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(1. 沈陽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 遼寧 沈陽　110159； 2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱　150000；3. 沈陽中之杰流體有限公司， 遼寧 沈陽　110000)

引言

液壓泵可靠性壽命試驗[1]周期長、能耗大，在試驗過程中需采取功率回收方式，機(jī)械補(bǔ)償式功率回收和電功率回收是常見的兩種方式。目前，國內(nèi)很多高校和企業(yè)針對液壓泵功率回收式試驗臺進(jìn)行了諸多方面的探索。在文獻(xiàn)[2-8]中，電動機(jī)驅(qū)動被試液壓泵，被試液壓泵輸出高壓液壓油驅(qū)動液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，液壓馬達(dá)再通過機(jī)械傳動驅(qū)動被試液壓泵實現(xiàn)機(jī)械補(bǔ)償功率回收；在文獻(xiàn)[9-13]中，增壓系統(tǒng)使高壓液壓油直接驅(qū)動液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，而在文獻(xiàn)[14]中，增壓系統(tǒng)使高壓液壓油通過液壓橋路驅(qū)動液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，液壓馬達(dá)通過機(jī)械傳動帶動被試液壓泵工作從而實現(xiàn)液壓補(bǔ)償功率回收；在文獻(xiàn)[15]中，電動機(jī)驅(qū)動被試液壓泵，被試液壓泵輸出高壓液壓油驅(qū)動液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，液壓馬達(dá)驅(qū)使發(fā)電動機(jī)發(fā)電，電能通過逆變或整流系統(tǒng)回饋給電動機(jī)，實現(xiàn)電功率回收。

本研究開發(fā)一種機(jī)械補(bǔ)償功率回收式可靠性試驗臺可實現(xiàn)多臺泵同時加載的加速壽命試驗和沖擊試驗，并且給出了試驗臺的設(shè)計方案以及對部分試驗結(jié)果進(jìn)行了分析。

1　液壓泵可靠性試驗臺方案設(shè)計

1.1　現(xiàn)有功率回收試驗臺的特點

現(xiàn)有的功率回收式液壓泵試驗臺具有以下共同點：

① 試驗對象為單個液壓泵；

② 加載方式為系統(tǒng)壓力均采用溢流閥加載。

現(xiàn)有的功率回收式液壓泵試驗臺不足之處有：

(1) 現(xiàn)有多數(shù)液壓泵試驗臺，液壓馬達(dá)工作壓差幾乎與液壓泵相同，如果試驗臺需要實現(xiàn)液壓泵耐久壽命試驗，液壓馬達(dá)未得到相應(yīng)的保護(hù)；

(2) 國產(chǎn)液壓泵與外國知名品牌液壓泵性能相比，尚有一定差距，但國產(chǎn)液壓泵性能較以往已經(jīng)有了質(zhì)的飛躍，其中就體現(xiàn)在可靠度和平均無故障壽命(MTTF)上。根據(jù)文獻(xiàn)[16]，國產(chǎn)工業(yè)液壓泵耐久壽命試驗額定工況下需要達(dá)到2400 h，既使利用加速壽命試驗方法，加速因子達(dá)到4～6倍[17]，試驗時間也需要300～400 h，如果樣本量12個，試驗時間就需要3600～4800 h，所以很有必要實現(xiàn)多臺液壓泵同時試驗；

(3) 液壓泵可靠性試驗方法有多種，加速試驗方法按照加速方式可以分為應(yīng)力加速試驗方法和使用頻率加速試驗方法。如前文所述，應(yīng)力加速試驗方法可以分為恒定、步進(jìn)和序進(jìn)應(yīng)力加速試驗方法。使用頻率加速試驗方法又稱為循環(huán)應(yīng)力沖擊加速試驗方法?，F(xiàn)有多數(shù)液壓泵試驗臺只能實現(xiàn)其中一種或兩種加速方式。

本研究設(shè)計的試驗臺欲實現(xiàn)恒定應(yīng)力和步進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗方案(下文簡稱加速壽命試驗方案)。同時，試驗臺另一個目標(biāo)是利用液壓泵實際工況載荷譜進(jìn)行液壓泵循環(huán)應(yīng)力沖擊加速壽命試驗方案。

1.2　本試驗臺的液壓系統(tǒng)原理設(shè)計

本研究所設(shè)計的試驗臺液壓系統(tǒng)原理圖如圖1所示。試驗臺可完成以下試驗：

1) 多臺液壓泵同時加載試驗

由相關(guān)資料可知，可靠性試驗的技術(shù)要求是液壓泵在相同工況下進(jìn)行試驗，如溫度、壓力、扭矩、轉(zhuǎn)速、振動等均相同。若采用傳統(tǒng)的單泵單馬達(dá)試驗方式則很難保證可靠性試驗要求。因此，本研究欲采用分動箱來實現(xiàn)多臺液壓泵同時試驗。

2) 雙應(yīng)力加速壽命試驗

加速壽命試驗方案中關(guān)鍵點是加速應(yīng)力的選取，液壓系統(tǒng)因為其固有特點，在加速試驗中，往往以轉(zhuǎn)速和壓力作為加速應(yīng)力[18]。本研究采用變頻器可以實現(xiàn)電動機(jī)轉(zhuǎn)速無極可調(diào)，比例溢流閥可以實現(xiàn)系統(tǒng)壓力無極加載，從而可以方便實現(xiàn)液壓泵雙應(yīng)力加速壽命試驗方案。

3) 循環(huán)應(yīng)力沖擊加載試驗

液壓泵，比如工程機(jī)械用柱塞泵，在工作周期中往往伴隨著大量沖擊載荷，在實驗室中為了模擬其實際工況，通常采用采集液壓泵工作載荷譜方法對其進(jìn)行加載試驗。高頻數(shù)字開關(guān)閥具有響應(yīng)速度快，重復(fù)誤差小，控制簡單，抗污染能力強(qiáng)，可以在惡劣環(huán)境下連續(xù)工作的特點[19]。因此，本試驗臺欲使用高頻數(shù)字開關(guān)閥與比例溢流閥相互配合來實現(xiàn)沖擊加載。

1、2.被試液壓泵　3.分動箱　4.電動機(jī)　5.液壓馬達(dá)6、14.壓力表　7.比例節(jié)流閥　8.比例溢流閥　9.安全閥10～12.流量計　13.單向閥　15.液壓蓄能器16.數(shù)字開關(guān)閥　17.低壓補(bǔ)償系統(tǒng)18.分動箱冷卻系統(tǒng)　19.油箱冷卻系統(tǒng)圖1　功率回收式液壓泵可靠性試驗臺原理圖

2　試驗臺的特點

2.1　本試驗臺的優(yōu)點

1) 分動箱的設(shè)置

此方案具有以下優(yōu)點：

(1) 縮短試驗周期從應(yīng)用角度上而言，分動箱在車輛上可以實現(xiàn)“一分五”傳動，但是由于可靠性加速壽命試驗加載應(yīng)力高，傳動功率大，并且考慮安裝精度要求，本試驗臺欲采用“一分二”分動箱，縮短了試驗周期，提高了試驗效率；

(2) 保證相同工況排除加工設(shè)計以及安裝等因素，此方案可以最大程度上實現(xiàn)多臺泵加載工況(轉(zhuǎn)速、壓力、溫度及振動等)完全相同，最大程度上保證可靠性試驗方法評估的準(zhǔn)確性。

2) 比例節(jié)流閥的設(shè)置

本試驗臺欲在液壓馬達(dá)前安裝一個節(jié)流閥。該閥的作用：

(1) 保護(hù)液壓馬達(dá)液壓泵可靠性耐久試驗周期長，而液壓馬達(dá)作為功率回收元件如果工作壓差太高其壽命會大大縮減，通過調(diào)節(jié)比例節(jié)流閥開口度可以很好解決此問題。在圖1中，如果減小比例節(jié)流閥開口度，在系統(tǒng)相同輸出流量下液壓馬達(dá)工作壓差會相應(yīng)減小，達(dá)到保護(hù)液壓馬達(dá)的目的。

(2) 調(diào)節(jié)扭矩匹配在流量匹配的前提下，通過調(diào)節(jié)比例節(jié)流閥開口度可以改變馬達(dá)工作壓差，進(jìn)而改變馬達(dá)回收功率和電動機(jī)輸出功率。

2.2　方案設(shè)計計算

考慮到功率回收方式，本試驗臺電動機(jī)功率的選取要滿足以下條件：

1) 流量匹配

由于液壓泵本身就存在泄漏，溢流閥通過溢流來穩(wěn)定系統(tǒng)壓力，所以本試驗方案流量匹配要求需要滿足：

(1)

式中：Qp、Qm—— 液壓泵、液壓馬達(dá)流量，L/min

ηpv、ηmv—— 液壓泵、液壓馬達(dá)容積效率

i—— 分動箱傳動比

m—— 被試液壓泵個數(shù)

由式(1)可知，本試驗方案中被試液壓泵的流量和必須大于液壓馬達(dá)的流量，如果不滿足，液壓馬達(dá)將成為電動機(jī)負(fù)載，此時系統(tǒng)不但無法實現(xiàn)功率補(bǔ)償回收，反而將額外提供能量克服液壓馬達(dá)外負(fù)載能量消耗。

2) 扭矩匹配

被試液壓泵理論扭矩為：

(2)

式中：Vp—— 液壓泵的理論排量，mL/r

Δpp—— 液壓泵的進(jìn)出口壓差，MPa

ηpm—— 液壓泵的機(jī)械效率

無功率回收時，驅(qū)動電動機(jī)理論扭矩為：

(3)

式中：ηm—— 傳動系統(tǒng)的機(jī)械效率

液壓馬達(dá)輸出的理論扭矩：

(4)

式中：Vm—— 液壓馬達(dá)的理論排量，mL/r

Δpm—— 液壓馬達(dá)的進(jìn)出口壓差，MPa

ηmm—— 液壓馬達(dá)的機(jī)械效率

由式(1)、式(2)、式(4)可得：

(5)

由式(5)可知，液壓馬達(dá)輸出扭矩不足以驅(qū)動被試液壓泵，不足部分功率由電動機(jī)來補(bǔ)償。

3　試驗臺的電氣設(shè)計

根據(jù)本試驗臺的特點，該系統(tǒng)采用PLC作為主站，監(jiān)控計算機(jī)和變頻調(diào)速器作為從站。如圖2所示，各數(shù)字I/O和傳感器連接到PLC上，實現(xiàn)了對現(xiàn)場設(shè)備的自動化控制、數(shù)據(jù)采集以及故障報警等工作。

圖2　試驗臺總線原理圖

自動化控制主要體現(xiàn)在：

(1) 當(dāng)油溫高于設(shè)定值時，自動啟動冷卻系統(tǒng)；

(2) 當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)局部壓力過高、電動機(jī)轉(zhuǎn)速過高、油箱液位較低時，系統(tǒng)自動停機(jī)等。

本試驗臺擁有自己獨立的在線監(jiān)測界面，在檢測界面中可以清晰地看到該試驗系統(tǒng)重要參數(shù)。點擊啟動按鈕后，便可了解每個被試液壓泵的運轉(zhuǎn)情況，如壓力、扭矩、轉(zhuǎn)速等。此外，系統(tǒng)還專門安裝報警程序，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障(如節(jié)流口堵塞、局部漏油等)時報警裝置會發(fā)出報警信號，故障解除后按復(fù)位按鈕報警聲停止。

4　試驗結(jié)果及分析

由試驗臺原理可知，比例節(jié)流閥開口度最大時，系統(tǒng)的功率回收效率最高。此時，試驗臺功率回收率為：

(6)

式中：Nm—— 液壓馬達(dá)輸出功率，W

Np—— 液壓泵輸入功率，W

由式(6)可知，試驗臺回收率ξ的大小與液壓馬達(dá)輸出功率及液壓泵輸入功率有關(guān)：

(7)

式中：T1、T2—— 液壓泵的輸出扭矩，N·m

n—— 電動機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min

ηi—— 分動箱的傳動效率

Nm=qvΔpmηt

(8)

式中：qv—— 液壓馬達(dá)的輸出流量，L/min

ηt—— 液壓馬達(dá)的機(jī)械效率

qv=q1+q2-qy

(9)

式中：q1、q2—— 液壓泵的輸出流量，L/min

qy——溢流閥的溢流量，L/min

經(jīng)試驗測得國產(chǎn)某型號液壓泵相關(guān)參數(shù)如下：

n=1500 r/min；

Δpp=27 MPa；

Δpm=24 MPa；

ηt=0.92；

q1=22.28 L/min；

q2=23.78 L/min；

qy=3 L/min；

T1=90.2 N·m；

T2=88.6 N·m；

ηi=0.98。

由式(6)～式(9)得：ζ=0.6。此時，電動機(jī)的輸出功率僅為液壓泵所需輸入的40%左右，極大降低了電動機(jī)的輸出功率。

5　結(jié)論

本研究設(shè)計的試驗臺通過采用機(jī)械補(bǔ)償功率回收方式實現(xiàn)了多臺液壓泵同時加載的加速壽命試驗和沖擊試驗，不僅大大縮短了試驗時間，而且系統(tǒng)回收能量高，從而減少了能源的浪費；分動箱的設(shè)置，更能有效保證多臺液壓泵在相同工況下試驗的要求；此外，試驗臺電氣部分實現(xiàn)了遠(yuǎn)程操控與觀測以及數(shù)據(jù)的在線采集等，從理論上實現(xiàn)了試驗過程全自動化。本試驗臺設(shè)計方案對相關(guān)的可靠性試驗臺提供了理論指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] WAYNE B.NELSON.Accelerated Testing Statistical Models, Test Plans, and Data Analysis [M]. WILEY,2004:15-17.

[2]張志生,芮豐.變頻調(diào)速功率回收液壓泵及馬達(dá)試驗系統(tǒng)分析與實現(xiàn)[J].流體傳動與控制,2008,2(1):41-43.

[3]沙明元,李建英,李春林.大型液壓試驗臺功率回收系統(tǒng)研究[J].石家莊鐵道學(xué)院院報,1998,11(4):84-87,91.

[4]吳時飛,胡軍科,何國華.功率反饋式閉式液壓泵、液壓馬達(dá)系統(tǒng)研究[J].機(jī)床與液壓, 2007, 35(2): 119-124.

[5]白國長,王占林,祁曉野.航空液壓泵變負(fù)載加速壽命試驗臺研制[J].液壓與氣動, 2006,5 (3): 47-50.

[6]白國長, 王占林. 機(jī)械補(bǔ)償液壓功率回收系統(tǒng)研究[J]. 機(jī)械科學(xué)與技術(shù), 2007, 26(2): 213-216.

[7]張崢明, 胡軍科, 葛玉柱. 一種液壓功率回收試驗系統(tǒng)的工作特性及回收效率研究[J].現(xiàn)代制造工程, 2010, 3(5): 126-128.

[8]羅寧, 胡軍科, 黃新磊. 一種新型功率回收液壓泵試驗臺設(shè)計及研究[J].塑料工業(yè), 2011, 1(6):45-48.

[9]劉斌, 姜偉, 裘信國. 雙向變量液壓泵試壓臺功率回收系統(tǒng)分析[J].機(jī)床與液壓, 2006,7(12): 139-141.

[10]候小華, 黃志堅, 章宏義. 基于液壓反饋的功率回收式試壓臺的分析[J].液壓與氣動, 2012, 3(4):73-75.

[11]郭開明, 高殿榮. 油泵油馬達(dá)串并聯(lián)液壓補(bǔ)償式功率回收試驗系統(tǒng)分析[J].東北重型機(jī)械學(xué)院學(xué)報, 1994,12 (6): 32-34.

[12]喬江, 陳圖. 液壓泵、馬達(dá)試驗和功率回收[J].機(jī)電設(shè)備, 2001, 5(18):13-20.

[13]蔡廷文. 串并聯(lián)液壓補(bǔ)償式大功率試驗系統(tǒng)的研究[J].華東船舶工業(yè)學(xué)院院報, 2002, 6(3):43-46.

[14]繆雄輝, 郭承志. 工程機(jī)械功率回收液壓馬達(dá)試驗臺的研究與設(shè)計[J].工程機(jī)械, 2012,3(2):22-24.

[15]付永領(lǐng), 汪明霞. 液壓泵加速壽命試驗臺中的節(jié)能設(shè)計[J].機(jī)床與液壓, 2010, 38(4): 41-43.

[16]JB/T7043-2006，液壓軸向柱塞泵[S].

[17]王少萍, 李沛瓊. 雙應(yīng)力加速模型的建立與參數(shù)估計[J].航空學(xué)報, 1994, 2(8):236-241.

[18]許耀銘. 液壓可靠性工程基礎(chǔ)[M].江蘇: 科學(xué)出版社, 1991.

[19]郜立煥, 生凱章. 新型高速數(shù)字開關(guān)閥為導(dǎo)閥的多路換向閥[J].蘭州理工大學(xué)學(xué)報, 2006, 3(12):56-58.