功率回收型液压马达智能测试系统.pdf

液 压 气 动 与 密 封 ， 2 O 1 1年 第 5期 功率回收型液压马达智能测试系统 王宣银 戴 捷 皮 阳军 孙 赫 叶水环 浙江大学流体传动及控制国家重点实验室 ． 浙江杭州 3 1 0 0 2 7 摘要 针对企业对液压马达测试系统 的需要 ， 设计并研制出基于功率 回收原理的液压马达智能测试系统 和装置 ， 并投入使用多年 。 本 文介绍了测试系统的液压回路原理 、 控制原理和软硬件组成 ， 重点阐述 了功率 回收 、 低速加载以及智能控制等关键问题 。 对系统进行 了 出厂试验 ， 在对实测结果与马达的实际性能对 比后得出该 系统可用的结论。 关键词 液压马达 ； 功率回收； 智能测试 中图 分 类 号 I ’Hl 3 7 ． 5 1 文 献标 识 码 A 文章 - N - I O 0 8 0 81 3 2 01 1 0 5 0 0 3 6 0 3 P o we r Re c o v e r y I nt e l l i g e n t Te s t i n g S y s t e m f o r Hy d r a u l i c M o t o r W AN G X u a n - y i n D A I J i e P I Y a n g - j u n S U N He Y E S h u i - h u a n T h e S t a t e K e y L a b o f F l u i d P o w e r T r a n s mi s s i o n a n d C o n t r o l ，Z h e j i a n g U n i v e r s i t y ，H a n g z h o u 3 1 0 0 2 7 ， C h i n a Ab s t r a c t W i t h r e g a r d t o t h e n e e d s o f t e s t i n g s y s t e m f o r h y d r a u l i c mo t o r u s e d i n b u s i n e s s ， a n i n t e l l i g e n t t e s t i n g s y s t e m wa s d e s i g n e d a n d p u t i n t o u s e ，wh i c h c a n t e s t t h e s t a t u s a n d i n d i c a t o r s o f t h e h y d r a u l i c mo t o r , b a s e d o n p o w e r r e c o v e r y t h e o ry． I t d e s c r i b e s t h e h y d r a u l i c c i r c u i t a n d c o n t r o l p r i n c i p l e s o f t h e s y s t e m，a n d i n t r o d u c e s t h e c o mp o s i t i o n o f h a r d w a r e a n d s o f t w a r e ． I t e x p l a i n s t h e i s s u e s i n c l u d i n g t h e p o we r r e c o v e ry， l o w s p e e d l o a d i n g a n d i n t e l l i g e n t c o n t r o 1 ． B a s e d o n t h e d e l i v e ry t e s t ， wh i c h c o mp e t h e mo t o r ’ s a c t u a l p e r f o r ma n c e ， i t p r o v e s t h a t t h e s y s t e m i s a v a i l a bl e ． Ke y W o r d s h y d r a u l i c mo t o r ； p o w e r r e c o v e ry； i n t e l l i g e n t t e s t i n g U 引 百 液压马达是一种重要的液压元件 ， 在机械制造 、 煤 炭 、 冶金行业有着广泛的用途 。长期以来 ， 国内液压马 达企业缺乏高效 、 可靠 的测试系统 ， 以致生产效率低 ， 产 品性 能 差 ，企 业对 智能 化 的测 试 系统 有着 很 大 的需 求。因此， 浙江大学流体传动及控制国家重点实验室与 宁波某液压公 司共同研制了一套液压 马达智能测试与 控制系统。该系统基于功率 回收原理 ，减少 了装机容 量． 且可选择手动或 自动两种控制模式 ， 保证测试系统 更智能 、 更可靠。 1 测试原理 该 测试 系统完全按 照 国标 G B 厂 r 2 0 4 2 1 2 0 0 6设 计 ， 达到了液压 马达测试 的通用性 ， 可试验模块如图 1 所示 。 图 2是测 控 系统 控 制原 理框 图 ，工 业计 算 机是 整 个 系统的核心 。 由数据采集卡 、 比例放大器 、 信号调理 收稿 日期 2 01 0 1 2 0 7 作者简介 王宣银 1 9 6 6 一 ， 男 ， 博士生导师 ， 主要研究方 向为多 自由度 电 液伺服控制 、 电子气动控制 、 智能机器 与图像信息技术。 36 电路组成。数据采集卡选用 N I 公司的高精度多功能采 集卡。通过比例放大器驱动比例溢流阀和变量泵。 排 起 低 效 动 速 高 载 验 率 扭 性 温 跑 排 证 试 矩 能 试 A l I 晕 试 验 试 试 验 验 验 验 验 证 彳 I 』 ℃ 试验 J试验 连 连 连 超 续 续 续 效 效 超 速 超 换 满 盔 奎 载 试 速 阳 载 榆 试 试 验 试 试 试 查 验 验 验 验 验 I [1匦 嘲 广 ] 鲴 啐 至 最 输 出 厂 ] 捌 fI 图 1 测 试试 验模 块 图 图 2测 控 系统 原 理 框 I墨 I 本系统 的液压测试 回路如 图 3所示 ，两台高压比 例泵 供 油 ， 通过 比例溢 流 阀调 节供 油 压力 ， 补 油泵 进行 加 载补 油 ， 传感 器 检测 并用 二 次仪 表 显示 处理 数据 ， 通 过 自动 化软 件 进行 马 达测 试 及分析 。同 时采 用 了大流 量插装阀作为负载油路切换控制阀 ，电磁换向阀可实 现液压马达 的正反转测试切换 ；加载油路中采用由四 个插装式单 向阀组成节流阀组实现补油泵在马达不同 转向下的补油功能。 阀的流量大于其最小稳定流量值 Q 晡 。因此 ， 我们在整 流阀组 1 6和电磁 比例溢流 阀 8和 9之间加 了一条供 油线路 ． 由补油泵 1 和 2向加载溢流阀 8和 9供油。这 样不管液压 马达在何种转速工况下运行 ，都能保证通 过溢流 阀的流量大于其最小稳定流量值 ，溢流阀也就 始终在设定的压力下进行加载 ，从而确保 了液压 马达 在不 同转速工况下运转的加载 ，切实有效地测试不 同 工况下的有关参数。 l 一 地沟泵2 一 循环泵3 一 冷却泵4 一 主泵5 一 辅助泵 6 一 补油泵 1 7 一 补油泵 2 8 - 电磁溢流阀 l 9 一 电磁 溢流阀 2 l O 一 溢流阀 1 1 一 电液换 向阀 1 2 一 测试仪 表l 3 一 被试马达 l 4 一 转速／ 扭矩传感器 1 5 - 加 载马达 1 6 一 整流阀组 图 3液压系统主油路原理图 本系统可分别采用手动与 自动模式进行液压马达 的测试。其中转速 、 扭矩和流量信号通过 自行设计 的基 于 P I C单片机的控制器采集。压力和温度信号 由工业 计算机的采集卡获取。控制器与工业计算机之间通过 R S 一 2 3 2串行通信。该设计的优点是既可通过工业计算 机进 行 全 自动 的液 压 马达 测试 ，也 可 以手 动进 行 部分 简单测试 ， 提高了测试 的灵活性 。 2 系统特性 系统采用液压功率 回收原理降低测试系统的能量 损耗 。 从而节约了能源降低 了成本。液压功率回收的主 要 目的是 通 过 回收 加载 马达 的输 出 能量 ， 从 而 减少 了 能量的损失 。 进而可 以减少装机容量 ， 节约成本。功率 回收 的 主要原 理 为 主泵 电动机 驱 动 主泵输 出液 压油 ， 输 出油液 驱动 被 试 马达 运动 ，由于 被试 马达 与加 载 马 达通 过联 轴器 相 连 ， 因此 加 载马 达 随之 运 动 ， 此时 加 载 马达处于“ 泵” 的工作状态 ， 其输 出压力油液与主泵输 出油 液合 流共 同驱动 被试 马达 ．从 而 达到 了 功率 回收 的效果 。 另外 ， 液压马达在较低转速工况下 ， 溢流阀的加载 能力达不到设定的加载压力 ，需要通过定量辅助泵对 低压侧进行加载补油。 从溢流阀的压力一 流量特性分析 中得知 溢流阀工作有一最小稳定流量 9 ， 如图 4所 示 。 从上述特性 曲线中不难看 出，如何在低速运转 的 状态下实现马达的稳定加载 。关键在于保证通过溢流 图 4溢 流 阀压 力 一沉量 特 性 此外 ． 采用 电磁 比例溢流阀和 比例泵 ， 测试操作人 员可在控制室内通过操作 比例控制器对液压参数进行 远程控制或程序控制。高压柱塞泵 4控制被试马达流 量． 高压柱塞泵 5提供加载压力 。采用两种控制方式 程控 和 手 动并用 。程 控方 式 下通 过 控 制器 的输 出端 口 改变 比例 电磁铁 两 端 的 电压 ，从 而 达 到调 节 流量 的 目 的 。手动 调节 由电位 器完 成 ， 可 以实 现 0 ～ 9 V的 电压 调 节。阀和泵的 比例控制都 由其专用的比例放大板完成。 3 测试 系统硬件组成 硬件 部分 包 括 油源 泵 站 、 液压 马 达 测试 试验 台 、 操 作控制台和电动机启动柜 ， 如图 5所示。其中液压系统 分为主油路和辅助油路 ， 主油路包括主泵 、 辅助泵和补 油泵 ， 用三台电动机带动三 台液压泵驱动油路循环。比 例溢流阀实现压力调节 ， 流量阀实现流量调节 ， 传感器 实 时监 测压力 、 流 量 、 扭 矩 、 转速 和温 度信 号 。测试 时根 据不 同的实验类项切换实验环境 ，传感器信号传送至 上位机进行分析 。由测试软件计算得到被测马达的各 种性能参数。 l 一 液压马达测试试验台 2 一 操作控制台 3 一 电动机启动柜 图 5 系统硬件组成 3 7 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 O1 1年 第 5期 4 测试系统软件设计 系统 以L a b V I E W 8 ． 5为平台，利用其强大的信号 分析处理功能 ， 编程实现虚拟信号发生器 ， 信号经 D ／ A 转换输出作用到放大器上 ，相关的信号经传感器进行 信号转换 ， 再经过信号调理电路调理成标准信号经 A ／ D 转换成数字信号 ， 并在 L a b V1 E W 平 台上对信号进行数 字滤波、 非线性校正等数字化处理分析 ， 结果 以图形化 曲线的形式输 出显示 ， 同时试验 中自动保存数据 ， 并生 成试验报告 。试验期间， 信号源产生的信号波形和现场 采集 的信号 ，均在显示器上通过虚拟仪器的软件面板 实时显 示 。 本测 试 系统 软件 采用 的是模 块 化结 构 ，每个 模 块 完成一个确定的功能 ， 各个模块又具有相对的独立性 ， 这样设计的程序具有逻辑性强、 易于阅读 、 调试方便等 特点 ， 测试软件界面如图 6所示。 图 6 测试 软件界冠 5 测试结果 在系统投入使用前 ，对系统进行 了大量的出厂测 试 ， 均达到所要设计的性能要求。以低速性能试验测试 为例 ， 图 7所示为该测试程序的操作流程图。 图 7低 速 性 能试 验 流程 图 在实际操作过程 中， 不需要对照标准中的步骤 ， 只 要按 虚拟 界 面 的提示 进 行 ，系 统会 自动选 择控 制启 闭 相应的开关阀而创造相应的测试环境 ，然后在操作结 束后给出测试结果 ，并将结果储存起来作为最终报表 打印使用 ， 如图 8所示 ， 从图中可方便的查找液压马达 的各项性能指标。 鞲爵 _ j 蕊 鞴 _／ ＼ 厦 万 蕊 曩 互 露 囊 ■ i i 重一 - i 输 出 滇 霉 ， 外 { 墅 漏羹 A 磅 搴- 输 出 功 率， 容 耩 照 章 墓 簸率 盘 度 ， 豆向 2 2 0 0 0 0 1 2 8 0 O 0 0 0 C 1 7 1 8 7 5l 0 5 1 { 3 2 3 i 2 0 4 4 2 7 々 5 9 1 3 3 8 3 7 5 9 1 3 3 3 , 0 0 0 0 0 0 8 2 1 7 4 8 0 1 9 8 6 0 4 1 2 0 9 2 7 3 7 3 O 9 2 5 2 4 2 4 2 ． 1 3 B E 反 向2 2 0 0 0 01 1 4 6 6 6 6 6 2 ． 8 0 9 3 1 4 0 5 3 0 5 9 9 2 2 7 8 6 4 5 7 5 0 6 0 0 0 7 5 O O O O 0 0 0 0 6 0 0 0 0 3 ． 5 1 4 3 6 5 2 6 4 1 7 3 0 0 9 3 7 9 1 6 0 ． 9 2 6 5 6 0 4 2 ． 2 6 0 7 反 向 3 2 0 0 0 0 0 1 7 8 2 6 6 6 6 E 4 1 7 6 4 3 2 0 5 4 6 8 7 5 3 6 2 9 5 5 7 7 5 6 3 3 3 3 3 7 5 ． 3 3 3 3 8 3 0 3 0 0 0 0 0 5 2 6 4 6 2 4 4 1 0 6 9 6 9 0 9 3 o 8 0 7 O 8 9 7 1 1 i 4 2 ． 3 8 2 度向 2 2 O C O 【 l 2 4 2 9 ． 3 3 3 8 2 5 ． 0 7 3 5 6 ． 5 3 , 5 9 9 4 8 6 6 5 3 6 7 7 ， l 2 6 6 6 7 7 6 8 8 6 6 6 7 E 1 ． 2 4 0 0 0 6 ， 9 3 7 7 1 7 5 5 9 6 7 8 2 2 7 8 4 0 8 9 4 3 7 1 蛇 5 { 度向 2 2 0 0 0 0 0 3 1 0 6 6 6 6 6 f 6 ． 7 8 0 5 9 9 0 ． 5 1 哇 3 2 3 6 2 6 6 2 7 7 7 6 ． 6 5 3 3 3 3 7 6 2 3 3 3 3 3 0 ． 4 2 0 0 0 0 8 6 6 2 5 9 2 7 ． 1 5 7 2 4 6 0 9 1 8 4 , 2 1 0 6 9 3 6 3 7 4 2 6 2 6 5 爱 向 2 2 0 0 0 ． 0 3 6 8 9 3 3 3 3 8 ． 2 6 1 7 1 8[ 4 8 1 7 7 1 7’ 7 9 9 4 8 7 5 6 3 3 3 3 8 7 4 6 ’ 3 3 3 8 0 9 6 0 0 l 1 。l 0 4 1 4 3 5 5 8 ． 4 9 9 6 1 4 0 9 3 8 0 ． 8 6 6 0 0 3 4 2 ． 5 6 7 6 图 8 被试液压马达性能测试数据 通过对实测数据分析计算 ， 按照 n f M l 一 ， 将转 速 n和扭 矩 的关系 曲线 以总效 率 为参 量 ，绘 于直 角坐标系中。可得到液压马达不同转速时的等效率 曲 线 ， 如 图 9所示 。 J ／ 一 o f ， 一 卸 O l 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 4 0 0 0 5 0 0 0 6 0 0 O 7 0 0 0 M／ N m 图 9液压 马达等效率曲线 6 结论 本测试系统采用 了型式试验和出厂试验一体测试 的免拆装设计 ， 由插装 阀作为负载油路切换控制阀， 实 38 现大流量控制 ， 并解决 了低速加载问题 ， 提高了系统的 自动化程度 ， 同时采用液压功率回收设计 ， 节约了能源 降低 了成本。在实际调试和应用中测试结果比较理想 ， 完 全满足 测试 性能 的要求 。 参 考 文 献 [ 1 】 徐灏． 机械设计手册【 M】 一E 京 机械工业 出版社 ， 1 9 9 1 ． 【 2 】 王占林． 近代液压控制【 M】 ． 北京 机械工业 出版社 ， 1 9 9 7 ． 【 3 】 杨永 军， 张小羊等． 介绍一种液压 马达性能试验系统叨． 流体 传动与控制， 2 0 0 5 5 ． 『 4 1 李 亨林 ． 液压 马达等 效率 曲线 的绘制 【 J ] ． 液压 气动 与密封 ， 1 9 8 3 4 ． f 5 1 任中海 ， 严建新． 计算机辅 助测试在液 压马达型式试验 中的 应用【 J 】 ． 江苏船舶， 2 0 0 5 5 ． 『 6 1 路甬祥， 俞浙青 ， 吴根茂． 功率 回收型液压抽油机的设计原理 【 J 1 _ 石油机械， 1 9 9 5 2 ． 王磊 ， 陶梅． 精通 L a b V 1 E W 8 ． q M ] ． 北京 电子工业出版社 ， 2 0 0 7 ． ∞ ∞ ∞巧∞ m 异一 口