基于測(cè)功機(jī)加載的液壓馬達(dá)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

耿冬妮，奚博，王昕

(吉林大學(xué)機(jī)械與航空航天工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130025)

0 前言

隨著液壓傳動(dòng)與控制技術(shù)在武器裝備以及工程機(jī)械中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，對(duì)液壓系統(tǒng)和液壓元件的穩(wěn)定性及可靠性也提出了越來(lái)越高的要求[1]。液壓馬達(dá)作為液壓系統(tǒng)的核心元件，其性能的優(yōu)劣決定了整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)[2-4]。為了使液壓馬達(dá)能夠滿足實(shí)際應(yīng)用的需求，要對(duì)液壓系統(tǒng)中的馬達(dá)進(jìn)行性能測(cè)試，來(lái)驗(yàn)證其使用效能[5]。

目前，為了開(kāi)展科學(xué)研究、教學(xué)和生產(chǎn)需要，部分科研院所、高校和相關(guān)企業(yè)對(duì)關(guān)鍵液壓馬達(dá)的性能做了一定研究，并配備有液壓馬達(dá)或其他液壓元件的測(cè)試系統(tǒng)[6-7]。就馬達(dá)加載方式而言，謝燕琴等[8]采用雙轉(zhuǎn)向軸向柱塞油泵為其設(shè)計(jì)的液壓馬達(dá)減速器工況試驗(yàn)加載；楊尚尚、王留根等[9-10]分別在液壓馬達(dá)功率回收實(shí)驗(yàn)、大型液壓系統(tǒng)在負(fù)載沖擊下的穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)中采用溢流閥加載的方式；黃丹平等[11]采用比例電磁閥為其設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)加載。但是大部分液壓測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)仍存在工況單一、能耗高的問(wèn)題[12-15]。

基于傳統(tǒng)的液壓元件及液壓馬達(dá)的測(cè)試平臺(tái)，設(shè)計(jì)一種測(cè)功機(jī)控制負(fù)載的液壓馬達(dá)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，根據(jù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)要求，設(shè)計(jì)了液壓系統(tǒng)及測(cè)試原理，利用AMESim仿真軟件分析了設(shè)計(jì)方案的可行性；完成了液壓元件的設(shè)計(jì)選型，成功搭建了液壓馬達(dá)測(cè)試系統(tǒng)，用于不同工況下的柱塞馬達(dá)性能測(cè)試。

1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)試原理

液壓系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)工作原理如圖1所示，電機(jī)接收信號(hào)開(kāi)啟，使先導(dǎo)泵和主泵開(kāi)始工作，經(jīng)過(guò)濾器后，先導(dǎo)泵從油箱中將油抽出，送至主泵，主泵將油液送至液壓回路。電磁換向閥主要用來(lái)控制馬達(dá)的正反轉(zhuǎn)，當(dāng)左位處于工作位時(shí)，馬達(dá)正轉(zhuǎn)；當(dāng)右位處于工作位時(shí)，馬達(dá)反轉(zhuǎn)。馬達(dá)輸出軸端通過(guò)聯(lián)軸器與減速機(jī)構(gòu)與發(fā)電機(jī)相連，發(fā)電機(jī)將馬達(dá)輸出的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，并將電能送至電網(wǎng)，完成功率回收，并與外部輸入電力共同驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。減速機(jī)構(gòu)和馬達(dá)之間安裝扭矩傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器，變量泵出口處安裝流量傳感器、壓力傳感器和溢流閥，這些傳感器將采集的信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡傳遞給工控機(jī)。工控機(jī)作為顯示及輸入元件，負(fù)責(zé)接收并處理數(shù)據(jù)采集卡傳遞的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并向測(cè)功機(jī)發(fā)送控制信號(hào)，測(cè)功機(jī)接收工控機(jī)的控制信號(hào)改變發(fā)電機(jī)內(nèi)部電流，達(dá)到控制馬達(dá)負(fù)載的目的。

圖1 液壓系統(tǒng)原理

2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)組成

該液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)由電機(jī)泵單元、聯(lián)合控制加載單元、實(shí)驗(yàn)臺(tái)架及液壓管路組成，柱塞馬達(dá)為液壓實(shí)驗(yàn)的測(cè)試對(duì)象。圖2所示為液壓系統(tǒng)實(shí)物。

圖2 液壓系統(tǒng)實(shí)物

2.1 主要液壓元件的設(shè)計(jì)選型過(guò)程

被測(cè)馬達(dá)生產(chǎn)廠家提供的系列馬達(dá)型號(hào)參數(shù)如表1所示，可以看出此系列的馬達(dá)屬于低速馬達(dá)。測(cè)功機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為2 700 r/min，因此在此系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了增速箱，增速箱速比為1∶4。文中選擇最大壓力為22.5 MPa的馬達(dá)作為被測(cè)馬達(dá)，液壓系統(tǒng)反向驗(yàn)證最大排量的馬達(dá)5，如果能滿足此馬達(dá)的測(cè)試要求，那么此系列的待測(cè)馬達(dá)參數(shù)都在被測(cè)范圍內(nèi)，便能夠保證實(shí)驗(yàn)臺(tái)的適用性。

表1 馬達(dá)型號(hào)參數(shù)

(1)電機(jī)泵組的選擇

所選柱塞馬達(dá)1的排量為165.3 mL/r，轉(zhuǎn)速為445 r/min，最大工作壓力22.5 MPa，流量為75 L/min。液壓泵的工作壓力：

pp=p1+∑Δp

(1)

其中：p1為液壓系統(tǒng)中執(zhí)行元件的最大工作壓力；∑Δp為進(jìn)油管路的壓力損失，在此系統(tǒng)中取值0.5 MPa[16]。因此液壓泵的最大工作壓力pp=22.5+0.5=23 MPa。另外，液壓泵需要一定的壓力儲(chǔ)備量，以保證液壓泵的壽命，因此液壓泵的額定工作壓力滿足：

pn=(1.25～1.6)pp

(2)

此系統(tǒng)設(shè)計(jì)系數(shù)取1.25，pn=1.25×23=28.75 MPa，取pn=29 MPa。

液壓泵的流量：

qp=KL(∑q)max

(3)

其中：∑q為執(zhí)行元件的最大流量；KL為系統(tǒng)泄漏系數(shù)，這里取KL=1.2。因此qp=1.2×75=90 L/min。

液壓泵的總功率為

(4)

式中：液壓泵的總效率η=0.8。P=23 MPa×90 L/min/0.8≈43 kW，考慮到電機(jī)允許短時(shí)間超載25%，電機(jī)功率約為35 kW，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，選擇37 kW的電動(dòng)機(jī)，型號(hào)為Y225S-4型，轉(zhuǎn)速為1 480 r/min，可以滿足實(shí)驗(yàn)要求[17]。液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，主泵選擇變量泵，其額定排量為60.8 mL/r，額定流量為90 L/min，選擇型號(hào)為A4V056E0/32W-PSC12N00。經(jīng)過(guò)計(jì)算，選擇的電機(jī)和變量泵能夠滿足馬達(dá)5的測(cè)試要求。由此可以得到P=pq/60=37 kW特性曲線，如圖3所示。可以看出：只要滿足壓力在區(qū)間[13，22.5]MPa，流量值在曲線下方區(qū)域的馬達(dá)都可以用此系統(tǒng)測(cè)試。

圖3 壓力-流量變化曲線

(2)油箱容量確定

液壓系統(tǒng)工作時(shí)，液面需要保持一定的高度，為了保證液壓油中的空氣逸出，預(yù)留液壓油容量1/5的空間，以此確定油箱容積。油箱的有效容積估算公式為：V=εQ。其中ε為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，此液壓系統(tǒng)屬于高壓系統(tǒng)，取ε=11[17]。液壓馬達(dá)的最大流量為75 L/min，V=825 L。考慮到預(yù)留容積，故取V=1 000 L。

(3)其他元件選用

根據(jù)被測(cè)液壓馬達(dá)的壓力范圍13～22.5 MPa，選取溢流閥的型號(hào)為DBDH10P10/400，連接形式為板式閥連接，壓力調(diào)節(jié)方式為手柄調(diào)節(jié)，壓力調(diào)節(jié)范圍0～40 MPa。

電磁換向閥用來(lái)控制及切換系統(tǒng)液壓油的流動(dòng)方向，以達(dá)到雙向測(cè)試液壓馬達(dá)的目的。此系統(tǒng)選用設(shè)計(jì)流量為90 L/min的電磁換向閥，型號(hào)為4WE10LG31B，有4個(gè)工作油口，通徑10 mm，壓力至31.5 MPa，流量至120 L/min。

該系統(tǒng)中主要傳感器選擇如表2所示。

表2 各類傳感器

2.2 系統(tǒng)軟件

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的軟件包括兩部分：一個(gè)是測(cè)功機(jī)控制通信軟件，控制面板如圖4(a)所示；另一個(gè)是測(cè)功機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)軟件，控制面板如圖4(b)所示。

圖4 軟件控制面板

圖4(a)顯示的是組態(tài)軟件連接狀態(tài)，圖4(b)為讀取的測(cè)功機(jī)數(shù)據(jù)。軟件可以顯示流量、壓力、扭矩、轉(zhuǎn)速、測(cè)試時(shí)長(zhǎng)、伺服閥開(kāi)度值等。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的兩個(gè)軟件使用VC編制，讀取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后，通過(guò)繪制特性曲線可以對(duì)整個(gè)液壓系統(tǒng)控制過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控。軟件可以對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，以便進(jìn)一步分析、處理。軟件控制系統(tǒng)工作流程如圖5所示。

圖5 軟件控制流程

3 仿真

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的液壓馬達(dá)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)的可行性，基于AMESim軟件中的Hydraulic庫(kù)建立臺(tái)架的系統(tǒng)級(jí)仿真模型，如圖6所示。其中，仿真液壓馬達(dá)參考柱塞馬達(dá)1的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。根據(jù)主要液壓元件選型型號(hào)，仿真基本參數(shù)設(shè)置如表3所示。仿真時(shí)間40 s，采樣間隔為0.01 s。

表3 仿真模型主要元件基本參數(shù)

圖6 臺(tái)架AMESim等效仿真模型

仿真設(shè)置加載扭矩25 N·m，折算到馬達(dá)上的負(fù)載為100 N·m。換向閥工作在右位，馬達(dá)正轉(zhuǎn)。設(shè)定變量泵輸出如圖7所示，4個(gè)階段輸出流量分別為30、50、60、70 L/min。液壓馬達(dá)相應(yīng)輸出轉(zhuǎn)速如圖8所示，穩(wěn)態(tài)輸出轉(zhuǎn)速分別為181.5、302.5、363.1、423.5 r/min，仿真結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果相一致。

圖8 仿真液壓馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速

以第二階段輸出結(jié)果為例，分析馬達(dá)的響應(yīng)特性。如圖9所示：變量泵階躍流量信號(hào)輸入下，仿真液壓馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)速經(jīng)0.28 s達(dá)到穩(wěn)定值的90%，峰值轉(zhuǎn)速332.6 r/min，最大超調(diào)量9.95%，調(diào)整1.4 s后馬達(dá)輸出穩(wěn)定。因此設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)架滿足液壓馬達(dá)的性能測(cè)試需求。

圖9 仿真液壓馬達(dá)響應(yīng)特性

4 測(cè)試及結(jié)果分析

選用的測(cè)試馬達(dá)為表1中的馬達(dá)1，實(shí)驗(yàn)分別設(shè)定流量在50、60、70 L/min時(shí)，負(fù)載逐漸加大，通過(guò)分析處理采集到的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等參數(shù)數(shù)據(jù)，計(jì)算出不同工況下被測(cè)馬達(dá)的容積效率、機(jī)械效率，最終得到容積效率、機(jī)械效率在不同流量下隨負(fù)載的變化曲線，如圖10所示。

圖10 容積效率(a)、機(jī)械效率(b)隨負(fù)載變化規(guī)律曲線

由圖10可以看出：在不同流量下，被測(cè)試馬達(dá)1的容積效率隨著負(fù)載的增大而不斷降低，機(jī)械效率隨著負(fù)載的增大而增大，測(cè)試結(jié)果和規(guī)律與廠家提供的參考數(shù)據(jù)一致。因此該液壓系統(tǒng)符合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求，可以用于該系列馬達(dá)的可靠性測(cè)試。

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)一種控制簡(jiǎn)單、操作方便的測(cè)功機(jī)控制負(fù)載液壓馬達(dá)可靠性測(cè)試平臺(tái)，基于液壓傳動(dòng)控制技術(shù)及傳統(tǒng)液壓元件測(cè)試基礎(chǔ)，按照被測(cè)馬達(dá)參數(shù)以及測(cè)試要求，設(shè)計(jì)了測(cè)試柱塞馬達(dá)的液壓系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)組件選型，成功搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)并進(jìn)行了可靠性測(cè)試仿真與實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：該液壓實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以進(jìn)行不同工況下柱塞馬達(dá)的可靠性測(cè)試實(shí)驗(yàn)，結(jié)果符合測(cè)試要求，達(dá)到預(yù)期效果。