新型矿用泵、马达综合试验台的设计与研究

张鑫，任现立，赵龙，任来红

(1.山东科技大学机械电子工程学院，山东青岛266590;2.山东煤机装备集团有限公司，山东泰安 271000)

0 前言

液压泵、液压马达作为液压系统的动力元件和执行元件，其性能的优劣直接影响着整个液压系统的性能［1］。所以，必须对已修复的泵、马达进行性能测试才能装机正式使用。兖矿集团机电设备制造厂以前有一台泵、马达试验台，但是操作繁琐、测试精度低，大部分测试数据需人工读取和记录，而且许多重要的性能参数无法达到测试要求。因此，某大学与某制造厂联合研制了一套泵、马达综合试验台，不仅可以满足测试泵和马达的各项性能指标要求，而且实现了测试数据的计算机自动采集与处理，这对提高泵、马达的检修质量，保证煤矿高产高效具有非常重要的意义［2］。

1 泵、马达综合试验台的组成和试验方案的设计

1.1 泵、马达综合试验台的组成

液压泵、液压马达综合试验台根据国家标准规定进行设计，可完成对采煤机和掘进机的各种泵、马达的排量验证试验、效率试验、变量特性试验、自吸试验、噪声试验、超速试验、超载试验、满载试验、效率检查试验等［3］。该试验台主要由液压系统、泵/马达试验平台、计算机数据自动采集与处理系统、控制柜及冷却系统等组成。

1.2 试验方案的设计

图1为液压泵试验连接示意图。

图1 液压泵试验连接示意图

将图1中A1、B1口分别与泵的进出口连接，即可进行泵试验。试验时，被试泵由1台160 kW变频调速电机驱动，电机转速由变频控制柜的旋钮及工控机设定，完成被试泵不同转速的试验。

图2为液压马达试验连接示意图。

图2 液压马达试验连接示意图

将图2中的A2、B2口与加载马达的进出口连接，E1(E2)、F1(F2)口与被试马达的进出口连接，即可进行马达试验。根据被试马达的输出扭矩，将大扭矩马达和小扭矩马达通过减速器与加载马达连接，分别采用20 000 N·m和2 000 N·m两台转矩转速传感器进行检测，以提高测量精度。

系统中设置一个多通块，如图3所示，液压泵、马达综合试验台的所有压力、温度传感器都连接到多通块上，便于维护。从液压泵试验变为液压马达试验时，只需调整截止阀，不用调换油管，既减轻了工人的劳动量，又避免了因油管调换不当而导致的喷油等事故的发生。

图3 多通块油路布置示意图

2 液压系统

液压系统主要包括双联叶片泵、整流阀组、比例溢流阀等构成的补油加载回路，比例变量泵、电液换向阀、高压比例溢流阀等构成的高压供液回路，高压控制泵、电磁换向阀、高压比例溢流阀等构成的先导控制回路，其工作原理如图4所示。

图4 液压系统原理图

为了简化结构、操作方便、节约成本，液压泵、马达综合试验台共用一套液压加载系统。在补油加载回路中，电动机3驱动双联叶片泵5，通过电磁卸荷阀8和9的切换实现给不同排量的被试泵 (加载马达)补油。低压比例溢流阀12调节系统的补油压力，被试泵 (加载马达)出口设有高压比例溢流阀17，可以调整加载压力实现被试泵、被试马达的加载试验。整流阀组13保证不管被试泵 (加载马达)正转还是反转，均能为其吸油口补油［4］。

高压供液回路中，电动机38驱动比例变量泵40为被试马达供液，其排量可远距离比例调节。高压比例溢流阀45调整其供液压力，液压马达的正反转由电液换向阀46控制，泄漏口与L口相连，泄漏量由流量计26与流量传感器27测量。

在先导控制回路中，高压控制泵53输出的油液压力通过比例溢流阀55调节，K口为负载敏感型被试泵提供压力可变的控制油液。为保证可自吸的被试泵具有合适的进出口压力，防止冲坏油封，因此单独引出进回油管路，采用截止阀切换。这样G口可与自吸泵的排油口相通，H口与进油口相通，构成一个自吸泵加载回路。

3 计算机数据自动采集与处理系统的设计

液压泵、马达综合试验台数据由计算机自动采集和处理［5］。试验时，信号由相应的传感器进行检测。油液压力、流量、温度信号进入PCI1713U模拟量输入卡，再经数据采集卡进入上位机，经过上位机处理后的信号由PLC模拟量模块输出到二次仪表，二次仪表对信号进行放大，经滤波与电流/电压转换后，进行数字显示［6］。转速、转矩、功率信号由 RS232通讯直接进入平板电脑。两种信号分别由工控计算机的测控软件进行数据处理，如数字滤波、存贮、显示等。两套数据显示方式互相独立，可以相互验证，提高试验数据的可信度。变频器、调零电机、换向阀以及试验台风扇按钮状态信号用PLC数字量模块采集处理后输出到对应的控制元件，执行相应的动作。数据采集与处理的信号流程如图5所示。

图5 信号流程图

计算机辅助测试软件是基于Windows操作系统，采用美国 NI公司的 LabWindows/CVI 2012开发［7］。下位机以西门子STEP7开发的PLC程序为核心［8］，采用梯形图的编程方式实现各种电动设备的自动控制，保证设备的可靠运行。

4 测试结果分析

以液压泵试验为例，测试的人机界面如图6所示。在人机界面上可以对试验类型、加载方式、实时数据监控和压力、流量关系显示。

图6 LabWindows环境下的液压泵试验界面

对已修复的A11VO145变量泵进行测试，其加载的额定压力为17.5 MPa，输出的试验报告如表1所示，泵的压力、流量关系如图7所示。

表1 A11VO145变量泵试验报告

图7 泵压力、流量关系图

由表1和图7可得，随着泵输出压力 (加载压力)的不断升高，其输出流量、转速逐渐降低，但降低幅度很小。泵由空载加至超载，输出流量只降低了3.77%，转速降低了0.5%，输入转矩和输入功率不断增大，符合理论规律。泵的容积效率为:

式中:Q为泵输出流量;n为泵的转速;V为泵的排量。

泵的容积效率随着加载压力的增大，泄漏也随之增加，容积效率逐渐减少。A11VO145变量泵出厂时的容积效率为95%，经修复后测试，达到了各项性能指标，满足正常使用要求。

5 结论

泵、马达综合试验台研制成功后，现已在兖矿集团机电设备制造厂投入使用3个月，共完成泵试验100余次，马达试验近150次。使用情况表明，该试验台运行平稳、可靠，满足各项试验要求，测试精度高，操作简便，具有很强的实用性，对提高泵、马达的检修质量，保证煤矿高产高效具有非常重要的意义。

［1］罗宁.功率回收式液压泵性能试验系统设计及研究［D］.长沙:中南大学，2011.

［2］孙锡春，王东.采煤机综合测试系统的设计［J］.煤炭技术，2007(2):22－23.

［3］姜万录，杨超，牛慧峰.液压泵、马达试验台技术概况［J］.机床与液压，2005(8):1－3.

［4］刘广军.矿用电动机加载试验台的设计［J］.煤炭技术，2006(2):24－25.

［5］李辉.多功能液压测试试验台的开发和研究［D］.武汉:华中科技大学，2006.

［6］邓亚峰，王占林，裘丽华.一种液压综合试验台调速系统的设计与实现［J］.机床与液压，2005(7):115－116.

［7］黄琳.基于虚拟仪器的液压试验台CAT系统设计［D］.杭州:浙江大学，2006.

［8］黄建龙，刘明哲，王华.液压综合试验台及其监控系统的研究［J］.液压与气动，2007(10):10－12.