一种定排量液压泵效率标定系统的设计

杨佳彬 荆 晶 刘 江 张龙跃

(中国船舶集团有限公司第七〇三研究所，哈尔滨 150078)

飞机发动机附件机匣或直升机主减速在出厂前均需要进行出厂验收试验，目前该类试验器在试验过程中对其附件加载端大部分采用模拟方式加载，即附件加载端通过减速齿轮箱与定排量液压泵相连接进行液压加载。根据液压泵功率计算公式可知，液压泵效率的准确度直接影响加载功率计算结果，而液压泵效率与油压黏度、磨损和泄油量等多种因素有关[1]，故为确保加载的准确性，液压泵使用一定时间后要对其效率进行标定与修正。针对上述液压模拟加载回路中定排量液压泵效率不准确的问题，本文设计了一种定排量液压泵效率标定系统。

1 系统结构组成及工作原理

1.1 系统结构组成

定排量液压泵效率标定系统主要由硬件与软件程序两部分组成，其中硬件部分包含机械系统、液压系统和电气系统。系统外形如图1所示，系统主要部件的作用如下。

1-待标定液压泵、2-扭矩测量仪、3-增速齿轮箱、4-联轴器、5-驱动电机、6-编码器、7-设备支架、8-齿轮箱润滑油站、9-液压加载油站、10-信号调理箱、11-压力变送器、12-液压油管图1 系统外形图

(1)设备支架：用于放置系统其他元器件。

(2)驱动电机：作为整套系统的动力源，用于给待标定液压泵提供动力。

(3)增速齿轮箱：用于将驱动电机转速匹配到液压泵工作转速。

(4)扭矩测量仪：用于实时采集待标定液压泵输入轴转矩与转速。

(5)压力变送器：用于实时采集待标定液压泵出、入口油压。

(6)信号调理箱：内部安装采集模块，用于采集系统模拟量、数字量信号。

(7)齿轮箱润滑油站：油站内包含润滑油箱、油泵、压力调节阀和冷却器等，用于对增速齿轮箱进行润滑。

(8)液压加载站：油站内包含加载油箱、油泵、比例伺服阀[2]、流量计和冷却器等，用于对待标定液压泵进行液压加载[3]。

(9)变频驱动系统：作为电气系统的一部分，主要用于对驱动电机进行变频调速。

(10)电气系统：下位机PLC用于对信号箱采集到的传感信号进行运算，上位机界面直接面向操作者，用于对这个系统进行控制。

整套系统配合PLC硬件及上、下位机软件既可以独立成系统，亦可集成到其他试验器系统内工作，本系统的硬件架构如图2所示。

图2 硬件架构图

1.2 系统工作原理

系统工作前应确保系统内各压力传感器、流量传感器及扭矩测量仪等测量传感器均经过专业检定机构进行标定，以确保试验数据的准确性。

按照图1正确安装被标定液压泵于装置上，连接好机械系统、液压系统及电气系统硬件，电气系统进行上电(PLC及上下位机)，首先观察各传感器信号是否显示正常。系统无报警及故障后开始进行液压泵标定工作。

通过上位机界面分别启动齿轮箱润滑油站及液压加载油站，观察各传感器信号状态，待各系统参数稳定并满足拖动电机启动要求后，启动变频驱动系统，给定装置不同驱动转速以满足被标定液压泵的转速要求，在不同转速下通过调节液压加载站上比例伺服阀的阀口开度对被标定液压泵进行液压加载，PLC采集与控制系统采集液压泵出口油压Pout、入口油压Pin、流量Flow以及液压泵输入端转速V与转矩T。

液压泵输出功率为

PLC采集与控制系统将上述采集的传感器数据传送到上位机软件，上位机软件根据上述公式计算得出转速与效率数据，并将其拟合为效率曲线。

2 系统设计

2.1 系统主要元器件选型

该系统中主要传感器选型如下。

(1)转速传感器：HBM T40B系列扭矩仪自带转速测量，最高转速20 000 rpm。

(2)扭矩传感器：HBM T40B系列扭矩仪，测量范围0～200 Nm，精度等级0.05。

(3)压力变送器：入口油压选用IFM PN3594，量程范围0～25 MPa;出口油压选用IFM PN3571，精度范围0～1 MPa；二者精度等级均为0.2。

(4)流量传感器：FLOWMETRICS公司的FM20系列高温高精度流量计，量程范围34～300 L/min,精度等级0.5。

系统中PLC选用德国倍福公司C6930系列工控机(内运行TwinCAT 3[5])，通过EtherCAT总线与信号箱内的E总线模块通讯，完成数据采集与控制。

2.2 系统界面

该系统既可以独立运行，亦可以集成在试验器控制系统内工作，下面以试验器内集成的泵标定界面为例进行简单介绍。

系统对被不同标定液压泵进行编号，上位机通过“通道名称”选项框选择被标定泵，为了提高测试精度，操作者可以通过“采样数”框设定采样个数对采样数据算取平均值(比如此处设定50，即系统每50个数据进行一次平均值计算作为最终结果)如图3所示；在图3下方表格空间内填入被标定泵设定转速后点击“修正”按钮，此时系统将根据设定对此泵尽心标定并拟合出对应曲线。标定结束后点击“保存”按钮，上位机将标定参数下发至下位机PLC，以完成此液压泵效率标定工作。

图3 系统界面

3 系统测试结果

表1为此套标定系统对某一现有试验台上带标定液压泵进行标定试验所获得的数据；图4为表1数据所拟合出效率与转速关系曲线。

表1 试验数据

图4 拟合后的曲线图

系统内所有传感器均已由相关检验部门检定合格，并且通过滤波程序消除了数据波动误差，提高了计算结果的准确性，标定效率理论综合误差小于1%。从数据中可以看出不同转速下液压泵效率差别加大，约为1.5%；而同一转速不同功率情况下液压泵效率差别不大，约为0.02%。

4 结语

针对目前飞机发动机附件机匣或直升机主减速器试验台模拟加载系统中液压泵效率不准确而影响加载精度的问题，该文设计了一种定排量泵液压泵标定系统，并以现场某试验台为例进行标定试验，获得试验数据，得到以下结论。

(1)该标定系统满足设计要求，提高了类似试验台模拟加载控制精度，同时系统构造简单、操作方便、应用拓展性强。

(2)系统内所有传感元件均选用进口品牌，且经过国家计量站检定，保证系统标定结果误差小、精度高。

(3)由于该标定系统既可以独立使用亦可集成到试验台内使用，故其适用性更强。