王延忠, 劉 文,潘廣悅，劉元鵬

(1.北京航空航天大學(xué) 機(jī)械工程及自動化學(xué)院，北京 100191；2.中國兵器工業(yè)新技術(shù)推廣研究所，北京 100089)

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一種液壓功率回收型齒輪傳動加載疲勞試驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)*

王延忠1, 劉 文1,潘廣悅2，劉元鵬1

(1.北京航空航天大學(xué) 機(jī)械工程及自動化學(xué)院，北京 100191；2.中國兵器工業(yè)新技術(shù)推廣研究所，北京 100089)

基于液壓補(bǔ)償功率回收理論，采用容積調(diào)壓加載的方式，結(jié)合PLC在液壓系統(tǒng)的控制應(yīng)用，針對試驗(yàn)臺的液壓系統(tǒng)及測控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對液壓系統(tǒng)的主要液壓元件試驗(yàn)參數(shù)匹配關(guān)系進(jìn)行理論計(jì)算。由理論關(guān)系式得出液壓馬達(dá)排量的調(diào)節(jié)對試驗(yàn)臺的驅(qū)動轉(zhuǎn)速與加載轉(zhuǎn)矩的影響，并依照系統(tǒng)原理搭建試驗(yàn)臺，通過試驗(yàn)檢測，得到功率回收效率。

試驗(yàn)臺；功率回收；液壓系統(tǒng)；測控系統(tǒng)

齒輪傳動裝置作為機(jī)械設(shè)備的重要組成部分，是衡量機(jī)械設(shè)備運(yùn)行質(zhì)量的關(guān)鍵因素。齒輪傳動試驗(yàn)臺是針對齒輪傳動裝置的傳動性能進(jìn)行測試評定必不可少的設(shè)備。隨著對齒輪及齒輪傳動裝置的深入研究，試驗(yàn)臺的研究設(shè)計(jì)也得到了普遍重視[1]。根據(jù)試驗(yàn)功率流的情況，齒輪傳動試驗(yàn)臺分為開式試驗(yàn)臺和閉式試驗(yàn)臺兩大類型。

開式試驗(yàn)臺通常由動力裝置、測試齒輪裝置和負(fù)載裝置等3個(gè)部分組成，其功率流的方式是由動力裝置流向負(fù)載裝置；但是由于加載裝置是完全的耗能裝置，能量消耗大，不適用于齒輪傳動裝置的疲勞加載試驗(yàn)。

閉式試驗(yàn)臺包括機(jī)械封閉式、電功率封閉式和液壓封閉式等3種形式。機(jī)械封閉式試驗(yàn)臺是通過機(jī)械杠桿加載器或液力加載器將傳動轉(zhuǎn)矩存儲在由測試齒輪箱和陪試齒輪箱所形成的閉環(huán)傳動系統(tǒng)中；但由于機(jī)械封閉傳動系統(tǒng)傳動鏈長，封閉循環(huán)傳動系統(tǒng)中需要陪試齒輪箱或其他輔助連接齒輪箱，機(jī)械結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，機(jī)械安裝精度要求高，通用性差。電封閉式齒輪傳動試驗(yàn)臺將電動機(jī)作為源動力驅(qū)動齒輪傳動裝置，再帶動發(fā)電機(jī)工作，通過產(chǎn)生電磁制動轉(zhuǎn)矩進(jìn)行加載，負(fù)載發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能回送電網(wǎng)并反饋給驅(qū)動電動機(jī)，實(shí)現(xiàn)功率流的封閉；但電功率封閉試驗(yàn)臺對于驅(qū)動電動機(jī)的功率要求大，并且電氣系統(tǒng)比較復(fù)雜，能量回收時(shí)電網(wǎng)沖擊較大，一次性投資成本高。液壓封閉式齒輪傳動試驗(yàn)臺與電功率封閉式齒輪傳動試驗(yàn)臺在加載方式上有相似之處，只是液壓封閉式加載方式其功率流回饋是通過液壓網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的，且相比較于電功率封閉式齒輪傳動試驗(yàn)臺液壓網(wǎng)絡(luò)的沖擊較??；但由于加載方式普遍是通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)節(jié)流閥的節(jié)流口大小來實(shí)現(xiàn)，因而產(chǎn)生節(jié)流損耗，影響節(jié)能效果。

本文基于液壓補(bǔ)償功率回收系統(tǒng)的理論[2]，采用容積調(diào)壓加載方式，結(jié)合PLC在液壓系統(tǒng)控制中的應(yīng)用，研究了一種測控簡便、節(jié)省能耗及通用性好的液壓功率回收型齒輪傳動加載疲勞試驗(yàn)臺[3-4]。

1 試驗(yàn)臺的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)的組成

試驗(yàn)臺的液壓系統(tǒng)(見圖1)主要是由雙向變量液壓馬達(dá)1、2(下述簡稱液壓馬達(dá)1、2)，低壓補(bǔ)償泵，高壓補(bǔ)償泵，電液閥，以及壓力、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速檢測元件等組成。測試齒輪箱的輸入軸與輸出軸兩側(cè)分別機(jī)械連接同型號的雙向變量液壓馬達(dá)1和雙向變量液壓馬達(dá)2，液壓馬達(dá)1、2之間的進(jìn)油口與出油口通過液壓軟管相互連通。高壓補(bǔ)償泵為變量泵，由電動機(jī)驅(qū)動，進(jìn)油口與油箱相連通，出油口與過濾器1的進(jìn)油口相連通，過濾器1的出油口經(jīng)單向閥1與三位四通電液換向閥的進(jìn)油口相連接，同時(shí)，此油路中并聯(lián)電液比例溢流閥及蓄能器，電液換向閥的出油口與液壓馬達(dá)1、2的高壓油側(cè)相連通，回油口與液壓馬達(dá)1、2的低壓油側(cè)相連通。低壓補(bǔ)償泵為定量泵，由電動機(jī)驅(qū)動，進(jìn)油口與油箱相連通，出油口的油液經(jīng)由單向閥2，一部分與三位四通電液換向閥的低壓回油口相通；另一部分則由先導(dǎo)式減壓閥與液壓馬達(dá)殼體沖洗進(jìn)油口相通，且油路上并聯(lián)先導(dǎo)式溢流閥。液壓馬達(dá)沖洗殼體出油口與電液比例溢流閥溢流口的油液經(jīng)風(fēng)冷式冷卻器及回油過濾器2回到油箱。

檢測元件包括低壓油路上的壓力表2，高壓油路上的壓力表1與壓力傳感器，以及轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器1、2。其中，轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器1、2采用機(jī)械連接方式分別安裝在測試齒輪箱與液壓馬達(dá)1、2之間。

圖1 液壓系統(tǒng)原理圖

1.2 工作原理

系統(tǒng)在初始狀態(tài)下，比例溢流閥的節(jié)流口開度為最大位置，三位四通換向閥處于中位。系統(tǒng)工作原理如下[5]。

1)起動高壓補(bǔ)償泵向液壓系統(tǒng)供油，調(diào)節(jié)減小比例溢流閥節(jié)流口開度增大系統(tǒng)壓力，隨即調(diào)節(jié)三位四通換向閥的工作位置確定選擇系統(tǒng)的高壓油路。對于液壓馬達(dá)1、2而言，當(dāng)系統(tǒng)壓力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與液壓馬達(dá)1轉(zhuǎn)動的方向相同時(shí)，液壓馬達(dá)1被作為驅(qū)動馬達(dá)；反之，液壓馬達(dá)2作為加載馬達(dá)。當(dāng)液壓馬達(dá)1驅(qū)動測試齒輪箱運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，液壓能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，液壓馬達(dá)2由測試齒輪箱輸出軸拖動，相當(dāng)于液壓泵的工況，即機(jī)械能又轉(zhuǎn)化成液壓能。由于液壓馬達(dá)1、2的進(jìn)、出油口是由液壓油管相互連通，液壓馬達(dá)2吸收液壓馬達(dá)1的出油口一側(cè)低壓油路中的油液，再由液壓馬達(dá)2出油口經(jīng)高壓油路回到液壓馬達(dá)1的進(jìn)油口，以此驅(qū)動液壓馬達(dá)1工作，即功率流在兩液壓馬達(dá)與測試齒輪箱之間形成了能量循環(huán)，實(shí)現(xiàn)了液壓功率流的回收。在工作過程中，系統(tǒng)存在的機(jī)械效率損失與容積效率損失是通過高壓補(bǔ)償泵進(jìn)行補(bǔ)充。而低壓補(bǔ)償泵一方面根據(jù)系統(tǒng)流量的匹配關(guān)系，可以對低壓油路進(jìn)行流量補(bǔ)償，防止低壓油路被吸空；另一方面主要用于沖洗液壓馬達(dá)殼體，實(shí)現(xiàn)液壓馬達(dá)工作時(shí)的散熱降溫。

2)被試齒輪箱的驅(qū)動轉(zhuǎn)速與加載轉(zhuǎn)矩由轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器1、2進(jìn)行檢測。系統(tǒng)的壓力最大值由比例溢流閥決定。蓄能器能消除液壓系統(tǒng)的壓力脈動，保證系統(tǒng)壓力平穩(wěn)。先導(dǎo)式減壓閥在低壓油路中可用來防止沖洗馬達(dá)油路中的壓力過大造成液壓馬達(dá)的損傷。三位四通換向閥工作位置的改變可以轉(zhuǎn)換液壓系統(tǒng)的高、低壓油路，實(shí)現(xiàn)液壓馬達(dá)對測試齒輪箱的正反雙向驅(qū)動與加載。

1.3 理論計(jì)算分析

本試驗(yàn)臺的液壓系統(tǒng)采用容積調(diào)壓加載的方式，利用改變系統(tǒng)中驅(qū)動與加載液壓馬達(dá)的排量來調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動轉(zhuǎn)速與加載轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)；同時(shí)，系統(tǒng)功率能夠?qū)崿F(xiàn)有效回收，液壓馬達(dá)之間的流量和轉(zhuǎn)矩需要存在一定的匹配關(guān)系。設(shè)測試齒輪箱傳動比為i，測試齒輪箱的機(jī)械效率為η，其他有關(guān)參數(shù)見表1。

表1 參數(shù)表

1.3.1 流量匹配關(guān)系

驅(qū)動馬達(dá)的實(shí)際輸入流量：

(1)

加載馬達(dá)的實(shí)際輸出流量：

(2)

高壓補(bǔ)償泵的實(shí)際輸出流量：

(3)

根據(jù)液壓系統(tǒng)流量連續(xù)性的原理，假設(shè)系統(tǒng)的溢流損失流量為Qr，即液壓系統(tǒng)存在的流量平衡關(guān)系為：

Q0+Q2=Q1+Qr

(4)

將式1～式3代入式4,可得：

(5)

整理可得：

(6)

由測試齒輪箱的傳動比i=n1/n2，則：

(7)

1.3.2 轉(zhuǎn)矩匹配關(guān)系

驅(qū)動馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)矩：

(8)

加載馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)矩：

(9)

式中，Δp1是驅(qū)動馬達(dá)進(jìn)、出口兩端系統(tǒng)壓差；Δp2是加載馬達(dá)進(jìn)、出口兩端系統(tǒng)壓差。為了確保測試齒輪箱能夠?qū)崿F(xiàn)起動運(yùn)轉(zhuǎn)，即存在：

T2

(10)

當(dāng)齒輪箱運(yùn)轉(zhuǎn)后，為了實(shí)現(xiàn)測試齒輪箱能夠勻速穩(wěn)定運(yùn)行，即存在：

T2=T1iη

(11)

將式8、式9代入式10、式11，整理可得：

(12)

由流量、轉(zhuǎn)矩匹配關(guān)系式得出的結(jié)論為：在高壓補(bǔ)償泵排量不變的前提條件下，通過改變驅(qū)動馬達(dá)與加載馬達(dá)兩者之間排量的比值，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)壓力的調(diào)節(jié)，最終改變試驗(yàn)臺的加載轉(zhuǎn)矩及驅(qū)動轉(zhuǎn)速。

2 試驗(yàn)臺的測控系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)硬件

試驗(yàn)臺測控系統(tǒng)組成圖如圖2所示。試驗(yàn)臺測控系統(tǒng)的硬件主要是采用HMI+PLC的組合方式，HMI采用西門子觸摸屏KTP1000，主要實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)參數(shù)的設(shè)置、實(shí)時(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的顯示、記錄及報(bào)警處理等功能[6]；PLC則采用SIEMENS公司的S7-300系列產(chǎn)品，主要是由電源模塊、CPU模塊、模擬量輸入/輸出模塊、數(shù)字量輸入/輸出模塊、RS422/485通信模塊和以太網(wǎng)通信處理模塊組成[7-9]。在PLC中，CPU模塊實(shí)現(xiàn)的功能是完成數(shù)據(jù)信號的處理與液壓系統(tǒng)的整體控制；模擬量輸入模塊是將液壓系統(tǒng)的溫度、壓力和流量等傳感器的模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字量給CPU模塊進(jìn)行處理；模擬量輸出模塊是將CPU模塊的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號給信號放大器，從而實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)壓力及液壓馬達(dá)排量的控制；數(shù)字量輸入模塊采集液壓系統(tǒng)工作中的液位、油溫及油濾等開關(guān)觸點(diǎn)報(bào)警信號；數(shù)字量輸出模塊控制溢流閥及電動機(jī)起動器；RS422/485通信模塊負(fù)責(zé)將轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器采集的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字量給CPU模塊進(jìn)行處理；以太網(wǎng)通信處理模塊可建立CPU模塊與HMI之間的通信連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換與控制。

圖2 試驗(yàn)臺測控系統(tǒng)組成圖

2.2 系統(tǒng)軟件

試驗(yàn)臺測控系統(tǒng)軟件是由西門子TIA Portal V12全集成自動化組態(tài)監(jiān)控軟件開發(fā)而成，其主要功能如下。

1)手動操作功能。測控系統(tǒng)的HMI操作界面可以實(shí)現(xiàn)手動控制補(bǔ)償泵電動機(jī)的起動、手動調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力以及液壓馬達(dá)的排量與運(yùn)轉(zhuǎn)方向等功能，主要用于對試驗(yàn)臺運(yùn)行工況的調(diào)試。

2)自動運(yùn)行功能。系統(tǒng)能夠按照設(shè)定的程序完成對測試齒輪箱的加載疲勞試驗(yàn)，自動完成驅(qū)動速度及加載轉(zhuǎn)矩大小的調(diào)節(jié)；同時(shí)，自動完成對系統(tǒng)的壓力、溫度、流量、速度和轉(zhuǎn)矩等試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集、記錄及保存，以及對試驗(yàn)過程中出現(xiàn)的故障提出報(bào)警。

3)其他功能。系統(tǒng)能夠通過HMI操作界面完成對試驗(yàn)參數(shù)的設(shè)置，如設(shè)置試驗(yàn)測試的時(shí)間、驅(qū)動轉(zhuǎn)速以及加載轉(zhuǎn)矩等。

3 試驗(yàn)臺的功率回收效率試驗(yàn)

根據(jù)試驗(yàn)臺液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理，通過理論計(jì)算，確定試驗(yàn)臺的電氣設(shè)備元件的具體配置，完成齒輪傳動加載疲勞試驗(yàn)臺的搭建(見圖3)。

圖3 試驗(yàn)臺示意圖

試驗(yàn)臺配置的主要電氣設(shè)備型號規(guī)格為：30 kW的變頻電動機(jī)，排量為71 mL/r的高壓補(bǔ)償變量泵，排量均為200 mL/r的驅(qū)動馬達(dá)與加載馬達(dá)，傳動比為2的測試齒輪箱。

試驗(yàn)臺的功率回收效率為系統(tǒng)回收的功率與系統(tǒng)所需功率之比。實(shí)際檢測系統(tǒng)中機(jī)械效率損失及容積效率損失的功率大小較為困難。當(dāng)系統(tǒng)回收的功率比較難于確定時(shí)，則可以通過間接的方式進(jìn)行確定，即分別測量系統(tǒng)補(bǔ)償泵電動機(jī)提供的實(shí)際消耗功率P′與系統(tǒng)所產(chǎn)生的實(shí)際輸出功率P，由式13得出功率回收效率：

(13)

將試驗(yàn)臺測控系統(tǒng)采集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)(見表2)代入功率回收效率公式(式13)，計(jì)算得出試驗(yàn)臺在不同的工況條件下的功率回收效率ξ≈40%。

表2 功率回收效率試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié)語

1)試驗(yàn)臺采用液壓功率回收方式，功率流在驅(qū)動馬達(dá)與加載馬達(dá)之間形成閉環(huán)，且系統(tǒng)中無節(jié)流損失，提高了節(jié)能效果。試驗(yàn)測得試驗(yàn)臺的功率回收效率約為40%，適用于齒輪傳動裝置的加載疲勞壽命試驗(yàn)，可有效降低試驗(yàn)成本。

2)測試齒輪箱直接與試驗(yàn)臺的液壓馬達(dá)機(jī)械連接，整體機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，安裝調(diào)試方便。試驗(yàn)臺還適用于其他結(jié)構(gòu)類型的齒輪傳動裝置的檢測，通用性較好。

3)試驗(yàn)臺測控系統(tǒng)采用觸摸屏與PLC組合控制方式，既充分利用了PLC強(qiáng)大的控制功能, 又發(fā)揮了觸摸屏友好的人機(jī)交互優(yōu)點(diǎn)，使得試驗(yàn)臺測控簡便、靈活。

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* 國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51275020) 國家高科技支撐項(xiàng)目(2014BAF08B01) 航空A計(jì)劃(ATR-125-02-101)

責(zé)任編輯 馬彤

Design of a Gear Transmission Loading Fatigue Test Bench Have Ability of Hydraulic Power Recovery

WANG Yanzhong1, LIU Wen1，PAN Guangyue2, LIU Yuanpeng1

(1.School of Mechanical Engineering and Automation Beihang University, Beijing 100191, China; 2.Advanced Technology Generalization Institute of CNGC, Beijing 100089, China)

Based on the hydraulic power recovery compensation theory, by ways of regulating the volume of loaded and PLC control applications in the hydraulic system, the hydraulic system, the measurement and control system of the test bench are designed primarily. The composition principle of the hydraulic system and the matching relationship of main hydraulic components test parameters are calculated. The influence of hydraulic motor displacement on the driving speed and the load torque can be obtained by the theoretical formula, and a test bench is set up to detect the power recovery efficiency.

test bench, power recovery, hydraulic system, control system

TH 137

A

王延忠 (1963-),男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事機(jī)械傳動等方面的研究。

2016-04-06