油浸式緊湊型液壓動力單元的測試系統設計

孫晉龍，謝文斌

（哈威油液壓技術（上海）有限公司，上海201206）

0 引言

應用在工業領域的常規液壓泵站，常常給用戶帶來負面的體驗經歷：結構設計不緊湊，外觀設計不美觀，未考慮噪聲對人和環境的影響，售后維護不方便等。隨著新能源技術的快速發展，液壓泵站的發展在性能上向著高效率和高精度方向邁進，在結構上向著體積小、質量輕、微型化和集成化方向發展，尤其在太陽能、風能、機床等領域，因此對油浸式緊湊型液壓泵站的需求也隨之發展壯大[1-3]。

作為主機的主要部件，油浸式緊湊型液壓泵站性能的穩定性和可靠性都將影響到主機的性能，所以有必要對其進行100%的出廠性能測試。

現有的文獻很少有針對油浸式緊湊型液壓泵站測試方法和流程的研究及介紹，僅僅從單一角度對影響緊湊型液壓泵站的性能及結構進行了理論分析和性能測試。文獻[4]通過理論及仿真分析，確定了影響智能液壓動力單元動態特性的因素；通過實驗研究，驗證了優化設計結構參數及采用模糊PID控制器提高智能液壓動力單元系統響應特性的可行性；文獻[5]通過采用具有自鎖功能的數控轉臺和緊湊型液壓動力單元，簡化了控制環節，減少了液壓元件。緊湊式液壓泵站不僅優化了機床的結構布局和管線長度，也在節能和工作可靠性方面有了很大的提高；文獻[6]綜合考慮電動機在能量轉換過程中的各種損耗，建立了三相異步電動機的負載率-效率通用模型，從而驗證了該模型的準確性與精度；文獻[7]介紹了氣密性檢測儀的工作原理，通過電磁閥的自動控制功能實現密封器件的自動檢測，應用模糊綜合評判方法，分析了被測器件的氣密性。在這些研究中，還沒有提及針對緊湊型液壓泵站出廠檢驗所要求的正確率、快速性與高效率的測試細節研究[8-12]。

1 油浸式緊湊型液壓泵站試驗臺的設計依據

1.1 油浸式緊湊型液壓泵站（無閥組）液壓原理

油浸式緊湊型液壓泵站的結構特點是將電動機與泵裝配在油箱內，最大程度地減小外型尺寸，實現了泵站的輕量化、美觀化設計。油液不僅可以降低電動機產生的噪聲，而且可以增加電動機傳動軸的熱交換率，從而降低電動機的溫升和增加電動機的過載能力。油浸式緊湊型液壓泵站液壓原理圖如圖1所示。

圖1 油浸式緊湊型液壓泵站（無閥組）液壓原理圖

圖1中，油浸式電動機1的參數有多種選擇，由于電動機需滿足全球范圍內使用，所以需要考慮電動機電壓與世界各地的電源電壓相互匹配，同時也需要與電源頻率相互匹配，這就導致電動機的參數多變，并需要滿足單相電動機或三相電動機的要求。由此可知，電動機的供電頻率有50 Hz和60 Hz等2種選擇；電動機的供電電壓有三相交流電壓220、400、690 V等3種選擇；單相交流電壓110 V和220 V等2種選擇，當然還要考慮變頻電動機在未來的應用。泵2有2種選配，齒輪泵和徑向柱塞泵，當工作壓力低于25 MPa時，選配齒輪泵；當工作壓力為25～70 MPa時，選配徑向柱塞泵。液位計4可以選配液位繼電器，取決于主機設備工況。溫度繼電器5的作用是保護電動機，當油液溫度高于70 ℃時，液位繼電器發信號停止電動機工作。油箱7為三段式結構，兩個圓形蓋板加長度一定的中間圓柱型油箱體，通過螺釘相互連接，并在連接處裝配密封圈實現密封功能。一節油箱的容積是固定的，若需要不同容積的油箱，則串聯一個油箱體即可。兩個工作油口中，P口為高壓供油口，R口為低壓回油口，并在兩端的蓋板上配置加油口和放油口。

1.2 油浸式緊湊型液壓泵站（有閥組）液壓原理

油浸式緊湊型液壓泵站（無閥組）根據不同的技術要求配置不同功能的閥組，就形成具有不同功能的有閥組油浸式緊湊型液壓泵站，簡稱油浸式緊湊型液壓泵站。因其液壓原理隨著閥組功能變化而變化，這里就不一一列出其液壓原理圖。閥組主要配置電磁換向球閥、比例溢流閥、溢流閥、減壓閥、順序閥、單向閥、壓力傳感器及壓力繼電器等，其主要應用在風機剎車系統、太陽能跟隨系統及機床刀頭動力系統等新能源領域。

1.3 試驗項目

試驗測試項目分為3個工位完成，按照測試先后邏輯順序具體說明如下：

第一個測試工位為泵站氣密性測試。因油箱是分段式結構，且兩端都裝配密封圈，若密封質量有問題，則會造成油箱漏油，經過氣密性測試就可以杜絕油箱發生泄漏的可能。

第二個測試工位為泵站絕緣性測試。油浸式電動機裝配在油箱內，包括電動機接線在內的所有接線端子都必須做好絕緣，若存在漏電點的話，會對外接設備或人員造成重大傷害。

第三個測試工位為泵站液壓功能測試。可分為兩個步驟：第一個步驟是無閥組泵站測試；第二個步驟是有閥組泵站測試。本文將主要介紹第三個工位的泵站液壓功能測試。

無閥組泵站測試項目如下：1）電動機負載特性；2）泵流量負載特性；3）液位繼電器功能。

有閥組泵站測試項目如下：1）電磁換向球閥功能；2）壓力閥功能；3）壓力傳感器及壓力繼電器功能；4）泵站保壓功能。

1.4 試驗主要技術要求

無閥組泵站試驗主要技術要求：1）被測電動機的功率范圍為0～5.5 kW；2）被測電動機的電壓范圍為0～690 V；3）被測電動機的變頻選擇為50 Hz/60 Hz；4）被測泵的流量范圍為1～12 L/min；5）被測泵的壓力范圍為0～70 MPa；6）液位繼電器發訊正常（可選）。

有閥組泵站試驗主要技術要求：1）可測試10個開關電磁鐵；2）可測試3個比例電磁鐵；3）可測試5個壓力傳感器；4）可測試3個壓力繼電器（雙點輸出）；5）壓力閥（包括溢流閥、減壓閥、順序閥）的壓力設定值準確；6）泵站保壓性能≤1 MPa/30 s；7）每工作日測試數量≥8件；8）試驗臺具備自動測試和手動測試功能。

2 試驗臺的試驗原理和總體結構

2.1 被測電動機的測試原理

緊湊式液壓泵站試驗臺就是對參數多樣化和功能多樣化的液壓緊湊泵站進行測試，因此對被測試電動機來說，需要先解決以下兩個問題：1）考慮到緊湊式液壓泵站的應用范圍和應用領域都極為廣泛，因此緊湊式液壓泵站所裝配的電動機就需要與不同地域及不同應用的供電電源來匹配，例如三相交流400 V/60 Hz、三相交流220 V/60 Hz、單相交流220 V/50 Hz等，所以緊湊式液壓泵站試驗臺就需要輸出參數多樣化的電壓及頻率以滿足這種多樣化的應用。2）油浸式電動機泵的連接采用軸加平鍵的方式，裝配不同心容易導致電動機過載，所以需要檢測每一臺電動機的負載特性。

針對以上問題，給出了相應的檢測方案：1）試驗臺電氣控制柜的輸出電源采用變頻器加調壓器的方式實現；2）配置電流互感器和三相功率表。

考慮到將來被測試緊湊式泵站有可能使用變頻電動機，所以試驗臺配置了變頻器，不僅滿足了現有50 Hz/60 Hz變頻要求，也為將來可能的應用升級預留了空間。

圖2 試驗臺測試電動機回路電氣原理圖

如圖2 所示，試驗臺電控柜電源進線首先連接變頻器，變頻器輸出端連接調壓器輸入端，調壓器輸出端連接三相功率表和電流互感器。變頻器1的輸出功率為11 kW，調壓器2的功率為10 kV·A，當被測電動機的電壓等級為市電時，電源輸出采用變頻不調壓方式，最大被測試電動機的功率為變頻器最大輸出功率11 kW；當被測電動機的電壓等級不為市電時，電源輸出采用變頻加調壓方式，由于調壓器自身功率損耗，最大輸出功率會有折扣。舉例說明如下：當被測電動機參數為三相690 V/50 Hz時，最大被測功率約為5.5 kW；當被測電動機參數為三相220 V/60 Hz時，最大被測功率約為3 kW。

2.2 試驗臺液壓原理

圖3 緊湊型液壓泵站（無閥組）試驗臺液壓原理圖

在被測試泵站裝夾方面，最大化降低裝拆時間和降低操作人員工作強度；在測試過程自動化方面，完全實現自動化；在判定測試結果方面，測試結論完全由程序判斷，提高效率并減少了人為判斷帶來的錯誤概率。根據以上原則設計了油浸式緊湊型液壓泵站試驗臺液壓原理，無閥組泵站試驗臺液壓原理圖如圖3所示。

試驗臺采用定量雙級泵供油，待被測試泵站油箱加油量到達程序設定值后自動停止加油，分別在比例溢流閥設定值為零負載、50%負載和滿負載的三種工況下，以三相功率表檢測電動機的電流和功率參數，以流量傳感器和壓力傳感器的反饋值檢測泵的流量和壓力參數。如圖3所示，各部分組成及功能說明如下：

1）底部放油螺塞打開的被測試泵站（無閥組）1直接放在桌面加油工裝夾具上，為實現自動加油或排油做準備。

2）負載流量測試閥組2包含比例溢流閥2.1（最大工作壓力為70 MPa）、流量傳感器2.2（最大工作壓力為63 MPa）、壓力傳感器（量程為0～100 MPa）、單向閥橋式油路（最大工作壓力為70 MPa）、溢流閥。因測試泵在零負載壓力工況下的流量，而內控式比例溢流閥最小的控制壓力為0.5 MPa，不能滿足零負載狀態的測試要求，所以采用外控式比例溢流閥。從理論方面來說，外控式比例溢流閥最小的控制壓力為0 MPa，但在實際應用中很難達到，經過反復測試后，可以達到的最小穩定控制壓力0.2 MPa。

3）殘油回收組件3包含電動機泵組組件、液位繼電器和過濾器。當油箱14的液位高于液位繼電器12的高液位發訊點時，電動機泵組3自動啟動開始抽油；當油箱14的液位低于液位繼電器12的低液位發訊點時，電動機泵組3自動停止抽油。考慮到有可能出現的液位繼電器12損壞情況，在電控柜上設置電動機泵組3強制啟動/停止按鈕，以應對意外情況的發生。

4）主油箱循環過濾組件4包含過濾器組件、兩位三通電磁換向閥、冷卻器，只要主電控柜上電，循環過濾組件就自動啟動，循環過濾油箱內油液，保證油箱內油液的清潔度。兩位三通電磁換向閥10失電，實現主油箱內油液的循環過濾；兩位三通電磁換向閥10得電，實現被測試泵站內油液自動排油。當油液溫度高于溫度傳感器9的設定點時，冷卻器11自動開啟制冷。

5）加油/控制油組件6包含雙級泵組、過濾器、兩位三通電磁換向閥、溢流閥。兩位三通電磁換向閥5失電，實現控制油路供油；兩位三通電磁換向閥5得電，實現被測試泵站自動加油功能；溢流閥限制了加油的最高壓力。

待被測試泵站（無閥組）通過測試后，把閥組裝配在被測試泵站上，形成最終狀態的被測試泵站。然后使用帶快換接頭的軟管，把被測試泵站上閥的油口與試驗臺油口連接，開始測試第二步驟的有閥組泵站。試驗臺油口測試部分共包含10 個測試油口，實現3種測試功能，分別為流量和負載加載測試、保壓測試、被測試閥的循環測試，油口測試液壓原理如圖4所示。

圖4 油口測試液壓原理圖

油口A～D為測試閥流量或者加載負載功能設置的，有A與B和C與D兩種選擇，而這種選擇是通過切換兩位兩通電磁閥3.1和3.2實現的。負載閥組4配置有流量傳感器4.2、比例溢流閥4.1、過濾器和單向閥橋式回路。過濾器的作用是保證進入流量傳感器的油液清潔度；單向閥橋式回路的作用是保證油液流過流量傳感器和比例溢流閥的方向始終是單向的。當電磁閥2.1～2.4失電時，4個油口是彼此獨立的封閉腔；當電磁閥2.1、2.2得電時，可以測試A與B油路的流量和負載加載性能；當電磁閥2.3、2.4、3.1、3.2得電時，可以測試C與D油路的流量和負載加載性能。油口E與F為測試保壓功能設置的，當需要測試保壓功能時，首先兩位兩通電磁閥6得電，充分排氣后電磁閥6失電，利用儲油容腔5測試保壓功能。油口G～J是獨立的封閉腔，是為閥的循環測試功能設置。

2.3 試驗臺測試步驟

在程序運行前，首先使用掃碼槍掃描工號二維碼，自動輸入操作人員工號；其次使用掃碼槍掃描泵站銘牌二維碼，程序自動獲得泵站相關參數，例如被測試油箱容積，被測試電動機的功率、電壓、頻率，油箱是否配置液位繼電器；最后選擇自動/手動模式（優先選擇自動模式），開始自動測試。

在測試過程中，當有彈窗出現時，意味著此步驟需要人工介入，操作人員根據彈窗提示內容進行是與否的選擇，并按確認鍵或者N鍵以便程序自動進入下一個步驟。因被測試泵站型號多樣化，所以這里僅就一種型號的泵站進行說明，原理圖如圖3所示。

1）加油。如圖5所示，在開始加油前，首先確認被測試油箱內液壓油的狀態。對首次測試的泵站來說，這個步驟是簡單的，因為此時油箱內是無油狀態；但對不能通過首次測試的泵站則意義重大，因為此時油箱內已經存在液壓油，若繼續加油則導致油箱內的油液加滿外溢。然后確認油箱頂部螺塞已經更換為紅色空氣過濾器，若裝配人員忘記更換，則容易發生油箱內空氣壓力增大導致的油箱爆裂。

圖5 被測試泵站加油過程

2）電動機負載、泵流量負載特性。如圖6所示，啟動被測試電動機，控制器PLVC輸出相應的控制電流控制比例溢流閥，在3種不同的壓力負載狀態下通過流量傳感器分別測得泵的流量值，同時利用三相功率表采集電動機的電流值。當負載壓力為0.2 MPa時，泵的流量為1.60～1.75 L/min，電動機的電流值為0.98～1.18 A；當負載壓力為15 MPa時，泵的流量為1.5～1.6 L/min，電動機的電流值為1.4～1.6 A；當負載壓力為25 MPa時，泵的流量區間為1.82～1.55 L/min，電動機的電流值為1.82～2.02 A。

在測試過程中，若測試數據達不到技術要求，則測試系統會根據錯誤類型彈出不同提示內容的紅色彈窗，然后操作人員單擊本測試步驟，主顯示頁界面會顯示當前步驟的錯誤數據，以便技術人員分析失敗原因。

3）緊湊型液壓泵站（有閥組）。因為被測緊湊型泵站配置的閥組種類繁多，所以測試程序多變，且具體的被測泵站測試程序并不能完全覆蓋該試驗臺的測試能力，所以這里就不對具體泵站的測試原理進行說明。其測試步驟包括壓力傳感器測試、壓力繼電器測試、換向閥功能測試、溢流閥設定值檢驗、減壓閥設定值檢測、順序閥設定值檢測、流量閥設定值檢驗、蓄能器充氣壓力值檢驗等。完成液壓元件的測試后，根據泵站實際工況連續動作20循環，最后做系統保壓測試，所有的測試步驟均實現自動測試，操作人員僅需根據測試過程中的人機交互彈窗進行操作。

圖6 電動機負載與泵流量負載測試過程

4）排油。在所有試驗完成后，被測試油箱需要自動排油，由于主油箱循環過濾組件4始終處于運行狀態，只需電磁閥10得電，就可以實現自動排油。當被測油箱內油液位低于液位繼電器發訊點時，抽油程序會自動更新抽油時間，從發訊狀態改變時起再繼續抽油15 s，時間到則電磁閥10失電并停止排油。

2.4 油浸式緊湊型液壓泵站試驗臺的總體結構

試驗臺主要由泵源、殘油回收過濾系統、密閉操作測試空間、PLVC、PC、觸摸顯示器、電控柜等組成。其中：泵源部分提供清潔穩定的油源；殘油回收系統保證測試過程中的泄漏油及時被回收，不污染地面；測試操作區域是配置安全罩的透明封閉區域，功能是用于手動操作、放置被測試泵站，并與試驗臺實現液壓和電氣的連接，現場實物如圖7所示。

3 試驗臺的操作部分

試驗臺的操作部分有3處：1）操作控制盒；2）電控柜；3）觸摸顯示屏。

圖7 油浸式緊湊型液壓泵站試驗臺實物圖

3.1 試驗臺的操作控制盒結構

試驗臺的操作控制盒主要針對手動模式測試，它集成在封閉測試空間上部，方便試驗人員操作，如圖8所示。每一豎列對應一個可外接的外部設備，繼電器和傳感器都配置按鈕燈，按鈕燈的作用是用于顯示傳感器或繼電器的發訊狀態。其中：液位繼電器接口1有2個，用于測試泵站的高液位和低液位的發訊點；溫度繼電器接口2有1個，用于被測試泵站的溫度發訊點；壓力傳感器接口3有5個，每個接口配置按鈕燈和旋鈕電位器，旋鈕電位器用于設定壓力傳感器的壓力值；壓力繼電器接口4有3個，每個接口配置白色和黃色按鈕燈，分別顯示壓力繼電器設定低點和設定高點的發訊狀態；控制盒使能開關5用于觸發控制盒的功能；卸載開關6的功能是在結束測試工作后，讓試驗臺所有執行設備斷電，確保下次開機處于原始缺省狀態；比例閥接口7有3個，每個接口配置旋鈕電位器，用于調節比例閥的設定值；開關閥接口8有10個，每個配置三位選擇開關，三位開關用于控制開關閥的得電、失電和缺省狀態；加油按鈕9的作用是給被測試泵站手動加油；電源航空插頭10的作用是快速連接被測試泵站的供電電源；42芯航空插頭11和16芯航空插頭12的功能用于批量系列化產品測試，可減少接線時間和減少接線出錯的概率。為了測試不同功能的泵站，分為42芯和16芯兩種規格。當泵站的配置低于某值時，使用16芯航空插頭；當泵站配置高于某值時，使用42芯航空插頭。當測試單件產品或用于維修測試時，不需要連接多芯航空插頭，直接用線纜連接各個外部接口，手動進行測試。

3.2 試驗臺的電控柜操作面板

電控柜操作面板配置有三相功率表、調壓器旋鈕、頻率選擇開關、液位繼電器屏蔽按鈕、溫度繼電器屏蔽按鈕、加油按鈕、開始/停止按鈕、DG/DT選擇開關等。其中需要特別說明的是：1）若泵站沒有配置液位繼電器或者溫度繼電器，則需要選擇液位繼電器屏蔽按鈕或者溫度繼電器屏蔽按鈕，以解除程序缺項報警；2）對于DG/DT選擇開關，若泵站是以壓力繼電器的反饋信號為控制信號實現自動測試，則選擇DG；若泵站是以壓力傳感器的反饋信號為控制信號實現自動測試，則選擇DT。若兩者都不參與控制，開關則為默認居中位置，此項操作僅限手動模式。

圖8 操作控制盒結構圖

3.3 試驗臺的觸摸屏

觸摸屏顯示界面的上部區域是各種傳感器、繼電器、閥及比例閥的狀態顯示；左下區域是員工工號、產品型號、測試周期等參數確認；右下區域是測試步驟、測試技術要求及測試結果顯示，如圖9所示。

圖9 觸摸屏顯示界面

4 試驗臺的軟件設計

試驗臺的軟件主要由兩部分組成：上位機軟件和測試過程控制軟件。

上位機軟件是不可以任意修改的，其功能是數據處理、界面顯示及測試安全環境的建立。

測試過程控制軟件是可以任意修改的，它是根據被測試泵站的實際工況建立的具體測試步驟，其本質是測試邏輯表格化的EXCEL文檔，其功能是將采集進控制器的數據根據EXCEL文檔預先設定好的參數進行邏輯運算后，輸出給各個執行元件的過程控制。

試驗臺軟件主要包含以下方面：1）測試人員工號輸入；2）被測試泵站型號輸入；3）自動與手動切換；4）試驗步驟的顯示、控制與結果確認；5）試驗周期的記錄與顯示；6）試驗參數的實時顯示；7）試驗數據的保存與查詢；8）試驗故障說明；9）測試報告生成與打印；10）報警功能及報警原因提示窗口。

5 結論

1）該試驗臺已經實現了序列化生產，至今已經制造了多臺，不僅滿足國內市場的應用，并且出口到多國，產生了一定的經濟效益。

2）試驗臺的不足之處有二：其一，未考慮到手動調壓器，沒有形成控制閉環，當操作人員在短期內需要測試兩種不同電壓的泵站時，若忘記手動更改調壓器的輸出電壓，則容易損壞被測電動機。解決方案是把手動調壓器更改為自動調壓器，形成控制閉環，它的輸出電壓完全根據程序自動調節，降低損壞被測電動機的概率。其二，未考慮到并不是所有的該類試驗臺都需要配置用于手動操作的操作控制盒，原因是在大規模生產安排中，自動化程度越來越高，手動操作僅僅是用于維修或者產品試制階段，使用頻率不高，同類型的試驗臺假如配置有若干臺，只要配置一個操作控制盒即可，這樣就可以把操作控制盒設計成獨立的附屬設備，需要時直接與試驗臺通過航空插頭連接，大大降低了試驗臺制作成本。在將來的設備升級中，將針對以上幾點進行。