高增法

(福州大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，福建福州 350108)

高壓泵性能試驗(yàn)臺(tái)的拖動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高增法

(福州大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，福建福州 350108)

主要介紹了一種高壓泵性能試驗(yàn)臺(tái)的拖動(dòng)系統(tǒng)，包括安裝在基座上的被測(cè)液壓泵、異步電動(dòng)機(jī)和轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩測(cè)量?jī)x。該拖動(dòng)系統(tǒng)中引進(jìn)了變頻技術(shù)，低碳節(jié)能，轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩測(cè)量?jī)x與異步電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩的測(cè)量，并將測(cè)得信號(hào)送到計(jì)算機(jī)，以便計(jì)算機(jī)進(jìn)一步處理，該拖動(dòng)系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)的功率為200kW，采用變頻調(diào)速，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)3 000r/min。

拖動(dòng);變頻;高壓泵;高速

泵類(lèi)負(fù)載通常采用鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)［1］，工作在恒速狀況下流量穩(wěn)定，結(jié)合擋板、節(jié)流閥可進(jìn)行流量調(diào)節(jié)。然而，當(dāng)處于小流量工作狀態(tài)時(shí)系統(tǒng)功率大量消耗在節(jié)流環(huán)節(jié)上，損失很大。在很長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)占電力拖動(dòng)系統(tǒng)80%左右的恒速控制采用交流電動(dòng)機(jī)，而在需要進(jìn)行調(diào)速控制時(shí)則基本上采用直流電動(dòng)機(jī)。直流電動(dòng)機(jī)存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、壽命短、容量及轉(zhuǎn)速受限等缺陷［2］，其用途難以推廣。隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和控制理論的發(fā)展，變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)得到了實(shí)際應(yīng)用，使得交流變頻電動(dòng)機(jī)幾乎完全取代了直流電動(dòng)機(jī)，應(yīng)用到了工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域。

本文針對(duì)大功率交流異步電動(dòng)機(jī)的拖動(dòng)需要，采用變頻調(diào)速技術(shù)設(shè)計(jì)一種高壓泵性能試驗(yàn)臺(tái)拖動(dòng)系統(tǒng)，采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩測(cè)量及信息處理，實(shí)現(xiàn)了大功率、寬調(diào)速系統(tǒng)的控制。

1 高壓泵性能試驗(yàn)臺(tái)的拖動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的高壓泵性能試驗(yàn)臺(tái)的拖動(dòng)系統(tǒng)，包括變頻器1、異步電動(dòng)機(jī)2、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩測(cè)量?jī)x4、泵架6和其他的輔助元件，如聯(lián)軸器3和5、泵架6與被測(cè)液壓泵之間的輔助泵套，以及變頻器1、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩測(cè)量?jī)x4、電源之間的電氣連接導(dǎo)線(xiàn)等。如圖1所示。

變頻器1與異步電動(dòng)機(jī)2通過(guò)電氣連接，用于控制異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速，有利于該拖動(dòng)系統(tǒng)的節(jié)能。

圖1 高壓泵性能試驗(yàn)臺(tái)的拖動(dòng)系統(tǒng)

異步電動(dòng)機(jī)2與轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩測(cè)量?jī)x4之間用聯(lián)軸器3相連，通過(guò)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩測(cè)量?jī)x4可測(cè)得異步電動(dòng)機(jī)2的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩信號(hào)，如需要可傳遞至計(jì)算機(jī)等后續(xù)設(shè)備進(jìn)一步處理。

轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩測(cè)量?jī)x4另一端通過(guò)聯(lián)軸器5與泵架6相連，泵架6的輸出接口是一種通用的機(jī)械連接端口，通過(guò)泵套將泵架的通用輸出端口轉(zhuǎn)換成與各種型號(hào)的被測(cè)液壓泵相匹配的連接接口，這樣即可實(shí)現(xiàn)從異步電動(dòng)機(jī)2到被測(cè)液壓泵的能量和運(yùn)動(dòng)傳遞。由于泵架6采用的是通用輸出接口，只需要再配上合適的泵套，就可以實(shí)現(xiàn)泵架與不同系列泵的機(jī)械連接。

1.1 異步電動(dòng)機(jī)的選用說(shuō)明

交流電機(jī)作為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵元器件，其正確選擇是至關(guān)重要的。

a.轉(zhuǎn)速。

本拖動(dòng)系統(tǒng)需要檢測(cè)被測(cè)液壓泵在不同轉(zhuǎn)速下的性能數(shù)據(jù)，其測(cè)試轉(zhuǎn)速在0～3 000r/min之間。

b.功率及扭矩。

本拖動(dòng)系統(tǒng)為高功率液壓泵性能試驗(yàn)臺(tái)，所需驅(qū)動(dòng)功率為200kW，綜上考慮，交流電機(jī)所需功率仍按200kW選擇。通過(guò)查找相應(yīng)的技術(shù)手冊(cè)［3］，最終選定電機(jī)型號(hào)為Y315L2－2，由于采用功率回收，因此電機(jī)需要雙輸出軸，本系統(tǒng)所用電機(jī)為湘電集團(tuán)有限公司特制的雙軸伸異步電動(dòng)機(jī)。交流電機(jī)變頻調(diào)速經(jīng)歷近20年的發(fā)展及應(yīng)用，已逐步被人們接受并成為當(dāng)代電機(jī)調(diào)速的主流。由于變頻器體積小、質(zhì)量輕、精度高、工藝先進(jìn)、功能豐富、保護(hù)齊全、可靠性高、操作簡(jiǎn)便、通用性強(qiáng)、易形成閉環(huán)控制等優(yōu)點(diǎn)，因此它優(yōu)于以往的任何一種調(diào)速方式。

1.2 變頻器選用說(shuō)明

本系統(tǒng)采用富士的FRN200P11S－4CX型變頻器對(duì)交流異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行速度調(diào)節(jié)。

1.3 聯(lián)軸器的設(shè)計(jì)說(shuō)明［3］

由于彈性柱銷(xiāo)聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，安裝方便，不用潤(rùn)滑，不需要與金屬硫化粘結(jié)，更換彈性套方便，不用移動(dòng)半聯(lián)軸器，具有一定補(bǔ)償兩軸相對(duì)偏移和減振緩沖性能，適用于安裝底座剛性好、對(duì)中精度較高、沖擊載荷不大、對(duì)減振要求不高的軸系傳動(dòng)，因而受到廣泛應(yīng)用。

本系統(tǒng)選用滄州天碩聯(lián)軸器有限公司的B1101－66－80－100型泵用彈性套柱銷(xiāo)聯(lián)軸器，許用轉(zhuǎn)矩為T(mén)=848N·m，其特點(diǎn)如下:

a.彈性套柱銷(xiāo)聯(lián)軸器的柱銷(xiāo)上套有橡膠圈，具有彈性和補(bǔ)償軸線(xiàn)位移的能力，但相對(duì)角位移較大時(shí)，易磨損，所以要求拖動(dòng)系統(tǒng)中各個(gè)元件的同軸度滿(mǎn)足一定的精度要求;

b.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，更換容易，尺寸小，質(zhì)量輕，傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，廣泛應(yīng)用于各種旋轉(zhuǎn)泵中;

c.許用相對(duì)徑向位移 0.14 ～0.2mm;許用相對(duì)角位移0°40';

d.兩軸軸線(xiàn)相對(duì)位移產(chǎn)生的附加徑向載荷為(0.1 ～0.3)Pa。

因此，本文聯(lián)軸器均設(shè)計(jì)為彈性柱銷(xiāo)聯(lián)軸器。

1.4 轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩測(cè)量?jī)x的選用說(shuō)明

轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩測(cè)量?jī)x是用來(lái)測(cè)量被試泵的輸入扭矩及轉(zhuǎn)速的裝置，轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速是液壓泵性能測(cè)試的兩個(gè)重要的參數(shù)，這兩個(gè)參數(shù)的測(cè)量精度直接影響液壓泵性能測(cè)試的準(zhǔn)確性和可靠性。

本系統(tǒng)選用湘儀動(dòng)力測(cè)試儀器有限公司的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩測(cè)量?jī)x，由JC2C型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器和JW－3扭矩儀兩部分組成，圖1上安裝的是JC2C型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器，其基本原理是:通過(guò)彈性軸、兩組磁電信號(hào)發(fā)生器，把被測(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)，這兩組交流電信號(hào)的頻率相同且與軸的轉(zhuǎn)速成正比，而其相位差的變化部分又與被測(cè)轉(zhuǎn)矩成正比。其主要技術(shù)參數(shù)為:額定轉(zhuǎn)矩T=800N·m，使用轉(zhuǎn)速范圍n=0～4 000r/min，它們都能滿(mǎn)足系統(tǒng)要求。

JW－3扭矩儀是與JC2C型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器配套使用的二次儀表，其功能豐富，擁有模擬輸入、模擬輸出、開(kāi)關(guān)量輸入、開(kāi)關(guān)量輸出、頻率輸入等多種擴(kuò)展功能，模擬輸入可以適應(yīng)0～5V和1～5V(4～20mA)的電壓，模擬輸出可提供0～5V電壓或4～20mA電流等多種形式。將傳感器的兩個(gè)輸出信號(hào)接入扭矩儀，即可在扭矩儀的液晶顯示屏上顯示扭矩和轉(zhuǎn)速值，同時(shí)扭矩儀還提供兩路標(biāo)準(zhǔn)模擬輸出(4～20mA)，這樣可以方便于采集卡對(duì)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速信號(hào)的采集。

1.5 基座設(shè)計(jì)

基座用于固定支撐拖動(dòng)系統(tǒng)各個(gè)元件。

2 高壓泵性能試驗(yàn)臺(tái)的拖動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

a.該系統(tǒng)采用的是變頻器進(jìn)行無(wú)極調(diào)速，具有節(jié)能的效果。

b.該高壓泵性能測(cè)試的拖動(dòng)系統(tǒng)的功率最高可達(dá)到200kW，而且轉(zhuǎn)速可達(dá)3 000r/min，能帶動(dòng)的測(cè)試泵范圍更加廣泛。

c.實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩的測(cè)量，然后將測(cè)得信號(hào)送到計(jì)算機(jī)，以便計(jì)算機(jī)進(jìn)一步處理。

d.該拖動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，傳遞效率高。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的一種高壓泵性能測(cè)試臺(tái)的拖動(dòng)系統(tǒng)，安裝方便，傳動(dòng)效率高，為泵提供了很可靠的動(dòng)力;同時(shí)通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)流量，相比以往采用節(jié)流閥來(lái)改變系統(tǒng)流量這一方法，消除了主要耗能環(huán)節(jié)，節(jié)能效果明顯;該拖動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩的測(cè)試和控制采用計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試系統(tǒng)，提高了其測(cè)試效率、測(cè)試精度和自動(dòng)化程度，在泵的性能測(cè)試中有著較大的工程應(yīng)用價(jià)值。

［1］許建國(guó).拖動(dòng)與調(diào)速系統(tǒng)［M］.武漢:武漢測(cè)繪科技大學(xué)出版社，1998.

［2］曹承志.電機(jī)、拖動(dòng)與控制［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

［3］成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.3版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1994.

The Driving System Design of High－pressure Pump Performance Test Platform

GAO Zengfa
(Fuzhou University，F(xiàn)ujian Fuzhou，350108，China)

It introducts the driving system of high－pressure pump performance test platform.The platform includes the pump installed on the base，motor torque and speed measuring instrument.The design of platform uses the frequency conversion technology to save energy，connecs the torque and speed measuring instrument with motor and computer.The computer deals with the measured signal.The power of motor in this driving system is 200kW，the highest speed can reach 3 000rpm.

Driving;Frequency Conversion;High－pressure Pump;High Speed

TH39

A

2095－509X(2013)05－0045－03

10.3969/j.issn.2095 －509X.2013.05.011

2013－04－01

福建省科技重大專(zhuān)項(xiàng)/專(zhuān)題資助項(xiàng)目(2008HZ0002－1)

高增法(1965—)，男，福建長(zhǎng)樂(lè)人，福州大學(xué)高級(jí)工程師，碩士，主要研究方向?yàn)橐苯疖堉乒に嚺c設(shè)備。