液壓泵、馬達綜合性能試驗臺的設計及不確定度分析

鄭智劍, 朱光偉, 吳爾苗

(1.寧波市產(chǎn)品食品質量檢驗研究院(寧波市纖維檢驗所)， 浙江 寧波 315000；2.國家智能制造裝備產(chǎn)品質量監(jiān)督檢驗中心(浙江)， 浙江 寧波 315800；3. 浙江中聯(lián)消防產(chǎn)品質量檢測有限公司， 浙江 寧波 315000)

引言

液壓泵和液壓馬達是液壓系統(tǒng)中重要的動力元件和執(zhí)行元件，其性能的優(yōu)劣直接影響裝備的整體性能[1-2]。因此，其效率特性、變量特性、超速、超載等關鍵性能的檢驗和評價十分重要。

目前，許多大型企業(yè)、高校和科研機構針對不同的產(chǎn)品測試需求，搭建了許多液壓泵、液壓馬達試驗臺，主要有：武金良等[3]搭建的工程機械液壓泵性能試驗臺，可用于中、低壓液壓泵的靜態(tài)性能的檢測；謝吉明[4]搭建的液壓泵性能試驗臺，主要用于高速泵的測試，其最高測試壓力為45 MPa，最大測試流量為240 L/min，轉速測試范圍為0～6000 r/min；許松等[5]研制了飛機液壓泵綜合測試臺，轉速測試范圍為0～8000 r/min；廖義德等[6]搭建了機械式功率回收液壓馬達性能檢測試驗臺，并計算得到了在不同試驗壓力下的功率回收系數(shù)；趙靜一等[7]設計了一種電功率回收液壓馬達試驗臺，并采用仿真計算軟件得到了功率回收效率；李祥陽等[8]搭建的液壓馬達綜合測試試驗臺，最高測試壓力為42 MPa，額定流量為320 L/min，額定轉速為6000 r/min。李躍東等[9]設計了一套飛機液壓馬達試驗臺，用于評價產(chǎn)品的修理質量。上述液壓泵、液壓馬達試驗臺主要針對產(chǎn)品的出廠試驗項目進行研發(fā)，難以在全量程測試范圍內開展產(chǎn)品的型式試驗。并且，試驗臺的功率較小，且具有局限性，如高速液壓馬達試驗臺并不適用于低速大轉矩液壓馬達的試驗研究。

本研究設計搭建了一套液壓泵、液壓馬達綜合性能試驗臺，可用于不同類型的液壓泵、液壓馬達的型式試驗，并完成了配套測試處理軟件的開發(fā)。在此基礎上，分析了液壓泵、液壓馬達效率特性的不確定度影響因素，計算得到其合成不確定度。

1 試驗臺設計

液壓泵、液壓馬達綜合性能試驗臺主要用于液壓泵和液壓馬達的型式試驗。其中，液壓泵的具體測試項目包括：排量、容積效率、總效率、自吸性能、變量特性、超速性能、超載性能、抗沖擊性能、滿載性能、密封性能和耐久性；液壓馬達的具體測試項目包括：排量、容積效率、總效率、起動效率、低速性能、超速性能、密封性能、超載性能和耐久性。適用的液壓泵和液壓馬達類型包括電比例泵、軸向柱塞泵、葉片泵、齒輪泵、低速大轉矩液壓馬達和擺線液壓馬達等。

1.1 設計參數(shù)

液壓泵、液壓馬達綜合性能試驗臺的介質為46#耐磨液壓油；試驗臺的流量測試范圍為0～1000 L/min，壓力測試范圍為0～40 MPa，扭矩測試范圍為0～45000 N·m，轉速測試范圍為0～3000 r/min。試驗臺分為液壓泵測試工位和液壓馬達測試工位，分別用于液壓泵和液壓馬達的型式試驗。

1.2 設計原理

液壓泵測試工位采用功率為500 kW雙出軸交流變頻電機提供動力源。在測試過程中，采用由比例溢流閥、單向閥、傳感器、流量計、壓力傳感器等組成集成閥組進行加載，最高加載壓力為40 MPa。

液壓馬達測試工位的動力源由油箱和電機泵組構成。油箱的容積為10000 L，共有5套并聯(lián)的電機泵組給主油路供油，其變頻電機功率分別為315， 200， 180， 90， 45 kW，可根據(jù)被測液壓馬達的功率大小開啟不同組合的變頻電機。液壓馬達測試工位采用2臺相同型號的馬達對拖的方式進行加載，最高加載壓力為40 MPa。

1.3 測試設備和參數(shù)

扭矩/轉速測試儀型號為TB40和T40FM。其中TB40的精度等級為0.05，轉速測量范圍為0～3000 r/min，扭矩測量范圍為0～4000 N·m；T40FM的精度等級為0.1，轉速測量范圍為0～1500 r/min，扭矩測量范圍為0～45000 N·m；流量計為齒輪流量計，型號為VC12F1PS，制造商為KRACHT，流量測試范圍為0～500 L/min，準確度等級為0.05%。

液壓泵型式試驗過程中，測試參數(shù)包括：泵進口、出口、泄油口和控制油口的油溫、壓力和流量，泵的轉速和轉矩；液壓馬達型式試驗過程中，測試參數(shù)包括：馬達進口、出口和泄油口的油溫、壓力和流量，馬達的轉速和轉矩。

液壓泵和液壓馬達的泄漏量均采用在泄油管道上的螺桿流量計進行檢測。螺桿流量計的型號為OMP 32，流量測試范圍為1～150 L/min，準確度等級為0.1%。

1.4 加載系統(tǒng)

在液壓泵的測試過程中，采用集成閥組進行加載。集成閥組主要由比例溢流閥、單向閥、傳感器、流量計、壓力傳感器等組成，通過計算機發(fā)出信號，動態(tài)調節(jié)比例溢流閥溢流壓力，實現(xiàn)對液壓系統(tǒng)負載的模擬。

在液壓馬達測試過程中，采用另一個相同規(guī)格的液壓馬達作為加載，即加載馬達在泵工況條件下工作。2個液壓馬達以傳動軸相連接，轉速相同，轉動方向相反。

1.5 測試方法

設計搭建的液壓泵、液壓馬達綜合性能試驗臺如圖1所示。選用某液壓泵和液壓馬達進行效率試驗，并計算不確定度。液壓泵為軸向柱塞泵，公稱排量為193 mL/r，額定壓力為35 MPa，最高轉速為2500 r/min；液壓馬達為軸向柱塞馬達，公稱排量為110 mL/r，額定壓力為35 MPa，最高轉速為2800 r/min。

圖1 液壓泵、液壓馬達綜合性能試驗臺

液壓泵效率特性的試驗方法按JB/T 7043—2006《液壓軸向柱塞泵》[10]進行，試驗介質的溫度為(50±2) ℃。液壓泵容積效率ηv,p和總效率ηT,p的計算公式分別如式(1)和式(2)所示：

(1)

(2)

液壓馬達效率特性的試驗方法按JB/T 10829—2008《液壓馬達》[11]進行，試驗介質的溫度為(50±2) ℃。液壓泵容積效率和總效率的計算公式分別如式(3)和式(4)所示：

(3)

(4)

式中，qv1,e——試驗壓力時的輸入流量

qv1,i——空載壓力時的輸入流量

qv2,e——試驗壓力時的輸出流量

qv2,i——空載壓力時的輸出流量

p1,e——輸入試驗壓力

p2,e——輸出試驗壓力

ne——試驗壓力時的轉速

ni——空載壓力時的轉速

T1——輸入轉矩

T2——輸出轉矩

2 測控系統(tǒng)

2.1 電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)由電氣動力系統(tǒng)、測控系統(tǒng)、低壓電氣系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)構成。其中，電氣動力系統(tǒng)為整個控制系統(tǒng)提供電源，其中包括380 V動力電源、220 V動力電源和控制電源、24 V控制電源、抗干擾的凈化電源以及UPS不間斷電源供電。

測控系統(tǒng)以S7-300和NI系統(tǒng)為基礎，是電氣控制系統(tǒng)的核心，能夠實現(xiàn)機組起停控制，實時監(jiān)測壓力、流量、位移等信號，并具有系統(tǒng)狀態(tài)的實時顯示和報警等功能，是被測元件性能指標分析的重要手段。

低壓電氣系統(tǒng)主要由斷路器、熱繼電器、中間繼電器、接觸器等構成。其主要功能為控制泵的起停和故障報警控制等。大功率的泵站由電機通過軟起動器起動后驅動泵工作。每臺電機驅動1臺液壓泵，主泵變量控制通過變量伺服機構完成。小功率泵無需軟起動器，可采用星-三角降壓起動或繼電器直接起動的方式。

軟件系統(tǒng)采用LabVIEW作為數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。LabVIEW集成了與滿足GPIB，VXI，RS-232和RS-485協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能。同時，內置了便于應用TCP/IP，ActiveX等軟件標準的庫函數(shù)。典型的軟件測試界面如圖2所示。

圖2 軟件測試界面

2.2 測控系統(tǒng)整體架構

測控系統(tǒng)分為控制和測試兩部分。其中控制部分用PLC控制泵站起停機壓力、液位、系統(tǒng)故障報警等顯示以及系統(tǒng)壓力調定功能；測試部分用NI控制器、板卡以及LabVIEW軟件對液壓元件進行靜、動態(tài)性能測試。

測控系統(tǒng)由2個測試站構成，和液壓泵、液壓馬達測試臺架相匹配。在整機功率、系統(tǒng)壓力和流量允許條件下，可以同時完成相應的測試部分。每個測試站配有NI及LabVIEW測試系統(tǒng)，所有測試站動力控制部分和相關控制部分共用1個S7-300PLC控制器。

2.3 測控系統(tǒng)整體方案

測控系統(tǒng)整體方案如圖3所示。以液壓泵測試站為例進行闡述：

圖3 測控系統(tǒng)整體方案

(1) PLC控制部分。PLC控制部分包括上位機和下位機。下位機控制泵的起停、液位監(jiān)測報警、溫度監(jiān)測報警、液壓泵的故障報警、過濾器的堵塞報警，以及系統(tǒng)加載/卸荷控制，系統(tǒng)參數(shù)調定等系統(tǒng)測試條件相關的控制。上位機由工控機和WINCC工業(yè)組態(tài)軟件組成，分別對系統(tǒng)的起停和工作壓力參數(shù)等進行必要的設定、操作，并通過監(jiān)控站屏幕上的動態(tài)顯示畫面和圖表、數(shù)據(jù)對測試實驗臺的運行情況和重要的運行參數(shù)進行監(jiān)視。上位機和下位機采用以太網(wǎng)進行連接；

(2) NI測控部分。NI測試系統(tǒng)選用PXI總線控制器，其具有模塊化結構，速度快，精度高，并具有較強的抗干擾能力。NI測控部分包括上位機和下位機。下位機為NI測控控制器及板卡部分，主要負責測試信號的給定(如階躍信號、掃頻信號等)，輸出信號的采集(壓力、流量、位移等)。上位機為采用NI-PXI專用機箱及LabVIEW軟件，在上位機中完成測試程序的起停和數(shù)據(jù)存儲功能，進而完成數(shù)據(jù)的分析、圖形的輸出和打印等功能。上位機和下位機之間通過以太網(wǎng)進行連接。

2.4 測試控制方案

根據(jù)液壓馬達測試臺架液壓系統(tǒng)配置，選用5臺電機驅動泵工作，分別為315， 200， 160， 90， 45 kW。液壓馬達的測試流程圖如圖4所示。

圖4 液壓馬達測試流程圖

液壓泵的測試原理圖和測試流程圖與液壓馬達類似。根據(jù)液壓泵測試臺架液壓系統(tǒng)配置，選用1臺500 kW雙凸軸變頻電機驅動主泵工作，采用變頻器控制；外控油源采用1臺45 kW電機驅動，可采用降壓起動方法；循環(huán)過濾系統(tǒng)采用1臺30 kW電機驅動，采用降壓起動方法，閉式系統(tǒng)外置補油系統(tǒng)采用1臺15 kW電機驅動，采用降壓起動方法；所有油液回收系統(tǒng)采用1臺1.5 kW電機驅動，采用直接起動方式。

3 不確定度分析

試驗臺通過測量試驗過程中的流量、轉速來計算液壓泵和液壓馬達容積效率；通過測量流量、轉速和轉矩來計算液壓泵和液壓馬達的總效率。因此，測量不確定度的各項物理參數(shù)主要包括流量、轉速和轉矩。同時，需要考慮計算機數(shù)據(jù)采集過程中的測量重復性誤差引入的不確定度[12]。

3.1 各參數(shù)的不確定度

流量的不確定度u(q)主要取決于流量計的準確度等級，已知齒輪流量計的準確度等級為0.05級，按99.73%的置信概率，在其允許誤差的范圍內，取其允許誤差的半寬，服從矩形分布，則其計算公式如式(5)所示，u(q)的靈敏系數(shù)Cq的計算公式如式(6)所示：

(5)

(6)

式中，qmax——試驗時的最大流量

ne——試驗壓力時的轉速

ni——空載壓力時的轉速

轉速的不確定度u(n)主要取決于扭矩/轉速儀的準確度等級，已知扭矩/轉速儀準確度等級為0.05級，按按99.73%的置信概率，在其允許誤差的范圍內，取其允許誤差的半寬，服從矩形分布，則其計算公式如式(7)所示，u(n)的靈敏系數(shù)Cn≈1。

(7)

式中，nmax為試驗時的最大轉速。

同理，轉矩的不確定度u(T)主要取決于扭矩/轉速儀的準確度等級，則其計算公式如式(8)所示，u(T)的靈敏系數(shù)CT≈1。

(8)

式中，Tmax為試驗時的最大轉矩。

3.2 測量重復性不確定度

采用A類不確定度評定方法對容積效率ηv的測量不確定度u(ηv)和總效率ηT的測量不確定度u(ηT)進行計算，每個工作壓力下重復測量6次，實測數(shù)據(jù)如表1～表4所示。

表1 容積效率測量重復性數(shù)據(jù)列表(液壓泵) %

表2 總效率測量重復性數(shù)據(jù)列表(液壓泵) %

表3 容積效率測量重復性數(shù)據(jù)列表(液壓馬達) %

表4 總效率測量重復性數(shù)據(jù)列表(液壓馬達) %

表1～表4中均無異常數(shù)據(jù)可剔除，采用貝塞爾公式[13]計算單次測量值的標準偏差si：

(9)

因均以1次測試數(shù)據(jù)作為測量結果，故：

u(x)=si

(10)

式中，m——測量次數(shù)

xi——測量值

u(x)——每次測量結果的不確定度

因測量重復性引入的容積效率ηv的測量不確定度u(ηv)和總效率ηT的測量不確定度u(ηT)如表5所示。

表5 容積效率和總效率的測量不確定度

3.3 合成不確定度

液壓泵和液壓馬達容積效率的合成不確定u(ηv)的計算公式如式(11)所示，總效率的合成不確定度u(ηT)如式(12)所示。

(11)

(12)

取置信概率95%，擴展因子k=2，則液壓泵、液壓馬達在各壓力等級下的擴展不確定度如表6所示。

表6 容積效率和總效率的擴展不確定度度

4 測試案例

4.1 測試產(chǎn)品和方法

選擇國內某制造廠生產(chǎn)的軸向柱塞泵，按JB/T 7043—2006《液壓軸向柱塞泵》行業(yè)標準要求，進行效率試驗。該軸向柱塞泵的額定壓力為35 MPa，額定轉速為1280 r/min，理論排量為250 mL/r。

其具體測試流程如下：

(1) 在最大排量、額定轉速下，使被試泵的出口壓力逐漸增加至額定壓力的25%，待測試狀態(tài)穩(wěn)定后，測量與效率有關的數(shù)據(jù)；

(2) 按上述方法，使被試泵的出口壓力為額定壓力的40%，55%，70%，80%和100%時，分別測量與效率有關的數(shù)據(jù)；

(3) 轉速約為額定轉速的100%，85%，70%，55%，40%，30%，20%，10%時，在上述各試驗壓力點，分別測量被試泵與效率有關的數(shù)據(jù)；

(4) 對各數(shù)據(jù)點進行擬合，繪制性能曲線圖。

4.2 測試結果

待數(shù)據(jù)全部采集完畢后，測試平臺會自動生成軸向柱塞泵功率、流量和效率隨轉速的變化曲線，如圖5～圖9所示。由圖5和圖6可知，泵的輸出功率和輸入功率與其轉速和壓力呈正相關。若被試泵的出口壓力超過額定壓力的80%，隨著出口壓力進一步增加，泵的輸出功率和輸入功率不會發(fā)生明顯變化。在額定轉速下，當被試泵的出口壓力從額定壓力的40%增加至100%時，其輸出功率和輸入功率分別增加了114.6%和118.9%。由圖7可知，流量與轉速呈線性關系，固定排量，轉速越高，流量越大， 并且，當被試泵的出口壓力從額定壓力的25%增加至100%時，試驗排量增加了7.5%。由圖8和圖9可知，隨著被試泵出口壓力的增加，其容積效率下降，被試泵的轉速范圍處于0～800 r/min時， 隨著轉速的提高， 泵的容積效率和總效率迅速增加；當被試泵的轉速范圍處于800～1280 r/min時，轉速的提高對其容積效率和總效率沒有明顯影響。

圖5 輸出功率隨轉速和壓力的變化曲線

圖6 輸入功率隨轉速和壓力的變化曲線

圖7 流量隨轉速和壓力的變化曲線

圖8 容積效率隨轉速和壓力的變化曲線

圖9 總效率隨轉速和壓力的變化曲線

5 結論

(1) 本研究設計搭建的液壓泵、液壓馬達綜合性能試驗臺已投入使用。試驗臺的設計和精度符合JB/T 7043—2006《液壓軸向柱塞泵》、JB/T 10829—2008《液壓馬達》等標準的要求;

(2) 試驗臺的流量測試范圍為0～1000 L/min，壓力測試范圍為0～40 MPa，扭矩測試范圍為0～45000 N·m，轉速測試范圍為0～3000 r/min，可滿足液壓泵和液壓馬達的型式試驗的需求；

(3) 分析了影響液壓泵、液壓馬達效率特性的不確定度影響因素，并分別計算得到其合成不確定度。