李平材，關(guān)浩，郝蔚祺

(1.大連大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連 116600；2.中國鐵建重工集團(tuán)有限公司液壓研究院，湖南長沙 410100)

整個試驗臺包括三部分:油源系統(tǒng):由6個電機(jī)驅(qū)動液壓泵為系統(tǒng)提供油源，電機(jī)功率分別為250、75、7.5 kW等;試驗臺架系統(tǒng):該系統(tǒng)由液壓閥測試系統(tǒng)、泵馬達(dá)測試系統(tǒng)、液壓缸測試系統(tǒng)三部分組成;計算機(jī)測控系統(tǒng):該系統(tǒng)主要由NI公司的數(shù)據(jù)采集裝置和西門子公司的PLC控制裝置組成。

文中主要從試驗臺泵馬達(dá)測試系統(tǒng)的液壓原理圖出發(fā)，講解試驗臺的設(shè)計和測試原理，對其能量回收原理的實現(xiàn)進(jìn)行具體分析。以具體的檢測實例來說明該試驗臺工作原理和創(chuàng)新之處，分別在常規(guī)模式和能量回收模式下對被測泵輸出壓力進(jìn)行檢測、對比，從而使大家對該試驗臺的設(shè)計有大體的了解。

1 泵、馬達(dá)性能測試系統(tǒng)簡介

試驗臺油路根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計而成，在泵、馬達(dá)測試中，主要采用能量回收原理和綜合法來進(jìn)行測試系統(tǒng)設(shè)計，極大地減小了液壓元件功率損耗。在設(shè)計液壓原理圖時，通過分析測試對象、測試項目以及測試功率等方面的需求，采用普通模式和能量回收模式相結(jié)合的方法:測小功率液壓元器件時，直接采用普通模式進(jìn)行測試;當(dāng)測試大功率或者高壓元器件時，采用能量回收模式進(jìn)行測試。

普通模式。當(dāng)試驗臺工作于泵測試狀態(tài)時，原動電機(jī)用來驅(qū)動動力泵輸出壓力油，壓力油驅(qū)動被試泵;當(dāng)試驗臺工作于馬達(dá)測試狀態(tài)時，原動電機(jī)驅(qū)動動力泵輸出壓力油，驅(qū)動被試馬達(dá)，被試馬達(dá)的負(fù)載由加載馬達(dá) (也稱加載泵)和電比例加載模塊來模擬。

能量回收模式。當(dāng)試驗臺工作于泵測試狀態(tài)時，原動電機(jī)驅(qū)動補(bǔ)能泵，補(bǔ)能泵和被試泵輸出的壓力油合流后一起驅(qū)動被試泵的驅(qū)動馬達(dá)，馬達(dá)再驅(qū)動被試泵，從而實現(xiàn)能量的循環(huán)利用;當(dāng)試驗臺工作于馬達(dá)測試狀態(tài)時，原動電機(jī)驅(qū)動補(bǔ)能泵輸出壓力油與加載馬達(dá)輸出的壓力油合流后一起驅(qū)動被試馬達(dá)，被試馬達(dá)再驅(qū)動加載馬達(dá)，從而實現(xiàn)了能量的循環(huán)利用。

能量回收原理簡介。液壓系統(tǒng)能量回收是以降低液壓回路的能量損耗為目標(biāo)，合理設(shè)計液壓系統(tǒng)回路，適當(dāng)選擇和布置液壓元件，對液壓元件和運(yùn)動負(fù)載的機(jī)械能加以重新回收利用，從而實現(xiàn)液壓系統(tǒng)節(jié)能高效的系統(tǒng)設(shè)計方法［1］。

將能量回收原理應(yīng)用于該泵馬達(dá)液壓試驗臺中，在測試泵的相關(guān)實驗中，采用泵、馬達(dá)互拖的形式［2］，將被測泵與補(bǔ)能泵的壓力油合流一起驅(qū)動馬達(dá)，然后再由馬達(dá)驅(qū)動被測泵，從而實現(xiàn)了能量回收利用?；谀芰炕厥盏囊簤涸囼炁_，在能源利用效率方面，有效減小了能源損耗，同時也增大了檢測元件的功率范圍［3］，實現(xiàn)了300 MPa大功率液壓元件的檢測。液壓原理圖如圖1所示。該圖中省略了實際液壓系統(tǒng)中的流量、壓力檢測等傳感器，使得原理圖看起來簡潔大方，主要側(cè)重于系統(tǒng)功能的實現(xiàn)。

圖1 泵、馬達(dá)測試液壓原理圖

2 基于能量回收原理的液壓系統(tǒng)與普通液壓檢測系統(tǒng)的對比

以液壓泵模擬加載試驗為例。選取德國力士樂軸向柱塞變量泵A4VG為被測泵，設(shè)置系統(tǒng)供油壓力均為10 MPa，用比例節(jié)流閥模擬負(fù)載，分別在常規(guī)模式液壓系統(tǒng)和能量回收原理液壓系統(tǒng)下對被測泵輸出壓力進(jìn)行測量。測試原理圖如圖2所示。

圖2 兩種測試系統(tǒng)對比圖

得到如圖3所示的被測泵輸出壓力對比，表明基于能量回收法的系統(tǒng)被測泵輸出壓力明顯高于常規(guī)測試系統(tǒng)被測泵的輸出壓力。

圖3 普通模式和能量回收模式輸出壓力對比圖

圖3表明:普通模式下，系統(tǒng)輸出壓力響應(yīng)快，僅需不到1 s就能使輸出壓力保持穩(wěn)定;而能量回收模式下，輸出壓力調(diào)節(jié)速度慢，在將近50 s時，才達(dá)到穩(wěn)定值。通過圖3還可以發(fā)現(xiàn):在系統(tǒng)剛開始的時候，能量回收模式和普通模式的輸出壓力基本相同。在進(jìn)行了多組實驗的情況下，發(fā)現(xiàn)隨著系統(tǒng)負(fù)載壓力的調(diào)節(jié)，兩種模式下泵輸出壓力大小并不是嚴(yán)格意義上的比例關(guān)系。即圖3所示的輸出壓力比3∶7并不適用于其他載荷。

3 泵馬達(dá)試驗臺測試實例

以柱塞泵壓力流量特性檢測為例，來講解泵馬達(dá)試驗臺兩種模式的工作原理。方向閥通斷如表1所示(+號表示得電，－號表示失電)。

能量回收模式下，被測泵正轉(zhuǎn)時，如圖1所示，系統(tǒng)供油恒壓變量泵12通過加載溢流閥后，對系統(tǒng)進(jìn)行比例加載，高壓油液流經(jīng)二位二通閥8和三位四通閥9后流進(jìn)驅(qū)動馬達(dá)，驅(qū)動馬達(dá)帶動被測泵轉(zhuǎn)動。壓力油由被測泵的出油口流經(jīng)三位四通閥5和二位二通閥6之后，進(jìn)入模擬負(fù)載伺服閥 (注意該模擬負(fù)載只能單向流通)，系統(tǒng)剛開始運(yùn)行階段讓模擬負(fù)載伺服閥關(guān)閉，相當(dāng)于加載負(fù)載無窮大，待驅(qū)動馬達(dá)轉(zhuǎn)速平穩(wěn)之后，減小模擬負(fù)載，此時高壓油流經(jīng)方向閥11后跟恒壓變量泵12的高壓油匯合，匯合后再次沿回路流進(jìn)驅(qū)動馬達(dá)1，此時驅(qū)動馬達(dá)1的進(jìn)出油口壓差變大，驅(qū)動馬達(dá)轉(zhuǎn)速急劇增加，為避免造成系統(tǒng)調(diào)節(jié)不穩(wěn)定，伺服閥4快速響應(yīng)，起到分流的作用，使得驅(qū)動馬達(dá)1轉(zhuǎn)速回歸平穩(wěn)，此時，伺服閥4在高壓狀態(tài)下慢慢關(guān)閉，隨之伺服閥3打開，增大驅(qū)動馬達(dá)的排量，穩(wěn)定了驅(qū)動馬達(dá)的轉(zhuǎn)速。使得驅(qū)動馬達(dá)在接收來自被測泵和系統(tǒng)提供的高壓油時，增快了響應(yīng)速度和系統(tǒng)的平穩(wěn)性。油液流經(jīng)驅(qū)動馬達(dá)后流入回油箱。

表1 普通和能量回收模式下各方向閥電磁鐵得電情況

在普通模式下，測試正轉(zhuǎn)泵性能時，系統(tǒng)供油通過恒壓變量泵12和加載溢流閥后，對系統(tǒng)進(jìn)行比例加載，高壓油經(jīng)二位二通閥8和三位四通閥5后流進(jìn)被測泵，壓力油由被測泵的出油口流經(jīng)三位四通閥9和二位二通閥6之后，進(jìn)入模擬負(fù)載伺服閥 (注意該模擬負(fù)載只能單向流通)。系統(tǒng)剛開始運(yùn)行階段讓模擬負(fù)載伺服閥關(guān)閉，相當(dāng)于加載負(fù)載無窮大，待驅(qū)動馬達(dá)轉(zhuǎn)速平穩(wěn)之后，減小模擬負(fù)載，此時高壓油流經(jīng)方向閥11后回油箱。

該泵馬達(dá)試驗臺實現(xiàn)如下功能:

(1)正反轉(zhuǎn)液壓泵、液壓馬達(dá)在普通模式和能量回收模式下的性能檢測。測試功能十分強(qiáng)大，體現(xiàn)了現(xiàn)代化測試系統(tǒng)的集成度高、功能強(qiáng)大的特點，實現(xiàn)了泵、馬達(dá)試驗臺的合一。

(2)可實現(xiàn)液壓補(bǔ)償、機(jī)械補(bǔ)償兩種能量補(bǔ)償形式，且兩種補(bǔ)償模式互不干擾，液壓補(bǔ)償和機(jī)械補(bǔ)償可以同時進(jìn)行補(bǔ)償。當(dāng)被試泵輸出流量小于驅(qū)動馬達(dá)輸入流量時，變量泵12的高壓油進(jìn)入系統(tǒng)，補(bǔ)償被測泵和驅(qū)動馬達(dá)之間的流量差，該補(bǔ)償方式為液壓補(bǔ)償;當(dāng)驅(qū)動馬達(dá)的輸出扭矩不足以驅(qū)動被測泵時，雙軸電機(jī)14工作，補(bǔ)償驅(qū)動馬達(dá)和被測泵之間的扭矩差。

(3)電機(jī)14用來補(bǔ)償被測泵、馬達(dá)和驅(qū)動馬達(dá)之間的扭矩差，從而避免了因為泵、馬達(dá)排量不同而導(dǎo)致的系統(tǒng)運(yùn)動不平穩(wěn)、振動噪聲大的問題。也可對系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)械補(bǔ)能，與液壓補(bǔ)能共同實現(xiàn)系統(tǒng)補(bǔ)能。

(4)采用加載溢流閥進(jìn)行系統(tǒng)比例加載，使得能量回收系統(tǒng)在不改變驅(qū)動馬達(dá)和被測泵之間密封容積的情況下，通過改變驅(qū)動馬達(dá)和被測泵的補(bǔ)油量來進(jìn)行系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)精度高，并且調(diào)節(jié)范圍較廣。

(5)采用伺服閥來調(diào)節(jié)驅(qū)動馬達(dá)轉(zhuǎn)速，使得系統(tǒng)響應(yīng)速度快，驅(qū)動馬達(dá)轉(zhuǎn)速相對穩(wěn)定，從而保證了被測泵的更多功率可以加到驅(qū)動馬達(dá)上，節(jié)能效果和系統(tǒng)響應(yīng)都明顯增強(qiáng)。

(6)在測試柱塞泵時，使用柱塞泵做為驅(qū)動馬達(dá)，使得被測泵和驅(qū)動馬達(dá)之間流量更為匹配，避免了以往因被測泵輸出流量小于驅(qū)動馬達(dá)而導(dǎo)致的無法實現(xiàn)能量回收，增大了系統(tǒng)能量回收的效率。

(7)系統(tǒng)壓力油由恒壓變量泵12提供，該變量泵由普通電機(jī)驅(qū)動，在系統(tǒng)壓力小于設(shè)定壓力時，變量泵輸出流量變大，使得系統(tǒng)補(bǔ)油能力增加，響應(yīng)更快。并可設(shè)定變量泵的輸出壓力，使得系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)更加方便。

(8)在液壓回路中引入了新型的傳感器測試儀表 (如在被測泵和被測馬達(dá)之間加入了新型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀器)，采用電比例伺服閥做模擬加載，系統(tǒng)大量采用集成閥塊。還簡化了機(jī)器管道，大大減小了系統(tǒng)的外泄漏。同時還使得所有的液壓回路集成在一臺機(jī)器設(shè)備上，使液壓系統(tǒng)的安裝布局更加科學(xué)合理，維護(hù)更加方便，運(yùn)行更加可靠。大量采用插裝閥，因其結(jié)構(gòu)簡單，通流能力大，適合于各種高壓大流量系統(tǒng);改變不同的先導(dǎo)控制閥及蓋板，便可輕易地實現(xiàn)不同閥的功能，而插裝主閥的結(jié)構(gòu)不變、便于標(biāo)準(zhǔn)化等優(yōu)點，極大地提高了系統(tǒng)可靠性。

(9)液壓泵、馬達(dá)測試臺能完成軸向柱塞泵和軸向柱塞馬達(dá)的多項性能參數(shù)測試試驗，主要包括以下具體試驗:效率試驗，變量特性試驗，沖擊試驗，壽命試驗，壓力流量試驗等。

4 實驗結(jié)果數(shù)據(jù)分析與處理

此系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集采用算術(shù)平均值法。算術(shù)平均值法適用于對壓力、流量信號的濾波處理，這類信號的特點是有一個平均值，信號在某一數(shù)值附近作上下波動，在這種情況下，僅取一個采樣值作為依據(jù)顯然是不準(zhǔn)確的。算術(shù)平均值法對信號的濾波程度完全取決于N。當(dāng)N較大時濾波度高，但靈敏度低;當(dāng)N較小時，濾波度低，但靈敏度高，此系統(tǒng)N可取3～5。

算術(shù)平均值法是尋找這樣一個值作為當(dāng)前次采樣的平均值，使該次各采樣之間誤差的平方和最小:

入口條件:N次采樣值已存于一維數(shù)組成X(N)中［4］。

出口條件:算術(shù)平均值存于Y變量中。通過計算得到流量、壓力平均值Y，從而得到液壓泵的壓力、流量特性曲線如圖4所示。

圖4 液壓泵壓力、流量特性曲線

壓力、流量特性曲線表明:在t=0～4 s時，系統(tǒng)無負(fù)載壓力，系統(tǒng)流量在開機(jī)后迅速上升到12 L/min并保持穩(wěn)定;在t=4 s時對系統(tǒng)施加負(fù)載，并逐漸增大負(fù)載;到t=8 s時，負(fù)載增大到最大值，此時系統(tǒng)流量產(chǎn)生波動，流量變化如圖4所示，最終在t=8 s時，流量減小為0。該實驗結(jié)果表明被測泵壓力流量特性曲線正常，符合檢測標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)論

該試驗臺的研究特色在于最大限度地利用能量，改變了以往試驗臺溢流損失嚴(yán)重的現(xiàn)象，實現(xiàn)了400 MPa大功率液壓元件的檢測。有以下幾點創(chuàng)新。

(1)創(chuàng)新的液壓試驗臺模式:綜合法。能夠?qū)崿F(xiàn)能量回收模式和常規(guī)模式兩種模式下雙向變量液壓泵、馬達(dá)的性能測試。用較小功率的補(bǔ)能泵來驅(qū)動較大功率被測泵、馬達(dá)，增大了可測元器件的功率范圍。還可以用常規(guī)模式來解決能量回收模式下測試功能不全，被測泵、馬達(dá)輸出流量無法計量等問題。為該試驗臺所設(shè)計的能量回收模式可實現(xiàn)液壓補(bǔ)償、機(jī)械補(bǔ)償兩種能量補(bǔ)償形式，改善了以往能量回收模式下系統(tǒng)壓力變化過快、壓力脈動大、被測泵和驅(qū)動馬達(dá)流量不匹配等方面問題，壓力調(diào)節(jié)精度高、范圍較廣，節(jié)能效果和系統(tǒng)響應(yīng)都明顯增強(qiáng)。

(2)采用定量泵+變頻電機(jī)為系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)油，不僅可以改善因被試液壓泵與驅(qū)動馬達(dá)之間的扭矩差太大造成的壓力脈動和振動噪聲，并且加載壓力時調(diào)節(jié)穩(wěn)定性好，測試結(jié)果更為精確。補(bǔ)油壓力泵可以用來補(bǔ)償驅(qū)動馬達(dá)和被測泵之間的流量差，采用蓄能器來增大系統(tǒng)的密封容積從而減小壓力脈動和提高加載壓力。

(3)采用伺服閥來控制驅(qū)動馬達(dá)的壓力流量。當(dāng)補(bǔ)能泵的流量增大時，為了避免驅(qū)動馬達(dá)轉(zhuǎn)速上升太快，采用伺服閥進(jìn)行分流，迅速使驅(qū)動馬達(dá)恢復(fù)平穩(wěn)，由于伺服閥工作在高壓大流量狀態(tài)，所以進(jìn)入穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后伺服閥逐漸關(guān)閉，系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)平穩(wěn)。

(4)使用柱塞泵做為驅(qū)動馬達(dá)，使得被測泵和驅(qū)動馬達(dá)之間流量更為匹配，避免了以往因被測泵輸出流量小于驅(qū)動馬達(dá)而導(dǎo)致的無法實現(xiàn)能量回收問題。

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