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浙江工业大学硕士学位论文 基于虚拟仪器的变量泵测试系统研究 摘要 为了满足静压传动实验室在变量泵研究时对测试系统低成本、多 功能的要求，本文对变量泵性能参数测试方法进行了分析和研究，提 出了基于虚拟仪器的变量泵测试系统解决方案。 在研究过程中，设计了双向变量泵功率回收系统试验回路，并对 功率回收效果进行了分析计算；采用p x i 系统，完成了虚拟仪器测试系 统硬件设计；提出了在l a b v i e w 虚拟仪器软件平台上，采用三层递进 式模块化设计开发测试软件的方法，设计开发了变量泵性能测试软件 ， 和变量泵试验数据管理软件。在性能测试软件中，由m a x ( m e a s u r e m e n t & a u t o m a t i o ne x p l o r e r ) 仓l j 建数据采集任务，采用d a q m x 驱动系统实现了数据采集，通过l a b s q l 接口软件，实现了l a b v i e w 试 验数据至l j a c c e s s 数据库的存储。在试验数据管理软件中，通过l a b s q l 实现了试验数据的查询和读取；读取数据后由数据处理程序完成对变 量泵特性值的计算，并实现计算结果的最小二乘法曲线拟合与特性曲 线选择显示；介绍了如何使用l a b v i e wr e p o r tg e n e r a t i o n 诸节点实现打 印试验报表的方法。试验结果表明：该基于虚拟仪器的变量泵测试系 统满足变量泵性能测试的基本要求，具有一定的实际应用价值。 关键词： 变量泵，功率回收，虚拟仪器，l a b v i e w , p x i ，l a b s q l r e s e a r c ho nt e s t i n gs y s t e mf o r v a r i a b l e d i s p l a c e m e n tp u 口b a s e do n v i i u a l a b s t r a c t i nt h i sd i s s e r t a t i o n , at e s t i n gs y s t e mb a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n tf o r p e r f o r m a n c ec h a r a c t e r s o fv a r i a b l e d i s p l a c e m e n th y d r a u l i cp u m pi s d e v e l o p e ds o a st om e e tt h er e s e a r c h r e q u i r e m e n to fh y d r o s t a t i c t r a n s m i s s i o nl a b o r a t o r y t h ei e s e a r c hw o r k m a i n l yc o m p r i s e s ： d e s i g no fh y d r a u l i cs y s t e mp r i n c i p l ed i a g r a mw i t hp o w e rr e c o v e r y f u n c t i o nf o rv a r i a b l ed i s p l a c e m e n tp u m p t e s t i n ga n da n a l y s i so ni t s e f f i c i e n c y ； d e i g no fh a r d w a r ef o rt e s t i n gs y s t e mw i t hp x id a t aa q u i s a t i o n s y s t e m ； d e v e l o p m e n t so fs o f t w a r ef o rv a r i a b l ed i 印l a c e m e mp u m pt e s t i n g s y s t e ma n dm e a s u r e m e n td a t am a n a g e m e n ts y s t e m t h ed e v e l o p m e n to f t e s t i n gs o f t w a r ef o rh y d r a u l i cp u m pp e r f o r m a n c e i sa c h i e v e d b y c r e a t i n g d a t a a c q u i s i t i o n t a s kw i t hm a x ( m e a s u r e m e n t & a u t o m a t i n o ne x p l o r e o ，e m p l o y i n gd a q m xd r i v e rs y s t e m t or e a l i z ed a t a a c q u i s i t i o n ，l o g g i n gd a t ai n t oa c c e s sd a t a b a s ew i t hl a b s q l i i 浙江工业大学硕士学位论文 w h i c hw o r k sa sai n t e r f a c eb e t w e e nl a b v i e wa n da c c e s s t e s t i n gd a t a m a n a g e m e n ts y s t e mc a l lf e t c hd a t at h r o u g hl a b s q l ，t h e nw o r k so u tt h e p e r f o r m a n c ec h a r a c t e r sa n dc a nd i s p l a yo p t i o n a lp e r f o r m a n c eg r a p ho f t h e s ec o m p u t i n gr e s u l t sr e a l i z e dw i t hc u r v e 凤i n gv i ；p r i n t i n g r e p o r t f u n c t i o nc a l lb ee x e c u t e db y r e p o r tg e n e r a t i o nn o d e so f l a b v i e w e x p e r i m e n tr e s u l t sa p p r o v et h a tt e s t i n gs y s t e mf o rh y d r a u l i cp u m pc a l l m e e tt h er e s e a r c hr e q u i r e m e n t sf o rh y d r a u l i cp u m pp e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：v a r i a b l ed i s p l a c e m e n t p u m p ，p o w e rr e c o v e r y , v i r t u a l i n s t r u m e n t , p x i ，l a b v i e w , l a b s q l l 渐江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑囊声踞：蕊提交的学侥论文楚本人在导卿的撵导下，独立进行研 究王搀所联褥懿瑟究或桑。豫文中已经趣疆拣洼引瑁躲浅容辨，本逡文不包 含其馋个人成集体已经发表或撰写过的研究成果，也不禽为羧缮激江工业大 学或其它毅肖机构的学位证书而愤j 4 过的材料。对零文的研究作出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 棒誊签窦：壶、1 式 鑫麓：胁年岁嚣；j 嚣 学位论文版权使用授权书 本学位浚文傺者完全了解学较毒关绦嫠、捷嗣学位涂文麓燕囊，嚣意学 校保留并国翻窳肖关部门或机构送交论文的复印件翘电子敝，免许论文被查 阅和借阋。奄人授权 折江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库避行检索，可以采用影印、缩印或扫描锋复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文矮子 1 、曝密登，在年解密磊遥羽本援投书。 2 、不保密涩。 ( 清在以上相应方榧内打“4 ”) l 警者整名： 导灏嚣名； 割戡 妥t 争 霸麓：耍* s 年 翻期：钳年 f 月 瓣 f 嗣l 强 浙江工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 液压c a t 系统发展概况 1 1 1 液压c a t 系统的研究现状 液压计算机辅助测试( c o m p u t e ra i d e dt e s t ) ，简称液压c a t ，所涉及范围包括 液压、自动控制、微型计算机、测试技术、数字信号处理、可靠性等学科。液压 c a t 是利用计算机建立一套数据采集和数字控制系统，与试验台连接起来由计算机 对各试验参数，如压力、流量、温度、转速、转矩等进行数据采集、量化和处理 并输出测试结果。在试验过程中，计算机还可根据数字反馈或人工输入要求，对 测试过程进行控制，达到计算机密切跟踪和控制试验台及试件状态的目的，从而 高速、高精度完成对液压泵的性能测试【i 】。液压泵c a t 系统在提高测试精度、测试 速度、测试的重复性和可靠性方面，以及在节省人力和能源方面提供了必要的保 证，因此受到了普遍的重视。 在国外，由于微机和电子技术发展较早、较快，水平较高，其c a t 系统性能也 较高。有许多液压件制造公司已把c a t 用于产品的研制开发、设计定型、生产定型 和出厂的检验。如s u n d s t r o n 公司的液压传动实验室的c a t 系统，日本制钢所的 柱塞泵效率试验台等。目前多数液压元件生产厂家都有自己的液压元件c a t 系统。 我国已研制出一些具有较高性能的液压计算机辅助测试系统，如机械部北京 自动化所研制的液压元件计算机辅助测试系统可完成多种阀及泵的性能测试；北 京理工大学研制的液压泵( 液压马达、液压泵一液压马达传动系统) 工作特性的 计算机辅助实验系统；上海交通大学及昆山液压件厂共同研制的液压阀特性试验 系统等等【”。许多厂家也用c a t 系统来进行液压元件的出厂检验。这些c a t 系统大 都实现了动态测试，数据处理能力增强，功能大大增加。但这些试验台不都是针 对液压泵的，所以不能对泵进行很好的测试或不能全面的进行测试，计算机主机 性能和测试软件功能也有待进一步增强。 浙江工业大学硕士学位论文 1 1 2 液压c a t 系统的发展趋势 与液压c a t 密切相关的是测控仪器。其发展经历了模拟仪器、带g p i b 接口的 智能仪器到全部可编程的虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，简称v 1 ) 的历程。虚拟仪器 的出现与应用，使c a t 技术进入一个崭新的发展阶段【2 1 。它将是本文的一个研究重 点。 对于液压泵c a t ，其发展离不开计算机丰富的软硬件资源。 在硬件上，对于主机，传统的液压泵c a t 系统采用单片机，而现在研制的液压 泵c a t 系统多采用p c 机，或用p c 机进行数据处理，用单片机来控制执行器，p c 机 的c p u 速度不断提高，采用的先进技术极大的提高了测试系统的数据处理能力， 现在一般p c 的时钟频率都到2 g h z 以上，对于输入输出接口，以前的采集卡8 1 2 b i t 精度，4 - - 1 6 个通道，采样速率几k h z ，少数采集卡有1 6 b i t 精度，3 2 个通道，几百k h z 。 现在的数据采集卡的采样速率已达到1 g b s 以上，精度高i 盘_ 2 4 位，通道数6 4 个以上， 有些有1 2 8 个通道，并能任意结合数字i o 、模拟输出和计数器定时器通道。对于 总线技术，过去多采用i s a 总线，它是一种8 b i t 或1 6 b i t 非同步数据总线，工作频率 8 m h z ，数据传输率在8 b i t 时为1 m b s ，在1 6 b i t 时为2 m b s ，性能较低，而现在采用 的p c i 总线，是一种同步的独立于c p u 的3 2 b i t ，6 4 b i t 局部总线，最高工作频率为 3 3 m h z ，数据传输率为2 m b s ，其性能大大提高。1 9 9 7 年9 月，n i ( 美国国家仪器 公司) 发布了一种全新的开放性模块化仪器总线规范一p 总线，是在p c i 总线内 核技术上增加了成熟的技术规范和要求形成的，而由p x i 总线组成的系统则具有较 高的性价比。关于p x i 系统，将在后续章节中作详细介绍。 在软件上，对于系统软件，过去是采用d o s 操作系统，现在采用 w i n d o w s 9 8 n 1 2 0 0 0 ) ( p 操作系统。w i n d o w s 操作系统的图形用户接口( g u i ) ，大 大改善了测试系统的运行界面，其多任务和多线程能力大大增强了数据采集卡的 性能。尤其是多线程可将用户界面显示与数据采集分配在不同线程上，降低数据 采集与用户界面显示的干扰，使每个线程能独立的以最快速度运行，充分提高系 统的测试速度。对于应用软件，过去的液压泵c a t 系统因其用单片机做主机，多用 汇编语言编写软件，后来由于p c 机的使用改由汇编语言和高级语言混合编程。目 前，很多系统普遍采用鼽j a l c + + ，v i s u a lb a s i c ，d e l p h i 等可视化编程语言环境进 行编程，大大缩短了测控软件的开发时间。而崭新的图形化编程语言环境，如 2 l|，驽自渤鲨 浙江工业大学硕士学位论文 l a b v i e w ，l a b g r m d o w s c v i 等的出现，使测控技术迈向了一个新时代。它们把复 杂的语言编程简化成菜单选择或用线条连接功能图标的简单方式，节省了编程时 间，而运行速度却不受影响。应用软件的发展推动了虚拟仪器的产生和发展，在 液压c a t 中应用虚拟仪器，可节省信号源、示波器、信号分析仪等测试设备，大大 降低实验成本。网络和通信技术的发展使得远程检测与控制成为可能，通过网络 和应用软件，可以联网测试，并将试验数据传送到网络中的每一台计算机上【3 】。 由于计算机软、硬件技术、通信技术、网络技术的发展，测试技术得以和计 算机技术深层次结合，推动了计算机辅助测试技术的不断进步，液压泵c a t 系统也 必将越来越高速、高效，必将向智能化、网络化、多功能化和多样化的方向发展。 1 2 虚拟仪器简述 虚拟技术、计算机通讯技术与网络技术是信息技术最重要的组成部分，它们 被称为2 1 世纪科学技术中的三大核心技术。虚拟技术蕴含的巨大潜力，使发达 国家趋之若骛，在这一领域的研究上投入巨资，希望有朝一日能在它的带动下率 先进入信息时代，而把工业时代远远地抛在后面12 0 世纪8 0 年代首先在美国兴起和 发展起来的虚拟仪器无疑是虚拟技术领域中的重要组成部分，因此它成为发达国 家研究开发的热点技术之一5 l 。 1 2 1 虚拟仪器的概念和特点 虚拟仪器是指通过应用程序将通用计算机与功能化模块硬件结合起来，用户 可以通过友好的图形界面来操作这台计算机，就像自己定义、自己设计的一台单 个仪器一样，从而完成对被测试量的采集、分析、判断、显示、数据存储等。与 传统仪器一样，它可分为数据采集、数据分析处理、显示结果三大功能模块【6 l 。 虚拟仪器以透明方式将计算机资源和仪器硬件的测控能力相结合，实现仪器 的功能运作。应用程序将可选硬件( 如g p i b ，v x i ，r s - 2 3 2 。d a q ) 和可重复使 用源码库函数等软件结合实现模块间的通信、定时与触发，源码库函数为用户构 造自己的虚拟仪器系统提供基本的软件模块。 虚拟仪器具有以下特点： ( 1 ) 它是一种功能意义上而非物理意义上的仪器。v i 通过硬件接口和仪器驱 浙江工业大学硕士学位论文 动实现了与测控设备的硬件通信，将信号采集、分析与处理等结合成一体。虚拟 仪器体现了“软件就是仪器”的现代仪表发展观念。 ( 2 ) 虚拟仪器具有图形化用户界面，体现“所见即所得”的思想。在各种虚 拟仪器中，用可设置选项和控制输出结果的软面板取代了传统仪器的控制面板。 ( 3 ) 虚拟仪器采用了模块化结构，系统具有良好的开放性和可扩展性。虚 拟仪器软件的开发基于模块化的设计思想，并大量运用动态链接库，类库和函数 库，代码具有良好的可重复性。 ( 4 ) 虚拟仪器的更新速度快，可维护性好。用户可定制其结构和功能。由于 它的核心是软件程序，在一定开发环境下，用户可以对现有的虚拟仪器程序作二 次开发，修改，增加原有仪器的功能。与开发电子仪器相比，开发周期可大大缩 短。 1 2 2 虚拟仪器的分类和结构 虚拟仪器随着微机的发展和采用总线方式的不同，要分为五种类型 7 2 s l 。 第一类：p c 总线插卡型虚拟仪器 这种方式借助于插入计算机内的数据采集卡与专用的测试软件( 如l a b v i e w , h p v e e 等) 相结合，完成测试任务。它充分利用计算机的总线、机箱、电源及软 件的便利。但它的关键取决于a d 转换技术。这类仪器受p c 机箱和总线限制，并 存在电源功率不足、机箱内部噪声电平较高、插槽数目不多，插槽尺寸较小，机 箱内无屏蔽等缺点。插卡式仪器最便宜，因个人计算机数量非常庞大，用途广泛， 特别适合于教学部门和各种实验室使用。 第二类：并行口式虚拟仪器 最新发展的一系列可连接到计算机并行口的测试装置，它们把硬件集成在一 个采集盒里或一个探头上。软件安装在计算机上，通常可以完成各种虚拟仪器的 功能。典型产品有l i n k 公司的d s o - 2 1 x x 系列数字示波器。它们最大好处是可以与 笔记本电脑相连，方便野外作业，又可与台式电脑相连，实现台式与便携式两用。 第三类：g p i b 总线方式的虚拟仪器 g p i b 技术是i e e e a t 8 8 标准的虚拟仪器早期的发展阶段。它的出现使电子测量 由独立的单台手工操作向大规模自动测试系统发展，典型的g p i b 系统由一台p c 4 ；翻霭溺 浙江工业大学硕士学位论文 机、一块g p i b 接口卡和若干台g p i b 式的仪器通过g p i b 电缆连接而成。在标准情况 下，一块g p i b 接口卡可带多达1 4 台仪器，电缆长度可达2 0 米。 g p i b 技术用计算机实现对仪器的操作和控制替代传统的人工操作方式，形成 大型自动测量系统。g p m 测量系统的结构和操作命令简单，造价较低，主要市场 在台式仪器市场，适合在要求高精度但不要求对计算机高速传输的状况下应用。 第四类：v x i 总线方式的虚拟仪器 v x i 总线是一种高速计算机总线 v m e 总线在v i 领域中的扩展，它具有稳定的 电源，强有力的冷却能力和严格的r f i e m i 屏蔽。由于它具有标准开放、结构紧凑， 数据吞吐能力强，定时和同步精确，模块可重复利用，众多仪器厂家支持等优点， 很快得到广泛的应用。经过十多年的发展，v x i 系统的组建和使用越来越方便，尤 其是组建大、中规模自动化测量系统以及对速度、精度要求高的场合，有其他仪 器无法比拟的优势。但组建成v 总线要求有机箱、零槽管理器及嵌入式控制器， 造价比较高。 第五类：p x i 总线方式的虚拟仪器 p x i 总线方式是在p c i 总线内核技术上增加了成熟的技术规范和要求形成的， 如多板同步触发总线的参考时钟。用于精确定时的星形触发总线，以使用于相邻 模块的高速通信的局部总线。p x i 具有8 个扩展槽，而台式p c i 系统只有3 4 个扩展 槽，通过使用p c i p c t 桥接技术，可扩展至1 j 2 5 6 个扩展槽，台式p c 的性能价格比和 p c i 总线向仪器领域的扩展优势结合起来，将形成未来主要的虚拟仪器平台。 1 3 课题背景和研究意义 1 3 1 课题背景 “静压传动元件及系统”是浙江省“重中之重”学科“先进制造与装备”建 设的研究方向。为了考核产品的技术参数及质量，需建设用于变量泵性能测试的 试验台。该试验台的设计要充分考虑对后续产品如高速马达以及静压传动系统的 研究，要求测试功能可扩展性强，成本低；此外要求不仅完成数据的采集、存储 和测试参数状态实时显示，还应具备基于数据库的试验数据处理和分析功能。 浙江工业大学硕士学位论文 1 3 2 研究意义 正是基于上述背景，结合当前液压泵c a t 技术的发展和虚拟仪器技术的优越 性，本课题以基于虚拟仪器的变量泵测试系统的分析与设计作为主要研究内容， 根据变量泵的性能指标和测试要求，为实现变量泵性能自动化测试而提出一个应 用型研究项目。 液压泵是液压系统的“心脏”，对液压泵进行性能测试是辨别其性能优劣的重 要手段，并能通过测试提出结构设计或改进的方案，提高工艺水平和促进产品升 级。基于虚拟仪器的变量泵测试系统是投资较少、效益较高的重要手段，能提高 测试的精度，提高测试的自动化程度。因此，本论文工作的开展将促进变量泵的 研究，促进虚拟仪器在液压泵测试中的应用。 1 4 本课题的研究内容 本课题的研究内容主要为以下几个方面： ( 1 ) 确定变量泵试验项目和试验方法； ( 2 ) 具有功率回收功能的液压回路设计； ( 3 ) 虚拟仪器测试系统硬件设计； ( 4 ) 变量泵性能测试软件开发： ( 5 ) 变量泵试验数据管理软件开发。 1 5 本章小结 本章主要阐述了液压c a t 的概念，并对国内外该领域所取得科研成果作了横向 对比，指出了液压泵c a t 发展的趋势；并对虚拟仪器进行了概括的介绍。在说明课 题来源的基础上，指出了本课题研究的意义和主要研究内容。 6 浙江工业大学硕士学位论文 第二章变量泵测试系统总体方案设计 2 1 液压实验的分类与实验标准 随着液压技术应用范围日益广泛，对液压元件及系统的质量和性能要求越来 越高。使用者和设计者都需要充分了解它们的性能，故必须通过实验对它们作出 全面的考核，得到各种详细的性能数据，同时可发现设计和制造上的一些缺陷。 2 1 1 液压实验的分类 一般有两种分类方法，一是按实验内容分；一是按实验性质分【9 】。 按实验内容分有 性能实验：旨在获得被试对象的静态和动态性能参数( 或指标) 。如液压泵的排 量、容积效率、溢流阀的启一闭特性、电液伺服阀或电液伺服系统的频率特性等。 寿命实验：目的在于考核被试对象在额定工作状况下，连续工作某一规定的 时间之后的性能。它表示保证产品性能的有效工作极限寿命。这项实验只对批量 产品进行抽试。 环境实验；目的在于考核被试对象对环境变化的适应能力。这主要是根据产 品的具体使用场合提出的，如高低温、盐雾、真空、振动、大加速度和耐污染等。 耐压实验：为了保证产品的安全、可靠性，并考核某些零件在高压下的强度 和密封件的密封性需要进行此项实验。 按实验性质分有： 科研性实验：为某些科研且的而进行的一些实验项目。要求仔细、精确，并 要求改变一些实验条件和在不同的参数下进行。 型式实验：主要是对某些产品进行全面性能的测试和考核。目的在于产品的 鉴定和新产品的定型。我国制定有液压元件型式实验的实验标准。 出厂实验：主要是针对已定型并且有一定批量的产品，为了保证其使用性能， 选出几项有代表性的性能指标作为合格的标准，在出厂之前必须进行的实验。 7 浙江工业大学硕士学位论文 2 1 2 实验标准 为了统一液压元件的质量标淮和适应国内、外技术交流及贸易的需要而制定 各种实验标准。对于液压元件的实验来说有：i s o 国际标准，国家标准局颁布的国 家标准和各部自行制定的部颁标准等。标准的名称有：液压泵和液压马达实验方 法、液压阀实验方法、电液伺服阀实验方法、液压元件通用技术条件、液压元件 型式实验标准和出厂实验标准等等。 2 2 变量泵试验项目和试验方法的确定 本文所进行的变量泵试验在分类上属于上述的科研性试验，试验内容上属于 性能试验。上文提到的关于“实验项目”、“实验方法”，实际上在很多标准中称为 “试验项目”、“试验方法”，在此不作深究，本文采用后者对于液压泵的试验项 目和方法，我国有一系列的国家标准和部门标准，这些标准有g b7 9 3 6 8 7 、j b t 7 0 3 9 - 9 3 、j b 厂r 7 0 4 0 - 9 3 、j b t 7 0 4 1 - 9 3 、j b t 7 0 4 2 - 9 3 、j b t 7 0 4 3 - 9 3 、j b 厂r 7 0 4 4 - 9 3 、 j b ，r7 0 4 4 - 9 3 、m 1 丌4 8 9 1 9 9 5 等。 参考上述标准，根据测试需要和实验室现有条件，本文确定变量泵试验项目 及试验方法【l o h l 卅如表2 一l 所示。 表2 - - 1 变量泵试验项目及试验方法 序号试验项目内容和方法要求 ( 1 ) 最高转速、空载压 在最大排量、空载压力下，测量最高转速的 排量验证力下的最大排量应在最 l 2 0 - 5 0 中任意一设定转速的排鼍和最高转速 试验高排量9 5 - q 1 0 范围 的排量 ( 2 ) 整个过程运转正常 变量特性 2 按图样及其技术要求或用户要求进行试验 试验 在最大排量、额定转速、空载压力工况下，测 彗吸入口真空度为零时的排量。以此为基准，排量下降l 时，吸入口 3 自吸试验 逐渐增加吸入阻力，直至排量f 降1 时，测量真空度不小于1 6 7 k p a 其真空度 8 浙江工业大学硕士学位论文 续表2 - - i 序号试验项目内容和方法要求 乱在最大捧量、最高转速下逐渐加载至峰值( i ) 绘出2 0 - - 3 5 压力的2 5 左右，测量流量等参数的组 和7 肌8 0 1 2 油温时 一数据的效率曲线 b 按上述方法至少测量峰值压力的4 0 、( 2 ) 绘出等效率特 5 5 、7 0 、8 5 、时的各组数据性曲线 c 转速约为最高转速的8 5 、7 0 、5 5 、( 3 ) 绘出变量泵流 4 0 0 4 时，在上述各试验压力点，分别测量量、效率随压力的变 4 效率试验 与效率有关的数据化特性曲线 d 在进口油温为2 0 - 3 5 和7 0 - + $ 0 条件 下。分别测量在额定转速、最大排量时从 空载压力至额定压力范围内七个以上等 分压力点的容积效率 e 变量泵按其变量特性测定额定转速下的 效率特性 额定工况下，以进口温度9 0 以上时，连续高温连续运转无异 5 高温试验运转至少l h ，试毕后检查额定工况下的容积常现象 效率注：油液粘度根据设计要求 在晟大排量、最高转速或1 1 5 额定转速( 选连续运转i s m i n 以 择其中高者) 丁况f ，分别在空载压力和额上无异常现象 6超速试验 定压力下作连续运转试验。试验时被试泵的 进口油温为3 0 - - - 6 0 在最大排量、额定转速工况下，以最高压力连续运转1 0 h 以上 或1 2 5 额定压力( 选择其中高者) 下作连续无异常现象 7 超载试验 运转试验。试验时被试泵的进口油温为3 0 - - 6 0 8 效率检查完成上述规定项目试验后，测量进口油温为 试验 5 0 2 时，额定工况下容积效率和总效率 9 浙江工业大学硕士学位论文 续表2 - - l 序号 试验项目内容和方法要求 ( 1 ) 连续试验l o 万 在最大排量、额定转速下，冲击频率为1 0 - - 3 0 9 冲击试验次以上无异常现象 次，m i n 。试验时被试泵的进口油温为3 0 - 6 0 1 2 ( 2 ) 记录冲击波形 额定工况下，作连续运转试验。运转过程中定连续运转1 0 0 0 h 无 连续满载 l o 时测量外泄漏、进口温度、泵外壳最高温度等。异常现象( 双向泵正 试验 试验时被试泵的进口油温为3 0 - - 6 0 反各5 0 0 h ) 2 3 基于虚拟仪器的变量泵测试系统组成 上述变量泵试验项目需测试的参量有压力、流量、温度、转矩、转速等，被 测量分布广，数目多且多为动态信号，因此基于虚拟仪器的变量泵测试系统，要 具备一定的自动化水平，满足试验台对测试系统的精度和实时性要求，要实现对 主要测试参量的实时观测，数据的采集、显示、处理与数据库存储，能够实现测 试结果和测试曲线的自动打印。本文确定基于虚拟仪器的变量泵测试系统总体方 案如下： l 试验台动力源采用双输出轴交流电动机，并采用变频调速； 2 试验台液压试验回路采用功率回收的闭式试验回路，由液压马达加载； 3 虚拟仪器硬件采用p 系统； 4 虚拟仪器软件采用l a b v i e w7e x p r e s s 开发平台； 基于虚拟仪器的变量泵测试系统组成【2 】f l 习如表2 2 所示。 表2 - - 2 基于虚拟仪器的变量泵测试系统组成 试验台虚拟仪器测试系统 动力部分台架部分硬件软件 油源装置 试验回路传感器 系统软件 构成 拖动装置 被试泵安装座p x i 系统 加载装置 端子板 d a q 驱动 温度控制系统应用软件 测量连接点嵌入式控制器 2 4 虚拟仪器测试系统总体方案示意图 虚拟仪器测试系统总体方案【1 6 1 如图2 一l 所示： 浙江工业大学硕士学位论文 变 叫亘垂塑卜 量吨壅垂堕卜+ 阳 计 算 机 系 统 泵 端 粥i一 试 叫墅受垂卜予 板 验叫塑耍耍卜 台 + 匿萤耍夏_ - + 图2 - - l 虚拟仪器测试系统总体方案 为了便于计算机进行数据采集，本系统采用的各类传感器除转速传感器外都 带变送器，可输出4 2 0 m a 标准信号，到端子板后，经过电流，电压转换，经由屏 蔽电缆通过数据采集卡进入计算机；转速的脉冲信号可由数据采集卡的计数器测 量其频率而求得转速。 2 5 本章小结 本章确定了变量泵试验项目和试验方法，基于虚拟仪器的变量泵测试系统总 体方案，并最终确定了虚拟仪器测试系统的总体方案，为后续的功率回收试验系 统分析和虚拟仪器测试系统设计奠定了基础。 浙江工业大学硕士学位论文 第三章变量泵试验台方案分析 3 1 试验台的技术要求 变量泵试验台根据双向变量泵的试验要求进行设计，要求系统的最高压力为 4 0 m p a , 额定压力为3 5 m p a ，工作压力为2 0 m p a ，并要求b 级精度，可进行第二 章所确定的试验项目。 3 。2 开式和闭式试验回路 液压泵试验台有开式和闭式试验回路之分。所谓开式试验回路是被试泵从油 箱吸油，且试验回油也回到油箱，不直接参加工作循环。这样油液在油箱中可得 到充分沉淀和逸散气泡，油温也比较稳定。而闭式回路则是试验后的回油不是返 回油箱，而是直接回到被试泵入1 3 。由于中间损耗，回油流量不能满足被试泵的 需要，此部分差值由供油泵提供。对于直接参加循环的回油，则需要通过冷却器 充分冷却，以保证泵吸入油液的温度符合试验要求；另外还需要经过过滤器，以 保证油液符合被试泵对油液的清洁度要求。 静压传动亦分为闭式系统和开式系统两种类型，通常车辆( 包括叉车) 的行 走静压传动系统是闭式系统【1 7 1 1 8 1 ，从元件配置上看，技术比较成熟，但有辅助油 泵无功功率消耗大，无法实现多执行机构的动作要求，以及国产元件难以用于车 辆静压驱动，选用进口元件价格昂贵等固有缺陷。静压传动开式和闭式系统液压 回路如图3 1 所示。 主 主鬟f 士， h = c a ) 开式系统液压回路 ( b ) 闭式系统液压回路 图3 - - 1 静压传动系统液压回路 综合上述分析并根据实验室现有条件，本试验台决定采用开式试验回路。 浙江工业大学硕士学位论文 3 3 液压泵试验的功率回收方法 在液压泵的试验过程中，为了完成规定项目的试验，必须对被试泵按工作条 件进行模拟加载。液压泵试验台一般采用节流阀或溢流阀加载，这样由动力源提 供的能量将被加载器吸收或通过不同途径消耗掉。对于一般的参数测量和短时试 验，如跑合试验、效率试验、冲击试验等，采用非功率回收方式和功率回收方式 均可。非功率回收方式的试验方式比较简单，费用较低，但系统发热量较大，对 系统的冷却回路要求较高。对于大功率液压元件及系统试验，长时间的液压泵寿 命试验、超载试验等，势必造成能量的大量浪费，显然是极不合理的。为了节约 能源和降低成本起见，必须采取措施将这部分能量充分利用起来，即必须考虑功 率回收问题网。 3 3 1 液压泵试验功率回收原理及分析 一般的功率回收方式是将动力源发出的功率传给负载，然后再经过传动装置 ( 机械或液压) 传回动力源循环使用，回收的功率不足以驱动动力源，不足部分 由其他动力源( 如电机或液压泵) 补偿。这就使得功率回收的分类出现两种方法， 一是按所回收功率经过的传动方式不同分为机械反馈和液压反馈型功率回收1 9 1 ； 二是按不足功率的补偿方式不同分为机械补偿和液压补偿的功率回收系统 9 1 。两种 分类方法虽均可，但本文认为以回收功率采用的传动方式来分类较为直接，即本 文采用机械反馈和液压反馈对功率回收方式进行分类。图3 - 2 所示为液压泵机械 反馈功率回收试验系统简图。 图3 2 液压泵机械反馈功率回收试验系统简图 l 一被试泵：2 一驱动电机：3 一加载液压马达 驱动电机为一台双输出轴的交流电机，采用变频调速，其一端与被试件相连， 浙江工业大学硕士学位论文 另一端与加载液压马达相连。三者同轴转动，在运转时转速相同。泵的出口与液 压马达的入口直接连通，因此管道中的压力p 是系统负载大小的反映。液压泵所 需的能量有两部分来源，一是由驱动电动机2 供给，二是由加载马达3 通过电机 轴回输的机械能，这部分功率就是就是回收的功率。 上述系统在实际应用中需要满足如下条件网： 1 泵和液压马达的排量匹配。若两者的排量相等的话( v p ：- v m ) ，由于加载 马达运转过程中的容积漏损，必然造成两者的转速不一致。而此系统转速相同为 其正常工作的一个前提条件，那么： 液压泵的输出流量g ，d = n v p r l p v 加载马达输入流量目。= 栉 式中，玎一液压泵、马达转速，巧一液压泵排量，7 ，一液压泵容积效率， 一马达排量，钆，一马达容积效率 根据流量连续性原理 q p o 。g m 可得 = 铆p ，r l u v ) 此式为在某一压力下的平衡方程式。为了改变试验系统的压力值，以满足加载的 要求，必须要求咋仞，咿。) 。当同轴驱动时，泵才能提供比马达所需的流量 更多一些的油液，这部分多余的油液将在试验系统中产生“困油”现象，使系统 压力升高到某值，多余的油液由活动缝隙处全部漏掉。 2 扭矩匹配。因为加载马达回输的功率是通过它们的轴直接驱动被试泵的， 也就是说，被试泵是它的负载。从传递的扭矩大小来看 泵要求输入的扭矩= 当 上a l l 哺 加载马达输出的扭矩= 婴竺，7 。 二刀 式中，7 。、，7 。分别为泵、马达的机械效率。 因为 v , 2r l e v r l u v 1 4 ：翻自“蒯溯勿 浙江工业大学硕士学位论文 所以由耳可得 耳2 如( 矿y 枷缈印) 可见加载马达回输的扭矩不足以驱动被试泵，相差的部：5 a t = 耳一l 就是需 要由电动机输出的机械功率。这样，驱动电机的功率就不需要选取很大了，它向 电网要求的功率也就是整个试验系统向外部需求的功率，已大为减少了。 系统回收的功率与整个系统所需要的功率之比称为功率回收系数 ，以此来衡 量回收的程度。对此系统而言，加载马达回输功率p m 即为回收的功率，被试泵要 求输入的功率p p 为系统所需功率。由工作原理可知p 尹p d + p m ，p d 为驱动电动 机输出功率，故 乒志= 鲁 因为p p ：p v m ；鼢：p ，枷 r l e m 所以乒昙枷枷= r i p r 缈枷枷= 矿枷 若缈= 缈= 0 9 2 ，枷= 枷= o 8 5 时， 则 产o 9 2 2 x o 8 5 2 = 0 6 1 可见此系统能回收的功率可达6 1 ，若被试泵和加载马达总效率越高，回收 效果越好。 另外一个问题就是这样的试验系统中驱动电机的功率的选取方法。因为 p 旷p p p m = p p - p r 毒 = p i , ( 1 一f ) 若善为0 6 的话，则驱动电机功率只为液压泵所需输入功率的4 0 左右，可见 与无功率回收时相比，电机功率大为减小。但由于被试件、加载器和电动机三者 同轴，所以在选择电机时，除考虑功率足够外，还应考虑电机轴的强度能否承受 试验中传递的最大扭矩。此外，此系统压力调节是通过改变液压马达的排量v m 来 进行的，由于一般情况下泵、马达容积效率都较高，所以压力调节不方便，且压 力稳定性也差。 实际中应用的功率回收试验回路不象原理图这样简单。下面就实际应用的具 体实例对功率回收试验回路的设计分析作进一步探讨。 浙江工业大学硕士学位论文 3 3 2 实用功率回收液压泵试验回路举例 1 并联溢流阀调压的机械反馈功率回收试验系统如图3 - - 3 所示。 图3 - 3 并联溢流阀调压的机械反馈功率回收试验系统 l 一被试泵；2 一驱动电机；3 一加载马达；4 一调压溢流阀 为了使系统压力p 调节方便，在回路中并联溢流阀。只要先调节加载马达的 排量，保证v p v m 。这样液压泵排出的多余油液由并联溢流阀流回油箱，调节节 流口大小，即可达到方便调节系统压力的目的。由于有少部分油液要通过节流后 回油箱，也就有部分功率消耗于节流口而变成热量，这也就使回收效率有所降低。 若采用远控溢流阀或比例溢流阀还可以方便地实现远程调压。 2 并联补油泵和调压溢流阀的机械反馈功率回收试验系统如图3 4 所示。 图3 4 并联供油泵和溢流阀调压的机械反馈功率回收试验系统 1 一被试泵：2 一驱动电机；3 一被试马达；4 一溢流阀；5 一补油泵 此系统的特点是： 同轴相连的泵和液压马达都可以是被试对象，且都可以是定量式的。没有 v p v m 的条件，因为并联的补油泵可提供足够的供油。液压马达所需流量由液压 泵l 和补油泵5 同时供给。泵5 为变量泵，调节其排量的大小可改变系统的转速， 调节溢流阀可方便地调节系统的压力。 1 6 浙江工业大学硕士学位论文 3 其他型式的机械反馈功率回收试验系统方案嘲 除上述被试泵和马达通过双输出轴电机的驱动轴的简单传动方式之外，其传动 方式还可以是联轴器、减速箱，也可以是皮带传动，传动比需要根据泵和马达的 转速设定。图3 - - 5 为此种功率回收方案的示意简图。 图3 5 复杂机械反馈功率回收系统示意图 i 一被试泵；：2 - - 传动机构；3 一加载马达；4 一溢流阀 3 4 双向变量泵试验台功率回收方案设计与分析 对于斜轴式定量泵和恒功率变量泵，试验时输出流量虽然发生变化，但其方 向不变，要实现功率回收则比较容易。而对于双向变量液压泵来讲，试验过程中 输出流量的大小和方向都发生变化，造成试验过程中实现功率回收相对困难【2 1 】 1 一被试象2 一扭暂转速传蓐器3 一变顿调速电机4 一加载马达k2 3 - 交流电8 t 6 一恒压变量泉7 一远程调压用 0 ，2 7 ，3 0 一过游器9 、3 4 一真空传感器l o ，3 3 一节漉用ii ，3 2 一压力传磅器1 2 3 卜- 温度传感器1 3 - - & 1 1 i 漉 m h 1 4 一- ：位面换向阀1 5 一藏止嘲1 6 一安全阀1 7 一位通换向碍1 3 ，1 9 2 0 2 卜- 单向棚2 2 一过滤嚣2 一供油泵 2 5 一溢疽网2 6 一热宜挽嚣嚣一最度计2 9 - - 冷却嚣 图3 6 变量泵功率回收试验台液压系统图 1 7 浙江工业大学硕士学位论文 3 4 1 双向变量泵试验功率回收的工作原理 本文设计的双向变量泵功率回收试验台液压系统【2 3 h 删如图1 所示。变频调 速电机3 与功率回收马达4 同轴带动被试泵l 运转，2 为转矩转速传感器。 变频调速电机3 驱动被试泵l ，被试泵输出压力油经过单向阀1 8 或1 9 、 截止阀1 5 、电磁换向阀1 4 后，再通过高压流量计或直接进入功率回收马达4 ， 驱动马达旋转，马达再通过电机轴带动被试泵功率在电机一被试泵一马达一被 试泵之间往复循环达到功率回收的目的。 实现双向变量泵试验的功率回收，关键有两个方面，一是实现双向变量泵的 双向自动供油与加载；二是实现功率回收。 1 ) 双向变量泵的双向自动供油与加载：被试泵是径向柱塞泵，通过调节变量 机构可实现流量的改变和换向，因此造成试验过程中其进出油1 ：3 的对换变更，为 了试验的方便性，采用由单向阀1 8 、1 9 、2 0 、2 l 组成“整流油路”，供油泵通过 单向阀2 0 或2 1 自动使油液供往低压吸油口，被试泵输油口排出的油液经单向阀 1 8 或1 9 输往功率回收马达，从而实现了双向变量泵的自动供油与加载。 2 ) 实现功率回收：一般的功率回收系统，要求被试泵的排量必须大于功率回 收马达的排量，即要求巧 ；系统试验压力的控制一般采用并联溢流阀或比 例溢流阀。本系统实现双向变量泵试验功率回收的关键：一是实现被试泵和加载 马达的流量匹配，采用了被试泵( 径向柱塞泵) 作为功率回收马达使用，在试验 过程中保持被试泵和功率回收马达排量相等，恒压变量泵补偿试验油液的损失， 当出现变量泵输出流量小于功率回收马达需求流量的情况时，恒压变量泵可自动 向马达补油，使马达正常运转；二是实现对变量泵试验回路的调压。 图3 7 所示为带遥控口的恒压变量泵原理图。 图3 7p r 型恒压变量泵 塞气豹笏戮1劾 浙江工业大学硕士学位论文 此泵为p r 型恒压变量泵，由中国人民解放军第七三一三厂( 济南镇海机械 厂) 生产。p r 型有一遥控口k ，可接远程控制阀来调定最大限定压力当泵输 出压力大于限定压力时，泵输出流量减小；当泵输出压力小于限定压力时，泵输 出流量增大。这样，恒压变量泵6 不但可以为功率回收马达补油，使其正常运转， 使得本系统没有被试泵排量必须大于功率回收马达排量的要求，而且可以调定试 验系统的压力，大大简化了系统。由于被试泵和功率回收马达排量相等，试验过 程