通用型液壓馬達實驗臺的分析與設(shè)計

張翔，周燕飛，夏天，包磊，王立超，房連強

(南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 210016)

0 引言

液壓馬達是液壓系統(tǒng)重要的動力元件，它將系統(tǒng)壓力能轉(zhuǎn)化為機械能，輸出旋轉(zhuǎn)運動，具備在較寬的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)工作的能力[1-2]。泵和液壓馬達作為液壓系統(tǒng)中至關(guān)重要的設(shè)備，其性能的好壞直接決定著整個系統(tǒng)的工作狀況。

目前，國內(nèi)許多科研院所與相關(guān)企業(yè)，為開展科學研究、教學演示或生產(chǎn)需要，配備有液壓馬達測試系統(tǒng)或其他液壓測試系統(tǒng)。經(jīng)過多年的探索，液壓測試系統(tǒng)研究呈現(xiàn)出一些顯著特征，主要表現(xiàn)為系統(tǒng)設(shè)計與計算機技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)相結(jié)合，虛擬儀器技術(shù)大量應(yīng)用于系統(tǒng)的測量與控制，系統(tǒng)自動化程度和控制水平不斷提高，系統(tǒng)設(shè)計更加注重功率回收、節(jié)能環(huán)保等[3-5]。液壓伺服系統(tǒng)[6]、液壓CAT涉及液壓、自動化、微型計算機、測試技術(shù)、數(shù)字信號處理等多學科理論與技術(shù)，也是國內(nèi)發(fā)展方向[7]。相比國內(nèi)而言，國外液壓測試試驗臺的設(shè)計與研究工作開展較早，且液壓測試系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是綜合運用計算機技術(shù)、傳感器技術(shù)、比例控制技術(shù)、集成插裝技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)及新的可靠性理論、現(xiàn)代控制理論等相關(guān)技術(shù)，不斷提高試驗臺系統(tǒng)性能，節(jié)約能源，提高環(huán)保水平，開展綜合應(yīng)用研究[8]。

液壓馬達的測試，是在液壓馬達出廠前必須對其進行的性能檢測，要保證其轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩符合標準的要求。很多液壓馬達的使用工況復雜、環(huán)境惡劣，損耗很大，因此，須定期對液壓馬達進行性能檢測。液壓泵和液壓馬達試驗系統(tǒng)是檢驗這些重要元件的測試裝置，它的測試結(jié)果對液壓系統(tǒng)的工作性能有巨大的影響。

傳統(tǒng)的液壓馬達測試系統(tǒng)，占用空間大，組成部分多，如果檢測多種類型的液壓馬達而只配備一種實驗臺是很難實現(xiàn)的。不同的馬達配備不同的實驗臺，會造成很大的資源浪費。不同的實驗臺有很多共同點，關(guān)鍵是要找出其共性[9-10]。因此，通用測試系統(tǒng)研究，構(gòu)建液壓馬達維修測試平臺，為企業(yè)創(chuàng)造出廠及維修所需的液壓馬達性能測試的設(shè)備與條件，具有重要的實際意義。

1 通用型液壓馬達實驗臺工作原理

1.1 液壓馬達實驗臺的組成

本實驗測試系統(tǒng)以現(xiàn)有液壓馬達測試臺為研究基礎(chǔ)進行分析與設(shè)計，主要由1套液壓源(動力系統(tǒng))、操作臺、試驗臺架及液壓管路組成。

1) 電機泵組

電機泵組為油源的核心部分，油泵選用定量柱塞泵，流量為500mL/min,耐壓可達35MPa，低噪聲、壓力脈動小、效率高，耐氣穴、吸油壓降和殼體壓力峰值的能力強。

電機選用西門子變頻電機，電機和泵安裝鐘形護罩，保證電機與泵連接的同軸性，同時鐘形護罩將電機與泵的連接軸及聯(lián)軸器罩住，具有隔音、防塵的功能。

2) 底座

底座用于安裝電機泵組及油箱，底部由槽鋼焊接組成框架，配備地腳螺栓安裝孔及方斜墊圈；上部鋪有鋼板，作為安裝底面并兼有接油盤的功能，結(jié)構(gòu)牢靠且外形簡潔大方。外表面采用整體噴漆，耐油性好。

3) 控制系統(tǒng)原理

控制系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，從層次上分為2層。

第1層為試驗管理層，它通過上位計算機完成操作員對試驗的進程控制，并通過高速數(shù)據(jù)傳輸模塊完成上下層之間的數(shù)據(jù)通信。

第2層為實時控制層，它通過底層DSP完成包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)字閉環(huán)控制、速度超限處理等功能，以滿足系統(tǒng)對反饋信號采樣的精度要求；同時發(fā)揮了嵌入系統(tǒng)實時性好，處理速度快的特點。信號采樣、模數(shù)轉(zhuǎn)換及常規(guī)的PID控制算法直接在下位機的DSP上完成。

圖1所示為控制系統(tǒng)原理圖。

圖1 控制系統(tǒng)原理框圖

1.2 液壓系統(tǒng)的工作原理

設(shè)備操作采用“手動”與“自動”兩種方式。“手動”方式通過“手柄操控，儀表顯示”實現(xiàn)逐級分步試驗，用于產(chǎn)品的初次驗證；“自動”方式采用“PLC+計算機”程序控制,實現(xiàn)一鍵式完成所需檢測的各項指標，并對檢測進行記錄、存盤與打印，用于產(chǎn)品的批量化驗證。兩種控制方式相互驗證設(shè)備的精度，更可靠地對產(chǎn)品進行精度測試，其中通用性體現(xiàn)在實驗臺支架的連接部位、轉(zhuǎn)速扭矩儀的升降，整個實驗臺的負載功率可以滿足待測馬達的檢測指標。圖2是液壓系統(tǒng)原理圖。

1—柱塞泵；2—變頻電機；3—空氣濾清器；4—單向閥；5—比例溢流閥；6—蓄能器；7—流量計；8—多路球閥；9—液控換向閥；10—電液伺服閥；11—壓力傳感器；12—試驗件；13—扭矩轉(zhuǎn)速儀；14—柱塞馬達。圖2 液壓系統(tǒng)工作原理圖

2 通用型實驗臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 液壓元件的選擇

a) 待測液壓馬達的選擇

為了實現(xiàn)試驗臺的通用性，每一種類型的液壓馬達都有其規(guī)定的檢測標準和方法，而由于液壓馬達大致分為齒輪馬達、葉片馬達、柱塞馬達、擺線馬達等幾大類別，故在這4種液壓馬達中分別選取2種同系列馬達。選擇同系列中參數(shù)相差較大的液壓馬達，建立的負載系統(tǒng)如果能滿足這些液壓馬達的要求，那么待測液壓馬達在這些系列的參數(shù)范圍內(nèi)，也能夠保證實驗臺的適用性，在一定程度上，擴大了實驗臺的通用性，但缺點是在構(gòu)建系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和選定負載泵時需要花費更多的時間。表1為液壓馬達選型表。

表1 液壓馬達選型表

b) 負載泵的選擇

所選擇的液壓馬達的主要參數(shù)是轉(zhuǎn)速和排量。由于這些液壓馬達的主要參數(shù)差異較大，故在此根據(jù)所選液壓馬達中的YMC-30為待測馬達，選定負載泵。其公稱排量為224mL/r，最高轉(zhuǎn)速為200r/min,其流量為44.8L/min，故選定負載泵為型號為PPED-4131037/016的柱銷式葉片泵，其主要參數(shù)為排量:前泵36.6mL/r，后泵16.5mL/r；額定壓力為前泵21MPa，后泵21MPa，輸出流量為前泵45L/min，后泵16L/min，驅(qū)動功率為22kW,10kW，轉(zhuǎn)速范圍為80～2500r/min。

c) 轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩儀的選擇

選擇NJ型扭矩轉(zhuǎn)速傳感器，該轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器是一種廣泛應(yīng)用于機械領(lǐng)域中的用來測量各種動力機械轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的高精密測量儀器。其測速工作原理圖如圖3所示。

圖3 測速原理圖

通過弾性軸以及分布在兩側(cè)的兩組電磁傳感器將被測轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成具有相位差的兩組交流電信號，把這兩組交流電信號送入測量儀計算機，即可得到轉(zhuǎn)矩。

選擇NJ1型轉(zhuǎn)速扭矩儀，其額定扭矩為300N·m，使用轉(zhuǎn)速范圍為0～6000r/min,該扭矩儀在超載≤120%額定轉(zhuǎn)矩時，仍然能保證轉(zhuǎn)矩測量精度。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

a) 固定支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計

因為試驗臺架要安裝不同類型的液壓馬達，而液壓馬達的型號不同接口也不同。為了便于液壓馬達的安裝，設(shè)計了一種通用性更高、可替換的連接過渡件，解決了上述問題(圖4、圖5)。

圖4 固定支架

圖5 連接過渡件

b)轉(zhuǎn)速扭矩儀升降臺的設(shè)計

因為每一種類型的馬達對應(yīng)相應(yīng)負載的液壓泵，也要有相應(yīng)規(guī)格的轉(zhuǎn)速扭矩儀與之配合工作。不同類型的轉(zhuǎn)速扭矩儀外形尺寸有區(qū)別，需要設(shè)計升降臺來滿足它與液壓馬達之間的空間距離差。圖6是轉(zhuǎn)速扭矩儀升降臺的三維圖。

圖6 升降臺

c) 負載系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

負載系統(tǒng)在實驗臺中起著模擬實際工況負載的作用，給液壓馬達施加負載可以更真實地檢測其性能。本實驗臺改進了原有負載系統(tǒng)的負載泵連接部位，改進了油箱，優(yōu)化油路管路，給測試帶來方便(圖7)。

圖7 負載系統(tǒng)設(shè)計圖

1) 油箱設(shè)計

油箱容積的確定：液壓系統(tǒng)工作時，液面保持一定的高度。為了保證溶解在液壓油中空氣的逸出，留出液壓油容量1/5的空間。對于管路較長的系統(tǒng)，油箱最高液面不超過油箱高度的80%。

流量估算：油箱容積是運轉(zhuǎn)容量、回流容量、預備容積及空容積之和。液壓泵的流量估算容積為V，經(jīng)驗公式為：V=εQ，其中：ε為經(jīng)驗系數(shù)，低壓取2～4，中壓取5～7，高壓取10～12。本液壓系統(tǒng)，選取經(jīng)驗系數(shù)為6，排量取液壓馬達排量最大值為320mL/r,轉(zhuǎn)速為200r/min，Q=64L/min，V=384L?？紤]到預留容積，故取V=500L為主油箱容積[12]。

油箱結(jié)構(gòu)設(shè)計：選用閉式油箱結(jié)構(gòu)，油箱接口采用密封圈密封。油箱由箱體、液位液溫計、空氣過濾器、吸回油過濾器、放油口、加油口等組成。

式中：qv為管道內(nèi)的流量；V為管內(nèi)許用流量，壓油管路取3～6m/s；

取V=4L/s，qv為116L/min，計算得：

取壓油管內(nèi)徑為6mm，膠管外徑為15mm。

2) 電機泵組的選擇

液壓泵工作壓力的確定：Pp≥P1+∑ΔP，P1是液壓執(zhí)行元件的最高工作壓力，在所設(shè)計的液壓回路中為液壓馬達的最高壓力。其中P1=12MPa，∑ΔP是泵到執(zhí)行元件間總的管路損失，中間經(jīng)過了4個單向閥，取∑ΔP=0.6MPa，所以液壓泵的工作壓力為：

Pp=12+0.6=12.6MPa。

選用PPED-4131037/1022雙聯(lián)型葉片泵為負載泵，當壓力為12.6MPa時，大泵流量為45L/min，小泵流量為23L/min。大泵的供油壓力為12.6MPa，小泵的供油壓力為12.6MPa。取泵的總效率ηp=0.8，泵的總驅(qū)動功率為：

(12.6×106×45+12.6×106×23)/103×0.8×60×103=17.85kW。

考慮到電機允許短時間超載25%，P=17.85÷1.25=14.28kW。根據(jù)機械設(shè)計手冊，選擇15kW的電動機，型號為Y180L-6型。

d) 其他液壓元件的選用

1) 單向閥。根據(jù)液壓馬達測試臺額定流量為116L/min，選取單向閥型號為DXF20-G，參數(shù)為：通徑20mm，流量130L/min，長度98mm，六方S45，螺紋直徑M33×2，螺紋深度18mm。

2) 溢流閥。根據(jù)液壓馬達測試臺調(diào)壓范圍為0～28MPa，故選取溢流閥型號為YF-F32H4,連接方式為法蘭連接，質(zhì)量為14kg,長度為50mm，流量為200L/min，調(diào)壓范圍16～32MPa。溢流閥YF-F32H2,連接方式為法蘭連接，質(zhì)量為7kg，長度為32mm，流量為200L/min,調(diào)壓范圍為4～16MPa。

式中：A為冷卻器冷卻面積；Nh為液壓系統(tǒng)發(fā)熱量；Nhd為液壓系統(tǒng)散熱量；K為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。

式中：T1、T2為進口和出口油溫(℃)；T3、T4為進口和出口的水溫(℃)。

Nh=Np(1-ηC)

式中：Np為輸入泵的功率，W;ηC為系統(tǒng)的總效率。

Nhd=K1AΔt

式中：K1為油箱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；A為油箱散熱面積；Δt為油溫與環(huán)境溫度之差。

取K1為20，A為1，Δt為40，計算得Nhd=800W；

取ηC=0.5，Np=12kW，計算得Nh=6000 W；

T1、T2分別為60℃、65℃，T3、T4分別為25℃、65℃，計算得ΔTav=17.5℃，代入得A=1.75m2。

根據(jù)液壓馬達實驗臺的調(diào)壓范圍以及額定流量，選擇型號為2LQFWX型冷卻器型號為A2.1F，其散熱效果好，能夠有效地避免油溫過高。

4) 濾油器。選擇U-H250高壓濾油器。高壓濾油器主要用于保護泵下游元件不受污染。

3 結(jié)語

通用型液壓馬達試驗臺具有測試范圍廣、 自動化程度高、操作方便、測試準確等優(yōu)點，可以測試多種類型不同規(guī)格的液壓馬達。通過對YMC-30A液壓馬達實驗臺的試驗臺架、負載系統(tǒng)、油箱及管路的改進設(shè)計，可以實現(xiàn)對不同類型馬達的測試。試驗臺架設(shè)計了過渡件，方便液壓馬達與支架之間的連接。轉(zhuǎn)速扭矩儀下方安裝有可移動升降臺，可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速扭矩儀的上下高度，一種類型的液壓馬達就要配備相應(yīng)規(guī)格的負載泵，依據(jù)標準和使用量程對油箱進行設(shè)計。通過這樣一套基于原有實驗臺的改進結(jié)構(gòu)，可以滿足對多種類型馬達的測試?？刂撇糠峙c改進后的實驗臺結(jié)合，系統(tǒng)采用電磁比例溢流閥和比例泵，計算機輔助測試技術(shù) CAT(computer aided test)的應(yīng)用，為實現(xiàn)液壓馬達的高效準確測試帶來極大的便利。