四象限液压泵综合测试试验台的开发

张煜，陈宗斌，廖健

(1.海军工程大学振动与噪声研究所，湖北武汉 430033；2.海军工程大学船舶振动噪声国家重点实验室，湖北武汉 430033)

0 前言

液压变频驱动技术具有作动效率高、节能降噪等优势，逐渐应用于各领域。如在飞机、船舶等作动领域应用了变频驱动闭式液压系统，解决了传统阀控作动系统发热严重、振动噪声大等问题。不同于传统阀控液压系统，液压变频驱动系统的液压泵既可作为泵为系统提供动力，又能作为马达将多余的机械能带动电机发电而转换成电能，并反馈给电源网络回收或制动电阻消耗。因此，液压变频驱动系统的液压泵需具有四象限运行能力。目前，市场上可供选择的低噪声液压泵较多，如SETTIMA的转子泵，但由于高低压油口不能互换，导致它不具备四象限运行能力。为适应变频调速驱动技术的发展，国外已研发出具备四象限运行能力的低噪声内啮合齿轮泵，如ECKERLE公司研发的具备双向补偿能力的渐开线型齿轮泵，但该泵不在我国境内销售。因此，迫切需要开展具备四象限运行能力的液压泵研究。

液压泵性能测试台是支撑四象限泵研发的关键试验平台，市面上现有试验台仅能满足单一象限的测试功能，若要完成四象限全工况测试，至少需拆装2至3次，极大地降低了研发效率。此外，在样机基本性能满足要求的基础上，还需开展液压冲击、抗污染度等综合性能试验。因此，急需结合四象限液压泵的开发需求，弥补市场空缺，针对性设计液压泵综合性能试验台，以开展样机四象限运行工况内的容积效率、机械效率、压力脉动等实际性能测试，以及冲击载荷下的耐久性测试等试验。

为满足四象限液压泵综合测试需求，本文作者设计由补油回路和测试回路两大部分组成的试验台。以PLC为中央控制器实现数据采集与控制，将工控机作为上位机进行人机交互；工控机和PLC通过以太网通信，实现现场数据的实时通信；上位机设计有数据保存、性能曲线绘制以及测试报表自动输出等功能，实现安装一次，可快速开展四象限液压泵所有工况测试试验，提高液压泵的测试效率，有力支撑四象限液压泵的研究。

1 试验台的原理设计

1.1 测试需求分析

某型四象限液压泵典型结构如图1所示，主要由主动齿轮、从动齿圈以及浮动的月牙块组成。以顺时针旋转为例，当它处于泵模式时，油口A处于高压，油口B处于低压，高压油进入浮动月牙块中间区域，将月牙块分别压向主动齿轮和从动齿圈，实现间隙自动补偿。当它处于马达模式时，高压油从油腔A进入，推动齿轮齿圈顺时针啮合转动，对外输出功。高压油进入浮动月牙块中间区域，将月牙块分别压向主动齿轮和从动齿圈，也可实现间隙自动补偿。当它逆时针旋转时，B腔始终为高压腔，高压油进入月牙板右侧区域实现间隙自动补充。因此，以油液压差为横坐标，转速为纵坐标，得到如图2所示的坐标系，四象限液压泵即可在该坐标系4个象限内运行。当工作在一、三象限时，处于泵模式，即输出高压动力油，液压系统对外界做正功；当工作在二、四象限时，处于马达模式，引入高压动力油，消耗外界功，主轴对外输功。图1所示内啮合齿轮泵即为四象限内啮合齿轮泵，各工况下该泵月牙板均可引入高压油，实现压力的自适应补偿，具有容积效率高的优势。

图1 四象限液压泵典型结构 图2 四象限液压泵工作模式

根据实际研发需要，结合上述四象限泵的工作原理，总结试验台测试工况需求如下：

(1)液压泵基本性能测试，包括转速、流量、扭矩以及压力等参数的调节及数据采集，以得出液压泵容积效率、机械效率、总效率以及运行边界等；

(2)液压马达基本性能测试，包括高压输入油流量、压力及输出扭矩等参数的调节及数据采集，以得出液压马达的效率、运行边界等参数；

(3)液压冲击测试，通过给定泵出口液压负载冲击，测试液压泵的可靠性；

(4)抗污染度测试，调整油液污染度，测试不同油液污染等级下泵的可靠性差异，得出液压泵最低允许油液污染度等级；

(5)其他液压泵工况边界特性测试，如油温、转速等对性能影响的测试。

上述所有测试，需具备满足一次安装即可开展所有项目测试的能力，以提升测试效率。

1.2 测试回路设计

根据上述测试需求，测试工况变化范围大，测试项目繁多，因此在试验台设计中重点考虑以下问题：

(1)单独设计补油回路，防止大范围工况调节时液压泵吸油不足；

(2)增设油液冷却和加热装置，便于油温的定量控制；

(3)利用桥式回路实现泵或马达测试工况下的油口调换，达到一次安装完成所有测试的目的；

(4)采取电控和手动相结合的手段，提高试验台的运行可靠性，如桥式回路转换手动调节，负载冲击和转速调整通过电控实现；

(5)充分发挥变频调速电机的电控和信号反馈优势，实现转速、扭矩等关键参数的自采集，避免额外安装扭矩仪、转速表等，简化系统设计。

最终，设计的测试台系统液压原理如图3所示。

图3 四象限液压泵综合性能试验台原理

测试台通过球阀25.1、25.2、25.5、25.6、25.7的开关状态，以及对伺服电机的转速和转向控制来完成不同工况、不同项目的测试试验。不同试验模式对应的球阀开闭状态如表1所示。

表1 试验模式与球阀开闭状态对应关系

试验时，球阀25.3、球阀25.4不能同时处于关闭状态，必须在电机启动前确认各球阀状态。此外，不同试验模式下，伺服电机和补油电机的运行状态不同，也需一一对应。具体工作过程如下：

泵正向性能试验主要测试液压泵正向综合性能，如容积效率、机械效率等，此时比例电磁溢流阀13得电工作，调节其设定值至控制液压泵工作负载，调整伺服电机转速改变测试泵运行转速范围，必要时可开启阀6和阀7，调整减压阀6和比例节流阀7至合适值以实现吸油口的补油，防止高转速下液压泵的吸油不足。球阀25.3和球阀25.4用于选择不同量程的流量计，实现大范围高精度流量的准确测定。

泵反向性能试验与正向吸油试验工作原理一致，此时需开启球阀25.1，关闭阀25.2，同时伺服电机的转向也由顺时针调整为逆时针。

马达性能试验主要用于测试马达的转化效率、输出扭矩等，此时球阀25.6、球阀25.7开启，球阀25.5关闭，其中正向性能试验时，球阀25.2开启，球阀25.1关闭。反向性能试验时，球阀25.1开启，阀25.2关闭。试验时，通过减压阀6设定泵入口处油液压力，比例节流阀7设定马达进油口流量。马达制动扭矩值通过伺服电机的发电机工作模式给定，能量通过伺服电机制动电阻消耗。

液压泵负载冲击试验主要是通过给定负载冲击，模拟检验长时间工作的可靠性。正向冲击试验时，电磁溢流阀13得电，设定好冲击压力值，通过上位机给定间歇得、失电信号，通过溢流阀不断通断完成冲击试验。反向冲击试验时，调定电磁溢流阀11，同时球阀状态参考性能试验状态调定。

回路中安装油质监测传感器，通过调节调速阀16的开口大小，满足油质检测仪17的流量需求，通过油质检测仪对油液的采集完成对系统油液污染程度的分析。向油液中添加不同程度的磨粒，模拟油液清洁度状态，以完成不同清洁度下的可靠性检测。

由于液压泵/马达的试验持续时间较长，油温易变化，设有加热器、风冷散热器和温度传感器，通过控制加热器和风冷散热器的启闭来保持油温恒定。

1.3 电控原理设计

试验台中的电控元件较多，如伺服电机、比例溢流阀、加热器等，还涉及流量、压力、温度、转速、扭矩等众多信号的采集。因此，采用工控机作为上位机，实现人机交互，反馈实时信号，传递给定指令；下位机采用PLC控制。构建的控制系统基本原理如图4所示。通过工控机实现人机交互和信息的采集、存储。工控机作为测试系统的上位机，接收下位机的数据信号，以数字、虚拟仪表等形式显示给试验人员，同时试验人员通过工控机发送控制信号(比例溢流阀压力信号、电机转速信号等)至下位机，控制测试系统运行状态。

图4 控制系统原理

测试控制系统使用PLC控制器、伺服驱动器和数字量、模拟量采集模块与以太网通信模块组成测试系统下位机，主要用于伺服电机控制、液压系统传感器数据采集与处理以及与上位机数据通信等。

2 工程关键技术设计

2.1 机械设计

试验台的机械设计是首要任务，也是决定试验台美观、使用便利性的关键。为保证试验台的可靠、美观，设计中主要注重以下几个方面：

(1)利于被测泵的安装更换。传统试验台仅针对某一类型泵测试，接口固定，而该试验台可能用于5～70 mL/r各种排量等级，10～32 MPa各种压力等级的泵测试，存在安装接口、管路接口等不一致情形，因此设计单独的测试间、活动安装位、可变径管路接口，便于后期测试不同类型的泵。

(2)采取机械减振措施。整个测试试验台采用一体化设计，底部利用橡胶弹性垫降低系统对周围环境的影响。此外，对于加载电机和泵通过减振器与试验台侧加强筋固定，管路出口采用软管，降低振动传递。

(3)结构紧凑，合理布局。高流量，大范围测试工况导致一般试验台(油箱和试验基座)占地面积和空间巨大，为节省空间，采用油箱下置的集成化设计，管路连接考虑采用耐高压钢管，防止冲击试验对软管造成破坏。

(4)便于后期维护和管理。液压设备漏油或滴油是维护的痛点，为防止试验台运行或拆检时油液滴漏，在试验台底部设有整体接油盘，以防止油液污染实验室地面。此外，油箱位于液压泵操作测试间底部，拆卸后油液可在过滤后直接回到油箱底部，减少油液洒落和损耗。

最终设计得到的试验台三维结构如图5所示。

图5 试验台三维设计图

2.2 电气设计

根据试验台的功能设计需求，选用西门子S7-300高性能集成式的控制器，模拟量、数字量输入输出模块预留一定通道,方便后续扩展。电气设计上，主要注重以下细节：

(1)具备报警保护和急停功能。结合机械设计，在试验台顶部安装声光报警灯，此外设置急停按钮，紧急情况下可直接通过急停按钮一键断电。

(2)实现伺服电机的闭环控制。由于选用伺服电机，转速和扭矩均通过伺服电机通信反馈给定，因此需对伺服电机实现稳定的转速控制，通过伺服电机的转速、扭矩闭环实现被测泵的稳定控制。

(3)具备本地控制和计算机控制功能。通过PLC S7-300使所有的温度、压力、流量等信号在工控机界面上显示，根据状态信号可实现工控机自动控制，也可在机旁操作。

图6 控制系统实物

2.3 软件设计

测试系统下位机以PLC为控制核心，实现各种电动设备的自动控制，保证设备的可靠运行。下位机软件在Step7环境下用梯形图语言开发。上位机软件以LabVIEW为开发平台进行开发。上位机软件界面如图7所示。

图7 试验台人机交互界面

试验人员通过软件界面完成不同类型的试验和性能数据的记录、查看等。控制软件界面分为两大部分，左侧是参数设定和记录区，右侧是运行状态显示区，提示各阀件开关状态，实时显示回路各处运行数据。

综合上述设计措施，最终加工得到的试验台实物如图8所示。开展某型四象限泵的测试，测试效果良好，能够达到一次安装、完成所有项目测试的目的，极大地提高了研制试验效率。

图8 试验台实物

3 结论

针对四象限液压泵的测试需求，从系统的液压原理、电气控制、机械设计等方面提出了具体实施方案，开发出能满足四象限液压泵测试需求的综合试验台。基于工控机中的LabVIEW上位机软件搭建了人机交互界面，开发出能够实时显示测试数据并进行数据储存的友好人机交互上位机软件，为四象限液压泵的试验测试与优化改进提供了保障。