一种高压大流量液压泵测试台的开发.pdf

液 压 气 动 与 曩 封 ／2 0 1 5年 第0 7期 d o i l O 。 3 9 6 9 ． i s s n ． 1 0 0 8 - 0 8 1 3 ． 2 0 1 5 ． 0 7 ． 0 2 8 一 种高压大流量液压泵测试台的开发 张 琛， 冯世波， 白清鹏 ， 艾照海 中航力源液压股份有 限公司， 贵州 贵 阳 5 5 0 0 1 8 摘要 为满足某大型压力机中配套关键部件的高压大流量柱塞泵的测试要求 ， 而研制的一种高压大流量液压泵性能测试台， 具有系 统功能全面、 可靠性高、 测试系统智能化等特点， 尤其是在高压加载阀的改进等方面有独到之处， 为高压大流量液压泵的性能测试提 供了有利的保障。 关键词 高压大流量； 测试台； 加载； 测控系统 中图分类号 T H1 3 7 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 5 0 7 - 0 0 8 2 - 0 4 Th e De v e l o p me n t o f a T e s t Be n c h f o r T e s t i n g t h e Hy d r a u l i c P u mp wi t h Hi g h P r e s s u r e L a r g e F l o w Z HA NGC h e n ， F E N GS h i - b o , B A I Q i n g - p e n g , A I Z h a o h a i A VI C L i y u a n Hy d r a u l i c C o ． ， L t d ． ， G u i y a n g 5 5 0 0 1 8 ， C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o s u i t t h e t e s t i n g r e q u i r e me n t s f o r t h e h y d r a u l i c p u mp wi t h h i g h p r e s s u r e l a r g e fl o w, wh i c h i s u s e d a s a c o r e e o mp o n e n t for a c e r t a i n h e a v y d u t y p r e s s i n g ma c h i n e ． a t e s t b e n c h i s d e v e l o p e d fo r t e s t i n g s u c h h y dra u l i c p u mp wi t h h i g h p r e s s u r e l a r g e fl o w． T h e t e s t b e n c ha mr e s f u l l f u nc t i o n ， h i g h r e l i a b i l i t y , i n t e l l i g e n t i z e d t e s t i n g s y s t e m e t c ， e s p e c i a l l y the u n i q u e f e a t u r e r e s u l t e d f r o m t h e i m- p r o v e me n t ma d e t o i t s h i g h p r e s s ure l o a d i n g v a l v e ， wh i c h p r o v i d e s a g o o d a s s ura n c e for p e r f o r ma n c e t e s t o f the h y d r a u l i c p u mp wi th h i g h p r e s s ur e l a r g eflo w． Ke y wo r d s - h i g h p r e s s u r e l arg e fl o w； t e s t b e n c h ； l o a d i n g ； me a s u r i n g a n d c o n t r o l l i n g s y s t e m 0 引言 “ 十二五 ” 期间 ， 国家为加快发展先进制造业 ， 提 高重大装备国产化水平 ， 进一步鼓励发展大型、 精密、 专用锻件技术开发及设备制造 ， 在“ 机械基础零部件 产业振兴实施方案” 中重点鼓励发展高压大排量液压 泵 ， 为大型锻压机等关键装备的国产化提供有力的 支撑。 在此背景下 ， 我公 司承担 了国家 2 0 1 2 年度科技重 大专项“ 高压大流量轴向、 径向柱塞变量泵及大流量二 通插装阀系列化研制” 项目中高压大流量轴向柱塞泵 的研制工作 。由于该液压泵工作压力高达 5 0 MP a ， 流 量达到 7 0 0 L ／ m i n ， 国内无 如此高压 大流量的液压泵测 试台。为了保证该液压泵的性能、 可靠性及寿命等技 术指标 ， 确保具备充分的研制及验证手段， 需要同步开 发该液压泵的测试 台。 液压泵测试台的设计指标一般应高于被试泵技术 指标 ， 因此 ， 该测试台在原理构成， 关键元器件的选型 及如何提高系统可靠性 、 安全性等方面便成了设计的 关键。 收稿 日期 2 0 1 5 0 5 2 5 基金项目 国家科技重大专项 2 0 1 2 Z X 0 4 0 0 4 0 2 1 作者简介 张琛 1 9 7 5 一 ， 女， 贵州贵阳人 ， 高级工程师， 学士， 从事液压 元件测试系统设计。 8 2 1 液压系统设计 1 ． 1 高压大排量液压柱塞泵技术要求 1 泵参数 排量 4 4 0 mL ／ r ， 额定转速 1 5 0 0 r ／ mi n ； 额定压力4 5 M P a ， 最高工作压力5 0 M P a ； 进 口压力 0 ． 50 ． 7 MP a 。 2 试验项 目 跑合及排量试验、 容积效率及总效率试验； 变量特性试验、 压力冲击试验 ； 超速试验、 超载试验等。 1 ． 2 测试台系统主要参数 变频电机功率 7 1 0 k W， 6 9 0 V， 0 一 一 3 0 0 0 r ／ mi n ； 系统工作压力 管阻 一5 5 MP a ； 系统工作流量 8 0 0 L ／ m i n ； 系统的测量准确度等级 A 级精度。 1 ． 3 测试 台主要构成及功能 测试 台主要 由动力拖动系统 、 高压大流量 加载系 统和辅助系统等组成。测试台实物图如图1 如示。 1 动力拖动系统 动力拖动系统包括进口增压系统及泵试验传动 装 置 。由于此高压大排量 液压柱塞泵 的进 口压力 要 求0 ．5 ～ 0 ．7 M P a ， 系统选取由变频电机、 三螺杆泵及低 压溢 流 阀组 成 的进 口增压 系统 ， 为泵进 口提供最 大 液 压 气 动 与 密 封 ／2 01 5年 第 0 7期 控制先导阀芯的运动 ， 通过其位置决定作用在先导 阀 芯上的弹簧力 。当导阀前腔的液压力超过弹簧力时 ， 主 阀上下腔产生压力差 ， 最终达到设定压力。压力设 置与步进电机的电信号成比例。 在调试过程中， 我们先是用同一信号控制两路加 载阀的步进电机， 因两只加载溢流阀的信号一 压力曲线 并不一致 ， 也是非线性关系 ， 并且响应时间也有差异 ， 导致两路加载 阀的阀芯开 口不一致 ， 系统流量 向某 路集中， 并且闭环P I D 控制系统不停地在调整加载阀， 压力不稳 ， 没有实现分流 目的。改用开环给定信号 ， 也 存在调压时间过长 的问题 ， 从 O 加载到最大信号大约需 要十几秒时间， 根本无法进行泵的稳态和动态测试。 通过分析研究， 我们做了适当改进 ， 用一套独立的 压力达 3 5 MP a 的外部控制油源系统 ， 替代两个步进 电 机， 直接向两路二通插装阀的阀芯上腔同时输入连续 稳定可调的控制油 ， 从而控制主阀芯上腔 的压力 ， 同样 可以达到加载 的 目的 ， 也有效保证了两路加载 回路 的 流量均衡。经实践证明， 实现了高压大流量的加载， 泵 出口压力从管阻 一5 0 MP a 连续可调 ， 系统响应快 ， 效果 良好 。改进后的泵 出口动态响应 曲线如图3 所示 。 图3 改进后 的泵 出口动态响应 曲线 3 ． 2提高系统可靠性的措施 1 密封方式 该测试台为5 0 M P a 压力级别， 采用了邵氏A 9 0 硬 度的矩形密封圈， 具有较高的密封压力。并对法兰接 头 的密封沟槽尺寸、 表面粗糙度做了特别要求 。 2 安全防护 在 测试 台被 试产 品安 装处 ， 配有 自动升 降防 护 罩 。防护罩未关闭时， 系统无法启动进行测试 ， 有效保 护了测试时的人身安全。 测试台其余部分也采用整体式液压柜， 既美观又 安全 。 3 超限报警 为预防系统发生超速、 超压 、 超温、 油滤堵塞等情 况， 保证系统使用的安全性 ， 在测控系统中设置相关参 数报警功能， 根据报警参数及危险等级， 采取相应的处 理措施。 84 3 ． 3控制系统污染度的措施 众所周知， 液压系统 7 0 ％以上的故障是由油液污 染造成 的。该测试 台在控制系统污染度方面采取 的措 施如下 1 采用在泵出 口加装高压过滤器的方式 ， 有效过 滤因被试产品磨合后产生的杂质， 并起到保护高压加 载 阀及流量计的作用 。 2 采用单独的旁路循环过滤系统及废油回收二 级过滤系统。废油 回收过滤系统必须经在线颗粒度检 测仪检测合格后 ， 方可注回主油箱 。 3 采用副油箱与壳体回油循环过滤系统相结合 的方式， 将产品的壳体回油经一级过滤后注入副油箱， 沉淀后再 由壳体 回油循环过滤系统经两级过滤流回主 油箱 。通过三级过滤 ， 不仅可 以有效提高油液 的清洁 度 ， 还避免了因在产品壳体回油路上加多级油滤造成 的回油压力过高的问题 。 3 ． 4 测控 系统智能化 计算机辅助测试技术 C A T 在该测试台上得到了 很好的运用， 通过计算机、 传感器和相关功能软件建立 了液压元件与系统 的特性测试 系统 ， 实现了数据采集 和处理 ， 并对测试过程进行控制 ， 快速 、 准确 、 自动地完 成对液压泵 的性能测试 。下面是该测试 台在测控系统 智能化方面的一些功能应用。 1 测试工艺 自动化功能 测试工艺员根据液压泵 的测试要求 ， 编制 自动测 试工艺， 并可设置产品合格判据 ， 启动测试程序 ， 即可 自动进行产品测试 ， 测试时可实时采集、 显示各测试参 数及试验曲线， 存储的数据可备设计人员查询、 调用和 分析。测试完成后， 系统 自动判断被试产品是否合格 ， 并输出、 打印测试报告 。 这种功能大大减轻了试验人员的劳动强度 ， 避免 人为的测试误差 ， 有效提高了测试过程的自动化程度 和测试效率。 2 典型故障 自诊断功能 测试系统可根据故障危险等级采取相应的处理措 施 报警提示或停机 ， 同时将故障现象记录备案， 方便 后期进行故障排除， 在故障排除时， 可参照软件系统弹 出的处理方法进行。 这种功能为测试台的维护、 安全及故障分析提供 了有利的保障。 4 结束语 本测试台现已投入使用。通过在实际工况下的试 验证明， 本试验系统可以满足高压大流量液压柱塞泵 下转第 2 1 页 Hy d r a u l i c s P n e u m a t i c s S e a l s ， N0 ．0 7 ． 2 01 5 随着压力增大 ， 人 口区接触压力变化增大 ， 出口区压力 变化平缓 。根据前述往 复密封机理 的概述 ， 由净泄漏 量的计算式 5 可以看出， 要使得密封具有低的泄漏 量 ， 需要靠近流体侧有比较大的压力变化梯度， 而在靠 近空气侧有相对较小 的压力变化梯度 。对密封 圈有限 元分析的结果满足这一要求 ， 符合往复密封接触压力 分布的三角形分布图， 有利于减小泄漏。 、 趔 R 幽 蔼 避 接触宽度 ／ mm 接触宽度， m m j 四 R 趟 蔼 搬 接触宽度 n m 图 9 唇 口处接触压 力分 布 接 触 览 度 h n m 图1 0不同介质压力下密封唇 口接触压力分布 4 结论 1 通过对往复密封动密封机理 的分析 ， 定性分析 了影响密封性能的参变量， 它们分别是密封唇 口处人 口区和 出口区的接触压力变化梯度 。 上接第 8 4 页 的性能试验， 系统功能全面、 可靠性高、 测试系统智能 化 ， 为高压大流量液压泵测试台的系统研发设计提供 了成功经验， 为高压大流量液压柱塞泵的研制成功提 供了有利保障。 但在研发过程中也还存在一些不足 ， 如设备运行 时噪声稍大； 因被试泵体积较大， 装拆不便 ； 加载采用 溢流加载方式， 系统能耗大等问题 ， 今后还需在节能降 噪、 产品快速装拆等方面不断改进。 参考文献 【 l 】 J B ／ T 7 0 4 3 2 0 0 6 ， 液压轴向柱塞泵[ s ] ． 2 实现 了对 V L密封圈 的有 限元分析 ， 通过有 限 元 分析结果 可以看 出 ， 不 同介质压力下组合密封唇 口 接触压力分布有很 大的不 同。在假设动密封往复运动 为引起泄漏 的主因素的前提下 ， 通过对 比可以看 出， 高 压下的接触压力分布更有利于往复密封实现零泄漏甚 至负泄漏 。 3 理论验证 了V L密封圈应用在高压航 空作动器 的可行性 。以上对密封圈的有 限元分析对后续航空作 动器往 复密封 的机理研究提供计算数据 ， 对航空领域 的密封研究具有工程价值 。 参考文献 【 1 ] 焦裕松， 焦宗夏， 范开华． 航空液压技术发展研究【 R 】 ． 航空科 学技术学科发展报告， 2 0 0 9 ． 【 2 ] 张付英， 李腾， 洪彬． 弹性液压往复密封增效设计的理论研究 『 J 1 ． 润滑与密封， 2 0 1 4 ， 3 9 1 2 9 3 2 ． [ 3 】 何广德， 等． 基于有限元分析的矩形橡胶密封圈密封性能研 究 液压气动与密封， 2 0 1 4 ， 7 3 5 - 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