通用型液壓馬達(dá)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的分析與設(shè)計(jì)

張翔，周燕飛，夏天，包磊，王立超，房連強(qiáng)

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

0 引言

液壓馬達(dá)是液壓系統(tǒng)重要的動(dòng)力元件，它將系統(tǒng)壓力能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，輸出旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，具備在較寬的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)工作的能力[1-2]。泵和液壓馬達(dá)作為液壓系統(tǒng)中至關(guān)重要的設(shè)備，其性能的好壞直接決定著整個(gè)系統(tǒng)的工作狀況。

目前，國(guó)內(nèi)許多科研院所與相關(guān)企業(yè)，為開(kāi)展科學(xué)研究、教學(xué)演示或生產(chǎn)需要，配備有液壓馬達(dá)測(cè)試系統(tǒng)或其他液壓測(cè)試系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)多年的探索，液壓測(cè)試系統(tǒng)研究呈現(xiàn)出一些顯著特征，主要表現(xiàn)為系統(tǒng)設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)相結(jié)合，虛擬儀器技術(shù)大量應(yīng)用于系統(tǒng)的測(cè)量與控制，系統(tǒng)自動(dòng)化程度和控制水平不斷提高，系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加注重功率回收、節(jié)能環(huán)保等[3-5]。液壓伺服系統(tǒng)[6]、液壓CAT涉及液壓、自動(dòng)化、微型計(jì)算機(jī)、測(cè)試技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理等多學(xué)科理論與技術(shù)，也是國(guó)內(nèi)發(fā)展方向[7]。相比國(guó)內(nèi)而言，國(guó)外液壓測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)與研究工作開(kāi)展較早，且液壓測(cè)試系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)是綜合運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、比例控制技術(shù)、集成插裝技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)及新的可靠性理論、現(xiàn)代控制理論等相關(guān)技術(shù)，不斷提高試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)性能，節(jié)約能源，提高環(huán)保水平，開(kāi)展綜合應(yīng)用研究[8]。

液壓馬達(dá)的測(cè)試，是在液壓馬達(dá)出廠(chǎng)前必須對(duì)其進(jìn)行的性能檢測(cè)，要保證其轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩符合標(biāo)準(zhǔn)的要求。很多液壓馬達(dá)的使用工況復(fù)雜、環(huán)境惡劣，損耗很大，因此，須定期對(duì)液壓馬達(dá)進(jìn)行性能檢測(cè)。液壓泵和液壓馬達(dá)試驗(yàn)系統(tǒng)是檢驗(yàn)這些重要元件的測(cè)試裝置，它的測(cè)試結(jié)果對(duì)液壓系統(tǒng)的工作性能有巨大的影響。

傳統(tǒng)的液壓馬達(dá)測(cè)試系統(tǒng)，占用空間大，組成部分多，如果檢測(cè)多種類(lèi)型的液壓馬達(dá)而只配備一種實(shí)驗(yàn)臺(tái)是很難實(shí)現(xiàn)的。不同的馬達(dá)配備不同的實(shí)驗(yàn)臺(tái)，會(huì)造成很大的資源浪費(fèi)。不同的實(shí)驗(yàn)臺(tái)有很多共同點(diǎn)，關(guān)鍵是要找出其共性[9-10]。因此，通用測(cè)試系統(tǒng)研究，構(gòu)建液壓馬達(dá)維修測(cè)試平臺(tái)，為企業(yè)創(chuàng)造出廠(chǎng)及維修所需的液壓馬達(dá)性能測(cè)試的設(shè)備與條件，具有重要的實(shí)際意義。

1 通用型液壓馬達(dá)實(shí)驗(yàn)臺(tái)工作原理

1.1 液壓馬達(dá)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的組成

本實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)以現(xiàn)有液壓馬達(dá)測(cè)試臺(tái)為研究基礎(chǔ)進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)，主要由1套液壓源(動(dòng)力系統(tǒng))、操作臺(tái)、試驗(yàn)臺(tái)架及液壓管路組成。

1) 電機(jī)泵組

電機(jī)泵組為油源的核心部分，油泵選用定量柱塞泵，流量為500mL/min,耐壓可達(dá)35MPa，低噪聲、壓力脈動(dòng)小、效率高，耐氣穴、吸油壓降和殼體壓力峰值的能力強(qiáng)。

電機(jī)選用西門(mén)子變頻電機(jī)，電機(jī)和泵安裝鐘形護(hù)罩，保證電機(jī)與泵連接的同軸性，同時(shí)鐘形護(hù)罩將電機(jī)與泵的連接軸及聯(lián)軸器罩住，具有隔音、防塵的功能。

2) 底座

底座用于安裝電機(jī)泵組及油箱，底部由槽鋼焊接組成框架，配備地腳螺栓安裝孔及方斜墊圈；上部鋪有鋼板，作為安裝底面并兼有接油盤(pán)的功能，結(jié)構(gòu)牢靠且外形簡(jiǎn)潔大方。外表面采用整體噴漆，耐油性好。

3) 控制系統(tǒng)原理

控制系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，從層次上分為2層。

第1層為試驗(yàn)管理層，它通過(guò)上位計(jì)算機(jī)完成操作員對(duì)試驗(yàn)的進(jìn)程控制，并通過(guò)高速數(shù)據(jù)傳輸模塊完成上下層之間的數(shù)據(jù)通信。

第2層為實(shí)時(shí)控制層，它通過(guò)底層DSP完成包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)字閉環(huán)控制、速度超限處理等功能，以滿(mǎn)足系統(tǒng)對(duì)反饋信號(hào)采樣的精度要求；同時(shí)發(fā)揮了嵌入系統(tǒng)實(shí)時(shí)性好，處理速度快的特點(diǎn)。信號(hào)采樣、模數(shù)轉(zhuǎn)換及常規(guī)的PID控制算法直接在下位機(jī)的DSP上完成。

圖1所示為控制系統(tǒng)原理圖。

圖1 控制系統(tǒng)原理框圖

1.2 液壓系統(tǒng)的工作原理

設(shè)備操作采用“手動(dòng)”與“自動(dòng)”兩種方式。“手動(dòng)”方式通過(guò)“手柄操控，儀表顯示”實(shí)現(xiàn)逐級(jí)分步試驗(yàn)，用于產(chǎn)品的初次驗(yàn)證；“自動(dòng)”方式采用“PLC+計(jì)算機(jī)”程序控制,實(shí)現(xiàn)一鍵式完成所需檢測(cè)的各項(xiàng)指標(biāo)，并對(duì)檢測(cè)進(jìn)行記錄、存盤(pán)與打印，用于產(chǎn)品的批量化驗(yàn)證。兩種控制方式相互驗(yàn)證設(shè)備的精度，更可靠地對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行精度測(cè)試，其中通用性體現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)臺(tái)支架的連接部位、轉(zhuǎn)速扭矩儀的升降，整個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的負(fù)載功率可以滿(mǎn)足待測(cè)馬達(dá)的檢測(cè)指標(biāo)。圖2是液壓系統(tǒng)原理圖。

1—柱塞泵；2—變頻電機(jī)；3—空氣濾清器；4—單向閥；5—比例溢流閥；6—蓄能器；7—流量計(jì)；8—多路球閥；9—液控?fù)Q向閥；10—電液伺服閥；11—壓力傳感器；12—試驗(yàn)件；13—扭矩轉(zhuǎn)速儀；14—柱塞馬達(dá)。圖2 液壓系統(tǒng)工作原理圖

2 通用型實(shí)驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 液壓元件的選擇

a) 待測(cè)液壓馬達(dá)的選擇

為了實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)臺(tái)的通用性，每一種類(lèi)型的液壓馬達(dá)都有其規(guī)定的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和方法，而由于液壓馬達(dá)大致分為齒輪馬達(dá)、葉片馬達(dá)、柱塞馬達(dá)、擺線(xiàn)馬達(dá)等幾大類(lèi)別，故在這4種液壓馬達(dá)中分別選取2種同系列馬達(dá)。選擇同系列中參數(shù)相差較大的液壓馬達(dá)，建立的負(fù)載系統(tǒng)如果能滿(mǎn)足這些液壓馬達(dá)的要求，那么待測(cè)液壓馬達(dá)在這些系列的參數(shù)范圍內(nèi)，也能夠保證實(shí)驗(yàn)臺(tái)的適用性，在一定程度上，擴(kuò)大了實(shí)驗(yàn)臺(tái)的通用性，但缺點(diǎn)是在構(gòu)建系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和選定負(fù)載泵時(shí)需要花費(fèi)更多的時(shí)間。表1為液壓馬達(dá)選型表。

表1 液壓馬達(dá)選型表

b) 負(fù)載泵的選擇

所選擇的液壓馬達(dá)的主要參數(shù)是轉(zhuǎn)速和排量。由于這些液壓馬達(dá)的主要參數(shù)差異較大，故在此根據(jù)所選液壓馬達(dá)中的YMC-30為待測(cè)馬達(dá)，選定負(fù)載泵。其公稱(chēng)排量為224mL/r，最高轉(zhuǎn)速為200r/min,其流量為44.8L/min，故選定負(fù)載泵為型號(hào)為PPED-4131037/016的柱銷(xiāo)式葉片泵，其主要參數(shù)為排量:前泵36.6mL/r，后泵16.5mL/r；額定壓力為前泵21MPa，后泵21MPa，輸出流量為前泵45L/min，后泵16L/min，驅(qū)動(dòng)功率為22kW,10kW，轉(zhuǎn)速范圍為80～2500r/min。

c) 轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩儀的選擇

選擇NJ型扭矩轉(zhuǎn)速傳感器，該轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器是一種廣泛應(yīng)用于機(jī)械領(lǐng)域中的用來(lái)測(cè)量各種動(dòng)力機(jī)械轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的高精密測(cè)量?jī)x器。其測(cè)速工作原理圖如圖3所示。

圖3 測(cè)速原理圖

通過(guò)弾性軸以及分布在兩側(cè)的兩組電磁傳感器將被測(cè)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成具有相位差的兩組交流電信號(hào)，把這兩組交流電信號(hào)送入測(cè)量?jī)x計(jì)算機(jī)，即可得到轉(zhuǎn)矩。

選擇NJ1型轉(zhuǎn)速扭矩儀，其額定扭矩為300N·m，使用轉(zhuǎn)速范圍為0～6000r/min,該扭矩儀在超載≤120%額定轉(zhuǎn)矩時(shí)，仍然能保證轉(zhuǎn)矩測(cè)量精度。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

a) 固定支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

因?yàn)樵囼?yàn)臺(tái)架要安裝不同類(lèi)型的液壓馬達(dá)，而液壓馬達(dá)的型號(hào)不同接口也不同。為了便于液壓馬達(dá)的安裝，設(shè)計(jì)了一種通用性更高、可替換的連接過(guò)渡件，解決了上述問(wèn)題(圖4、圖5)。

圖4 固定支架

圖5 連接過(guò)渡件

b)轉(zhuǎn)速扭矩儀升降臺(tái)的設(shè)計(jì)

因?yàn)槊恳环N類(lèi)型的馬達(dá)對(duì)應(yīng)相應(yīng)負(fù)載的液壓泵，也要有相應(yīng)規(guī)格的轉(zhuǎn)速扭矩儀與之配合工作。不同類(lèi)型的轉(zhuǎn)速扭矩儀外形尺寸有區(qū)別，需要設(shè)計(jì)升降臺(tái)來(lái)滿(mǎn)足它與液壓馬達(dá)之間的空間距離差。圖6是轉(zhuǎn)速扭矩儀升降臺(tái)的三維圖。

圖6 升降臺(tái)

c) 負(fù)載系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

負(fù)載系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)臺(tái)中起著模擬實(shí)際工況負(fù)載的作用，給液壓馬達(dá)施加負(fù)載可以更真實(shí)地檢測(cè)其性能。本實(shí)驗(yàn)臺(tái)改進(jìn)了原有負(fù)載系統(tǒng)的負(fù)載泵連接部位，改進(jìn)了油箱，優(yōu)化油路管路，給測(cè)試帶來(lái)方便(圖7)。

圖7 負(fù)載系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

1) 油箱設(shè)計(jì)

油箱容積的確定：液壓系統(tǒng)工作時(shí)，液面保持一定的高度。為了保證溶解在液壓油中空氣的逸出，留出液壓油容量1/5的空間。對(duì)于管路較長(zhǎng)的系統(tǒng)，油箱最高液面不超過(guò)油箱高度的80%。

流量估算：油箱容積是運(yùn)轉(zhuǎn)容量、回流容量、預(yù)備容積及空容積之和。液壓泵的流量估算容積為V，經(jīng)驗(yàn)公式為：V=εQ，其中：ε為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，低壓取2～4，中壓取5～7，高壓取10～12。本液壓系統(tǒng)，選取經(jīng)驗(yàn)系數(shù)為6，排量取液壓馬達(dá)排量最大值為320mL/r,轉(zhuǎn)速為200r/min，Q=64L/min，V=384L。考慮到預(yù)留容積，故取V=500L為主油箱容積[12]。

油箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：選用閉式油箱結(jié)構(gòu)，油箱接口采用密封圈密封。油箱由箱體、液位液溫計(jì)、空氣過(guò)濾器、吸回油過(guò)濾器、放油口、加油口等組成。

式中：qv為管道內(nèi)的流量；V為管內(nèi)許用流量，壓油管路取3～6m/s；

取V=4L/s，qv為116L/min，計(jì)算得：

取壓油管內(nèi)徑為6mm，膠管外徑為15mm。

2) 電機(jī)泵組的選擇

液壓泵工作壓力的確定：Pp≥P1+∑ΔP，P1是液壓執(zhí)行元件的最高工作壓力，在所設(shè)計(jì)的液壓回路中為液壓馬達(dá)的最高壓力。其中P1=12MPa，∑ΔP是泵到執(zhí)行元件間總的管路損失，中間經(jīng)過(guò)了4個(gè)單向閥，取∑ΔP=0.6MPa，所以液壓泵的工作壓力為：

Pp=12+0.6=12.6MPa。

選用PPED-4131037/1022雙聯(lián)型葉片泵為負(fù)載泵，當(dāng)壓力為12.6MPa時(shí)，大泵流量為45L/min，小泵流量為23L/min。大泵的供油壓力為12.6MPa，小泵的供油壓力為12.6MPa。取泵的總效率ηp=0.8，泵的總驅(qū)動(dòng)功率為：

(12.6×106×45+12.6×106×23)/103×0.8×60×103=17.85kW。

考慮到電機(jī)允許短時(shí)間超載25%，P=17.85÷1.25=14.28kW。根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，選擇15kW的電動(dòng)機(jī)，型號(hào)為Y180L-6型。

d) 其他液壓元件的選用

1) 單向閥。根據(jù)液壓馬達(dá)測(cè)試臺(tái)額定流量為116L/min，選取單向閥型號(hào)為DXF20-G，參數(shù)為：通徑20mm，流量130L/min，長(zhǎng)度98mm，六方S45，螺紋直徑M33×2，螺紋深度18mm。

2) 溢流閥。根據(jù)液壓馬達(dá)測(cè)試臺(tái)調(diào)壓范圍為0～28MPa，故選取溢流閥型號(hào)為YF-F32H4,連接方式為法蘭連接，質(zhì)量為14kg,長(zhǎng)度為50mm，流量為200L/min，調(diào)壓范圍16～32MPa。溢流閥YF-F32H2,連接方式為法蘭連接，質(zhì)量為7kg，長(zhǎng)度為32mm，流量為200L/min,調(diào)壓范圍為4～16MPa。

式中：A為冷卻器冷卻面積；Nh為液壓系統(tǒng)發(fā)熱量；Nhd為液壓系統(tǒng)散熱量；K為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。

式中：T1、T2為進(jìn)口和出口油溫(℃)；T3、T4為進(jìn)口和出口的水溫(℃)。

Nh=Np(1-ηC)

式中：Np為輸入泵的功率，W;ηC為系統(tǒng)的總效率。

Nhd=K1AΔt

式中：K1為油箱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；A為油箱散熱面積；Δt為油溫與環(huán)境溫度之差。

取K1為20，A為1，Δt為40，計(jì)算得Nhd=800W；

取ηC=0.5，Np=12kW，計(jì)算得Nh=6000 W；

T1、T2分別為60℃、65℃，T3、T4分別為25℃、65℃，計(jì)算得ΔTav=17.5℃，代入得A=1.75m2。

根據(jù)液壓馬達(dá)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的調(diào)壓范圍以及額定流量，選擇型號(hào)為2LQFWX型冷卻器型號(hào)為A2.1F，其散熱效果好，能夠有效地避免油溫過(guò)高。

4) 濾油器。選擇U-H250高壓濾油器。高壓濾油器主要用于保護(hù)泵下游元件不受污染。

3 結(jié)語(yǔ)

通用型液壓馬達(dá)試驗(yàn)臺(tái)具有測(cè)試范圍廣、 自動(dòng)化程度高、操作方便、測(cè)試準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，可以測(cè)試多種類(lèi)型不同規(guī)格的液壓馬達(dá)。通過(guò)對(duì)YMC-30A液壓馬達(dá)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的試驗(yàn)臺(tái)架、負(fù)載系統(tǒng)、油箱及管路的改進(jìn)設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同類(lèi)型馬達(dá)的測(cè)試。試驗(yàn)臺(tái)架設(shè)計(jì)了過(guò)渡件，方便液壓馬達(dá)與支架之間的連接。轉(zhuǎn)速扭矩儀下方安裝有可移動(dòng)升降臺(tái)，可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速扭矩儀的上下高度，一種類(lèi)型的液壓馬達(dá)就要配備相應(yīng)規(guī)格的負(fù)載泵，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和使用量程對(duì)油箱進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過(guò)這樣一套基于原有實(shí)驗(yàn)臺(tái)的改進(jìn)結(jié)構(gòu)，可以滿(mǎn)足對(duì)多種類(lèi)型馬達(dá)的測(cè)試。控制部分與改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)合，系統(tǒng)采用電磁比例溢流閥和比例泵，計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試技術(shù) CAT(computer aided test)的應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)液壓馬達(dá)的高效準(zhǔn)確測(cè)試帶來(lái)極大的便利。