵的選擇
所選擇的液壓馬達的主要參數(shù)是轉(zhuǎn)速和排量。由于這些液壓馬達的主要參數(shù)差異較大,故在此根據(jù)所選液壓馬達中的YMC-30為待測馬達,選定負載泵。其公稱排量為224mL/r,最高轉(zhuǎn)速為200r/min,其流量為44.8L/min,故選定負載泵為型號為PPED-4131037/016的柱銷式葉片泵,其主要參數(shù)為排量:前泵36.6mL/r,后泵16.5mL/r;額定壓力為前泵21MPa,后泵21MPa,輸出流量為前泵45L/min,后泵16L/min,驅(qū)動功率為22kW,10kW,轉(zhuǎn)速范圍為80~2500r/min。
c) 轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩儀的選擇
選擇NJ型扭矩轉(zhuǎn)速傳感器,該轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器是一種廣泛應(yīng)用于機械領(lǐng)域中的用來測量各種動力機械轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的高精密測量儀器。其測速工作原理圖如圖3所示。
圖3 測速原理圖
通過弾性軸以及分布在兩側(cè)的兩組電磁傳感器將被測轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成具有相位差的兩組交流電信號,把這兩組交流電信號送入測量儀計算機,即可得到轉(zhuǎn)矩。
選擇NJ1型轉(zhuǎn)速扭矩儀,其額定扭矩為300N·m,使用轉(zhuǎn)速范圍為0~6000r/min,該扭矩儀在超載≤120%額定轉(zhuǎn)矩時,仍然能保證轉(zhuǎn)矩測量精度。
a) 固定支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計
因為試驗臺架要安裝不同類型的液壓馬達,而液壓馬達的型號不同接口也不同。為了便于液壓馬達的安裝,設(shè)計了一種通用性更高、可替換的連接過渡件,解決了上述問題(圖4、圖5)。
圖4 固定支架
圖5 連接過渡件
b)轉(zhuǎn)速扭矩儀升降臺的設(shè)計
因為每一種類型的馬達對應(yīng)相應(yīng)負載的液壓泵,也要有相應(yīng)規(guī)格的轉(zhuǎn)速扭矩儀與之配合工作。不同類型的轉(zhuǎn)速扭矩儀外形尺寸有區(qū)別,需要設(shè)計升降臺來滿足它與液壓馬達之間的空間距離差。圖6是轉(zhuǎn)速扭矩儀升降臺的三維圖。
圖6 升降臺
c) 負載系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計
負載系統(tǒng)在實驗臺中起著模擬實際工況負載的作用,給液壓馬達施加負載可以更真實地檢測其性能。本實驗臺改進了原有負載系統(tǒng)的負載泵連接部位,改進了油箱,優(yōu)化油路管路,給測試帶來方便(圖7)。
圖7 負載系統(tǒng)設(shè)計圖
1) 油箱設(shè)計
油箱容積的確定:液壓系統(tǒng)工作時,液面保持一定的高度。為了保證溶解在液壓油中空氣的逸出,留出液壓油容量1/5的空間。對于管路較長的系統(tǒng),油箱最高液面不超過油箱高度的80%。
流量估算:油箱容積是運轉(zhuǎn)容量、回流容量、預備容積及空容積之和。液壓泵的流量估算容積為V,經(jīng)驗公式為:V=εQ,其中:ε為經(jīng)驗系數(shù),低壓取2~4,中壓取5~7,高壓取10~12。本液壓系統(tǒng),選取經(jīng)驗系數(shù)為6,排量取液壓馬達排量最大值為320mL/r,轉(zhuǎn)速為200r/min,Q=64L/min,V=384L??紤]到預留容積,故取V=500L為主油箱容積[12]。
油箱結(jié)構(gòu)設(shè)計:選用閉式油箱結(jié)構(gòu),油箱接口采用密封圈密封。油箱由箱體、液位液溫計、空氣過濾器、吸回油過濾器、放油口、加油口等組成。
式中:qv為管道內(nèi)的流量;V為管內(nèi)許用流量,壓油管路取3~6m/s;
取V=4L/s,qv為116L/min,計算得:
取壓油管內(nèi)徑為6mm,膠管外徑為15mm。
2) 電機泵組的選擇
液壓泵工作壓力的確定:Pp≥P1+∑ΔP,P1是液壓執(zhí)行元件的最高工作壓力,在所設(shè)計的液壓回路中為液壓馬達的最高壓力。其中P1=12MPa,∑ΔP是泵到執(zhí)行元件間總的管路損失,中間經(jīng)過了4個單向閥,取∑ΔP=0.6MPa,所以液壓泵的工作壓力為:
Pp=12+0.6=12.6MPa。
選用PPED-4131037/1022雙聯(lián)型葉片泵為負載泵,當壓力為12.6MPa時,大泵流量為45L/min,小泵流量為23L/min。大泵的供油壓力為12.6MPa,小泵的供油壓力為12.6MPa。取泵的總效率ηp=0.8,泵的總驅(qū)動功率為:
(12.6×106×45+12.6×106×23)/103×0.8×60×103=17.85kW。
考慮到電機允許短時間超載25%,P=17.85÷1.25=14.28kW。根據(jù)機械設(shè)計手冊,選擇15kW的電動機,型號為Y180L-6型。
d) 其他液壓元件的選用
1) 單向閥。根據(jù)液壓馬達測試臺額定流量為116L/min,選取單向閥型號為DXF20-G,參數(shù)為:通徑20mm,流量130L/min,長度98mm,六方S45,螺紋直徑M33×2,螺紋深度18mm。
2) 溢流閥。根據(jù)液壓馬達測試臺調(diào)壓范圍為0~28MPa,故選取溢流閥型號為YF-F32H4,連接方式為法蘭連接,質(zhì)量為14kg,長度為50mm,流量為200L/min,調(diào)壓范圍16~32MPa。溢流閥YF-F32H2,連接方式為法蘭連接,質(zhì)量為7kg,長度為32mm,流量為200L/min,調(diào)壓范圍為4~16MPa。
式中:A為冷卻器冷卻面積;Nh為液壓系統(tǒng)發(fā)熱量;Nhd為液壓系統(tǒng)散熱量;K為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。
式中:T1、T2為進口和出口油溫(℃);T3、T4為進口和出口的水溫(℃)。
Nh=Np(1-ηC)
式中:Np為輸入泵的功率,W;ηC為系統(tǒng)的總效率。
Nhd=K1AΔt
式中:K1為油箱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù);A為油箱散熱面積;Δt為油溫與環(huán)境溫度之差。
取K1為20,A為1,Δt為40,計算得Nhd=800W;
取ηC=0.5,Np=12kW,計算得Nh=6000 W;
T1、T2分別為60℃、65℃,T3、T4分別為25℃、65℃,計算得ΔTav=17.5℃,代入得A=1.75m2。
根據(jù)液壓馬達實驗臺的調(diào)壓范圍以及額定流量,選擇型號為2LQFWX型冷卻器型號為A2.1F,其散熱效果好,能夠有效地避免油溫過高。
4) 濾油器。選擇U-H250高壓濾油器。高壓濾油器主要用于保護泵下游元件不受污染。
通用型液壓馬達試驗臺具有測試范圍廣、 自動化程度高、操作方便、測試準確等優(yōu)點,可以測試多種類型不同規(guī)格的液壓馬達。通過對YMC-30A液壓馬達實驗臺的試驗臺架、負載系統(tǒng)、油箱及管路的改進設(shè)計,可以實現(xiàn)對不同類型馬達的測試。試驗臺架設(shè)計了過渡件,方便液壓馬達與支架之間的連接。轉(zhuǎn)速扭矩儀下方安裝有可移動升降臺,可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速扭矩儀的上下高度,一種類型的液壓馬達就要配備相應(yīng)規(guī)格的負載泵,依據(jù)標準和使用量程對油箱進行設(shè)計。通過這樣一套基于原有實驗臺的改進結(jié)構(gòu),可以滿足對多種類型馬達的測試??刂撇糠峙c改進后的實驗臺結(jié)合,系統(tǒng)采用電磁比例溢流閥和比例泵,計算機輔助測試技術(shù) CAT(computer aided test)的應(yīng)用,為實現(xiàn)液壓馬達的高效準確測試帶來極大的便利。