一種新型液壓試驗臺的研制

李平材，關浩，郝蔚祺

(1.大連大學機械工程學院，遼寧大連 116600；2.中國鐵建重工集團有限公司液壓研究院，湖南長沙 410100)

整個試驗臺包括三部分:油源系統:由6個電機驅動液壓泵為系統提供油源，電機功率分別為250、75、7.5 kW等;試驗臺架系統:該系統由液壓閥測試系統、泵馬達測試系統、液壓缸測試系統三部分組成;計算機測控系統:該系統主要由NI公司的數據采集裝置和西門子公司的PLC控制裝置組成。

文中主要從試驗臺泵馬達測試系統的液壓原理圖出發，講解試驗臺的設計和測試原理，對其能量回收原理的實現進行具體分析。以具體的檢測實例來說明該試驗臺工作原理和創新之處，分別在常規模式和能量回收模式下對被測泵輸出壓力進行檢測、對比，從而使大家對該試驗臺的設計有大體的了解。

1 泵、馬達性能測試系統簡介

試驗臺油路根據國家標準設計而成，在泵、馬達測試中，主要采用能量回收原理和綜合法來進行測試系統設計，極大地減小了液壓元件功率損耗。在設計液壓原理圖時，通過分析測試對象、測試項目以及測試功率等方面的需求，采用普通模式和能量回收模式相結合的方法:測小功率液壓元器件時，直接采用普通模式進行測試;當測試大功率或者高壓元器件時，采用能量回收模式進行測試。

普通模式。當試驗臺工作于泵測試狀態時，原動電機用來驅動動力泵輸出壓力油，壓力油驅動被試泵;當試驗臺工作于馬達測試狀態時，原動電機驅動動力泵輸出壓力油，驅動被試馬達，被試馬達的負載由加載馬達 (也稱加載泵)和電比例加載模塊來模擬。

能量回收模式。當試驗臺工作于泵測試狀態時，原動電機驅動補能泵，補能泵和被試泵輸出的壓力油合流后一起驅動被試泵的驅動馬達，馬達再驅動被試泵，從而實現能量的循環利用;當試驗臺工作于馬達測試狀態時，原動電機驅動補能泵輸出壓力油與加載馬達輸出的壓力油合流后一起驅動被試馬達，被試馬達再驅動加載馬達，從而實現了能量的循環利用。

能量回收原理簡介。液壓系統能量回收是以降低液壓回路的能量損耗為目標，合理設計液壓系統回路，適當選擇和布置液壓元件，對液壓元件和運動負載的機械能加以重新回收利用，從而實現液壓系統節能高效的系統設計方法［1］。

將能量回收原理應用于該泵馬達液壓試驗臺中，在測試泵的相關實驗中，采用泵、馬達互拖的形式［2］，將被測泵與補能泵的壓力油合流一起驅動馬達，然后再由馬達驅動被測泵，從而實現了能量回收利用。基于能量回收的液壓試驗臺，在能源利用效率方面，有效減小了能源損耗，同時也增大了檢測元件的功率范圍［3］，實現了300 MPa大功率液壓元件的檢測。液壓原理圖如圖1所示。該圖中省略了實際液壓系統中的流量、壓力檢測等傳感器，使得原理圖看起來簡潔大方，主要側重于系統功能的實現。

圖1 泵、馬達測試液壓原理圖

2 基于能量回收原理的液壓系統與普通液壓檢測系統的對比

以液壓泵模擬加載試驗為例。選取德國力士樂軸向柱塞變量泵A4VG為被測泵，設置系統供油壓力均為10 MPa，用比例節流閥模擬負載，分別在常規模式液壓系統和能量回收原理液壓系統下對被測泵輸出壓力進行測量。測試原理圖如圖2所示。

圖2 兩種測試系統對比圖

得到如圖3所示的被測泵輸出壓力對比，表明基于能量回收法的系統被測泵輸出壓力明顯高于常規測試系統被測泵的輸出壓力。

圖3 普通模式和能量回收模式輸出壓力對比圖

圖3表明:普通模式下，系統輸出壓力響應快，僅需不到1 s就能使輸出壓力保持穩定;而能量回收模式下，輸出壓力調節速度慢，在將近50 s時，才達到穩定值。通過圖3還可以發現:在系統剛開始的時候，能量回收模式和普通模式的輸出壓力基本相同。在進行了多組實驗的情況下，發現隨著系統負載壓力的調節，兩種模式下泵輸出壓力大小并不是嚴格意義上的比例關系。即圖3所示的輸出壓力比3∶7并不適用于其他載荷。

3 泵馬達試驗臺測試實例

以柱塞泵壓力流量特性檢測為例，來講解泵馬達試驗臺兩種模式的工作原理。方向閥通斷如表1所示(+號表示得電，－號表示失電)。

能量回收模式下，被測泵正轉時，如圖1所示，系統供油恒壓變量泵12通過加載溢流閥后，對系統進行比例加載，高壓油液流經二位二通閥8和三位四通閥9后流進驅動馬達，驅動馬達帶動被測泵轉動。壓力油由被測泵的出油口流經三位四通閥5和二位二通閥6之后，進入模擬負載伺服閥 (注意該模擬負載只能單向流通)，系統剛開始運行階段讓模擬負載伺服閥關閉，相當于加載負載無窮大，待驅動馬達轉速平穩之后，減小模擬負載，此時高壓油流經方向閥11后跟恒壓變量泵12的高壓油匯合，匯合后再次沿回路流進驅動馬達1，此時驅動馬達1的進出油口壓差變大，驅動馬達轉速急劇增加，為避免造成系統調節不穩定，伺服閥4快速響應，起到分流的作用，使得驅動馬達1轉速回歸平穩，此時，伺服閥4在高壓狀態下慢慢關閉，隨之伺服閥3打開，增大驅動馬達的排量，穩定了驅動馬達的轉速。使得驅動馬達在接收來自被測泵和系統提供的高壓油時，增快了響應速度和系統的平穩性。油液流經驅動馬達后流入回油箱。

表1 普通和能量回收模式下各方向閥電磁鐵得電情況

在普通模式下，測試正轉泵性能時，系統供油通過恒壓變量泵12和加載溢流閥后，對系統進行比例加載，高壓油經二位二通閥8和三位四通閥5后流進被測泵，壓力油由被測泵的出油口流經三位四通閥9和二位二通閥6之后，進入模擬負載伺服閥 (注意該模擬負載只能單向流通)。系統剛開始運行階段讓模擬負載伺服閥關閉，相當于加載負載無窮大，待驅動馬達轉速平穩之后，減小模擬負載，此時高壓油流經方向閥11后回油箱。

該泵馬達試驗臺實現如下功能:

(1)正反轉液壓泵、液壓馬達在普通模式和能量回收模式下的性能檢測。測試功能十分強大，體現了現代化測試系統的集成度高、功能強大的特點，實現了泵、馬達試驗臺的合一。

(2)可實現液壓補償、機械補償兩種能量補償形式，且兩種補償模式互不干擾，液壓補償和機械補償可以同時進行補償。當被試泵輸出流量小于驅動馬達輸入流量時，變量泵12的高壓油進入系統，補償被測泵和驅動馬達之間的流量差，該補償方式為液壓補償;當驅動馬達的輸出扭矩不足以驅動被測泵時，雙軸電機14工作，補償驅動馬達和被測泵之間的扭矩差。

(3)電機14用來補償被測泵、馬達和驅動馬達之間的扭矩差，從而避免了因為泵、馬達排量不同而導致的系統運動不平穩、振動噪聲大的問題。也可對系統進行機械補能，與液壓補能共同實現系統補能。

(4)采用加載溢流閥進行系統比例加載，使得能量回收系統在不改變驅動馬達和被測泵之間密封容積的情況下，通過改變驅動馬達和被測泵的補油量來進行系統壓力調節，調節精度高，并且調節范圍較廣。

(5)采用伺服閥來調節驅動馬達轉速，使得系統響應速度快，驅動馬達轉速相對穩定，從而保證了被測泵的更多功率可以加到驅動馬達上，節能效果和系統響應都明顯增強。

(6)在測試柱塞泵時，使用柱塞泵做為驅動馬達，使得被測泵和驅動馬達之間流量更為匹配，避免了以往因被測泵輸出流量小于驅動馬達而導致的無法實現能量回收，增大了系統能量回收的效率。

(7)系統壓力油由恒壓變量泵12提供，該變量泵由普通電機驅動，在系統壓力小于設定壓力時，變量泵輸出流量變大，使得系統補油能力增加，響應更快。并可設定變量泵的輸出壓力，使得系統壓力調節更加方便。

(8)在液壓回路中引入了新型的傳感器測試儀表 (如在被測泵和被測馬達之間加入了新型轉矩轉速儀器)，采用電比例伺服閥做模擬加載，系統大量采用集成閥塊。還簡化了機器管道，大大減小了系統的外泄漏。同時還使得所有的液壓回路集成在一臺機器設備上，使液壓系統的安裝布局更加科學合理，維護更加方便，運行更加可靠。大量采用插裝閥，因其結構簡單，通流能力大，適合于各種高壓大流量系統;改變不同的先導控制閥及蓋板，便可輕易地實現不同閥的功能，而插裝主閥的結構不變、便于標準化等優點，極大地提高了系統可靠性。

(9)液壓泵、馬達測試臺能完成軸向柱塞泵和軸向柱塞馬達的多項性能參數測試試驗，主要包括以下具體試驗:效率試驗，變量特性試驗，沖擊試驗，壽命試驗，壓力流量試驗等。

4 實驗結果數據分析與處理

此系統的數據采集采用算術平均值法。算術平均值法適用于對壓力、流量信號的濾波處理，這類信號的特點是有一個平均值，信號在某一數值附近作上下波動，在這種情況下，僅取一個采樣值作為依據顯然是不準確的。算術平均值法對信號的濾波程度完全取決于N。當N較大時濾波度高，但靈敏度低;當N較小時，濾波度低，但靈敏度高，此系統N可取3～5。

算術平均值法是尋找這樣一個值作為當前次采樣的平均值，使該次各采樣之間誤差的平方和最小:

入口條件:N次采樣值已存于一維數組成X(N)中［4］。

出口條件:算術平均值存于Y變量中。通過計算得到流量、壓力平均值Y，從而得到液壓泵的壓力、流量特性曲線如圖4所示。

圖4 液壓泵壓力、流量特性曲線

壓力、流量特性曲線表明:在t=0～4 s時，系統無負載壓力，系統流量在開機后迅速上升到12 L/min并保持穩定;在t=4 s時對系統施加負載，并逐漸增大負載;到t=8 s時，負載增大到最大值，此時系統流量產生波動，流量變化如圖4所示，最終在t=8 s時，流量減小為0。該實驗結果表明被測泵壓力流量特性曲線正常，符合檢測標準。

5 結論

該試驗臺的研究特色在于最大限度地利用能量，改變了以往試驗臺溢流損失嚴重的現象，實現了400 MPa大功率液壓元件的檢測。有以下幾點創新。

(1)創新的液壓試驗臺模式:綜合法。能夠實現能量回收模式和常規模式兩種模式下雙向變量液壓泵、馬達的性能測試。用較小功率的補能泵來驅動較大功率被測泵、馬達，增大了可測元器件的功率范圍。還可以用常規模式來解決能量回收模式下測試功能不全，被測泵、馬達輸出流量無法計量等問題。為該試驗臺所設計的能量回收模式可實現液壓補償、機械補償兩種能量補償形式，改善了以往能量回收模式下系統壓力變化過快、壓力脈動大、被測泵和驅動馬達流量不匹配等方面問題，壓力調節精度高、范圍較廣，節能效果和系統響應都明顯增強。

(2)采用定量泵+變頻電機為系統進行補油，不僅可以改善因被試液壓泵與驅動馬達之間的扭矩差太大造成的壓力脈動和振動噪聲，并且加載壓力時調節穩定性好，測試結果更為精確。補油壓力泵可以用來補償驅動馬達和被測泵之間的流量差，采用蓄能器來增大系統的密封容積從而減小壓力脈動和提高加載壓力。

(3)采用伺服閥來控制驅動馬達的壓力流量。當補能泵的流量增大時，為了避免驅動馬達轉速上升太快，采用伺服閥進行分流，迅速使驅動馬達恢復平穩，由于伺服閥工作在高壓大流量狀態，所以進入穩定轉速后伺服閥逐漸關閉，系統壓力調節平穩。

(4)使用柱塞泵做為驅動馬達，使得被測泵和驅動馬達之間流量更為匹配，避免了以往因被測泵輸出流量小于驅動馬達而導致的無法實現能量回收問題。

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