張煜，陳宗斌，廖健

(1.海軍工程大學振動與噪聲研究所，湖北武漢 430033；2.海軍工程大學船舶振動噪聲國家重點實驗室，湖北武漢 430033)

0 前言

液壓變頻驅(qū)動技術具有作動效率高、節(jié)能降噪等優(yōu)勢，逐漸應用于各領域。如在飛機、船舶等作動領域應用了變頻驅(qū)動閉式液壓系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)閥控作動系統(tǒng)發(fā)熱嚴重、振動噪聲大等問題。不同于傳統(tǒng)閥控液壓系統(tǒng)，液壓變頻驅(qū)動系統(tǒng)的液壓泵既可作為泵為系統(tǒng)提供動力，又能作為馬達將多余的機械能帶動電機發(fā)電而轉(zhuǎn)換成電能，并反饋給電源網(wǎng)絡回收或制動電阻消耗。因此，液壓變頻驅(qū)動系統(tǒng)的液壓泵需具有四象限運行能力。目前，市場上可供選擇的低噪聲液壓泵較多，如SETTIMA的轉(zhuǎn)子泵，但由于高低壓油口不能互換，導致它不具備四象限運行能力。為適應變頻調(diào)速驅(qū)動技術的發(fā)展，國外已研發(fā)出具備四象限運行能力的低噪聲內(nèi)嚙合齒輪泵，如ECKERLE公司研發(fā)的具備雙向補償能力的漸開線型齒輪泵，但該泵不在我國境內(nèi)銷售。因此，迫切需要開展具備四象限運行能力的液壓泵研究。

液壓泵性能測試臺是支撐四象限泵研發(fā)的關鍵試驗平臺，市面上現(xiàn)有試驗臺僅能滿足單一象限的測試功能，若要完成四象限全工況測試，至少需拆裝2至3次，極大地降低了研發(fā)效率。此外，在樣機基本性能滿足要求的基礎上，還需開展液壓沖擊、抗污染度等綜合性能試驗。因此，急需結(jié)合四象限液壓泵的開發(fā)需求，彌補市場空缺，針對性設計液壓泵綜合性能試驗臺，以開展樣機四象限運行工況內(nèi)的容積效率、機械效率、壓力脈動等實際性能測試，以及沖擊載荷下的耐久性測試等試驗。

為滿足四象限液壓泵綜合測試需求，本文作者設計由補油回路和測試回路兩大部分組成的試驗臺。以PLC為中央控制器實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與控制，將工控機作為上位機進行人機交互；工控機和PLC通過以太網(wǎng)通信，實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實時通信；上位機設計有數(shù)據(jù)保存、性能曲線繪制以及測試報表自動輸出等功能，實現(xiàn)安裝一次，可快速開展四象限液壓泵所有工況測試試驗，提高液壓泵的測試效率，有力支撐四象限液壓泵的研究。

1 試驗臺的原理設計

1.1 測試需求分析

某型四象限液壓泵典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由主動齒輪、從動齒圈以及浮動的月牙塊組成。以順時針旋轉(zhuǎn)為例，當它處于泵模式時，油口A處于高壓，油口B處于低壓，高壓油進入浮動月牙塊中間區(qū)域，將月牙塊分別壓向主動齒輪和從動齒圈，實現(xiàn)間隙自動補償。當它處于馬達模式時，高壓油從油腔A進入，推動齒輪齒圈順時針嚙合轉(zhuǎn)動，對外輸出功。高壓油進入浮動月牙塊中間區(qū)域，將月牙塊分別壓向主動齒輪和從動齒圈，也可實現(xiàn)間隙自動補償。當它逆時針旋轉(zhuǎn)時，B腔始終為高壓腔，高壓油進入月牙板右側(cè)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)間隙自動補充。因此，以油液壓差為橫坐標，轉(zhuǎn)速為縱坐標，得到如圖2所示的坐標系，四象限液壓泵即可在該坐標系4個象限內(nèi)運行。當工作在一、三象限時，處于泵模式，即輸出高壓動力油，液壓系統(tǒng)對外界做正功；當工作在二、四象限時，處于馬達模式，引入高壓動力油，消耗外界功，主軸對外輸功。圖1所示內(nèi)嚙合齒輪泵即為四象限內(nèi)嚙合齒輪泵，各工況下該泵月牙板均可引入高壓油，實現(xiàn)壓力的自適應補償，具有容積效率高的優(yōu)勢。

圖1 四象限液壓泵典型結(jié)構(gòu) 圖2 四象限液壓泵工作模式

根據(jù)實際研發(fā)需要，結(jié)合上述四象限泵的工作原理，總結(jié)試驗臺測試工況需求如下：

(1)液壓泵基本性能測試，包括轉(zhuǎn)速、流量、扭矩以及壓力等參數(shù)的調(diào)節(jié)及數(shù)據(jù)采集，以得出液壓泵容積效率、機械效率、總效率以及運行邊界等；

(2)液壓馬達基本性能測試，包括高壓輸入油流量、壓力及輸出扭矩等參數(shù)的調(diào)節(jié)及數(shù)據(jù)采集，以得出液壓馬達的效率、運行邊界等參數(shù)；

(3)液壓沖擊測試，通過給定泵出口液壓負載沖擊，測試液壓泵的可靠性；

(4)抗污染度測試，調(diào)整油液污染度，測試不同油液污染等級下泵的可靠性差異，得出液壓泵最低允許油液污染度等級；

(5)其他液壓泵工況邊界特性測試，如油溫、轉(zhuǎn)速等對性能影響的測試。

上述所有測試，需具備滿足一次安裝即可開展所有項目測試的能力，以提升測試效率。

1.2 測試回路設計

根據(jù)上述測試需求，測試工況變化范圍大，測試項目繁多，因此在試驗臺設計中重點考慮以下問題：

(1)單獨設計補油回路，防止大范圍工況調(diào)節(jié)時液壓泵吸油不足；

(2)增設油液冷卻和加熱裝置，便于油溫的定量控制；

(3)利用橋式回路實現(xiàn)泵或馬達測試工況下的油口調(diào)換，達到一次安裝完成所有測試的目的；

(4)采取電控和手動相結(jié)合的手段，提高試驗臺的運行可靠性，如橋式回路轉(zhuǎn)換手動調(diào)節(jié)，負載沖擊和轉(zhuǎn)速調(diào)整通過電控實現(xiàn)；

(5)充分發(fā)揮變頻調(diào)速電機的電控和信號反饋優(yōu)勢，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速、扭矩等關鍵參數(shù)的自采集，避免額外安裝扭矩儀、轉(zhuǎn)速表等，簡化系統(tǒng)設計。

最終，設計的測試臺系統(tǒng)液壓原理如圖3所示。

圖3 四象限液壓泵綜合性能試驗臺原理

測試臺通過球閥25.1、25.2、25.5、25.6、25.7的開關狀態(tài)，以及對伺服電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向控制來完成不同工況、不同項目的測試試驗。不同試驗模式對應的球閥開閉狀態(tài)如表1所示。

表1 試驗模式與球閥開閉狀態(tài)對應關系

試驗時，球閥25.3、球閥25.4不能同時處于關閉狀態(tài)，必須在電機啟動前確認各球閥狀態(tài)。此外，不同試驗模式下，伺服電機和補油電機的運行狀態(tài)不同，也需一一對應。具體工作過程如下：

泵正向性能試驗主要測試液壓泵正向綜合性能，如容積效率、機械效率等，此時比例電磁溢流閥13得電工作，調(diào)節(jié)其設定值至控制液壓泵工作負載，調(diào)整伺服電機轉(zhuǎn)速改變測試泵運行轉(zhuǎn)速范圍，必要時可開啟閥6和閥7，調(diào)整減壓閥6和比例節(jié)流閥7至合適值以實現(xiàn)吸油口的補油，防止高轉(zhuǎn)速下液壓泵的吸油不足。球閥25.3和球閥25.4用于選擇不同量程的流量計，實現(xiàn)大范圍高精度流量的準確測定。

泵反向性能試驗與正向吸油試驗工作原理一致，此時需開啟球閥25.1，關閉閥25.2，同時伺服電機的轉(zhuǎn)向也由順時針調(diào)整為逆時針。

馬達性能試驗主要用于測試馬達的轉(zhuǎn)化效率、輸出扭矩等，此時球閥25.6、球閥25.7開啟，球閥25.5關閉，其中正向性能試驗時，球閥25.2開啟，球閥25.1關閉。反向性能試驗時，球閥25.1開啟，閥25.2關閉。試驗時，通過減壓閥6設定泵入口處油液壓力，比例節(jié)流閥7設定馬達進油口流量。馬達制動扭矩值通過伺服電機的發(fā)電機工作模式給定，能量通過伺服電機制動電阻消耗。

液壓泵負載沖擊試驗主要是通過給定負載沖擊，模擬檢驗長時間工作的可靠性。正向沖擊試驗時，電磁溢流閥13得電，設定好沖擊壓力值，通過上位機給定間歇得、失電信號，通過溢流閥不斷通斷完成沖擊試驗。反向沖擊試驗時，調(diào)定電磁溢流閥11，同時球閥狀態(tài)參考性能試驗狀態(tài)調(diào)定。

回路中安裝油質(zhì)監(jiān)測傳感器，通過調(diào)節(jié)調(diào)速閥16的開口大小，滿足油質(zhì)檢測儀17的流量需求，通過油質(zhì)檢測儀對油液的采集完成對系統(tǒng)油液污染程度的分析。向油液中添加不同程度的磨粒，模擬油液清潔度狀態(tài)，以完成不同清潔度下的可靠性檢測。

由于液壓泵/馬達的試驗持續(xù)時間較長，油溫易變化，設有加熱器、風冷散熱器和溫度傳感器，通過控制加熱器和風冷散熱器的啟閉來保持油溫恒定。

1.3 電控原理設計

試驗臺中的電控元件較多，如伺服電機、比例溢流閥、加熱器等，還涉及流量、壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、扭矩等眾多信號的采集。因此，采用工控機作為上位機，實現(xiàn)人機交互，反饋實時信號，傳遞給定指令；下位機采用PLC控制。構(gòu)建的控制系統(tǒng)基本原理如圖4所示。通過工控機實現(xiàn)人機交互和信息的采集、存儲。工控機作為測試系統(tǒng)的上位機，接收下位機的數(shù)據(jù)信號，以數(shù)字、虛擬儀表等形式顯示給試驗人員，同時試驗人員通過工控機發(fā)送控制信號(比例溢流閥壓力信號、電機轉(zhuǎn)速信號等)至下位機，控制測試系統(tǒng)運行狀態(tài)。

圖4 控制系統(tǒng)原理

測試控制系統(tǒng)使用PLC控制器、伺服驅(qū)動器和數(shù)字量、模擬量采集模塊與以太網(wǎng)通信模塊組成測試系統(tǒng)下位機，主要用于伺服電機控制、液壓系統(tǒng)傳感器數(shù)據(jù)采集與處理以及與上位機數(shù)據(jù)通信等。

2 工程關鍵技術設計

2.1 機械設計

試驗臺的機械設計是首要任務，也是決定試驗臺美觀、使用便利性的關鍵。為保證試驗臺的可靠、美觀，設計中主要注重以下幾個方面：

(1)利于被測泵的安裝更換。傳統(tǒng)試驗臺僅針對某一類型泵測試，接口固定，而該試驗臺可能用于5～70 mL/r各種排量等級，10～32 MPa各種壓力等級的泵測試，存在安裝接口、管路接口等不一致情形，因此設計單獨的測試間、活動安裝位、可變徑管路接口，便于后期測試不同類型的泵。

(2)采取機械減振措施。整個測試試驗臺采用一體化設計，底部利用橡膠彈性墊降低系統(tǒng)對周圍環(huán)境的影響。此外，對于加載電機和泵通過減振器與試驗臺側(cè)加強筋固定，管路出口采用軟管，降低振動傳遞。

(3)結(jié)構(gòu)緊湊，合理布局。高流量，大范圍測試工況導致一般試驗臺(油箱和試驗基座)占地面積和空間巨大，為節(jié)省空間，采用油箱下置的集成化設計，管路連接考慮采用耐高壓鋼管，防止沖擊試驗對軟管造成破壞。

(4)便于后期維護和管理。液壓設備漏油或滴油是維護的痛點，為防止試驗臺運行或拆檢時油液滴漏，在試驗臺底部設有整體接油盤，以防止油液污染實驗室地面。此外，油箱位于液壓泵操作測試間底部，拆卸后油液可在過濾后直接回到油箱底部，減少油液灑落和損耗。

最終設計得到的試驗臺三維結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 試驗臺三維設計圖

2.2 電氣設計

根據(jù)試驗臺的功能設計需求，選用西門子S7-300高性能集成式的控制器，模擬量、數(shù)字量輸入輸出模塊預留一定通道,方便后續(xù)擴展。電氣設計上，主要注重以下細節(jié)：

(1)具備報警保護和急停功能。結(jié)合機械設計，在試驗臺頂部安裝聲光報警燈，此外設置急停按鈕，緊急情況下可直接通過急停按鈕一鍵斷電。

(2)實現(xiàn)伺服電機的閉環(huán)控制。由于選用伺服電機，轉(zhuǎn)速和扭矩均通過伺服電機通信反饋給定，因此需對伺服電機實現(xiàn)穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速控制，通過伺服電機的轉(zhuǎn)速、扭矩閉環(huán)實現(xiàn)被測泵的穩(wěn)定控制。

(3)具備本地控制和計算機控制功能。通過PLC S7-300使所有的溫度、壓力、流量等信號在工控機界面上顯示，根據(jù)狀態(tài)信號可實現(xiàn)工控機自動控制，也可在機旁操作。

圖6 控制系統(tǒng)實物

2.3 軟件設計

測試系統(tǒng)下位機以PLC為控制核心，實現(xiàn)各種電動設備的自動控制，保證設備的可靠運行。下位機軟件在Step7環(huán)境下用梯形圖語言開發(fā)。上位機軟件以LabVIEW為開發(fā)平臺進行開發(fā)。上位機軟件界面如圖7所示。

圖7 試驗臺人機交互界面

試驗人員通過軟件界面完成不同類型的試驗和性能數(shù)據(jù)的記錄、查看等。控制軟件界面分為兩大部分，左側(cè)是參數(shù)設定和記錄區(qū)，右側(cè)是運行狀態(tài)顯示區(qū)，提示各閥件開關狀態(tài)，實時顯示回路各處運行數(shù)據(jù)。

綜合上述設計措施，最終加工得到的試驗臺實物如圖8所示。開展某型四象限泵的測試，測試效果良好，能夠達到一次安裝、完成所有項目測試的目的，極大地提高了研制試驗效率。

圖8 試驗臺實物

3 結(jié)論

針對四象限液壓泵的測試需求，從系統(tǒng)的液壓原理、電氣控制、機械設計等方面提出了具體實施方案，開發(fā)出能滿足四象限液壓泵測試需求的綜合試驗臺?；诠た貦C中的LabVIEW上位機軟件搭建了人機交互界面，開發(fā)出能夠?qū)崟r顯示測試數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)儲存的友好人機交互上位機軟件，為四象限液壓泵的試驗測試與優(yōu)化改進提供了保障。