船用低速大扭矩液壓馬達維修測試系統設計

, , , (燕山大學 河北省重型機械流體動力傳輸與控制重點實驗室， 河北 秦皇島 066004;先進鍛壓成形技術與科學教育部重點實驗室(燕山大學)， 河北 秦皇島 066004)

引言

船舶甲板機械使用液壓傳動已有近百年的歷史。隨著液壓技術的發展，液壓傳動被進一步應用于船舶裝備的其他方面。一旦這些液壓傳動裝置出現故障，將嚴重影響船舶運輸生產，增加船舶運輸公司的營運成本。據不完全統計，船舶液壓系統的故障，近30%是由于液壓馬達的故障導致的[1]。所以，液壓馬達的維修以及維修質量的檢測，對船運公司具有重大意義。對于一些船用液壓馬達維修企業，通常需要維修的船用液壓馬達的種類型號各異， 且不需要進行全面的性能測試。 而常規馬達試驗臺測試種類型號單一，已不能滿足大型船舶維修企業的使用要求。因此，研制出一種用于船用液壓馬達維修檢測的試驗臺，對馬達維修企業具有重要的意義。

本研究針對某公司船舶修理需要，提出了一種適用于多型號、多種類的船用液壓馬達維修測試系統。根據馬達維修實際情況，選定馬達的扭矩和容積效率兩個主要參數對維修后馬達質量進行判斷。測試系統主要完成壓力、流量、溫度、轉速、轉矩等一些隨時間連續變化的物理量的測量，并計算馬達的容積效率。

1 液壓馬達測試系統設計

船用馬達維修測試系統由液壓動力系統、加載系統、過濾溫控系統、試驗控制臺、馬達試驗臺架、漏油回收系統和電氣控制系統等部分構成。

1.1 試驗臺液壓系統原理

系統液壓原理如圖1所示。液壓系統采用閉式結構，通過單向泵、換向閥組合實現待測馬達正反向運轉。回路主動力源由2個定量泵和1個變量泵組成，通過不同泵的組合使用可得到不同排量范圍，便于實現容積調速。根據負載決定壓力原理，通過改變外負載(扭矩)調節系統壓力。

1.2 加載系統

船用液壓馬達具有輸出轉矩范圍寬、馬達種類多、形式各異的特點，這就對馬達負載的通用性以及提供轉矩的能力提出了一定的要求。目前國內對于液壓馬達測試的加載裝置，常用液壓泵、磁粉制動器等，但所提供的扭矩加載量最多只能達到20 kN·m，船用液壓馬達扭矩最大達到50 kN·m，因此，這些方案無法滿足對船用液壓馬達的加載要求。為了提供更大扭矩的測量，國內通常采用同類型的馬達作為加載對象，這種方案不符合多類型馬達維修檢測的要求。根據以上加載方案分析，本試驗臺設計了一種可調負載的大扭矩加載裝置。該裝置由電渦流測功機、齒輪變速器構成，可以實現最大扭矩為50 kN·m，最大轉速為1500 r/min的測量。其結構如圖2所示。

1.加熱器 2.液位液溫計 3.電接點液位計 4.空氣濾清器 5.油箱 6、21.溢流閥 7.輔泵 8、10、13、15、19、20.單向閥 9、18.過濾器 11.截止閥 12.主泵 14.手動泵 16、25.安全閥 17.板式冷卻器 22.換向閥組 23.壓力、溫度傳感器 24.補油橋式回路 26.待測馬達 27.電磁換向閥 28.流量傳感器 29.量杯 30.蓄能器及安全閥組

圖2船用液壓馬達測試系統加載結構

1.3 性能指標的測試及計算

測試系統采用壓力、流量、扭矩等多種傳感器對維修后液壓馬達進行測量，并通過轉速、泄漏流量等數據，計算馬達容積效率。使用馬達輸出扭矩及容積效率兩個主要參數對維修質量進行評價。

主油路進出油口分別設置了壓力和溫度傳感器，便于實現對試驗溫度、壓力數據的采集。待測馬達的泄漏油口處設置有流量傳感器及量杯，并可通過電磁換向閥進行切換，以適應不同流量測量要求。通過馬達泄漏流量結合轉速、排量，可計算出馬達的容積效率。計算公式如下:

式中，n—— 待測馬達轉速，r/min

V—— 待測馬達排量，mL/r

Q泄漏—— 泄漏流量，mL/min

2 液壓馬達維修測試系統性能參數及設計特點

2.1 主要性能參數

電動機功率：350 kW

電動機轉速：1500 r/min

壓力調節范圍：0～32 MPa

允許流量測試范圍：0～500 L/min

油箱容積：3000 L

齒輪箱傳動比：1∶5/1∶25

測功機功率范圍：0～350 kW

2.2 試驗臺設計特點

1) 閉式回路與多泵組合

試驗臺液壓系統主油路采用閉式結構，容積式調速，閉式系統結構緊湊、所需油箱體積小，提高了馬達測試系統布局的靈活性。

由于船用馬達形式結構各異，對流量的要求也不盡相同。試驗臺調速系統采用多泵合流的形式，主泵由2臺定量泵和1臺變量泵組成，通過不同泵的組合可以滿足0～500 L/min流量無級調速要求。實驗時，可根據被測馬達排量及額定轉速等情況，靈活選取泵的組合形式，從而降低能耗。

閉式回路采用多泵組合的供油方式，考慮具體實現形式及制造成本，系統采用單向泵結合換向閥組的供油形式。換向閥組采用插裝閥，通流能力強，且便于實現多種中位機能。

2) 補油系統與強制冷卻

閉式回路具有能耗低、結構緊湊并易于實現無級調速的特點[2]，但閉式回路在設計和使用時需注意吸空現象的發生。補油系統由被測馬達兩側管路補油部分(見圖1，元件6～9、24)和主泵吸油側補油部分(見圖1元件6～10)組成，另考慮預防主泵吸空增加補油單向閥20。

補油系統的作用是不斷地向回路低壓側補入油液，以補充系統泄漏。其中，補油流量按最大流量的5%選取。系統進回路之間連接有由單向閥組成的橋式回路(見圖1組件24)：左半橋將低壓油補入系統回油管路；右半橋引出系統高壓，經安全閥25接回油管路，起到過載保護作用。

強制冷卻系統結構見圖1元件19～21。這部分是針對補油系統提出來的。一般情況下，補油系統補入的流量多于泄漏流量。在未設置強制冷卻溢流閥時，補油回路通過溢流閥6將多余流量流回油箱，形成溢流損失，加劇系統生熱。強制冷卻系統的設計旨在改善這一狀況。

強制冷卻系統在低壓管路與泵之間設置溢流閥21，其調定壓力略低于補油壓力(溢流閥6調定壓力)。當系統主回路油液充足時，強制冷卻系統將系統回油部分流量通過溢流閥21流回油箱；當系統流量不足時，溢流閥21關閉，系統接受全部補充油液。如此，保障系統不吸空的前提下，強迫閉式回路與油箱發生油液交換，從而提高系統的散熱能力。在回油管上特別設計有單向閥19，其目的是防止補入油液直接從吸油管道經溢流閥21流回油箱。

補油系統與強制冷卻系統相互配合，共同構成主系統的輔助回路，能夠有效防止系統吸空，并改善系統散熱效果。

3) 負載匹配過程

由于所測馬達的扭矩、轉速測量范圍大，采用一般的加載裝置無法實現，因此本實驗臺采用350 kW電渦流測功機進行加載。

電渦流測功機功率吸收曲線如圖3所示。電渦流測功機最大扭矩達到2000 N·m，此時轉速在1800～2000 r/min，轉速高于2000 r/min時，保持功率恒定，扭矩降低；轉速低于1800 r/min時，功率降低，扭矩降低。電渦流測功機能夠對功率吸收曲線之內的輸出扭矩和轉速進行加載測量。

圖3 電渦流測功功率吸收曲線

根據電渦流測功機的加載特性，需要將被測馬達的輸出扭矩和轉速進行變換，常用的船用液壓馬達扭矩大而轉速低，故而將馬達通過增速箱進行增速，同時降低輸出扭矩，使得轉換結果符合電渦流制動器的測量范圍。常用的增速箱輸出速度小于3000 r/min，結合扭矩傳感器、轉速傳感器和被測馬達的參數，選定增速比為1∶5和1∶25，幾種具有代表性的馬達轉換結果，如表1所示。

表1 常用馬達轉換結果

4) 通用工裝設計

船用液壓馬達測試實驗系統涉及的馬達種類多，結構尺寸和性能參數變化范圍大，馬達最大額定扭矩達45000 N·m ，最小的額定轉矩僅有434 N·m，對應的馬達徑向尺寸分別為1075 mm和207 mm，因此設計通用性強、安裝簡便的機械工裝結構對測試系統正常運行是非常必要的。

船用液壓馬達多使用法蘭或螺釘連接，考慮安裝結構的通用性和強度要求，設計安裝結構如圖4所示，結構組成主要包括底板、T形架、配合板和聯軸器四部分，其中配合板和聯軸器根據不同馬達的結構進行調換。

圖4 馬達工裝臺結構

利用有限元分析軟件對設計的安裝結構進行靜態結構分析，設定材料的性能參數，按照液壓馬達的實際工況要求，施加相應的力矩、螺栓預緊力、固定約束和標準重力加速度。并通過分析計算結果，調整結構形態和尺寸。經過對各型號馬達進行試驗分析，驗證所設計的結構符合系統安全要求，能夠滿足系統通用性的特點。

系統涉及的液壓馬達種類多，結構尺寸變化大，對不同的馬達進行性能參數檢測時，需要更換相應的配合板和聯軸器。利用CAD二次開發語言，編寫繪制程序，操作者在繪圖窗口中選擇特定的馬達型號或者輸入馬達的參數，就可自動生成配合板和聯軸器二維零件圖，并且該尺寸已經通過有限元分析強度檢驗，可直接指導零件的加工制作。這一設計節約了設計者用在零件設計上的時間，降低了勞動強度，降低了設計誤差出現的概率。

圖5 CAD二次開發界面

3 測控系統的硬件與軟件組成

3.1 硬件組成

測控系統的硬件部分主要由工控機IPC、數據采集卡、傳感器、二次儀表、PLC、操控按鈕和狀態指示燈等部件組成。硬件結構如圖6所示。

圖6 測控系統硬件結構圖

首先，被測液壓馬達需要檢測的參數值通過相應的傳感器來采集。其次，所有采集到的模擬信號統一進入二次儀表進行顯示和信號調理。然后，將調理好的模擬信號輸入到數據采集卡中進行模擬量到數字量的轉換。最后通過PCI數據總線將數字信號送入計算機進行數據的顯示、處理和存儲。實驗人員可以通過操作臺上的指示燈和操作按鈕對液壓泵站系統、水冷卻系統和加載系統進行監視和控制。

3.2 軟件系統

測試系統軟件以Windows 7操作系統為運行平臺，目的是利用Windows的強大功能，為使用者提供友好的人機交互圖形界面。測試軟件采用LabVIEW為開發工具，LabVIEW具有圖形化編程語言環境，適合應用于計算機輔助測試系統(CAT)的開發，能夠提高測試軟件的設計開發效率[5]。

本項目所開發的船用液壓馬達測試軟件操作界面如圖7所示，軟件操作界面主要實現顯示當前實驗狀態下的各傳感器所測得的數值， 處理測試實驗數據并通過圖表的形式顯示，保存實驗數據和打印實驗報告等功能。

圖7 測試軟件操作界面

4 驗證試驗

馬達試驗臺實物如圖8所示，待測馬達基本參數如表2所示。

圖8 馬達測試系統

表2 待測馬達基本參數

試驗進行之前，根據馬達型號要求選擇開啟相應的泵并適當調節變量泵排量。實驗過程中，分階段提高測功機加載功率，馬達進口壓力隨之提高。被測馬達運轉、換向平穩，各傳感器數據顯示正常，換向閥組及補油回路工作機能正常，馬達工裝無明顯震動；系統

運行一段時間后，油液溫度無明顯提高，冷卻系統工作正常。

利用測功機調節馬達負載壓力，馬達進出口壓力變化如圖9所示。

圖9 馬達進出口壓力時間曲線、加載扭矩曲線

由試驗曲線可以看出：

(1) 測功機結合齒輪箱的加載方式可以有效地模擬馬達負載，通過改變負載可實現對系統壓力進行控制；

(2) 由于補油回路作用，測試過程中馬達背壓穩定在0.6 MPa左右，系統未發生吸空現象。

5 結論

船用低速大扭矩液壓馬達維修測試系統，以企業實際需求為向導，以工程實際及國家標準為基準，采用通用工裝設計和可調大功率加載，實現了對多種類、多型號船用液壓馬達的維修測試。馬達維修測試系統的成功研制為馬達維修質量的評判提供了依據，必將有效地提高船舶液壓系統維修效率，促進我國船舶維修事業的發展。

參考文獻：

[1] 孫玉清,朱宇.船用液壓馬達常見故障診斷與國產化元件維修策略研究[J].中國修船,2000,(5):35-37.

[2] 董偉亮,羅紅霞.液壓閉式回路在工程機械行走系統中的應用[J].工程機械,2004,(5):38-40,2.

[3] GB/T 13853-2009,船用液壓泵液壓馬達技術條件[S].

[4] JB/T 10829-2008,液壓馬達[S].

[5] 劉志剛.現代測控技術的發展及其應用探析[J].機電信息,2012,(12):120-121.