耿冬妮，奚博，王昕

(吉林大學機械與航空航天工程學院，吉林長春 130025)

0 前言

隨著液壓傳動與控制技術在武器裝備以及工程機械中的應用越來越廣泛，對液壓系統(tǒng)和液壓元件的穩(wěn)定性及可靠性也提出了越來越高的要求[1]。液壓馬達作為液壓系統(tǒng)的核心元件，其性能的優(yōu)劣決定了整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)[2-4]。為了使液壓馬達能夠滿足實際應用的需求，要對液壓系統(tǒng)中的馬達進行性能測試，來驗證其使用效能[5]。

目前，為了開展科學研究、教學和生產需要，部分科研院所、高校和相關企業(yè)對關鍵液壓馬達的性能做了一定研究，并配備有液壓馬達或其他液壓元件的測試系統(tǒng)[6-7]。就馬達加載方式而言，謝燕琴等[8]采用雙轉向軸向柱塞油泵為其設計的液壓馬達減速器工況試驗加載；楊尚尚、王留根等[9-10]分別在液壓馬達功率回收實驗、大型液壓系統(tǒng)在負載沖擊下的穩(wěn)定性實驗中采用溢流閥加載的方式；黃丹平等[11]采用比例電磁閥為其設計的液壓系統(tǒng)加載。但是大部分液壓測試系統(tǒng)的實驗臺仍存在工況單一、能耗高的問題[12-15]。

基于傳統(tǒng)的液壓元件及液壓馬達的測試平臺，設計一種測功機控制負載的液壓馬達實驗臺，根據測試實驗要求，設計了液壓系統(tǒng)及測試原理，利用AMESim仿真軟件分析了設計方案的可行性；完成了液壓元件的設計選型，成功搭建了液壓馬達測試系統(tǒng)，用于不同工況下的柱塞馬達性能測試。

1 實驗臺測試原理

液壓系統(tǒng)實驗臺工作原理如圖1所示，電機接收信號開啟，使先導泵和主泵開始工作，經過濾器后，先導泵從油箱中將油抽出，送至主泵，主泵將油液送至液壓回路。電磁換向閥主要用來控制馬達的正反轉，當左位處于工作位時，馬達正轉；當右位處于工作位時，馬達反轉。馬達輸出軸端通過聯軸器與減速機構與發(fā)電機相連，發(fā)電機將馬達輸出的機械能轉化為電能，并將電能送至電網，完成功率回收，并與外部輸入電力共同驅動系統(tǒng)。減速機構和馬達之間安裝扭矩傳感器和轉速傳感器，變量泵出口處安裝流量傳感器、壓力傳感器和溢流閥，這些傳感器將采集的信號通過數據采集卡傳遞給工控機。工控機作為顯示及輸入元件，負責接收并處理數據采集卡傳遞的實驗數據，并向測功機發(fā)送控制信號，測功機接收工控機的控制信號改變發(fā)電機內部電流，達到控制馬達負載的目的。

圖1 液壓系統(tǒng)原理

2 實驗臺組成

該液壓實驗臺由電機泵單元、聯合控制加載單元、實驗臺架及液壓管路組成，柱塞馬達為液壓實驗的測試對象。圖2所示為液壓系統(tǒng)實物。

圖2 液壓系統(tǒng)實物

2.1 主要液壓元件的設計選型過程

被測馬達生產廠家提供的系列馬達型號參數如表1所示，可以看出此系列的馬達屬于低速馬達。測功機的最高轉速為2 700 r/min，因此在此系統(tǒng)中設計了增速箱，增速箱速比為1∶4。文中選擇最大壓力為22.5 MPa的馬達作為被測馬達，液壓系統(tǒng)反向驗證最大排量的馬達5，如果能滿足此馬達的測試要求，那么此系列的待測馬達參數都在被測范圍內，便能夠保證實驗臺的適用性。

表1 馬達型號參數

(1)電機泵組的選擇

所選柱塞馬達1的排量為165.3 mL/r，轉速為445 r/min，最大工作壓力22.5 MPa，流量為75 L/min。液壓泵的工作壓力：

pp=p1+∑Δp

(1)

其中：p1為液壓系統(tǒng)中執(zhí)行元件的最大工作壓力；∑Δp為進油管路的壓力損失，在此系統(tǒng)中取值0.5 MPa[16]。因此液壓泵的最大工作壓力pp=22.5+0.5=23 MPa。另外，液壓泵需要一定的壓力儲備量，以保證液壓泵的壽命，因此液壓泵的額定工作壓力滿足：

pn=(1.25～1.6)pp

(2)

此系統(tǒng)設計系數取1.25，pn=1.25×23=28.75 MPa，取pn=29 MPa。

液壓泵的流量：

qp=KL(∑q)max

(3)

其中：∑q為執(zhí)行元件的最大流量；KL為系統(tǒng)泄漏系數，這里取KL=1.2。因此qp=1.2×75=90 L/min。

液壓泵的總功率為

(4)

式中：液壓泵的總效率η=0.8。P=23 MPa×90 L/min/0.8≈43 kW，考慮到電機允許短時間超載25%，電機功率約為35 kW，根據機械設計手冊，選擇37 kW的電動機，型號為Y225S-4型，轉速為1 480 r/min，可以滿足實驗要求[17]。液壓系統(tǒng)的設計中，主泵選擇變量泵，其額定排量為60.8 mL/r，額定流量為90 L/min，選擇型號為A4V056E0/32W-PSC12N00。經過計算，選擇的電機和變量泵能夠滿足馬達5的測試要求。由此可以得到P=pq/60=37 kW特性曲線，如圖3所示?？梢钥闯觯褐灰獫M足壓力在區(qū)間[13，22.5]MPa，流量值在曲線下方區(qū)域的馬達都可以用此系統(tǒng)測試。

圖3 壓力-流量變化曲線

(2)油箱容量確定

液壓系統(tǒng)工作時，液面需要保持一定的高度，為了保證液壓油中的空氣逸出，預留液壓油容量1/5的空間，以此確定油箱容積。油箱的有效容積估算公式為：V=εQ。其中ε為經驗系數，此液壓系統(tǒng)屬于高壓系統(tǒng)，取ε=11[17]。液壓馬達的最大流量為75 L/min，V=825 L?？紤]到預留容積，故取V=1 000 L。

(3)其他元件選用

根據被測液壓馬達的壓力范圍13～22.5 MPa，選取溢流閥的型號為DBDH10P10/400，連接形式為板式閥連接，壓力調節(jié)方式為手柄調節(jié)，壓力調節(jié)范圍0～40 MPa。

電磁換向閥用來控制及切換系統(tǒng)液壓油的流動方向，以達到雙向測試液壓馬達的目的。此系統(tǒng)選用設計流量為90 L/min的電磁換向閥，型號為4WE10LG31B，有4個工作油口，通徑10 mm，壓力至31.5 MPa，流量至120 L/min。

該系統(tǒng)中主要傳感器選擇如表2所示。

表2 各類傳感器

2.2 系統(tǒng)軟件

該實驗平臺的軟件包括兩部分：一個是測功機控制通信軟件，控制面板如圖4(a)所示；另一個是測功機數據存儲軟件，控制面板如圖4(b)所示。

圖4 軟件控制面板

圖4(a)顯示的是組態(tài)軟件連接狀態(tài)，圖4(b)為讀取的測功機數據。軟件可以顯示流量、壓力、扭矩、轉速、測試時長、伺服閥開度值等。實驗平臺的兩個軟件使用VC編制，讀取實驗數據后，通過繪制特性曲線可以對整個液壓系統(tǒng)控制過程進行監(jiān)控。軟件可以對采集到的數據進行存儲，以便進一步分析、處理。軟件控制系統(tǒng)工作流程如圖5所示。

圖5 軟件控制流程

3 仿真

為驗證設計的液壓馬達性能測試實驗臺的可行性，基于AMESim軟件中的Hydraulic庫建立臺架的系統(tǒng)級仿真模型，如圖6所示。其中，仿真液壓馬達參考柱塞馬達1的參數進行設置。根據主要液壓元件選型型號，仿真基本參數設置如表3所示。仿真時間40 s，采樣間隔為0.01 s。

表3 仿真模型主要元件基本參數

圖6 臺架AMESim等效仿真模型

仿真設置加載扭矩25 N·m，折算到馬達上的負載為100 N·m。換向閥工作在右位，馬達正轉。設定變量泵輸出如圖7所示，4個階段輸出流量分別為30、50、60、70 L/min。液壓馬達相應輸出轉速如圖8所示，穩(wěn)態(tài)輸出轉速分別為181.5、302.5、363.1、423.5 r/min，仿真結果與理論計算結果相一致。

圖8 仿真液壓馬達輸出轉速

以第二階段輸出結果為例，分析馬達的響應特性。如圖9所示：變量泵階躍流量信號輸入下，仿真液壓馬達的輸出轉速經0.28 s達到穩(wěn)定值的90%，峰值轉速332.6 r/min，最大超調量9.95%，調整1.4 s后馬達輸出穩(wěn)定。因此設計的實驗臺架滿足液壓馬達的性能測試需求。

圖9 仿真液壓馬達響應特性

4 測試及結果分析

選用的測試馬達為表1中的馬達1，實驗分別設定流量在50、60、70 L/min時，負載逐漸加大，通過分析處理采集到的轉矩、轉速等參數數據，計算出不同工況下被測馬達的容積效率、機械效率，最終得到容積效率、機械效率在不同流量下隨負載的變化曲線，如圖10所示。

圖10 容積效率(a)、機械效率(b)隨負載變化規(guī)律曲線

由圖10可以看出：在不同流量下，被測試馬達1的容積效率隨著負載的增大而不斷降低，機械效率隨著負載的增大而增大，測試結果和規(guī)律與廠家提供的參考數據一致。因此該液壓系統(tǒng)符合實驗設計要求，可以用于該系列馬達的可靠性測試。

5 結論

設計一種控制簡單、操作方便的測功機控制負載液壓馬達可靠性測試平臺，基于液壓傳動控制技術及傳統(tǒng)液壓元件測試基礎，按照被測馬達參數以及測試要求，設計了測試柱塞馬達的液壓系統(tǒng)及實驗平臺組件選型，成功搭建了實驗平臺并進行了可靠性測試仿真與實驗。結果表明：該液壓實驗平臺可以進行不同工況下柱塞馬達的可靠性測試實驗，結果符合測試要求，達到預期效果。