高增法

(福州大學機械工程及自動化學院，福建福州 350108)

高壓泵性能試驗臺的拖動系統(tǒng)設(shè)計

高增法

(福州大學機械工程及自動化學院，福建福州 350108)

主要介紹了一種高壓泵性能試驗臺的拖動系統(tǒng)，包括安裝在基座上的被測液壓泵、異步電動機和轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩測量儀。該拖動系統(tǒng)中引進了變頻技術(shù)，低碳節(jié)能，轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩測量儀與異步電動機傳動連接，實現(xiàn)對異步電動機輸出轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩的測量，并將測得信號送到計算機，以便計算機進一步處理，該拖動系統(tǒng)中電動機的功率為200kW，采用變頻調(diào)速，最高轉(zhuǎn)速可達3 000r/min。

拖動;變頻;高壓泵;高速

泵類負載通常采用鼠籠型異步電動機拖動［1］，工作在恒速狀況下流量穩(wěn)定，結(jié)合擋板、節(jié)流閥可進行流量調(diào)節(jié)。然而，當處于小流量工作狀態(tài)時系統(tǒng)功率大量消耗在節(jié)流環(huán)節(jié)上，損失很大。在很長一段時期內(nèi)占電力拖動系統(tǒng)80%左右的恒速控制采用交流電動機，而在需要進行調(diào)速控制時則基本上采用直流電動機。直流電動機存在結(jié)構(gòu)復雜、壽命短、容量及轉(zhuǎn)速受限等缺陷［2］，其用途難以推廣。隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和控制理論的發(fā)展，變頻驅(qū)動技術(shù)得到了實際應用，使得交流變頻電動機幾乎完全取代了直流電動機，應用到了工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域。

本文針對大功率交流異步電動機的拖動需要，采用變頻調(diào)速技術(shù)設(shè)計一種高壓泵性能試驗臺拖動系統(tǒng)，采用計算機進行轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩測量及信息處理，實現(xiàn)了大功率、寬調(diào)速系統(tǒng)的控制。

1 高壓泵性能試驗臺的拖動系統(tǒng)設(shè)計

本文設(shè)計的高壓泵性能試驗臺的拖動系統(tǒng)，包括變頻器1、異步電動機2、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩測量儀4、泵架6和其他的輔助元件，如聯(lián)軸器3和5、泵架6與被測液壓泵之間的輔助泵套，以及變頻器1、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩測量儀4、電源之間的電氣連接導線等。如圖1所示。

變頻器1與異步電動機2通過電氣連接，用于控制異步電動機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)異步電動機的無級調(diào)速，有利于該拖動系統(tǒng)的節(jié)能。

圖1 高壓泵性能試驗臺的拖動系統(tǒng)

異步電動機2與轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩測量儀4之間用聯(lián)軸器3相連，通過轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩測量儀4可測得異步電動機2的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩信號，如需要可傳遞至計算機等后續(xù)設(shè)備進一步處理。

轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩測量儀4另一端通過聯(lián)軸器5與泵架6相連，泵架6的輸出接口是一種通用的機械連接端口，通過泵套將泵架的通用輸出端口轉(zhuǎn)換成與各種型號的被測液壓泵相匹配的連接接口，這樣即可實現(xiàn)從異步電動機2到被測液壓泵的能量和運動傳遞。由于泵架6采用的是通用輸出接口，只需要再配上合適的泵套，就可以實現(xiàn)泵架與不同系列泵的機械連接。

1.1 異步電動機的選用說明

交流電機作為動力驅(qū)動系統(tǒng)的關(guān)鍵元器件，其正確選擇是至關(guān)重要的。

a.轉(zhuǎn)速。

本拖動系統(tǒng)需要檢測被測液壓泵在不同轉(zhuǎn)速下的性能數(shù)據(jù)，其測試轉(zhuǎn)速在0～3 000r/min之間。

b.功率及扭矩。

本拖動系統(tǒng)為高功率液壓泵性能試驗臺，所需驅(qū)動功率為200kW，綜上考慮，交流電機所需功率仍按200kW選擇。通過查找相應的技術(shù)手冊［3］，最終選定電機型號為Y315L2－2，由于采用功率回收，因此電機需要雙輸出軸，本系統(tǒng)所用電機為湘電集團有限公司特制的雙軸伸異步電動機。交流電機變頻調(diào)速經(jīng)歷近20年的發(fā)展及應用，已逐步被人們接受并成為當代電機調(diào)速的主流。由于變頻器體積小、質(zhì)量輕、精度高、工藝先進、功能豐富、保護齊全、可靠性高、操作簡便、通用性強、易形成閉環(huán)控制等優(yōu)點，因此它優(yōu)于以往的任何一種調(diào)速方式。

1.2 變頻器選用說明

本系統(tǒng)采用富士的FRN200P11S－4CX型變頻器對交流異步電動機進行速度調(diào)節(jié)。

1.3 聯(lián)軸器的設(shè)計說明［3］

由于彈性柱銷聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，安裝方便，不用潤滑，不需要與金屬硫化粘結(jié)，更換彈性套方便，不用移動半聯(lián)軸器，具有一定補償兩軸相對偏移和減振緩沖性能，適用于安裝底座剛性好、對中精度較高、沖擊載荷不大、對減振要求不高的軸系傳動，因而受到廣泛應用。

本系統(tǒng)選用滄州天碩聯(lián)軸器有限公司的B1101－66－80－100型泵用彈性套柱銷聯(lián)軸器，許用轉(zhuǎn)矩為T=848N·m，其特點如下:

a.彈性套柱銷聯(lián)軸器的柱銷上套有橡膠圈，具有彈性和補償軸線位移的能力，但相對角位移較大時，易磨損，所以要求拖動系統(tǒng)中各個元件的同軸度滿足一定的精度要求;

b.結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，更換容易，尺寸小，質(zhì)量輕，傳動轉(zhuǎn)矩大，廣泛應用于各種旋轉(zhuǎn)泵中;

c.許用相對徑向位移 0.14 ～0.2mm;許用相對角位移0°40';

d.兩軸軸線相對位移產(chǎn)生的附加徑向載荷為(0.1 ～0.3)Pa。

因此，本文聯(lián)軸器均設(shè)計為彈性柱銷聯(lián)軸器。

1.4 轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩測量儀的選用說明

轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩測量儀是用來測量被試泵的輸入扭矩及轉(zhuǎn)速的裝置，轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速是液壓泵性能測試的兩個重要的參數(shù)，這兩個參數(shù)的測量精度直接影響液壓泵性能測試的準確性和可靠性。

本系統(tǒng)選用湘儀動力測試儀器有限公司的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩測量儀，由JC2C型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器和JW－3扭矩儀兩部分組成，圖1上安裝的是JC2C型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器，其基本原理是:通過彈性軸、兩組磁電信號發(fā)生器，把被測轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成具有相位差的兩組交流電信號，這兩組交流電信號的頻率相同且與軸的轉(zhuǎn)速成正比，而其相位差的變化部分又與被測轉(zhuǎn)矩成正比。其主要技術(shù)參數(shù)為:額定轉(zhuǎn)矩T=800N·m，使用轉(zhuǎn)速范圍n=0～4 000r/min，它們都能滿足系統(tǒng)要求。

JW－3扭矩儀是與JC2C型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器配套使用的二次儀表，其功能豐富，擁有模擬輸入、模擬輸出、開關(guān)量輸入、開關(guān)量輸出、頻率輸入等多種擴展功能，模擬輸入可以適應0～5V和1～5V(4～20mA)的電壓，模擬輸出可提供0～5V電壓或4～20mA電流等多種形式。將傳感器的兩個輸出信號接入扭矩儀，即可在扭矩儀的液晶顯示屏上顯示扭矩和轉(zhuǎn)速值，同時扭矩儀還提供兩路標準模擬輸出(4～20mA)，這樣可以方便于采集卡對轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速信號的采集。

1.5 基座設(shè)計

基座用于固定支撐拖動系統(tǒng)各個元件。

2 高壓泵性能試驗臺的拖動系統(tǒng)優(yōu)點

a.該系統(tǒng)采用的是變頻器進行無極調(diào)速，具有節(jié)能的效果。

b.該高壓泵性能測試的拖動系統(tǒng)的功率最高可達到200kW，而且轉(zhuǎn)速可達3 000r/min，能帶動的測試泵范圍更加廣泛。

c.實現(xiàn)對異步電動機輸出轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩的測量，然后將測得信號送到計算機，以便計算機進一步處理。

d.該拖動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，傳動轉(zhuǎn)矩大，傳遞效率高。

3 結(jié)論

本文設(shè)計的一種高壓泵性能測試臺的拖動系統(tǒng)，安裝方便，傳動效率高，為泵提供了很可靠的動力;同時通過變頻器調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)流量，相比以往采用節(jié)流閥來改變系統(tǒng)流量這一方法，消除了主要耗能環(huán)節(jié)，節(jié)能效果明顯;該拖動系統(tǒng)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩的測試和控制采用計算機輔助測試系統(tǒng)，提高了其測試效率、測試精度和自動化程度，在泵的性能測試中有著較大的工程應用價值。

［1］許建國.拖動與調(diào)速系統(tǒng)［M］.武漢:武漢測繪科技大學出版社，1998.

［2］曹承志.電機、拖動與控制［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2000.

［3］成大先.機械設(shè)計手冊［M］.3版.北京:化學工業(yè)出版社，1994.

The Driving System Design of High－pressure Pump Performance Test Platform

GAO Zengfa
(Fuzhou University，F(xiàn)ujian Fuzhou，350108，China)

It introducts the driving system of high－pressure pump performance test platform.The platform includes the pump installed on the base，motor torque and speed measuring instrument.The design of platform uses the frequency conversion technology to save energy，connecs the torque and speed measuring instrument with motor and computer.The computer deals with the measured signal.The power of motor in this driving system is 200kW，the highest speed can reach 3 000rpm.

Driving;Frequency Conversion;High－pressure Pump;High Speed

TH39

A

2095－509X(2013)05－0045－03

10.3969/j.issn.2095 －509X.2013.05.011

2013－04－01

福建省科技重大專項/專題資助項目(2008HZ0002－1)

高增法(1965—)，男，福建長樂人，福州大學高級工程師，碩士，主要研究方向為冶金軋制工藝與設(shè)備。