龐　茂,吳瑞明,楊禮康

(浙江科技學院 機械與汽車工程學院，杭州　310023)

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電封閉式液力變矩器試驗機開發(fā)及性能試驗分析*

龐茂,吳瑞明,楊禮康

(浙江科技學院 機械與汽車工程學院，杭州310023)

摘要：試驗是液力變矩器產(chǎn)品特性標定和可靠性驗證的重要手段，為此開發(fā)了基于電封閉技術的液力變矩器性能試驗機，闡述了試驗機的整體方案及電氣系統(tǒng)、測控系統(tǒng)的設計。試驗機采用共直流母線的電封閉驅動加載技術，采用profitbus 總線實現(xiàn)控制系統(tǒng)的通訊管理，除能夠完成液力變矩器耐久性試驗外，還可進行機械效率、原始特性、零速工況、反拖工況及超速工況等性能試驗，運行穩(wěn)定可靠，操作方便靈活，取得了較好的使用效果，試驗機的開發(fā)為液力變矩器及同類產(chǎn)品的研發(fā)和質量評價提供了技術支撐和參考。

關鍵詞：液力變矩器;電封閉;試驗機

0引言

液力變矩器是以液體為介質傳遞動力的柔性傳動裝置，能夠吸收傳動系的扭振，降低沖擊，使設備起動平穩(wěn)、加速柔和，且一定范圍內(nèi)可無級調速變矩，在車輛、工程機械、冶金、電力等領域被廣泛使用。但液力變矩器內(nèi)部能量轉換和工作油流動狀態(tài)復雜，在產(chǎn)品開發(fā)制造過程中常常需對其性能特性進行測試和標定[1-3]。為此我們開發(fā)了用于液力變矩器性能和疲勞試驗的專用設備，并在該設備上對某型液力變矩器性能進行了測試分析，然后根據(jù)測試數(shù)據(jù)擬合推導出了該產(chǎn)品主要特性曲線的數(shù)學模型。

1試驗機功能需求分析

試驗機主要用于完成產(chǎn)品性能試驗和疲勞試驗。液力變矩器性能主要反映在輸入端泵輪和輸出端渦輪的轉速轉矩之間的關系，包括通用特性曲線、全特性曲線、零速工況、反轉工況、超速工況特性等[4]。表達液力變矩器性能的主要參數(shù)有泵輪扭矩系數(shù)λB、渦輪扭矩系數(shù)λT、變矩器傳動效率η及變矩比K，各參數(shù)之間的關系如下[5-8]：

液力變矩器傳動效率：

(1)

變矩比：

(2)

泵輪扭矩系數(shù)：

(3)

渦輪扭矩系數(shù)：

(4)

式中：nB為泵輪轉速，nT為渦輪轉速，MB為泵輪轉矩，MT為渦輪轉矩，i為速比，ρ為液力傳動油密度，D為變矩器循環(huán)圓直徑，con為常數(shù)。因此要測試液力變矩器原始特性曲線，需測試其在不同工況下的輸入輸出轉速和轉矩。此外，試驗機還應具備研究變矩器進出油口的溫度、壓力及流量對于其機械性能的影響的功能。疲勞試驗則通過對液力變矩器在設定載荷譜下的循環(huán)加載考核其耐久性，要求試驗機運行穩(wěn)定可靠、節(jié)能高效。因此試驗機應集性能試驗和疲勞試驗功能于一體，能夠在同一設備上對產(chǎn)品各種性能試驗進行快速準確測試和標定，同時滿足產(chǎn)品耐久性試驗的要求。

2試驗機設計開發(fā)

2.1試驗機總體結構

基于上述功能需求，試驗機采用機械開式結構，輸入端電機驅動變矩器泵輪，加載電機對變矩器渦輪輸出軸加載，驅動電機和加載電機通過共直流母線技術實現(xiàn)電功率封閉和能量回饋。試驗機主要由機械臺架、電封閉傳動系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、測控軟件系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、冷卻潤滑系統(tǒng)及其它輔助系統(tǒng)組成。

機械系統(tǒng)包括鑄鐵平臺、驅動總成、試件安裝夾具及加載總成。驅動總成由交流變頻電機、轉速轉矩傳感器及軸承支座組成。加載總成包括變頻電機、轉速轉矩傳感器及伸縮式傳動軸等，同時在輸出傳動軸上安裝有氣壓制動器，用于在零速工況下對輸出端進行制動抱死。液壓系統(tǒng)為液力變矩器正常工作提供液壓源，并可對進油口的壓力、流量進行調整，包括供油泵、閥、加熱冷卻系統(tǒng)及過濾系統(tǒng)等，并在液力變矩器進出油口安裝有溫度、壓力和流量傳感器。試驗中油液溫度通過“風冷+水冷”的雙循環(huán)方式冷卻，能對液力變矩器進口油溫進行快速精確控制。試驗機總體結構如圖1所示。

1.驅動端電機 2.驅動端軸承座 3.驅動端轉速轉矩傳感器 4.試件安裝支架 5. 被試液力變矩器 6.伸縮式傳動軸 7.加載端軸承座 8.加載端轉速轉矩傳感器 9.氣壓制動器 10.加載端電機 11.鑄鐵平臺 12.安全防護罩

圖1試驗機總體結構圖

2.2試驗機電封閉系統(tǒng)設計

試驗機電封閉驅動加載系統(tǒng)可對液力變矩器進行全負荷動態(tài)加載試驗。本試驗機采用共直流母線的交流反饋電封閉，選用瑞士ABB公司的ACS800系列全數(shù)字交流變頻系統(tǒng)，其中驅動和加載端電機各由一臺交流變頻器控制，兩臺變頻器逆變單元掛接在公用直流母線上，輸入端電機作為動力源驅動泵輪旋轉，處于輸出功率的電動狀態(tài)，輸出端電機作為負載提供阻力矩，處于發(fā)電狀態(tài)，其產(chǎn)生的電能反饋給直流母線，進而提供給輸入端電機，能量在系統(tǒng)內(nèi)部循環(huán)[8-10]，電封閉系統(tǒng)原理結構如圖2所示。理論上，系統(tǒng)運行中消耗的能量僅為機械摩擦和效率的損耗。試驗機驅動和加載端電機功率均為110kW，為更好的模擬發(fā)動機特性，輸入端選用額定轉速為1500r/min的4級電機，額定扭矩707N·m，加載端選用額定轉速為750r/min的8級電機，額定扭矩可達1400N·m。

圖2　電封閉系統(tǒng)原理框圖

此外，試驗機充分利用ABB變頻加載系統(tǒng)具有的直接轉矩控制功能，提高試驗機控制精度和效率。所謂直接轉矩控制是指變頻控制系統(tǒng)直接將轉矩作為被控量，在定子坐標系下計算并控制電動機的轉矩，直接對逆變器的開關狀態(tài)進行最佳控制，省去了復雜的矢量變換，實現(xiàn)對輸出軸的動態(tài)加載控制，有效提高了產(chǎn)品測試中的加載扭矩的準確度和動態(tài)響應特性[10-11]。

2.3試驗機測控系統(tǒng)設計

試驗機測控系統(tǒng)采用上位工業(yè)控制計算機+下位pLC的兩級系統(tǒng)組成。下位pLC用于系統(tǒng)執(zhí)行機構的控制、測試數(shù)據(jù)采集及系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)測。工業(yè)控制計算機用于人機交互，包括試驗參數(shù)設置、數(shù)據(jù)顯示、存儲及檢索等功能。pLC選用西門子S7-1200，并通過pROFIBUS總線與變頻器控制單元進行通訊，實現(xiàn)對驅動加載系統(tǒng)轉速轉矩的動態(tài)控制，有效確保通訊的穩(wěn)定性和實時性。同時通過pLC的擴展AD模塊采集試驗機驅動加載端的轉速轉矩及變矩器進出油口的壓力、流量、溫度。S7-1200 pLC與工業(yè)控制計算機及觸摸屏通訊則由其自帶的pROFINET接口相互連接，通過TCp/Ip協(xié)議實現(xiàn)。上位機軟件系統(tǒng)采用LabVIEW開發(fā)，通過OpC實現(xiàn)上位軟件與pLC之間的數(shù)據(jù)交換。測控系統(tǒng)原理框圖如圖3所示。

圖3　試驗機測控系統(tǒng)原理框圖

測控系統(tǒng)采用的兩級控制方式，使得下位pLC既可與觸摸屏組合進行耐久性等操作相對簡單的功能試驗，也可通過上位機對試件進行實時動態(tài)控制，靈活組合完成各類性能試驗。將功能靈活豐富，界面友好的上位機軟件系統(tǒng)與穩(wěn)定可靠的下位pLC控制程序相結合，確保試驗機穩(wěn)定運行的同時，大大提高了功能的靈活性。

2.4加載電機控制分析

采用電封閉模式的加載系統(tǒng)，與傳統(tǒng)測功機加載方式最大的不同在于，加載端采用的也是有動力輸入的電機，而液力變矩器是一種柔性傳動裝置，當加載端扭矩設定值過大時，會造成液力變矩器渦輪輸出端在加載電機驅動下反轉。從而出現(xiàn)驅動端電機驅動泵輪正轉，而加載端電機驅動渦輪反轉的情況，甚至引起失速飛車，這在傳統(tǒng)試驗機中是不可能出現(xiàn)的情況。因此要求我們對試驗機驅動加載電機控制方法進行專門的優(yōu)化處理，避免正常試驗中出現(xiàn)這種情況。在對加載電機的控制中，除通過變頻器參數(shù)設置鎖定加載電機的反轉功能，還要在程序中編寫專門的保護處理模塊，實時監(jiān)控加載端電機的轉速，當其下降到零點附近趨于停車反轉時，應及時減小加載扭矩設定值。

3典型性能測試與分析

試驗機開發(fā)完成后，對工程機械用某型號液力變矩器性能進行了測試分析，并根據(jù)測試數(shù)據(jù)對產(chǎn)品計算數(shù)學模型進行了擬合。

3.1效率測試

泵輪轉速恒定在1500r/min，油泵流量70L/min，進口油壓0.65Mpa，進口油溫控制在80±2℃下，然后等間隔增大加載端扭矩，并等數(shù)據(jù)穩(wěn)定后記錄下泵輪轉矩，渦輪轉速轉矩及液力變矩器進出油口溫度、壓力和流量及三聯(lián)閥壓力。根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)繪制了變矩器的原始特性曲線η=f(i)，K=f(i)，λB=f(nB)，如圖4所示。其中在繪制泵輪變矩系數(shù)曲線時，由于無法獲知準確的循環(huán)圓直徑，因此我們僅繪制了其比例系數(shù)曲線,即C·λB=f(nB)，其中C為常數(shù)，C=ρD5。

圖4　某型液力變矩器原始特性曲線

然后將測得的數(shù)據(jù)運用多項式擬合回歸，即可得到該型產(chǎn)品原始特性曲線的數(shù)學模型表達式。實際測試僅能得到部分區(qū)間的曲線，按該局部曲線擬合得到的全區(qū)間模型誤差較大，甚至與實際特性不相符，因此需對特性曲線中的部分關鍵點進行單獨試驗測試。如變矩系數(shù)特性曲線和泵輪變矩比例系數(shù)曲線中速比i=0對應的輸出值，可以通過零速工況下記錄的數(shù)據(jù)計算得到，從而使擬合得到的模型表達式能夠正確覆蓋整個區(qū)間。擬合得到的計算模型與相關文獻的結論基本一致[6-7]。限于篇幅僅給出變矩系數(shù)K的數(shù)學模型表達式：

K=-860i8+3337i7-5309i6+4459i5-2123i4+

570.8i3-78.4i2-0.03245i+3.42

(5)

3.2零速特性測試

閉合加載端制動器，將變矩器渦輪軸抱死，啟動輸入端電機，并等間隔增大其轉速，記錄其在各轉速下的數(shù)據(jù)。我們進行了泵輪轉速在500r/min~1500r/min之間的試驗，根據(jù)記錄數(shù)據(jù)得到該型號液力變矩器的零速工況特性曲線和數(shù)學模型，如圖5所示。其擬合得到的模型也與已有文獻的研究結果基本一致[7-8]。

圖5　零速工況特性曲線

4結論

論文介紹了一種采用電封閉技術的液力變矩器性能試驗機開發(fā)過程及試驗機整體結構和機械、液壓系統(tǒng)組成，并在試驗機上對某型液力變矩器原始特性、零速工況等進行了測試。根據(jù)測試數(shù)據(jù)擬合得到的數(shù)學模型也驗證了試驗機的測試精確度和有效性。試驗機的開發(fā)為液力變矩器出廠性能試驗和新產(chǎn)品性能標定提供了技術支撐和保障。

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(編輯李秀敏)

Development and Test of Electrical-Closed Test Bed for Hydraulic Torque Convert

pANG Mao, WU Rui-ming, YANG Li-kang

(School of Mechanical and Automotive Engineering, Zhejiang University of Science and Technology, Hangzhou 310023, China)

Abstract：Experiment is an important method for characteristics calibration and reliability verification of Hydraulic Torque Converter (HTC). The development of a HTC performance test rig based on Electrical-Closed is presented. The design scheme, electrical system, and measurement & controlling system are introduced. The machine is driven and loaded by Electrical-Closed system with common DC bus. The signals are communicated and managed based on profitbus. The fatigue test and performance test of HTC can be performed in this rig, such as mechanical efficiency, original characteristic, Zero-speed, reserve and over speed conditions. The machine runs safely and reliably, operates conveniently and flexibly, and provides technical support and reference to the new product development and the quality evaluation of HTC.

Key words：hydraulic torque convert; electrical-closed; test bed

中圖分類號：TH132；TG506

文獻標識碼：A

作者簡介：龐茂(1978—),男，內(nèi)蒙古包頭人，浙江科技學院副教授，博士，研究方向為車輛檢測與診斷，(E-mail)palmy@zust.edu.cn。

*基金項目：國家自然科學青年基金項目(51205360)

收稿日期：2015-03-17

文章編號：1001-2265(2016)01-0071-03 1001-2265(2016)01-0078-03

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.01.020 10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.01.022