功率回收式液壓泵可靠性試驗臺的研制

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(1. 沈陽理工大學 機械工程學院， 遼寧 沈陽　110159； 2. 哈爾濱工業大學 機電工程學院， 黑龍江 哈爾濱　150000；3. 沈陽中之杰流體有限公司， 遼寧 沈陽　110000)

引言

液壓泵可靠性壽命試驗[1]周期長、能耗大，在試驗過程中需采取功率回收方式，機械補償式功率回收和電功率回收是常見的兩種方式。目前，國內很多高校和企業針對液壓泵功率回收式試驗臺進行了諸多方面的探索。在文獻[2-8]中，電動機驅動被試液壓泵，被試液壓泵輸出高壓液壓油驅動液壓馬達旋轉，液壓馬達再通過機械傳動驅動被試液壓泵實現機械補償功率回收；在文獻[9-13]中，增壓系統使高壓液壓油直接驅動液壓馬達旋轉，而在文獻[14]中，增壓系統使高壓液壓油通過液壓橋路驅動液壓馬達旋轉，液壓馬達通過機械傳動帶動被試液壓泵工作從而實現液壓補償功率回收；在文獻[15]中，電動機驅動被試液壓泵，被試液壓泵輸出高壓液壓油驅動液壓馬達旋轉，液壓馬達驅使發電動機發電，電能通過逆變或整流系統回饋給電動機，實現電功率回收。

本研究開發一種機械補償功率回收式可靠性試驗臺可實現多臺泵同時加載的加速壽命試驗和沖擊試驗，并且給出了試驗臺的設計方案以及對部分試驗結果進行了分析。

1　液壓泵可靠性試驗臺方案設計

1.1　現有功率回收試驗臺的特點

現有的功率回收式液壓泵試驗臺具有以下共同點：

① 試驗對象為單個液壓泵；

② 加載方式為系統壓力均采用溢流閥加載。

現有的功率回收式液壓泵試驗臺不足之處有：

(1) 現有多數液壓泵試驗臺，液壓馬達工作壓差幾乎與液壓泵相同，如果試驗臺需要實現液壓泵耐久壽命試驗，液壓馬達未得到相應的保護；

(2) 國產液壓泵與外國知名品牌液壓泵性能相比，尚有一定差距，但國產液壓泵性能較以往已經有了質的飛躍，其中就體現在可靠度和平均無故障壽命(MTTF)上。根據文獻[16]，國產工業液壓泵耐久壽命試驗額定工況下需要達到2400 h，既使利用加速壽命試驗方法，加速因子達到4～6倍[17]，試驗時間也需要300～400 h，如果樣本量12個，試驗時間就需要3600～4800 h，所以很有必要實現多臺液壓泵同時試驗；

(3) 液壓泵可靠性試驗方法有多種，加速試驗方法按照加速方式可以分為應力加速試驗方法和使用頻率加速試驗方法。如前文所述，應力加速試驗方法可以分為恒定、步進和序進應力加速試驗方法。使用頻率加速試驗方法又稱為循環應力沖擊加速試驗方法。現有多數液壓泵試驗臺只能實現其中一種或兩種加速方式。

本研究設計的試驗臺欲實現恒定應力和步進應力加速壽命試驗方案(下文簡稱加速壽命試驗方案)。同時，試驗臺另一個目標是利用液壓泵實際工況載荷譜進行液壓泵循環應力沖擊加速壽命試驗方案。

1.2　本試驗臺的液壓系統原理設計

本研究所設計的試驗臺液壓系統原理圖如圖1所示。試驗臺可完成以下試驗：

1) 多臺液壓泵同時加載試驗

由相關資料可知，可靠性試驗的技術要求是液壓泵在相同工況下進行試驗，如溫度、壓力、扭矩、轉速、振動等均相同。若采用傳統的單泵單馬達試驗方式則很難保證可靠性試驗要求。因此，本研究欲采用分動箱來實現多臺液壓泵同時試驗。

2) 雙應力加速壽命試驗

加速壽命試驗方案中關鍵點是加速應力的選取，液壓系統因為其固有特點，在加速試驗中，往往以轉速和壓力作為加速應力[18]。本研究采用變頻器可以實現電動機轉速無極可調，比例溢流閥可以實現系統壓力無極加載，從而可以方便實現液壓泵雙應力加速壽命試驗方案。

3) 循環應力沖擊加載試驗

液壓泵，比如工程機械用柱塞泵，在工作周期中往往伴隨著大量沖擊載荷，在實驗室中為了模擬其實際工況，通常采用采集液壓泵工作載荷譜方法對其進行加載試驗。高頻數字開關閥具有響應速度快，重復誤差小，控制簡單，抗污染能力強，可以在惡劣環境下連續工作的特點[19]。因此，本試驗臺欲使用高頻數字開關閥與比例溢流閥相互配合來實現沖擊加載。

1、2.被試液壓泵　3.分動箱　4.電動機　5.液壓馬達6、14.壓力表　7.比例節流閥　8.比例溢流閥　9.安全閥10～12.流量計　13.單向閥　15.液壓蓄能器16.數字開關閥　17.低壓補償系統18.分動箱冷卻系統　19.油箱冷卻系統圖1　功率回收式液壓泵可靠性試驗臺原理圖

2　試驗臺的特點

2.1　本試驗臺的優點

1) 分動箱的設置

此方案具有以下優點：

(1) 縮短試驗周期從應用角度上而言，分動箱在車輛上可以實現“一分五”傳動，但是由于可靠性加速壽命試驗加載應力高，傳動功率大，并且考慮安裝精度要求，本試驗臺欲采用“一分二”分動箱，縮短了試驗周期，提高了試驗效率；

(2) 保證相同工況排除加工設計以及安裝等因素，此方案可以最大程度上實現多臺泵加載工況(轉速、壓力、溫度及振動等)完全相同，最大程度上保證可靠性試驗方法評估的準確性。

2) 比例節流閥的設置

本試驗臺欲在液壓馬達前安裝一個節流閥。該閥的作用：

(1) 保護液壓馬達液壓泵可靠性耐久試驗周期長，而液壓馬達作為功率回收元件如果工作壓差太高其壽命會大大縮減，通過調節比例節流閥開口度可以很好解決此問題。在圖1中，如果減小比例節流閥開口度，在系統相同輸出流量下液壓馬達工作壓差會相應減小，達到保護液壓馬達的目的。

(2) 調節扭矩匹配在流量匹配的前提下，通過調節比例節流閥開口度可以改變馬達工作壓差，進而改變馬達回收功率和電動機輸出功率。

2.2　方案設計計算

考慮到功率回收方式，本試驗臺電動機功率的選取要滿足以下條件：

1) 流量匹配

由于液壓泵本身就存在泄漏，溢流閥通過溢流來穩定系統壓力，所以本試驗方案流量匹配要求需要滿足：

(1)

式中：Qp、Qm—— 液壓泵、液壓馬達流量，L/min

ηpv、ηmv—— 液壓泵、液壓馬達容積效率

i—— 分動箱傳動比

m—— 被試液壓泵個數

由式(1)可知，本試驗方案中被試液壓泵的流量和必須大于液壓馬達的流量，如果不滿足，液壓馬達將成為電動機負載，此時系統不但無法實現功率補償回收，反而將額外提供能量克服液壓馬達外負載能量消耗。

2) 扭矩匹配

被試液壓泵理論扭矩為：

(2)

式中：Vp—— 液壓泵的理論排量，mL/r

Δpp—— 液壓泵的進出口壓差，MPa

ηpm—— 液壓泵的機械效率

無功率回收時，驅動電動機理論扭矩為：

(3)

式中：ηm—— 傳動系統的機械效率

液壓馬達輸出的理論扭矩：

(4)

式中：Vm—— 液壓馬達的理論排量，mL/r

Δpm—— 液壓馬達的進出口壓差，MPa

ηmm—— 液壓馬達的機械效率

由式(1)、式(2)、式(4)可得：

(5)

由式(5)可知，液壓馬達輸出扭矩不足以驅動被試液壓泵，不足部分功率由電動機來補償。

3　試驗臺的電氣設計

根據本試驗臺的特點，該系統采用PLC作為主站，監控計算機和變頻調速器作為從站。如圖2所示，各數字I/O和傳感器連接到PLC上，實現了對現場設備的自動化控制、數據采集以及故障報警等工作。

圖2　試驗臺總線原理圖

自動化控制主要體現在：

(1) 當油溫高于設定值時，自動啟動冷卻系統；

(2) 當系統出現局部壓力過高、電動機轉速過高、油箱液位較低時，系統自動停機等。

本試驗臺擁有自己獨立的在線監測界面，在檢測界面中可以清晰地看到該試驗系統重要參數。點擊啟動按鈕后，便可了解每個被試液壓泵的運轉情況，如壓力、扭矩、轉速等。此外，系統還專門安裝報警程序，當系統出現故障(如節流口堵塞、局部漏油等)時報警裝置會發出報警信號，故障解除后按復位按鈕報警聲停止。

4　試驗結果及分析

由試驗臺原理可知，比例節流閥開口度最大時，系統的功率回收效率最高。此時，試驗臺功率回收率為：

(6)

式中：Nm—— 液壓馬達輸出功率，W

Np—— 液壓泵輸入功率，W

由式(6)可知，試驗臺回收率ξ的大小與液壓馬達輸出功率及液壓泵輸入功率有關：

(7)

式中：T1、T2—— 液壓泵的輸出扭矩，N·m

n—— 電動機轉速，r/min

ηi—— 分動箱的傳動效率

Nm=qvΔpmηt

(8)

式中：qv—— 液壓馬達的輸出流量，L/min

ηt—— 液壓馬達的機械效率

qv=q1+q2-qy

(9)

式中：q1、q2—— 液壓泵的輸出流量，L/min

qy——溢流閥的溢流量，L/min

經試驗測得國產某型號液壓泵相關參數如下：

n=1500 r/min；

Δpp=27 MPa；

Δpm=24 MPa；

ηt=0.92；

q1=22.28 L/min；

q2=23.78 L/min；

qy=3 L/min；

T1=90.2 N·m；

T2=88.6 N·m；

ηi=0.98。

由式(6)～式(9)得：ζ=0.6。此時，電動機的輸出功率僅為液壓泵所需輸入的40%左右，極大降低了電動機的輸出功率。

5　結論

本研究設計的試驗臺通過采用機械補償功率回收方式實現了多臺液壓泵同時加載的加速壽命試驗和沖擊試驗，不僅大大縮短了試驗時間，而且系統回收能量高，從而減少了能源的浪費；分動箱的設置，更能有效保證多臺液壓泵在相同工況下試驗的要求；此外，試驗臺電氣部分實現了遠程操控與觀測以及數據的在線采集等，從理論上實現了試驗過程全自動化。本試驗臺設計方案對相關的可靠性試驗臺提供了理論指導意義。

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