鄭智劍, 朱光偉, 吳爾苗

(1.寧波市產(chǎn)品食品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院(寧波市纖維檢驗(yàn)所)， 浙江 寧波 315000；2.國家智能制造裝備產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心(浙江)， 浙江 寧波 315800；3. 浙江中聯(lián)消防產(chǎn)品質(zhì)量檢測有限公司， 浙江 寧波 315000)

引言

液壓泵和液壓馬達(dá)是液壓系統(tǒng)中重要的動力元件和執(zhí)行元件，其性能的優(yōu)劣直接影響裝備的整體性能[1-2]。因此，其效率特性、變量特性、超速、超載等關(guān)鍵性能的檢驗(yàn)和評價(jià)十分重要。

目前，許多大型企業(yè)、高校和科研機(jī)構(gòu)針對不同的產(chǎn)品測試需求，搭建了許多液壓泵、液壓馬達(dá)試驗(yàn)臺，主要有：武金良等[3]搭建的工程機(jī)械液壓泵性能試驗(yàn)臺，可用于中、低壓液壓泵的靜態(tài)性能的檢測；謝吉明[4]搭建的液壓泵性能試驗(yàn)臺，主要用于高速泵的測試，其最高測試壓力為45 MPa，最大測試流量為240 L/min，轉(zhuǎn)速測試范圍為0～6000 r/min；許松等[5]研制了飛機(jī)液壓泵綜合測試臺，轉(zhuǎn)速測試范圍為0～8000 r/min；廖義德等[6]搭建了機(jī)械式功率回收液壓馬達(dá)性能檢測試驗(yàn)臺，并計(jì)算得到了在不同試驗(yàn)壓力下的功率回收系數(shù)；趙靜一等[7]設(shè)計(jì)了一種電功率回收液壓馬達(dá)試驗(yàn)臺，并采用仿真計(jì)算軟件得到了功率回收效率；李祥陽等[8]搭建的液壓馬達(dá)綜合測試試驗(yàn)臺，最高測試壓力為42 MPa，額定流量為320 L/min，額定轉(zhuǎn)速為6000 r/min。李躍東等[9]設(shè)計(jì)了一套飛機(jī)液壓馬達(dá)試驗(yàn)臺，用于評價(jià)產(chǎn)品的修理質(zhì)量。上述液壓泵、液壓馬達(dá)試驗(yàn)臺主要針對產(chǎn)品的出廠試驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行研發(fā)，難以在全量程測試范圍內(nèi)開展產(chǎn)品的型式試驗(yàn)。并且，試驗(yàn)臺的功率較小，且具有局限性，如高速液壓馬達(dá)試驗(yàn)臺并不適用于低速大轉(zhuǎn)矩液壓馬達(dá)的試驗(yàn)研究。

本研究設(shè)計(jì)搭建了一套液壓泵、液壓馬達(dá)綜合性能試驗(yàn)臺，可用于不同類型的液壓泵、液壓馬達(dá)的型式試驗(yàn)，并完成了配套測試處理軟件的開發(fā)。在此基礎(chǔ)上，分析了液壓泵、液壓馬達(dá)效率特性的不確定度影響因素，計(jì)算得到其合成不確定度。

1 試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)

液壓泵、液壓馬達(dá)綜合性能試驗(yàn)臺主要用于液壓泵和液壓馬達(dá)的型式試驗(yàn)。其中，液壓泵的具體測試項(xiàng)目包括：排量、容積效率、總效率、自吸性能、變量特性、超速性能、超載性能、抗沖擊性能、滿載性能、密封性能和耐久性；液壓馬達(dá)的具體測試項(xiàng)目包括：排量、容積效率、總效率、起動效率、低速性能、超速性能、密封性能、超載性能和耐久性。適用的液壓泵和液壓馬達(dá)類型包括電比例泵、軸向柱塞泵、葉片泵、齒輪泵、低速大轉(zhuǎn)矩液壓馬達(dá)和擺線液壓馬達(dá)等。

1.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

液壓泵、液壓馬達(dá)綜合性能試驗(yàn)臺的介質(zhì)為46#耐磨液壓油；試驗(yàn)臺的流量測試范圍為0～1000 L/min，壓力測試范圍為0～40 MPa，扭矩測試范圍為0～45000 N·m，轉(zhuǎn)速測試范圍為0～3000 r/min。試驗(yàn)臺分為液壓泵測試工位和液壓馬達(dá)測試工位，分別用于液壓泵和液壓馬達(dá)的型式試驗(yàn)。

1.2 設(shè)計(jì)原理

液壓泵測試工位采用功率為500 kW雙出軸交流變頻電機(jī)提供動力源。在測試過程中，采用由比例溢流閥、單向閥、傳感器、流量計(jì)、壓力傳感器等組成集成閥組進(jìn)行加載，最高加載壓力為40 MPa。

液壓馬達(dá)測試工位的動力源由油箱和電機(jī)泵組構(gòu)成。油箱的容積為10000 L，共有5套并聯(lián)的電機(jī)泵組給主油路供油，其變頻電機(jī)功率分別為315， 200， 180， 90， 45 kW，可根據(jù)被測液壓馬達(dá)的功率大小開啟不同組合的變頻電機(jī)。液壓馬達(dá)測試工位采用2臺相同型號的馬達(dá)對拖的方式進(jìn)行加載，最高加載壓力為40 MPa。

1.3 測試設(shè)備和參數(shù)

扭矩/轉(zhuǎn)速測試儀型號為TB40和T40FM。其中TB40的精度等級為0.05，轉(zhuǎn)速測量范圍為0～3000 r/min，扭矩測量范圍為0～4000 N·m；T40FM的精度等級為0.1，轉(zhuǎn)速測量范圍為0～1500 r/min，扭矩測量范圍為0～45000 N·m；流量計(jì)為齒輪流量計(jì)，型號為VC12F1PS，制造商為KRACHT，流量測試范圍為0～500 L/min，準(zhǔn)確度等級為0.05%。

液壓泵型式試驗(yàn)過程中，測試參數(shù)包括：泵進(jìn)口、出口、泄油口和控制油口的油溫、壓力和流量，泵的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩；液壓馬達(dá)型式試驗(yàn)過程中，測試參數(shù)包括：馬達(dá)進(jìn)口、出口和泄油口的油溫、壓力和流量，馬達(dá)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。

液壓泵和液壓馬達(dá)的泄漏量均采用在泄油管道上的螺桿流量計(jì)進(jìn)行檢測。螺桿流量計(jì)的型號為OMP 32，流量測試范圍為1～150 L/min，準(zhǔn)確度等級為0.1%。

1.4 加載系統(tǒng)

在液壓泵的測試過程中，采用集成閥組進(jìn)行加載。集成閥組主要由比例溢流閥、單向閥、傳感器、流量計(jì)、壓力傳感器等組成，通過計(jì)算機(jī)發(fā)出信號，動態(tài)調(diào)節(jié)比例溢流閥溢流壓力，實(shí)現(xiàn)對液壓系統(tǒng)負(fù)載的模擬。

在液壓馬達(dá)測試過程中，采用另一個(gè)相同規(guī)格的液壓馬達(dá)作為加載，即加載馬達(dá)在泵工況條件下工作。2個(gè)液壓馬達(dá)以傳動軸相連接，轉(zhuǎn)速相同，轉(zhuǎn)動方向相反。

1.5 測試方法

設(shè)計(jì)搭建的液壓泵、液壓馬達(dá)綜合性能試驗(yàn)臺如圖1所示。選用某液壓泵和液壓馬達(dá)進(jìn)行效率試驗(yàn)，并計(jì)算不確定度。液壓泵為軸向柱塞泵，公稱排量為193 mL/r，額定壓力為35 MPa，最高轉(zhuǎn)速為2500 r/min；液壓馬達(dá)為軸向柱塞馬達(dá)，公稱排量為110 mL/r，額定壓力為35 MPa，最高轉(zhuǎn)速為2800 r/min。

圖1 液壓泵、液壓馬達(dá)綜合性能試驗(yàn)臺

液壓泵效率特性的試驗(yàn)方法按JB/T 7043—2006《液壓軸向柱塞泵》[10]進(jìn)行，試驗(yàn)介質(zhì)的溫度為(50±2) ℃。液壓泵容積效率ηv,p和總效率ηT,p的計(jì)算公式分別如式(1)和式(2)所示：

(1)

(2)

液壓馬達(dá)效率特性的試驗(yàn)方法按JB/T 10829—2008《液壓馬達(dá)》[11]進(jìn)行，試驗(yàn)介質(zhì)的溫度為(50±2) ℃。液壓泵容積效率和總效率的計(jì)算公式分別如式(3)和式(4)所示：

(3)

(4)

式中，qv1,e——試驗(yàn)壓力時(shí)的輸入流量

qv1,i——空載壓力時(shí)的輸入流量

qv2,e——試驗(yàn)壓力時(shí)的輸出流量

qv2,i——空載壓力時(shí)的輸出流量

p1,e——輸入試驗(yàn)壓力

p2,e——輸出試驗(yàn)壓力

ne——試驗(yàn)壓力時(shí)的轉(zhuǎn)速

ni——空載壓力時(shí)的轉(zhuǎn)速

T1——輸入轉(zhuǎn)矩

T2——輸出轉(zhuǎn)矩

2 測控系統(tǒng)

2.1 電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)由電氣動力系統(tǒng)、測控系統(tǒng)、低壓電氣系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)構(gòu)成。其中，電氣動力系統(tǒng)為整個(gè)控制系統(tǒng)提供電源，其中包括380 V動力電源、220 V動力電源和控制電源、24 V控制電源、抗干擾的凈化電源以及UPS不間斷電源供電。

測控系統(tǒng)以S7-300和NI系統(tǒng)為基礎(chǔ)，是電氣控制系統(tǒng)的核心，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)組起?？刂?，實(shí)時(shí)監(jiān)測壓力、流量、位移等信號，并具有系統(tǒng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示和報(bào)警等功能，是被測元件性能指標(biāo)分析的重要手段。

低壓電氣系統(tǒng)主要由斷路器、熱繼電器、中間繼電器、接觸器等構(gòu)成。其主要功能為控制泵的起停和故障報(bào)警控制等。大功率的泵站由電機(jī)通過軟起動器起動后驅(qū)動泵工作。每臺電機(jī)驅(qū)動1臺液壓泵，主泵變量控制通過變量伺服機(jī)構(gòu)完成。小功率泵無需軟起動器，可采用星-三角降壓起動或繼電器直接起動的方式。

軟件系統(tǒng)采用LabVIEW作為數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。LabVIEW集成了與滿足GPIB，VXI，RS-232和RS-485協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能。同時(shí)，內(nèi)置了便于應(yīng)用TCP/IP，ActiveX等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫函數(shù)。典型的軟件測試界面如圖2所示。

圖2 軟件測試界面

2.2 測控系統(tǒng)整體架構(gòu)

測控系統(tǒng)分為控制和測試兩部分。其中控制部分用PLC控制泵站起停機(jī)壓力、液位、系統(tǒng)故障報(bào)警等顯示以及系統(tǒng)壓力調(diào)定功能；測試部分用NI控制器、板卡以及LabVIEW軟件對液壓元件進(jìn)行靜、動態(tài)性能測試。

測控系統(tǒng)由2個(gè)測試站構(gòu)成，和液壓泵、液壓馬達(dá)測試臺架相匹配。在整機(jī)功率、系統(tǒng)壓力和流量允許條件下，可以同時(shí)完成相應(yīng)的測試部分。每個(gè)測試站配有NI及LabVIEW測試系統(tǒng)，所有測試站動力控制部分和相關(guān)控制部分共用1個(gè)S7-300PLC控制器。

2.3 測控系統(tǒng)整體方案

測控系統(tǒng)整體方案如圖3所示。以液壓泵測試站為例進(jìn)行闡述：

圖3 測控系統(tǒng)整體方案

(1) PLC控制部分。PLC控制部分包括上位機(jī)和下位機(jī)。下位機(jī)控制泵的起停、液位監(jiān)測報(bào)警、溫度監(jiān)測報(bào)警、液壓泵的故障報(bào)警、過濾器的堵塞報(bào)警，以及系統(tǒng)加載/卸荷控制，系統(tǒng)參數(shù)調(diào)定等系統(tǒng)測試條件相關(guān)的控制。上位機(jī)由工控機(jī)和WINCC工業(yè)組態(tài)軟件組成，分別對系統(tǒng)的起停和工作壓力參數(shù)等進(jìn)行必要的設(shè)定、操作，并通過監(jiān)控站屏幕上的動態(tài)顯示畫面和圖表、數(shù)據(jù)對測試實(shí)驗(yàn)臺的運(yùn)行情況和重要的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視。上位機(jī)和下位機(jī)采用以太網(wǎng)進(jìn)行連接；

(2) NI測控部分。NI測試系統(tǒng)選用PXI總線控制器，其具有模塊化結(jié)構(gòu)，速度快，精度高，并具有較強(qiáng)的抗干擾能力。NI測控部分包括上位機(jī)和下位機(jī)。下位機(jī)為NI測控控制器及板卡部分，主要負(fù)責(zé)測試信號的給定(如階躍信號、掃頻信號等)，輸出信號的采集(壓力、流量、位移等)。上位機(jī)為采用NI-PXI專用機(jī)箱及LabVIEW軟件，在上位機(jī)中完成測試程序的起停和數(shù)據(jù)存儲功能，進(jìn)而完成數(shù)據(jù)的分析、圖形的輸出和打印等功能。上位機(jī)和下位機(jī)之間通過以太網(wǎng)進(jìn)行連接。

2.4 測試控制方案

根據(jù)液壓馬達(dá)測試臺架液壓系統(tǒng)配置，選用5臺電機(jī)驅(qū)動泵工作，分別為315， 200， 160， 90， 45 kW。液壓馬達(dá)的測試流程圖如圖4所示。

圖4 液壓馬達(dá)測試流程圖

液壓泵的測試原理圖和測試流程圖與液壓馬達(dá)類似。根據(jù)液壓泵測試臺架液壓系統(tǒng)配置，選用1臺500 kW雙凸軸變頻電機(jī)驅(qū)動主泵工作，采用變頻器控制；外控油源采用1臺45 kW電機(jī)驅(qū)動，可采用降壓起動方法；循環(huán)過濾系統(tǒng)采用1臺30 kW電機(jī)驅(qū)動，采用降壓起動方法，閉式系統(tǒng)外置補(bǔ)油系統(tǒng)采用1臺15 kW電機(jī)驅(qū)動，采用降壓起動方法；所有油液回收系統(tǒng)采用1臺1.5 kW電機(jī)驅(qū)動，采用直接起動方式。

3 不確定度分析

試驗(yàn)臺通過測量試驗(yàn)過程中的流量、轉(zhuǎn)速來計(jì)算液壓泵和液壓馬達(dá)容積效率；通過測量流量、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩來計(jì)算液壓泵和液壓馬達(dá)的總效率。因此，測量不確定度的各項(xiàng)物理參數(shù)主要包括流量、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。同時(shí)，需要考慮計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集過程中的測量重復(fù)性誤差引入的不確定度[12]。

3.1 各參數(shù)的不確定度

流量的不確定度u(q)主要取決于流量計(jì)的準(zhǔn)確度等級，已知齒輪流量計(jì)的準(zhǔn)確度等級為0.05級，按99.73%的置信概率，在其允許誤差的范圍內(nèi)，取其允許誤差的半寬，服從矩形分布，則其計(jì)算公式如式(5)所示，u(q)的靈敏系數(shù)Cq的計(jì)算公式如式(6)所示：

(5)

(6)

式中，qmax——試驗(yàn)時(shí)的最大流量

ne——試驗(yàn)壓力時(shí)的轉(zhuǎn)速

ni——空載壓力時(shí)的轉(zhuǎn)速

轉(zhuǎn)速的不確定度u(n)主要取決于扭矩/轉(zhuǎn)速儀的準(zhǔn)確度等級，已知扭矩/轉(zhuǎn)速儀準(zhǔn)確度等級為0.05級，按按99.73%的置信概率，在其允許誤差的范圍內(nèi)，取其允許誤差的半寬，服從矩形分布，則其計(jì)算公式如式(7)所示，u(n)的靈敏系數(shù)Cn≈1。

(7)

式中，nmax為試驗(yàn)時(shí)的最大轉(zhuǎn)速。

同理，轉(zhuǎn)矩的不確定度u(T)主要取決于扭矩/轉(zhuǎn)速儀的準(zhǔn)確度等級，則其計(jì)算公式如式(8)所示，u(T)的靈敏系數(shù)CT≈1。

(8)

式中，Tmax為試驗(yàn)時(shí)的最大轉(zhuǎn)矩。

3.2 測量重復(fù)性不確定度

采用A類不確定度評定方法對容積效率ηv的測量不確定度u(ηv)和總效率ηT的測量不確定度u(ηT)進(jìn)行計(jì)算，每個(gè)工作壓力下重復(fù)測量6次，實(shí)測數(shù)據(jù)如表1～表4所示。

表1 容積效率測量重復(fù)性數(shù)據(jù)列表(液壓泵) %

表2 總效率測量重復(fù)性數(shù)據(jù)列表(液壓泵) %

表3 容積效率測量重復(fù)性數(shù)據(jù)列表(液壓馬達(dá)) %

表4 總效率測量重復(fù)性數(shù)據(jù)列表(液壓馬達(dá)) %

表1～表4中均無異常數(shù)據(jù)可剔除，采用貝塞爾公式[13]計(jì)算單次測量值的標(biāo)準(zhǔn)偏差si：

(9)

因均以1次測試數(shù)據(jù)作為測量結(jié)果，故：

u(x)=si

(10)

式中，m——測量次數(shù)

xi——測量值

u(x)——每次測量結(jié)果的不確定度

因測量重復(fù)性引入的容積效率ηv的測量不確定度u(ηv)和總效率ηT的測量不確定度u(ηT)如表5所示。

表5 容積效率和總效率的測量不確定度

3.3 合成不確定度

液壓泵和液壓馬達(dá)容積效率的合成不確定u(ηv)的計(jì)算公式如式(11)所示，總效率的合成不確定度u(ηT)如式(12)所示。

(11)

(12)

取置信概率95%，擴(kuò)展因子k=2，則液壓泵、液壓馬達(dá)在各壓力等級下的擴(kuò)展不確定度如表6所示。

表6 容積效率和總效率的擴(kuò)展不確定度度

4 測試案例

4.1 測試產(chǎn)品和方法

選擇國內(nèi)某制造廠生產(chǎn)的軸向柱塞泵，按JB/T 7043—2006《液壓軸向柱塞泵》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，進(jìn)行效率試驗(yàn)。該軸向柱塞泵的額定壓力為35 MPa，額定轉(zhuǎn)速為1280 r/min，理論排量為250 mL/r。

其具體測試流程如下：

(1) 在最大排量、額定轉(zhuǎn)速下，使被試泵的出口壓力逐漸增加至額定壓力的25%，待測試狀態(tài)穩(wěn)定后，測量與效率有關(guān)的數(shù)據(jù)；

(2) 按上述方法，使被試泵的出口壓力為額定壓力的40%，55%，70%，80%和100%時(shí)，分別測量與效率有關(guān)的數(shù)據(jù)；

(3) 轉(zhuǎn)速約為額定轉(zhuǎn)速的100%，85%，70%，55%，40%，30%，20%，10%時(shí)，在上述各試驗(yàn)壓力點(diǎn)，分別測量被試泵與效率有關(guān)的數(shù)據(jù)；

(4) 對各數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行擬合，繪制性能曲線圖。

4.2 測試結(jié)果

待數(shù)據(jù)全部采集完畢后，測試平臺會自動生成軸向柱塞泵功率、流量和效率隨轉(zhuǎn)速的變化曲線，如圖5～圖9所示。由圖5和圖6可知，泵的輸出功率和輸入功率與其轉(zhuǎn)速和壓力呈正相關(guān)。若被試泵的出口壓力超過額定壓力的80%，隨著出口壓力進(jìn)一步增加，泵的輸出功率和輸入功率不會發(fā)生明顯變化。在額定轉(zhuǎn)速下，當(dāng)被試泵的出口壓力從額定壓力的40%增加至100%時(shí)，其輸出功率和輸入功率分別增加了114.6%和118.9%。由圖7可知，流量與轉(zhuǎn)速呈線性關(guān)系，固定排量，轉(zhuǎn)速越高，流量越大， 并且，當(dāng)被試泵的出口壓力從額定壓力的25%增加至100%時(shí)，試驗(yàn)排量增加了7.5%。由圖8和圖9可知，隨著被試泵出口壓力的增加，其容積效率下降，被試泵的轉(zhuǎn)速范圍處于0～800 r/min時(shí)， 隨著轉(zhuǎn)速的提高， 泵的容積效率和總效率迅速增加；當(dāng)被試泵的轉(zhuǎn)速范圍處于800～1280 r/min時(shí)，轉(zhuǎn)速的提高對其容積效率和總效率沒有明顯影響。

圖5 輸出功率隨轉(zhuǎn)速和壓力的變化曲線

圖6 輸入功率隨轉(zhuǎn)速和壓力的變化曲線

圖7 流量隨轉(zhuǎn)速和壓力的變化曲線

圖8 容積效率隨轉(zhuǎn)速和壓力的變化曲線

圖9 總效率隨轉(zhuǎn)速和壓力的變化曲線

5 結(jié)論

(1) 本研究設(shè)計(jì)搭建的液壓泵、液壓馬達(dá)綜合性能試驗(yàn)臺已投入使用。試驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)和精度符合JB/T 7043—2006《液壓軸向柱塞泵》、JB/T 10829—2008《液壓馬達(dá)》等標(biāo)準(zhǔn)的要求;

(2) 試驗(yàn)臺的流量測試范圍為0～1000 L/min，壓力測試范圍為0～40 MPa，扭矩測試范圍為0～45000 N·m，轉(zhuǎn)速測試范圍為0～3000 r/min，可滿足液壓泵和液壓馬達(dá)的型式試驗(yàn)的需求；

(3) 分析了影響液壓泵、液壓馬達(dá)效率特性的不確定度影響因素，并分別計(jì)算得到其合成不確定度。