一种新型液压试验台的研制.pdf

2 0 1 5年 8月 第 4 3卷 第 l 6期 机 床与液压 MACHI NE T00L HYDRAULI CS Au g ． 2 01 5 Vo 1 ． 4 3 No ． 1 6 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 5 ． 1 6 ． 0 3 3 一 种新型液压试验台的研制 李平材 ，关浩 ，郝蔚祺 1 ．大连大学机械工程学院，辽宁大连 1 1 6 6 0 0 ； 2 ．中国铁建重工集团有限公 司液压研 究院，湖南长沙 4 1 0 1 0 0 摘要提出一种新的液压试验台模式综合模式，能够实现能量回收模式和常规模式两种模式下双向变量液压泵、马 达的性能测试 ．充分发挥能量回收模式和普通模式的互补作用 ，实现较小功率的恒压变量泵驱动较大功率被测泵、马达， 还可以用常规模式来解决能量回收模式下测试功能不全、流量无法计量等问题。该试验台中，以往能量回收模式下系统压 力变化过快、压力脉动大、被测泵和驱动马达流量不匹配等问题被优化，压力调节调节精度高、范围较广，节能效果和系 统 响应都 明显 增强。以具体的检测实例来说 明该试验 台工作原理 和创 新之处 ，在 常规 模式 和能量 回收模 式下分别对 被测泵 输出压力进行检测和对比，系统运行稳定可靠，达到了预期的设计要求。 关键词 试验台；综合模式 ；机械补偿 ；液压补偿 ；能量回收 中图分类号T H1 3 7 文献标志码B 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 5 1 6 1 0 5 - 4 De v e l o p me nt o f a Ne w Ty pe o f Hy d r a u l i c Te s t - be d LI Pi n g c a i ， GUAN Ha o ． HAO W e i q i 1 ． S c h o o l o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， D M i a n U n i v e r s i t y ，D a l i a n L i a o n i n g 1 1 6 6 0 0 ， C h i n a ； 2 ． Hy d r a u l i c Re s e a r c h I n s t i t u t e ，C h i n a R a i l wa y C o n s t r u c t i o n He a v y I n d u s t r y C o ． ，L t d ． ， C h a n g s h a Hu n a n 4 1 01 0 0，C h i n a Ab s t r a c t A n e w t y p e o f h y d r a u l i c t e s t b e d mo d e wa s p r o p o s e d ． T h e t e s t - b e d w a s i n t e g r a t e d，w h i c h wa s a b l e t o a c h i e v e b i d i r e c t i o n al v a r i a b l e d i s p l a c e me n t h y d r a u l i c p u mp ，mo t o r p e r f o r ma n c e t e s t s i n b o t h e n e r g y r e c o v e r y mo d e a n d r e g u l a r mo d e ．B y f u l l y u s i n g t h e p o we r s a v i n g mo d e a n d t h e n o r ma l mo d e c o mp l e me n t a r i t y， t h e l o w p o we r p u mp wa s u s e d t o d ri v e h i g h p o w e r p u mp ． Al s o b y u s i n g t h e c o n v e n t i o n a l mo d e ，t h e i s s u e s we r e s o l v e d a s t e s t d y s f u n c t i o n，u n ab l e t o me a s u r e o u t p u t f l o w a n d o t h e r s u n d e r t h e e n e r gy r e c o v e ry mo d e ．I n t h e t e s t b e d，t h e i s s u e s w e r e o p t i mi z e d a s t h e t o o q u i c k p r e s s u r e c h a n g i n g ，b i g p u l s a t i o n ，t e s t e d p u mp a n d d riv e mo t o r fl o w n o t ma t c h e d u n d e r t h e p r e v i o u s e n e r gy r e c o v e ry mo d e ，p r e s s u r e r e gu l a t o rs we r e r e gu l a t e d wi t h h i g h p r e c i s i o n a n d w i d e r r a n g e ，an d e n e r g y e ff i c i e n c y a n d s y s t e m r e s p o n s e we r e a l l s i g n i f i c a n t l y e n h anc e d ． Re s p e c t i v e l y t h e t e s t e d p u mp o u t p u t p r e s s u r e w e r e t e s t e d an d c o m- p a r e d i n t h e n o rm al mo d e a n d e n e r gy r e c o v e r y mo d e ，b y u s i n g t h e d e t e c t i o n o f s p e c i f i c e x a mp l e s t o i l l u s t r a t e t h e wo r k i n g p ri n c i p l e a n d i n n o v a t i o n ．E x p e ri me n t a l d a t a s h o w tha t t h e s y s t e m o p e r a t i o n i s s t abl e a n d r e l i a b l e ，t h e d e s i r e d d e s i gn r e q u i r e me n t s a r e a c h i e v e d ． Ke y wo r d s T e s t - b e d ；I n t e gra t e d mo d e；Me c h a n i c a l c o mp e n s a t i o n；Hy d r a u l i c c o mp e n s a t i o n；E n e r gy r e c o v e ry 整个试验 台包括三部分 油源系统 由 6个电机 驱动液压泵 为系 统提供 油 源 。电机 功率 分别 为 2 5 0 、 7 5 、7 ． 5 k W 等 ； 试 验 台架 系 统 该 系统 由液 压 阀测 试系统、泵马达测试系统、液压缸测试系统三部分组 成； 计算机测控系统 该系统主要由 N I 公司的数据 采集装置和西门子公司的 P L C控制装置组成。 文 中主要从试验 台泵 马达测试 系统 的液 压原理 图 出发 ，讲解试验 台的设计 和测试原理 ，对其 能量 回收 原理的实现进行具体分析。以具体的检测实例来说明 该试验台工作原理和创新之处 。分别在常规模式和能 量 回收模式下对被测泵输 出压 力进行 检测 、对 比，从 而使大家对该试 验台的设计有大体的 了解 。 1 泵、马达性能测试 系统简介 试验台油路根据国家标准设计而成，在泵、马达 测试中，主要采用能量回收原理和综合法来进行测试 系统设计，极大地减小了液压元件功率损耗。在设计 液压原理 图时 ，通过分析测试对象 、测试项 目以及测 试功率等方面的需求，采用普通模式和能量回收模式 相结合的方法 测小功率液压元器件时，直接采用普 通模式进行测试；当测试大功率或者高压元器件时 ， 采用能量回收模式进行测试。 普通模式 。当试验 台工作 于泵测试状态 时 。原 动 收稿 日期 2 0 1 4 0 7 0 4 作 者简 介 李平材 1 9 9 O 一 ，男 ，硕士研 究生 ，研究方 向为液压元件检测。 通 信作者 关浩 ，E - m a i l 3 2 7 4 2 7 0 3 3 q q ． c o rn。 1 0 6 机床与液压 第4 3卷 电机用来驱 动动 力泵 输 出压 力油 ，压 力油 驱动 被试 泵 ；当试 验台工作 于马达测试状态时 ，原动电机驱动 动力泵输 出压力 油 ，驱动被试马达 。被试马达的负载 由加载 马 达 也 称 加 载 泵 和 电 比例 加 载 模 块 来 模 拟 。 能量 回收模式 。当试验 台工作 于泵测试 状态 时 ， 原动电机驱动补 能泵 ，补能泵和被试泵输出的压力油 合流后一起驱动被试泵 的驱动马达 ，马达再驱动被试 泵 ，从 而实现能量 的循环利用 当试验台工作于马达 测试状态时 ，原动 电机驱动补能泵输 出压力油与加载 马达输 出的压力 油合流后一起驱动被试马达 。被试 马 达再驱动加载马达 ，从而实现 了能量 的循环利用。 能量回收原理简介。液压系统能量回收是以降低 液压 回路 的能量 损耗 为 目标 ．合 理设 计液 压 系统 回 路 ，适 当选择 和布置液压元件 ．对液压元件和运 动负 载的机械能加 以重新 回收利用 ．从而实现液压系统节 能高效的系统设计方法 ⋯。 将能量回收原理应用于该泵马达液压试验台中． 在测 试 泵 的相 关 实 验 中．采 用 泵 、马 达 互 拖 的 形 式 ] ．将被测 泵 与补 能泵 的压 力油 合流 一 起驱 动 马 达 ，然后再 由马达驱动被测泵 ，从而实现了能量回收 利用。基于能量 回收的液压试验 台，在能源利用效率 方面 ．有 效减小 了能源损耗 ，同时也增大 了检测元件 的功率范围L 3 ] ，实现了3 0 0 M P a 大功率液压元件的检 测 。液压原理图如图 1 所示 。该图中省略了实际液 压 系统中的流量、压力检测等传感器，使得原理图看起 来简洁大方，主要侧重于系统功能的实现。 l 一 驱 动 ，马达2 一 被 攫 9 泵 、马 达3 、4 一 电磁 伺 服 阀5 、 9 一 三 位 四 通 抉 同 网 6 、8 、l 1 一二位二通换向阀 7 一比例伺服阀模拟负载 l 载溢流阀 1 2 恒压变量泵 I 3 、l 4 交流电机 1 Y A - 7 Y A - -- 向阀电磁控制端 图 1 泵 、马达测试液压原理图 2 基于能量回收原理的液压 系统 与普通液压检测 系统的对比 以液压泵模拟加载试验为例 。选 取德 国力 士乐轴 向柱塞变量泵 A 4 V G为被测泵 ，设置系统供油压力均 为 1 0 M P a 。用 比例节流阀模拟负载，分别在常规模 式液压系统和能量 回收原理液压系统下对被 测泵输 出 压力进行测量 。测试原理 图如 图 2 所示 。 羹 蓬 耋 虢 达 4 一 测 纂 设 备5 一 控 制 系 统6 二 油 箱 7 一 加载装置 8 一电机 a 普通模式测试系 b 基于能量回收原理测试系统 图 2 两种测试系统对 比图 得到如图 3 所示 的被测泵输出压力对 比．表 明基 于能量回收法 的系统被测泵输 出压力明显高于常规测 试系统被测泵 的输 出压力 。 一 冀 2 0 0 2 4 6 8 l 0 时 间， 0 a 普通模式液压泵输出压力 塞 2 L一一一一一一 图3 普通模式和能量回收模式输出压力对比图 图 3 表明普通模式下，系统输出压力响应快， 仅需不到 1 S 就能使输 出压力保持稳 定 而能量 回收 模式下 ，输 出压 力调 节速 度慢 ，在将 近 5 0 S 时 ，才 达到稳定值 。通过 图 3还可 以发现 在 系统 刚开 始的 时候．能量回收模式和普通模式的输出压力基本相 同。在进行了多组实验 的情况下 ，发现随着系统负载 压力 的调节 ，两种模式 下泵输 出压力大小并不是严格 意义上的 比例关 系。即 图 3所示 的输 出压 力 比 3 7 并不适用于其他载荷。 3 泵 马达试 验 台测试 实例 以柱塞泵压力流量特性 检测为例 ．来讲解泵马达 试验 台两种模式的工作原理。方 向阀通断如表 1 所示 号表示得电 ，一 号 表示失 电 。 能量 回收模式 下 ，被测泵 正转 时 ，如 图 1所示 ， 系统供油恒压变量泵 1 2通过加 载溢 流阀后 ，对 系统 进行 比例加载 ，高压油液流经二位 二通 阀 8 和三位 四 通 阀 9后流进驱动 马达 ，驱动 马达带 动被测泵 转 动。 压力油 由被测泵 的出油 口流经三位 四通 阀 5 和二位二 通 阀 6之后 ，进 入 模拟 负 载伺服 阀 注意该 模 拟负 载只能单向流通 ，系统刚开始运行阶段让模拟负载 伺 服阀关 闭 ，相 当于加载负载无穷大 ，待驱动马达转 速平稳 之后 ，减小模拟负载 ，此时高压油流经方 向阀 l 1 后跟恒压变量泵 1 2的 高压油汇合 ，汇合 后再次沿 回路流进 驱动马达 1 ．此 时驱 动马达 1 的进 出油 口压 差变大 ，驱动马达转速急剧增加 ，为避免造成系统调 节不稳定 ，伺服 阀 4快速响应 ，起到分流的作用 ，使 第 1 6期 李平材 等 一种新型液压试验台的研制 1 0 7 得驱动 马达 1 转速 回归平稳 ，此 时 ，伺 服阀 4 在 高压 状态下慢慢关闭。随之伺服阀3打开，增大驱动马达 的排量 ．稳定 了驱动马达 的转速 。使得驱动 马达 在接 收来 自被测泵和 系统提供 的高压 油时 ，增快 了响应 速 度和 系 统 的 平 稳 性。油 液 流 经 驱 动 马 达后 流 人 回 油箱 。 表 1 普通和能量 回收模式 下各方向阀 电磁铁得 电情况 在普通模式下 ，测试 正转 泵性 能时 ，系统供油通 过恒压变量泵 l 2和加载 溢流 阀后 。对 系统进 行 比例 加载，高压油经二位二通阀 8和三位四通阀 5 后流进 被测泵 ，压力油 由被测泵 的出油 口流经三位 四通 阀 9 和二位二通 阀 6之后 ．进 入 模 拟负 载伺 服 阀 注意 该模拟负载只能单向流通 。系统刚开始运行阶段让 模拟负载伺服阀关闭，相当于加载负载无穷大 ，待驱 动 马达转 速平稳之后 ，减小模拟负载 ，此时高压油流 经 方向阀 1 1 后 回油箱 。 该泵马达试验台实现如下功能 1 正反 转液 压泵 、液 压 马达 在普 通模 式 和 能 量 回收模式下 的性能检测 。测试功能 十分强 大 ，体 现 了现代化测试系统的集成度高、功能强大的特点。实 现了泵、马达试验台的合一。 2 可实现液压补偿、机械补偿两种能量补偿 形式 ，且两种补偿模式互不 干扰 ，液压 补偿 和机械补 偿可 以同时进行补偿 。当被试 泵输 出流量小于驱动马 达输入流量时 ，变量泵 1 2的高 压油 进入 系统 ，补偿 被测泵和驱动马达之 间的流量 差 ，该 补偿方 式为液压 补偿 ；当驱动马达 的输 出扭 矩不 足 以驱 动被 测泵 时 ． 双轴 电机 1 4工作 ，补偿 驱 动马达 和被测 泵之 间 的扭 矩差 。 3 电机 1 4用来补偿被测 泵 、马达和 驱动 马达 之 间的扭矩差 ，从而避 免了因为泵 、马达排量不同而 导致 的系统运动不平稳 、振 动噪声大的问题。也可对 系统进行 机械补能 ，与液压补 能共同实现系统补能。 4 采用加载溢流阀进行系统比例加载 。使得 能 量回收系统在不改变驱动马达和被测泵之 间密封容 积的情况下，通过改变驱动马达和被测泵的补油量来 进行系统压力 调节，调节精度 高，并 且调节 范围 较 广。 5 采 用伺 服 阀来调 节驱 动 马达 转速 ，使 得 系 统 响应 速度快 ，驱动马达转速相对稳定 ，从而保证 了 被测泵的更多功率可 以加到驱动 马达上 。节能效果和 系统响应都明显增强。 6 在测试 柱 塞泵 时 ，使用 柱 塞泵 做 为驱 动马 达 ，使得被测泵和驱动马达之间流量更为 匹配 ．避免 了以往 因被测泵输 出流量小于驱动 马达 而导致 的无法 实现能量回收，增大了系统能量回收的效率。 7 系统压力油 由恒压 变量泵 1 2提 供 ，该变量 泵 由普通 电机驱动 ，在 系统压力小 于设定压力 时 ，变 量泵输出流量变大 ，使得系统补油能力增加 ，响应更 快。并可设定变量泵的输出压力 ．使得系统压力调节 更加方便 。 8 在液 压 回路 中引入 了新 型 的传感 器 测试 仪 表 如在被 测泵 和被 测 马达之 间 加入 了新 型转 矩 转 速仪器 ，采用 电 比例伺 服阀做模 拟加 载 ，系统大 量 采用集成 阀块 。还 简化 了机器管道 ，大大减小 了系统 的外泄漏。同时还使得所有的液压回路集成在一台机 器设备上，使液压系统的安装布局更加科学合理。维 护更加方便 ，运行更加可靠。大量采用插装阀，因其 结构 简单 ，通 流 能力 大 ，适 合 于各 种高 压 大 流量 系 统 ；改 变不 同的先导控制 阀及盖板 ，便 可轻易地实现 不 同阀的功能 ，而插装主阀的结构不变 、便于标准化 等优点，极大地提高了系统可靠性。 9 液压泵 、马达测试 台能完成轴 向柱塞泵 和轴 向柱塞马达 的多项性能参数测试试验 ．主要包括 以下 具体试验效率试验，变量特性试验。冲击试验．寿 1 O 8 机床与液压 第 4 3卷 命试验 ，压力流量试验等。 4实验结果数据分析与处理 此系统的数据采集采用算术平均值法。算术平均 值法适用于对压力、流量信号的滤波处理 ，这类信号 的特点是有一个平均值，信号在某一数值附近作上下 波动，在这种情况下，仅取一个采样值作为依据显然 是不准确的。算术平均值法对信号的滤波程度完全取 决于Ⅳ。当 Ⅳ较大时滤波度高，但灵敏度低；当 Ⅳ 较小 时 ，滤 波 度 低 ，但 灵 敏 度 高 ，此 系 统 Ⅳ 可 取 3～5。 算术平均值法是寻找这样一个值作为当前次采样 的平均值。使该次各采样之间误差的平方和最小 N Ⅳ E m i n i ∑e 2 i ] m i n i ∑ F X i ] i 1 1 N 由 一元函 数求极值原理得 Y 1 ／ N ∑X 人 口条件 Ⅳ次采样值已存于一维数组成 Ⅳ 中[ 4 J 。 出口条件 算术平均值存于 l ， 变量中。通过计算 得 到流量 、压力 平均值 y ，从 而得 到液压 泵 的压力 、 流量 特性 曲线如 图 4所示 。 芝 1 4 l 2 ．g 1 0 8 。 -2 6 痂 4 爝2 O 0 ． 0 2 ． 0 4 ． 0 6 ． 0 8 ． 0 时 间， s b 流量特性 曲线 图 4 液压泵压力、流量特性曲线 压力 、流量 特性 曲线 表 明 在 t 0 4 s时 ，系 统无负 载 压 力 。系统 流 量 在 开 机 后 迅 速 上 升 到 1 2 L ／ m i n 并保持稳定在 t 4 s 时对系统施加负载，并 逐渐增大负载；到 8 s 时，负载增大到最大值，此 时系统流量产生波动，流量变化如图4所示，最终在 t 8 s 时 。流量 减小为 0 。该 实验结果 表 明被测泵 压 力流量特性曲线正常 ．符合检测标 准。 5 结论 该试验 台的研究特色 在于最 大限度 地利用 能量 ， 改变了以往试验台溢流损失严重的现象 ，实现了4 0 0 MP a 大功率液压元件的检测。有以下几点创新。 1 创新的液压试验 台模式综合法。能够实 现能量 回收模式和常规模式两种模式下双 向变量液压 泵 、马达的性能测试。用较小功率的补能泵来驱动较 大功率被测 泵 、马达 ，增 大 了可测 元器 件 的 功率 范 围。还可 以用常规模式来解决能量 回收模式下测试功 能不 全 ，被测泵 、马达输 出流量无法计量等问题。为 该试验台所设计的能量回收模式可实现液压补偿、机 械补偿两种 能量补偿形式 ，改善 了以往能量 回收模式 下系统压力 变化过快 、压力脉动大 、被测泵和驱动马 达流量不匹配等方面问题 ，压力调节精度高、范围较 广，节能效果和系统响应都明显增强。 2 采用定量泵 变频电机为系统进行补油，不 仅可以改善 因被试 液压泵 与驱动 马达之 间的扭矩差太 大造成的压 力脉动和振动 噪声 ，并且加载压力时调节 稳定 性好 ，测试结果更为精确 。补油压力泵可以用来 补偿 驱动马达和被测泵之 间的流量差 ．采用蓄能器来 增 大系统 的密封 容积 从 而减 小压 力脉 动 和提 高加 载 压力。 3 采用 伺 服 阀来 控 制 驱动 马 达 的压 力 流 量 。 当补能泵的流量增大时，为了避免驱动马达转速上升 太快，采用伺服阀进行分流 ．迅速使驱动马达恢复平 稳，由于伺服阀工作在高压大流量状态 。所以进入稳 定转速后伺服阀逐 渐关 闭 ，系统压力调节平稳 。 4 使 用柱 塞泵做 为驱 动 马达 ．使 得 被测 泵和 驱动马达之间流量更为匹配 ．避 免了以往 因被测泵输 出流量小于驱动马达而导致 的无法 实现能量 回收 问题 。 参考文献 [ 1 ]张立平． 现代液压技术应用 2 2 0例 [ M] ． 北京 化学工业 出版社 。 2 0 0 4 4 7 6 ． [ 2 ]张立平． 液压传动与控制[ M] ． 西安 西安工业大学出版 社 ， 2 0 0 5 ． [ 3 ]吴向东， 安维胜． 液压系统的能量 回收方法[ J ] ． 液压与 气动 ， 2 0 0 1 1 2 1 6 1 7 ． [ 4 ]杨超． 基于虚拟仪器的液压泵、 马达的性能测试系统研 究[ D ] ． 秦皇岛 燕山大学， 2 0 0 6 ． [ 5 ]黄显明。 采煤机液压泵、 马达综合试验台的设计与应用 [ J ] ． 煤矿机械， 1 9 9 5 1 9 1 1 ． [ 6 ]沙明元 ， 李建英， 李春林． 大型液压试验台功率回收系统 研究[ J ] ． 石家庄铁道学院学报 ， 1 9 9 8 ， 1 1 4 8 4 - 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