恒速变载工况下瞬时转速波动与液压系统效率关联性实验研究

刘 永，谷立臣

（1.湖北汽车工业学院机械工程学院，湖北 十堰 442002；2.长安大学工程机械学院，陕西 西安 710064；3.西安建筑科技大学机电工程学院，陕西 西安 710054）

1 引言

旋转设备的转速波动信号中包含着丰富的系统运行状态信息，常作为设备运行状态监测、故障诊断的信号源[1-2]。瞬时转速测量方法包括硬件时钟/计数器脉冲计数法和A/D采样软件计数法，两种方法的实质都是为了获得转速传感器单个周期脉冲波形的时间，从而得到转轴等角度间隔的瞬时角速度[3-4]。对于转速信号，如果对非平稳的时域信号直接进行频谱分析会出现频谱模糊现象，因此常转换成角度域的平稳信号进行阶次频谱分析，进而可以提取到波动信号[5]。因此，对转速信号进行阶次频谱分析、提取转轴波动信息的方法已被广泛地应用到机加工设备的运行状态监测及齿轮箱故障诊断上[6-7]。在不同的变转速液压系统中，负载的大小都会直接影响到液压系统的效率[8-10]。

液压系统的效率可以反映系统在不同工况下的能量利用率及运行状态，而测量液压系统效率需要测量泵和液压马达的转速、转矩共4个参数，测量参数多，在实际工程应用中并不方便。本文实验研究的目的是提出一种只测量液压马达瞬时转速1个参数，用提取的转速波动来间接、定性地反映系统效率状况的思路，通过定性地研究恒速、变载工况下液压马达瞬时转速波动与液压系统效率之间的变化关系，为此类液压系统选择高效率的工况参数提供参考。

2 测速方法介绍

采用工控机与数据采集卡采集磁电式转速传感器输出的方波电压信号示意图，如图1所示。磁电转速传感器经过钢制测速齿轮感应产生类正弦波形，经过传感器内部电路整形、放大输出5V幅值的电压信号。

图1 磁电式转速传感器方波A/D采样示意图Fig.1 The A/D Sampling Schematic Diagram of the Square-Wave with the Magneto-Electric Speed Sensor

瞬时转速可由下式测量得到：

式中：fc—数据采集卡设置的采样频率；Z—齿轮的齿数；N—一个周期信号的采样点个数。采样频率fc和齿数Z—常量，因此只要测出图1中一个信号周期的采样点个数N，即可获得瞬时转速值。

设计的测速算法为软件计数法，其过程为：先设置阈值电压判断高、低电压，再对图1中的高、低电压分别进行采样点计数，计数数值为N1、N2，对N1、N2求和，从而获得一个周期信号的采样点个数N，代入式（1）后即可测得瞬时转速。

3 转速波动提取方法介绍

转速波动提取方法的流程图，如图2所示。转速传感器的模拟方波信号经过工控机上数据采集卡采集后，对离散采集点重构得到的波形采用式（1）的测速算法测得时域转速值。由于存在测量误差，时域中的转速波动并非真实的波动信号。将时域转速值转换成角度域转速值，提取一阶次的波动值，再转换到时域进行波动分析。

图2 瞬时转速波动提取流程图Fig.2 The Flow Chart of the Instantaneous Speed Fluctuation Extraction

在时域由于转速波动的存在，即使在平稳工况，每个方波的采样点个数并不相同，此时转速为非平稳周期信号，经过傅立叶变换后会出现频谱模糊现象。而在角度域测速齿轮每转过一个齿后得到一个转速值，为等角度间隔采样，即使在非平稳工况，转速也是平稳周期信号，经过傅立叶变换后不会出现频谱模糊现象。这是测量转速值从时域转换到角度域的目的。

4 实验测试分析

搭建的实验台原理图，如图3所示。

图3 实验台原理图Fig.3 The Principle Diagram of the Experiment Table

此系统为变转速液压系统。动力源为伺服电机13与齿轮泵14，执行元件为柱塞液压马达3。液压马达3与减速器5的连轴器上安装了测速齿轮4，磁电式转速传感器8安装在正对着测速齿轮4的支架上。在工控机上用LabVIEW软件编制测控程序，通过改变电机转速进而可以调整液压马达的转速。模拟加载元件为磁粉制动器6，在LabVIEW软件中输入加载电压，通过电流变换器7转换为励磁电流，在磁粉制动器6上产生加载力矩。

实验台的测控结构图，如图4所示。

图4 测控结构图Fig.4 The Diagram of the Measurement and Control Structure

采用的是研华工控机，采集板卡为PCI-1711，最大采样频率可达100kHz。2路模拟量输出通道通过接线端子分别连接伺服控制器和电流变换器，控制对象为伺服电机转速、磁粉制动器加载力矩，LabVIEW软件输出（0～10）V的控制电压线性对应电机转速（0～2000）r/min、系统加载压力（0～12）MPa。16 路模拟量输入通道可以采集转速、压力、流量、温度、电机电流及电压的测量信号。采集压力、流量、温度、电机电流与电压的电压信号数据经过标定处理后可得到对应的物理量数值。

对图3中8磁电式转速传感器产生的幅值为5V的电压方波信号采集后，由式（1）通过在软件中编制计数测速算法可以得到液压马达瞬时转速测量值。液压马达瞬时转速波动信号是通过图2所示的信号提取方法获得。液压系统效率是通过测量泵输入功率和液压马达的输出功率获得。

由于早期实验台搭建时未安装转矩传感器及液压马达出口压力传感器，测试量做了一些调整与近似替代，所以测量值与真实值存在误差。图3中3手动变量柱塞液压马达机械效率铭牌上标识为93%，液压马达内泄油路与回油连通，出口压力较小，忽略了液压马达机械效率和出口压力，用实际系统压力代替液压马达进、出口压力差，用理论输出转矩代替实际转矩，理论输出转矩通过液压马达排量和测量的系统压力近似获得，从而得到液压马达的近似输出功率。电机为永磁交流伺服电机，发热量小、电机效率高，且电机与泵用刚性联轴器连接，摩擦机械功率损耗小，因此泵的输入功率用电机的输入功率近似代替。电机的输入功率用图3中测量的17霍尔传感器电流、电压信号获得。由于忽略了电机、液压马达的效率，测量的液压系统效率相比实际效率会有一定误差，但不会影响研究不同工况下效率的定性变化趋势。这里的实验条件为电机转速开环控制，给定伺服电机转速，液压马达在油液的带动下旋转。为了使采样重构波形与传感器输出波形接近，提高液压马达瞬时转速的测量精度，实验时在LabVIEW软件中设置10kHz的高采样频率。

电机转速恒定而载荷斜坡变化时的液压马达瞬时转速及转速波动、液压系统压力及效率变化曲线图，如图5所示。工况条件为设定电机转速500r/min恒定，图3中模拟加载元件6磁粉制动器输入电压设定为（1～4）V斜坡变化，斜率为0.2。从图5（a）可以看出，实际液压马达转速从510r/min 左右下降到460r/min 左右。原因是在负载的作用下，系统内部油液内泄、压缩增大，系统中的内部流量损失增大。马达瞬时转速在高速段510r/min左右时，转速波动在（0～2）r/min左右波动；在低速段460r/min左右时，转速波动在（0～5）r/min左右波动。结合图5（a）、图5（b）可以看出马达瞬时转速在高速段510r/min左右时，液压系统的效率在平均76%左右上下波动，波动范围约为（70～82）%，系统平均压力在2.2MPa左右；马达瞬时转速在低速段460r/min左右时，液压系统的效率在平均60%左右上下波动，波动范围约为（58～62）%，系统平均压力在6MPa左右。转速变化趋势与系统效率变化趋势相同，与压力变化趋势相反。低速段马达转速波动大，系统平均效率低，瞬时效率波动小，在高速段呈相反的变化规律。

图5 转速斜坡工况Fig.5 The Slope Working Condition of the Rotational Speed

电机转速恒定而载荷正弦变化时的液压马达瞬时转速及转速波动、液压系统压力及效率变化曲线图，如图6所示。工况条件为设定电机转速500r/min恒定，图3中模拟加载元件6磁粉制动器输入电压极小、大的幅值1V、4V，周期15s正弦变化。从图6（a）、图6（b）可以看出，液压马达转速也呈正弦波动变化，负载压力大时，转速低，反之则变化趋势相反。

马达瞬时转速在极小值460r/min左右时，转速波动在（0～4）r/min左右波动；在极大值510r/min左右时，转速波动在（0～1）r/min左右波动。结合图6（a）、图6（b）可以看出马达瞬时转速在极小值460r/min左右时，液压系统的效率在平均60%左右上下波动，波动范围约为（58～62）%，系统平均压力在6MPa左右；马达瞬时转速在极大值510r/min左右时，液压系统的效率在平均76%左右上下波动，波动范围约为（72～80）%，系统平均压力在2.1MPa左右。转速变化趋势与系统效率变化趋势相同，与压力变化趋势相反。低速值附近马达转速波动大，系统平均效率低，瞬时效率波动小，在高速值附近呈相反的变化规律。转速波动、系统效率曲线也以周期15s正弦变化。

图6 转速正弦工况Fig.6 The Sine Working Condition of the Rotational Speed

电机转速700r/min恒定而载荷阶跃变化时的液压马达瞬时转速及转速波动、液压系统压力及效率变化曲线图，如图7所示。工况条件为设定电机转速700r/min恒定，图3中模拟加载元件6磁粉制动器输入电压设定为1-4-1V 阶跃变化。从图7（a）可以看出，在9s左右时刻负载阶跃变化，实际液压马达转速从720r/min左右下降到670r/min左右。马达瞬时转速在高速段720r/min左右时，转速波动在（0～2.5）r/min左右波动；在低速段670r/min左右时，转速波动在（0～5）r/min左右波动。

图7 转速阶跃工况Fig.7 The Step Working Condition of the Rotational Speed

结合图7（a）、图7（b）可以看出马达瞬时转速在高速段720r/min 左右时，液压系统的效率在平均70%左右上下波动，波动范围约为（66～74）%，系统平均压力在2.6MPa左右；马达瞬时转速在低速段670r/min左右时，液压系统的效率在平均60%左右上下波动，波动范围约为（58～62）%，系统平均压力在6.6MPa左右。同样地，转速变化趋势与系统效率变化趋势相同，与压力变化趋势相反。低速段马达转速波动大，系统平均效率低，瞬时效率波动小，在高速段呈相反的变化规律。

5 结论

在电机转速恒定的工况条件下，通过在液压实验台上改变磁粉制动器加载电压从而调节液压马达轴上的负载力矩，改变系统压力，研究瞬时转速波动与液压系统效率、压力的关联性。实验结果表明：随着负载的增大，液压马达瞬时转速会出现降低，液压马达转速低时，转速波动增大，液压系统效率降低，瞬时效率波动减小；反之，则变化趋势相反。提出了通过液压马达瞬时转速波动间接、定性地监测液压系统效率的新思路，为恒定的电机转速工况条件下，选择合适的液压马达负载范围、减小转速波动、提高液压系统效率提供了参考和借鉴。