高压泵性能试验台的拖动系统设计

高增法

(福州大学机械工程及自动化学院，福建福州 350108)

高压泵性能试验台的拖动系统设计

高增法

(福州大学机械工程及自动化学院，福建福州 350108)

主要介绍了一种高压泵性能试验台的拖动系统，包括安装在基座上的被测液压泵、异步电动机和转速转矩测量仪。该拖动系统中引进了变频技术，低碳节能，转速转矩测量仪与异步电动机传动连接，实现对异步电动机输出转速转矩的测量，并将测得信号送到计算机，以便计算机进一步处理，该拖动系统中电动机的功率为200kW，采用变频调速，最高转速可达3 000r/min。

拖动;变频;高压泵;高速

泵类负载通常采用鼠笼型异步电动机拖动［1］，工作在恒速状况下流量稳定，结合挡板、节流阀可进行流量调节。然而，当处于小流量工作状态时系统功率大量消耗在节流环节上，损失很大。在很长一段时期内占电力拖动系统80%左右的恒速控制采用交流电动机，而在需要进行调速控制时则基本上采用直流电动机。直流电动机存在结构复杂、寿命短、容量及转速受限等缺陷［2］，其用途难以推广。随着电力电子技术、微电子技术和控制理论的发展，变频驱动技术得到了实际应用，使得交流变频电动机几乎完全取代了直流电动机，应用到了工业生产的各个领域。

本文针对大功率交流异步电动机的拖动需要，采用变频调速技术设计一种高压泵性能试验台拖动系统，采用计算机进行转速转矩测量及信息处理，实现了大功率、宽调速系统的控制。

1 高压泵性能试验台的拖动系统设计

本文设计的高压泵性能试验台的拖动系统，包括变频器1、异步电动机2、转速转矩测量仪4、泵架6和其他的辅助元件，如联轴器3和5、泵架6与被测液压泵之间的辅助泵套，以及变频器1、转速转矩测量仪4、电源之间的电气连接导线等。如图1所示。

变频器1与异步电动机2通过电气连接，用于控制异步电动机的转速，实现异步电动机的无级调速，有利于该拖动系统的节能。

图1 高压泵性能试验台的拖动系统

异步电动机2与转速转矩测量仪4之间用联轴器3相连，通过转速转矩测量仪4可测得异步电动机2的转速、转矩信号，如需要可传递至计算机等后续设备进一步处理。

转速转矩测量仪4另一端通过联轴器5与泵架6相连，泵架6的输出接口是一种通用的机械连接端口，通过泵套将泵架的通用输出端口转换成与各种型号的被测液压泵相匹配的连接接口，这样即可实现从异步电动机2到被测液压泵的能量和运动传递。由于泵架6采用的是通用输出接口，只需要再配上合适的泵套，就可以实现泵架与不同系列泵的机械连接。

1.1 异步电动机的选用说明

交流电机作为动力驱动系统的关键元器件，其正确选择是至关重要的。

a.转速。

本拖动系统需要检测被测液压泵在不同转速下的性能数据，其测试转速在0～3 000r/min之间。

b.功率及扭矩。

本拖动系统为高功率液压泵性能试验台，所需驱动功率为200kW，综上考虑，交流电机所需功率仍按200kW选择。通过查找相应的技术手册［3］，最终选定电机型号为Y315L2－2，由于采用功率回收，因此电机需要双输出轴，本系统所用电机为湘电集团有限公司特制的双轴伸异步电动机。交流电机变频调速经历近20年的发展及应用，已逐步被人们接受并成为当代电机调速的主流。由于变频器体积小、质量轻、精度高、工艺先进、功能丰富、保护齐全、可靠性高、操作简便、通用性强、易形成闭环控制等优点，因此它优于以往的任何一种调速方式。

1.2 变频器选用说明

本系统采用富士的FRN200P11S－4CX型变频器对交流异步电动机进行速度调节。

1.3 联轴器的设计说明［3］

由于弹性柱销联轴器结构简单，制造容易，安装方便，不用润滑，不需要与金属硫化粘结，更换弹性套方便，不用移动半联轴器，具有一定补偿两轴相对偏移和减振缓冲性能，适用于安装底座刚性好、对中精度较高、冲击载荷不大、对减振要求不高的轴系传动，因而受到广泛应用。

本系统选用沧州天硕联轴器有限公司的B1101－66－80－100型泵用弹性套柱销联轴器，许用转矩为T=848N·m，其特点如下:

a.弹性套柱销联轴器的柱销上套有橡胶圈，具有弹性和补偿轴线位移的能力，但相对角位移较大时，易磨损，所以要求拖动系统中各个元件的同轴度满足一定的精度要求;

b.结构简单，安装方便，更换容易，尺寸小，质量轻，传动转矩大，广泛应用于各种旋转泵中;

c.许用相对径向位移 0.14 ～0.2mm;许用相对角位移0°40';

d.两轴轴线相对位移产生的附加径向载荷为(0.1 ～0.3)Pa。

因此，本文联轴器均设计为弹性柱销联轴器。

1.4 转速转矩测量仪的选用说明

转速转矩测量仪是用来测量被试泵的输入扭矩及转速的装置，转矩和转速是液压泵性能测试的两个重要的参数，这两个参数的测量精度直接影响液压泵性能测试的准确性和可靠性。

本系统选用湘仪动力测试仪器有限公司的转速转矩测量仪，由JC2C型转矩转速传感器和JW－3扭矩仪两部分组成，图1上安装的是JC2C型转矩转速传感器，其基本原理是:通过弹性轴、两组磁电信号发生器，把被测转矩、转速转换成具有相位差的两组交流电信号，这两组交流电信号的频率相同且与轴的转速成正比，而其相位差的变化部分又与被测转矩成正比。其主要技术参数为:额定转矩T=800N·m，使用转速范围n=0～4 000r/min，它们都能满足系统要求。

JW－3扭矩仪是与JC2C型转矩转速传感器配套使用的二次仪表，其功能丰富，拥有模拟输入、模拟输出、开关量输入、开关量输出、频率输入等多种扩展功能，模拟输入可以适应0～5V和1～5V(4～20mA)的电压，模拟输出可提供0～5V电压或4～20mA电流等多种形式。将传感器的两个输出信号接入扭矩仪，即可在扭矩仪的液晶显示屏上显示扭矩和转速值，同时扭矩仪还提供两路标准模拟输出(4～20mA)，这样可以方便于采集卡对转矩、转速信号的采集。

1.5 基座设计

基座用于固定支撑拖动系统各个元件。

2 高压泵性能试验台的拖动系统优点

a.该系统采用的是变频器进行无极调速，具有节能的效果。

b.该高压泵性能测试的拖动系统的功率最高可达到200kW，而且转速可达3 000r/min，能带动的测试泵范围更加广泛。

c.实现对异步电动机输出转速转矩的测量，然后将测得信号送到计算机，以便计算机进一步处理。

d.该拖动系统结构简单，安装方便，传动转矩大，传递效率高。

3 结论

本文设计的一种高压泵性能测试台的拖动系统，安装方便，传动效率高，为泵提供了很可靠的动力;同时通过变频器调节泵的转速，从而调节流量，相比以往采用节流阀来改变系统流量这一方法，消除了主要耗能环节，节能效果明显;该拖动系统转速转矩的测试和控制采用计算机辅助测试系统，提高了其测试效率、测试精度和自动化程度，在泵的性能测试中有着较大的工程应用价值。

［1］许建国.拖动与调速系统［M］.武汉:武汉测绘科技大学出版社，1998.

［2］曹承志.电机、拖动与控制［M］.北京:机械工业出版社，2000.

［3］成大先.机械设计手册［M］.3版.北京:化学工业出版社，1994.

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

GAO Zengfa
(Fuzhou University，Fujian 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

福建省科技重大专项/专题资助项目(2008HZ0002－1)

高增法(1965—)，男，福建长乐人，福州大学高级工程师，硕士，主要研究方向为冶金轧制工艺与设备。