四象限液壓泵綜合測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)的開(kāi)發(fā)

張煜，陳宗斌，廖健

(1.海軍工程大學(xué)振動(dòng)與噪聲研究所，湖北武漢 430033；2.海軍工程大學(xué)船舶振動(dòng)噪聲國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430033)

0 前言

液壓變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)具有作動(dòng)效率高、節(jié)能降噪等優(yōu)勢(shì)，逐漸應(yīng)用于各領(lǐng)域。如在飛機(jī)、船舶等作動(dòng)領(lǐng)域應(yīng)用了變頻驅(qū)動(dòng)閉式液壓系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)閥控作動(dòng)系統(tǒng)發(fā)熱嚴(yán)重、振動(dòng)噪聲大等問(wèn)題。不同于傳統(tǒng)閥控液壓系統(tǒng)，液壓變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的液壓泵既可作為泵為系統(tǒng)提供動(dòng)力，又能作為馬達(dá)將多余的機(jī)械能帶動(dòng)電機(jī)發(fā)電而轉(zhuǎn)換成電能，并反饋給電源網(wǎng)絡(luò)回收或制動(dòng)電阻消耗。因此，液壓變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的液壓泵需具有四象限運(yùn)行能力。目前，市場(chǎng)上可供選擇的低噪聲液壓泵較多，如SETTIMA的轉(zhuǎn)子泵，但由于高低壓油口不能互換，導(dǎo)致它不具備四象限運(yùn)行能力。為適應(yīng)變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，國(guó)外已研發(fā)出具備四象限運(yùn)行能力的低噪聲內(nèi)嚙合齒輪泵，如ECKERLE公司研發(fā)的具備雙向補(bǔ)償能力的漸開(kāi)線型齒輪泵，但該泵不在我國(guó)境內(nèi)銷售。因此，迫切需要開(kāi)展具備四象限運(yùn)行能力的液壓泵研究。

液壓泵性能測(cè)試臺(tái)是支撐四象限泵研發(fā)的關(guān)鍵試驗(yàn)平臺(tái)，市面上現(xiàn)有試驗(yàn)臺(tái)僅能滿足單一象限的測(cè)試功能，若要完成四象限全工況測(cè)試，至少需拆裝2至3次，極大地降低了研發(fā)效率。此外，在樣機(jī)基本性能滿足要求的基礎(chǔ)上，還需開(kāi)展液壓沖擊、抗污染度等綜合性能試驗(yàn)。因此，急需結(jié)合四象限液壓泵的開(kāi)發(fā)需求，彌補(bǔ)市場(chǎng)空缺，針對(duì)性設(shè)計(jì)液壓泵綜合性能試驗(yàn)臺(tái)，以開(kāi)展樣機(jī)四象限運(yùn)行工況內(nèi)的容積效率、機(jī)械效率、壓力脈動(dòng)等實(shí)際性能測(cè)試，以及沖擊載荷下的耐久性測(cè)試等試驗(yàn)。

為滿足四象限液壓泵綜合測(cè)試需求，本文作者設(shè)計(jì)由補(bǔ)油回路和測(cè)試回路兩大部分組成的試驗(yàn)臺(tái)。以PLC為中央控制器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與控制，將工控機(jī)作為上位機(jī)進(jìn)行人機(jī)交互；工控機(jī)和PLC通過(guò)以太網(wǎng)通信，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)通信；上位機(jī)設(shè)計(jì)有數(shù)據(jù)保存、性能曲線繪制以及測(cè)試報(bào)表自動(dòng)輸出等功能，實(shí)現(xiàn)安裝一次，可快速開(kāi)展四象限液壓泵所有工況測(cè)試試驗(yàn)，提高液壓泵的測(cè)試效率，有力支撐四象限液壓泵的研究。

1 試驗(yàn)臺(tái)的原理設(shè)計(jì)

1.1 測(cè)試需求分析

某型四象限液壓泵典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由主動(dòng)齒輪、從動(dòng)齒圈以及浮動(dòng)的月牙塊組成。以順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為例，當(dāng)它處于泵模式時(shí)，油口A處于高壓，油口B處于低壓，高壓油進(jìn)入浮動(dòng)月牙塊中間區(qū)域，將月牙塊分別壓向主動(dòng)齒輪和從動(dòng)齒圈，實(shí)現(xiàn)間隙自動(dòng)補(bǔ)償。當(dāng)它處于馬達(dá)模式時(shí)，高壓油從油腔A進(jìn)入，推動(dòng)齒輪齒圈順時(shí)針嚙合轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)外輸出功。高壓油進(jìn)入浮動(dòng)月牙塊中間區(qū)域，將月牙塊分別壓向主動(dòng)齒輪和從動(dòng)齒圈，也可實(shí)現(xiàn)間隙自動(dòng)補(bǔ)償。當(dāng)它逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，B腔始終為高壓腔，高壓油進(jìn)入月牙板右側(cè)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)間隙自動(dòng)補(bǔ)充。因此，以油液壓差為橫坐標(biāo)，轉(zhuǎn)速為縱坐標(biāo)，得到如圖2所示的坐標(biāo)系，四象限液壓泵即可在該坐標(biāo)系4個(gè)象限內(nèi)運(yùn)行。當(dāng)工作在一、三象限時(shí)，處于泵模式，即輸出高壓動(dòng)力油，液壓系統(tǒng)對(duì)外界做正功；當(dāng)工作在二、四象限時(shí)，處于馬達(dá)模式，引入高壓動(dòng)力油，消耗外界功，主軸對(duì)外輸功。圖1所示內(nèi)嚙合齒輪泵即為四象限內(nèi)嚙合齒輪泵，各工況下該泵月牙板均可引入高壓油，實(shí)現(xiàn)壓力的自適應(yīng)補(bǔ)償，具有容積效率高的優(yōu)勢(shì)。

圖1 四象限液壓泵典型結(jié)構(gòu) 圖2 四象限液壓泵工作模式

根據(jù)實(shí)際研發(fā)需要，結(jié)合上述四象限泵的工作原理，總結(jié)試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試工況需求如下：

(1)液壓泵基本性能測(cè)試，包括轉(zhuǎn)速、流量、扭矩以及壓力等參數(shù)的調(diào)節(jié)及數(shù)據(jù)采集，以得出液壓泵容積效率、機(jī)械效率、總效率以及運(yùn)行邊界等；

(2)液壓馬達(dá)基本性能測(cè)試，包括高壓輸入油流量、壓力及輸出扭矩等參數(shù)的調(diào)節(jié)及數(shù)據(jù)采集，以得出液壓馬達(dá)的效率、運(yùn)行邊界等參數(shù)；

(3)液壓沖擊測(cè)試，通過(guò)給定泵出口液壓負(fù)載沖擊，測(cè)試液壓泵的可靠性；

(4)抗污染度測(cè)試，調(diào)整油液污染度，測(cè)試不同油液污染等級(jí)下泵的可靠性差異，得出液壓泵最低允許油液污染度等級(jí)；

(5)其他液壓泵工況邊界特性測(cè)試，如油溫、轉(zhuǎn)速等對(duì)性能影響的測(cè)試。

上述所有測(cè)試，需具備滿足一次安裝即可開(kāi)展所有項(xiàng)目測(cè)試的能力，以提升測(cè)試效率。

1.2 測(cè)試回路設(shè)計(jì)

根據(jù)上述測(cè)試需求，測(cè)試工況變化范圍大，測(cè)試項(xiàng)目繁多，因此在試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)中重點(diǎn)考慮以下問(wèn)題：

(1)單獨(dú)設(shè)計(jì)補(bǔ)油回路，防止大范圍工況調(diào)節(jié)時(shí)液壓泵吸油不足；

(2)增設(shè)油液冷卻和加熱裝置，便于油溫的定量控制；

(3)利用橋式回路實(shí)現(xiàn)泵或馬達(dá)測(cè)試工況下的油口調(diào)換，達(dá)到一次安裝完成所有測(cè)試的目的；

(4)采取電控和手動(dòng)相結(jié)合的手段，提高試驗(yàn)臺(tái)的運(yùn)行可靠性，如橋式回路轉(zhuǎn)換手動(dòng)調(diào)節(jié)，負(fù)載沖擊和轉(zhuǎn)速調(diào)整通過(guò)電控實(shí)現(xiàn)；

(5)充分發(fā)揮變頻調(diào)速電機(jī)的電控和信號(hào)反饋優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速、扭矩等關(guān)鍵參數(shù)的自采集，避免額外安裝扭矩儀、轉(zhuǎn)速表等，簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

最終，設(shè)計(jì)的測(cè)試臺(tái)系統(tǒng)液壓原理如圖3所示。

圖3 四象限液壓泵綜合性能試驗(yàn)臺(tái)原理

測(cè)試臺(tái)通過(guò)球閥25.1、25.2、25.5、25.6、25.7的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，以及對(duì)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向控制來(lái)完成不同工況、不同項(xiàng)目的測(cè)試試驗(yàn)。不同試驗(yàn)?zāi)Ｊ綄?duì)應(yīng)的球閥開(kāi)閉狀態(tài)如表1所示。

表1 試驗(yàn)?zāi)Ｊ脚c球閥開(kāi)閉狀態(tài)對(duì)應(yīng)關(guān)系

試驗(yàn)時(shí)，球閥25.3、球閥25.4不能同時(shí)處于關(guān)閉狀態(tài)，必須在電機(jī)啟動(dòng)前確認(rèn)各球閥狀態(tài)。此外，不同試驗(yàn)?zāi)Ｊ较拢欧姍C(jī)和補(bǔ)油電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)不同，也需一一對(duì)應(yīng)。具體工作過(guò)程如下：

泵正向性能試驗(yàn)主要測(cè)試液壓泵正向綜合性能，如容積效率、機(jī)械效率等，此時(shí)比例電磁溢流閥13得電工作，調(diào)節(jié)其設(shè)定值至控制液壓泵工作負(fù)載，調(diào)整伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速改變測(cè)試泵運(yùn)行轉(zhuǎn)速范圍，必要時(shí)可開(kāi)啟閥6和閥7，調(diào)整減壓閥6和比例節(jié)流閥7至合適值以實(shí)現(xiàn)吸油口的補(bǔ)油，防止高轉(zhuǎn)速下液壓泵的吸油不足。球閥25.3和球閥25.4用于選擇不同量程的流量計(jì)，實(shí)現(xiàn)大范圍高精度流量的準(zhǔn)確測(cè)定。

泵反向性能試驗(yàn)與正向吸油試驗(yàn)工作原理一致，此時(shí)需開(kāi)啟球閥25.1，關(guān)閉閥25.2，同時(shí)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)向也由順時(shí)針調(diào)整為逆時(shí)針。

馬達(dá)性能試驗(yàn)主要用于測(cè)試馬達(dá)的轉(zhuǎn)化效率、輸出扭矩等，此時(shí)球閥25.6、球閥25.7開(kāi)啟，球閥25.5關(guān)閉，其中正向性能試驗(yàn)時(shí)，球閥25.2開(kāi)啟，球閥25.1關(guān)閉。反向性能試驗(yàn)時(shí)，球閥25.1開(kāi)啟，閥25.2關(guān)閉。試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)減壓閥6設(shè)定泵入口處油液壓力，比例節(jié)流閥7設(shè)定馬達(dá)進(jìn)油口流量。馬達(dá)制動(dòng)扭矩值通過(guò)伺服電機(jī)的發(fā)電機(jī)工作模式給定，能量通過(guò)伺服電機(jī)制動(dòng)電阻消耗。

液壓泵負(fù)載沖擊試驗(yàn)主要是通過(guò)給定負(fù)載沖擊，模擬檢驗(yàn)長(zhǎng)時(shí)間工作的可靠性。正向沖擊試驗(yàn)時(shí)，電磁溢流閥13得電，設(shè)定好沖擊壓力值，通過(guò)上位機(jī)給定間歇得、失電信號(hào)，通過(guò)溢流閥不斷通斷完成沖擊試驗(yàn)。反向沖擊試驗(yàn)時(shí)，調(diào)定電磁溢流閥11，同時(shí)球閥狀態(tài)參考性能試驗(yàn)狀態(tài)調(diào)定。

回路中安裝油質(zhì)監(jiān)測(cè)傳感器，通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)速閥16的開(kāi)口大小，滿足油質(zhì)檢測(cè)儀17的流量需求，通過(guò)油質(zhì)檢測(cè)儀對(duì)油液的采集完成對(duì)系統(tǒng)油液污染程度的分析。向油液中添加不同程度的磨粒，模擬油液清潔度狀態(tài)，以完成不同清潔度下的可靠性檢測(cè)。

由于液壓泵/馬達(dá)的試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，油溫易變化，設(shè)有加熱器、風(fēng)冷散熱器和溫度傳感器，通過(guò)控制加熱器和風(fēng)冷散熱器的啟閉來(lái)保持油溫恒定。

1.3 電控原理設(shè)計(jì)

試驗(yàn)臺(tái)中的電控元件較多，如伺服電機(jī)、比例溢流閥、加熱器等，還涉及流量、壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、扭矩等眾多信號(hào)的采集。因此，采用工控機(jī)作為上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，反饋實(shí)時(shí)信號(hào)，傳遞給定指令；下位機(jī)采用PLC控制。構(gòu)建的控制系統(tǒng)基本原理如圖4所示。通過(guò)工控機(jī)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互和信息的采集、存儲(chǔ)。工控機(jī)作為測(cè)試系統(tǒng)的上位機(jī)，接收下位機(jī)的數(shù)據(jù)信號(hào)，以數(shù)字、虛擬儀表等形式顯示給試驗(yàn)人員，同時(shí)試驗(yàn)人員通過(guò)工控機(jī)發(fā)送控制信號(hào)(比例溢流閥壓力信號(hào)、電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)等)至下位機(jī)，控制測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。

圖4 控制系統(tǒng)原理

測(cè)試控制系統(tǒng)使用PLC控制器、伺服驅(qū)動(dòng)器和數(shù)字量、模擬量采集模塊與以太網(wǎng)通信模塊組成測(cè)試系統(tǒng)下位機(jī)，主要用于伺服電機(jī)控制、液壓系統(tǒng)傳感器數(shù)據(jù)采集與處理以及與上位機(jī)數(shù)據(jù)通信等。

2 工程關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械設(shè)計(jì)

試驗(yàn)臺(tái)的機(jī)械設(shè)計(jì)是首要任務(wù)，也是決定試驗(yàn)臺(tái)美觀、使用便利性的關(guān)鍵。為保證試驗(yàn)臺(tái)的可靠、美觀，設(shè)計(jì)中主要注重以下幾個(gè)方面：

(1)利于被測(cè)泵的安裝更換。傳統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)僅針對(duì)某一類型泵測(cè)試，接口固定，而該試驗(yàn)臺(tái)可能用于5～70 mL/r各種排量等級(jí)，10～32 MPa各種壓力等級(jí)的泵測(cè)試，存在安裝接口、管路接口等不一致情形，因此設(shè)計(jì)單獨(dú)的測(cè)試間、活動(dòng)安裝位、可變徑管路接口，便于后期測(cè)試不同類型的泵。

(2)采取機(jī)械減振措施。整個(gè)測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)采用一體化設(shè)計(jì)，底部利用橡膠彈性墊降低系統(tǒng)對(duì)周圍環(huán)境的影響。此外，對(duì)于加載電機(jī)和泵通過(guò)減振器與試驗(yàn)臺(tái)側(cè)加強(qiáng)筋固定，管路出口采用軟管，降低振動(dòng)傳遞。

(3)結(jié)構(gòu)緊湊，合理布局。高流量，大范圍測(cè)試工況導(dǎo)致一般試驗(yàn)臺(tái)(油箱和試驗(yàn)基座)占地面積和空間巨大，為節(jié)省空間，采用油箱下置的集成化設(shè)計(jì)，管路連接考慮采用耐高壓鋼管，防止沖擊試驗(yàn)對(duì)軟管造成破壞。

(4)便于后期維護(hù)和管理。液壓設(shè)備漏油或滴油是維護(hù)的痛點(diǎn)，為防止試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行或拆檢時(shí)油液滴漏，在試驗(yàn)臺(tái)底部設(shè)有整體接油盤，以防止油液污染實(shí)驗(yàn)室地面。此外，油箱位于液壓泵操作測(cè)試間底部，拆卸后油液可在過(guò)濾后直接回到油箱底部，減少油液灑落和損耗。

最終設(shè)計(jì)得到的試驗(yàn)臺(tái)三維結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)臺(tái)三維設(shè)計(jì)圖

2.2 電氣設(shè)計(jì)

根據(jù)試驗(yàn)臺(tái)的功能設(shè)計(jì)需求，選用西門子S7-300高性能集成式的控制器，模擬量、數(shù)字量輸入輸出模塊預(yù)留一定通道,方便后續(xù)擴(kuò)展。電氣設(shè)計(jì)上，主要注重以下細(xì)節(jié)：

(1)具備報(bào)警保護(hù)和急停功能。結(jié)合機(jī)械設(shè)計(jì)，在試驗(yàn)臺(tái)頂部安裝聲光報(bào)警燈，此外設(shè)置急停按鈕，緊急情況下可直接通過(guò)急停按鈕一鍵斷電。

(2)實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的閉環(huán)控制。由于選用伺服電機(jī)，轉(zhuǎn)速和扭矩均通過(guò)伺服電機(jī)通信反饋給定，因此需對(duì)伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速控制，通過(guò)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速、扭矩閉環(huán)實(shí)現(xiàn)被測(cè)泵的穩(wěn)定控制。

(3)具備本地控制和計(jì)算機(jī)控制功能。通過(guò)PLC S7-300使所有的溫度、壓力、流量等信號(hào)在工控機(jī)界面上顯示，根據(jù)狀態(tài)信號(hào)可實(shí)現(xiàn)工控機(jī)自動(dòng)控制，也可在機(jī)旁操作。

圖6 控制系統(tǒng)實(shí)物

2.3 軟件設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)下位機(jī)以PLC為控制核心，實(shí)現(xiàn)各種電動(dòng)設(shè)備的自動(dòng)控制，保證設(shè)備的可靠運(yùn)行。下位機(jī)軟件在Step7環(huán)境下用梯形圖語(yǔ)言開(kāi)發(fā)。上位機(jī)軟件以LabVIEW為開(kāi)發(fā)平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。上位機(jī)軟件界面如圖7所示。

圖7 試驗(yàn)臺(tái)人機(jī)交互界面

試驗(yàn)人員通過(guò)軟件界面完成不同類型的試驗(yàn)和性能數(shù)據(jù)的記錄、查看等。控制軟件界面分為兩大部分，左側(cè)是參數(shù)設(shè)定和記錄區(qū)，右側(cè)是運(yùn)行狀態(tài)顯示區(qū)，提示各閥件開(kāi)關(guān)狀態(tài)，實(shí)時(shí)顯示回路各處運(yùn)行數(shù)據(jù)。

綜合上述設(shè)計(jì)措施，最終加工得到的試驗(yàn)臺(tái)實(shí)物如圖8所示。開(kāi)展某型四象限泵的測(cè)試，測(cè)試效果良好，能夠達(dá)到一次安裝、完成所有項(xiàng)目測(cè)試的目的，極大地提高了研制試驗(yàn)效率。

圖8 試驗(yàn)臺(tái)實(shí)物

3 結(jié)論

針對(duì)四象限液壓泵的測(cè)試需求，從系統(tǒng)的液壓原理、電氣控制、機(jī)械設(shè)計(jì)等方面提出了具體實(shí)施方案，開(kāi)發(fā)出能滿足四象限液壓泵測(cè)試需求的綜合試驗(yàn)臺(tái)。基于工控機(jī)中的LabVIEW上位機(jī)軟件搭建了人機(jī)交互界面，開(kāi)發(fā)出能夠?qū)崟r(shí)顯示測(cè)試數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)儲(chǔ)存的友好人機(jī)交互上位機(jī)軟件，為四象限液壓泵的試驗(yàn)測(cè)試與優(yōu)化改進(jìn)提供了保障。