一種定排量液壓泵效率標(biāo)定系統(tǒng)的設(shè)計

楊佳彬 荊 晶 劉 江 張龍躍

(中國船舶集團(tuán)有限公司第七〇三研究所，哈爾濱 150078)

飛機(jī)發(fā)動機(jī)附件機(jī)匣或直升機(jī)主減速在出廠前均需要進(jìn)行出廠驗(yàn)收試驗(yàn)，目前該類試驗(yàn)器在試驗(yàn)過程中對其附件加載端大部分采用模擬方式加載，即附件加載端通過減速齒輪箱與定排量液壓泵相連接進(jìn)行液壓加載。根據(jù)液壓泵功率計算公式可知，液壓泵效率的準(zhǔn)確度直接影響加載功率計算結(jié)果，而液壓泵效率與油壓黏度、磨損和泄油量等多種因素有關(guān)[1]，故為確保加載的準(zhǔn)確性，液壓泵使用一定時間后要對其效率進(jìn)行標(biāo)定與修正。針對上述液壓模擬加載回路中定排量液壓泵效率不準(zhǔn)確的問題，本文設(shè)計了一種定排量液壓泵效率標(biāo)定系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及工作原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

定排量液壓泵效率標(biāo)定系統(tǒng)主要由硬件與軟件程序兩部分組成，其中硬件部分包含機(jī)械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)。系統(tǒng)外形如圖1所示，系統(tǒng)主要部件的作用如下。

1-待標(biāo)定液壓泵、2-扭矩測量儀、3-增速齒輪箱、4-聯(lián)軸器、5-驅(qū)動電機(jī)、6-編碼器、7-設(shè)備支架、8-齒輪箱潤滑油站、9-液壓加載油站、10-信號調(diào)理箱、11-壓力變送器、12-液壓油管圖1 系統(tǒng)外形圖

(1)設(shè)備支架：用于放置系統(tǒng)其他元器件。

(2)驅(qū)動電機(jī)：作為整套系統(tǒng)的動力源，用于給待標(biāo)定液壓泵提供動力。

(3)增速齒輪箱：用于將驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速匹配到液壓泵工作轉(zhuǎn)速。

(4)扭矩測量儀：用于實(shí)時采集待標(biāo)定液壓泵輸入軸轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速。

(5)壓力變送器：用于實(shí)時采集待標(biāo)定液壓泵出、入口油壓。

(6)信號調(diào)理箱：內(nèi)部安裝采集模塊，用于采集系統(tǒng)模擬量、數(shù)字量信號。

(7)齒輪箱潤滑油站：油站內(nèi)包含潤滑油箱、油泵、壓力調(diào)節(jié)閥和冷卻器等，用于對增速齒輪箱進(jìn)行潤滑。

(8)液壓加載站：油站內(nèi)包含加載油箱、油泵、比例伺服閥[2]、流量計和冷卻器等，用于對待標(biāo)定液壓泵進(jìn)行液壓加載[3]。

(9)變頻驅(qū)動系統(tǒng)：作為電氣系統(tǒng)的一部分，主要用于對驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速。

(10)電氣系統(tǒng)：下位機(jī)PLC用于對信號箱采集到的傳感信號進(jìn)行運(yùn)算，上位機(jī)界面直接面向操作者，用于對這個系統(tǒng)進(jìn)行控制。

整套系統(tǒng)配合PLC硬件及上、下位機(jī)軟件既可以獨(dú)立成系統(tǒng)，亦可集成到其他試驗(yàn)器系統(tǒng)內(nèi)工作，本系統(tǒng)的硬件架構(gòu)如圖2所示。

圖2 硬件架構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)工作前應(yīng)確保系統(tǒng)內(nèi)各壓力傳感器、流量傳感器及扭矩測量儀等測量傳感器均經(jīng)過專業(yè)檢定機(jī)構(gòu)進(jìn)行標(biāo)定，以確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

按照圖1正確安裝被標(biāo)定液壓泵于裝置上，連接好機(jī)械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)及電氣系統(tǒng)硬件，電氣系統(tǒng)進(jìn)行上電(PLC及上下位機(jī))，首先觀察各傳感器信號是否顯示正常。系統(tǒng)無報警及故障后開始進(jìn)行液壓泵標(biāo)定工作。

通過上位機(jī)界面分別啟動齒輪箱潤滑油站及液壓加載油站，觀察各傳感器信號狀態(tài)，待各系統(tǒng)參數(shù)穩(wěn)定并滿足拖動電機(jī)啟動要求后，啟動變頻驅(qū)動系統(tǒng)，給定裝置不同驅(qū)動轉(zhuǎn)速以滿足被標(biāo)定液壓泵的轉(zhuǎn)速要求，在不同轉(zhuǎn)速下通過調(diào)節(jié)液壓加載站上比例伺服閥的閥口開度對被標(biāo)定液壓泵進(jìn)行液壓加載，PLC采集與控制系統(tǒng)采集液壓泵出口油壓Pout、入口油壓Pin、流量Flow以及液壓泵輸入端轉(zhuǎn)速V與轉(zhuǎn)矩T。

液壓泵輸出功率為

PLC采集與控制系統(tǒng)將上述采集的傳感器數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)軟件，上位機(jī)軟件根據(jù)上述公式計算得出轉(zhuǎn)速與效率數(shù)據(jù)，并將其擬合為效率曲線。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)主要元器件選型

該系統(tǒng)中主要傳感器選型如下。

(1)轉(zhuǎn)速傳感器：HBM T40B系列扭矩儀自帶轉(zhuǎn)速測量，最高轉(zhuǎn)速20 000 rpm。

(2)扭矩傳感器：HBM T40B系列扭矩儀，測量范圍0～200 Nm，精度等級0.05。

(3)壓力變送器：入口油壓選用IFM PN3594，量程范圍0～25 MPa;出口油壓選用IFM PN3571，精度范圍0～1 MPa；二者精度等級均為0.2。

(4)流量傳感器：FLOWMETRICS公司的FM20系列高溫高精度流量計，量程范圍34～300 L/min,精度等級0.5。

系統(tǒng)中PLC選用德國倍福公司C6930系列工控機(jī)(內(nèi)運(yùn)行TwinCAT 3[5])，通過EtherCAT總線與信號箱內(nèi)的E總線模塊通訊，完成數(shù)據(jù)采集與控制。

2.2 系統(tǒng)界面

該系統(tǒng)既可以獨(dú)立運(yùn)行，亦可以集成在試驗(yàn)器控制系統(tǒng)內(nèi)工作，下面以試驗(yàn)器內(nèi)集成的泵標(biāo)定界面為例進(jìn)行簡單介紹。

系統(tǒng)對被不同標(biāo)定液壓泵進(jìn)行編號，上位機(jī)通過“通道名稱”選項框選擇被標(biāo)定泵，為了提高測試精度，操作者可以通過“采樣數(shù)”框設(shè)定采樣個數(shù)對采樣數(shù)據(jù)算取平均值(比如此處設(shè)定50，即系統(tǒng)每50個數(shù)據(jù)進(jìn)行一次平均值計算作為最終結(jié)果)如圖3所示；在圖3下方表格空間內(nèi)填入被標(biāo)定泵設(shè)定轉(zhuǎn)速后點(diǎn)擊“修正”按鈕，此時系統(tǒng)將根據(jù)設(shè)定對此泵盡心標(biāo)定并擬合出對應(yīng)曲線。標(biāo)定結(jié)束后點(diǎn)擊“保存”按鈕，上位機(jī)將標(biāo)定參數(shù)下發(fā)至下位機(jī)PLC，以完成此液壓泵效率標(biāo)定工作。

圖3 系統(tǒng)界面

3 系統(tǒng)測試結(jié)果

表1為此套標(biāo)定系統(tǒng)對某一現(xiàn)有試驗(yàn)臺上帶標(biāo)定液壓泵進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)所獲得的數(shù)據(jù)；圖4為表1數(shù)據(jù)所擬合出效率與轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖4 擬合后的曲線圖

系統(tǒng)內(nèi)所有傳感器均已由相關(guān)檢驗(yàn)部門檢定合格，并且通過濾波程序消除了數(shù)據(jù)波動誤差，提高了計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，標(biāo)定效率理論綜合誤差小于1%。從數(shù)據(jù)中可以看出不同轉(zhuǎn)速下液壓泵效率差別加大，約為1.5%；而同一轉(zhuǎn)速不同功率情況下液壓泵效率差別不大，約為0.02%。

4 結(jié)語

針對目前飛機(jī)發(fā)動機(jī)附件機(jī)匣或直升機(jī)主減速器試驗(yàn)臺模擬加載系統(tǒng)中液壓泵效率不準(zhǔn)確而影響加載精度的問題，該文設(shè)計了一種定排量泵液壓泵標(biāo)定系統(tǒng)，并以現(xiàn)場某試驗(yàn)臺為例進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)，獲得試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到以下結(jié)論。

(1)該標(biāo)定系統(tǒng)滿足設(shè)計要求，提高了類似試驗(yàn)臺模擬加載控制精度，同時系統(tǒng)構(gòu)造簡單、操作方便、應(yīng)用拓展性強(qiáng)。

(2)系統(tǒng)內(nèi)所有傳感元件均選用進(jìn)口品牌，且經(jīng)過國家計量站檢定，保證系統(tǒng)標(biāo)定結(jié)果誤差小、精度高。

(3)由于該標(biāo)定系統(tǒng)既可以獨(dú)立使用亦可集成到試驗(yàn)臺內(nèi)使用，故其適用性更強(qiáng)。