（机械电子工程专业论文）汽车供油泵检测系统的研究开发.pdf

主席： 委员： 导师： 大学 i i i i r l1 1 f 1 1 1 1 1rli i i ii ii y 1 8 8 6 311 8 i i l l l 查，确认符合合肥工业大学硕 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 金目曼王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 王南教 签字日期：p 。fi 够。7 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目曼王些太堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅和借阅。本人授权金月巴王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位 论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：王右j 教 签字日期： 文口“、中，a7 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名：厅彳k 签字日期：，f 年p 7 t 一一 电话： 邮编： 汽车供油泵检测系统的研究开发 摘要 的相关试验标准，本文在分析与研究供油泵综合性能检测技术 测系统的硬件和软件进行设计，研制出了能够自动完成供油泵 试验的检测系统。 由液压系统和电气控制系统两部分组成。液压系统部分采用电 对供油泵进行加载，实现了加载压力的自动控制。电气控制部 分采用单片机控制，征对控制要求，绘制了电气原理图，并编制了控制程序。 本文在检测系统整体研制的基础上，重点对变频调速和电液比例控制技术 进行了研究，并建立了电液比例溢流阀的数学模型。 最后，以某型号供油泵作为试验对象，根据检测要求拟定了五项试验内容， 并对试验的结果进行了分析，分析结果表明：检测系统达到了预期的要求，能 够自动完成试验，具有检测准确、可靠性高等特点。另外，本检测系统通过更 改控制程序，可满足多种型号供油泵的检测，为供油泵的出厂质量检测以及新 产品研发提供了必要的检测与试验设备。并为类似结构的检测系统开发提供了 一个可行的技术参考，形成了一套完整而实用的研制方法。 关键词：供油泵；检测系统；电液比例控制；单片机；变频调速 t h i st e s t i n gs y s t e mc o n s i s t so ft h eh y d r a u l i cs y s t e ma n de l e c t r i c a lc o n t r o l s y s t e m t h eh y d r a u l i cs y s t e mp a r tu s e se l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lc o n t r o l t e c h n o l o g yt ol o a dp r e s s u r ef o rf u e lf e e dp u m pt e s t i n gs y s t e m a n dt h i sp r o c e s sc a n b ea u t o m a t i c a l l yc o n t r o l e d t h ee l e c t r i cc o n t r o l p a r ta d o p t st h es i n g l e c h i p m i c r o c o m p u t e rt oc o n t r o lt h es y s t e m w ed r a wa ne l e c t r i c a ls c h e m a t i cd i a g r a ma n d p r o g r a mt h ec o n t r o lp r o c e d u r e sa c c o r d i n gt ot h ec o n t r o lr e q u i r e m e n t s t h i sp a p e rf o c u so nt h er e s e a r c ho fv a r i a b l e f r e q u e n c ys p e e d a d j u s t i n g t e c h n o l o g y a n d e l e c t r c o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a l c o n t r o l t e c h n o l o g y a n d a m a t h e m a t i cm o d e l sa r eb u i l ti no r d e rt or e s e a r c ht h e p r i n c i p l e s o ft h e e l e c t r c o - h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lc o n t r o ls y s t e m f i n a l l y , w et a k eak i n do ff u e lf e e dp u m pa st h et e s t i n go b je c t ，a n dt h e nd r a wu p f i v et e s tc o n t e n ta c c o r d i n gt ot h et e s t i n gr e q u i r e m e n t s t h et e s tr e s u l t sa r ea n a l y z e d a n de x p e r i m e n td a t ai n d i c a t e st h a tt h et e s ts y s t e mh a sm a n yc h a r a c t e r i s t i c ss u c ha s h i g ha c c u r a c y , h i g ha u t o m a t i o nd e g r e ea n dh i g hc r e d i b i l i t y i na d d i t i o n ，t h i st e s t i n g s y s t e mc a nm e e tav a r i e t yo fm o d e l sf o rt h et e s t i n go ff u e lf e e dp u m pt h r o u g h c h a n g i n gt h ec o n t r o lp r o c e d u r e s t h ed e v e l o p m e n to ft h et e s ts y s t e m ，n o to n l y p r o v i d e sr e l i a b l ep l a t f o r mf o rf u e lf e e dp u m pt e s ta n dr e s e a r c h ，a l s ol a y st e c h n i c a l f o u n d a t i o nf o rt h es y s t e mo fs i m i l a rs t r u c t u r e ，a n df o r m sas e to fr a t h e ri n t e g r a t e d d e s i g nm e t h o d s k e y w o r d s ：f u e lf e e dp u m p ；t e s t i n gs y s t e m ；e l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lc o n t r o l ； s i n g l e - c h i pm i c r o c o m p u t e r ； v a r i a b l ef r e q u e n c ys p e e d - a d j u s t i n g 致谢 本论文是在导师曾亿山副教授的悉心指导和热情鼓励下完成的。曾老师渊 博的学识、严谨的治学态度和精益求精的科研作风，在整个研究生学习期间使 我受益匪浅也必将对我今后的工作和生活产生深远的影响，激励我不断奋发 向上。曾老师始终把培养学生放在首位，为我创造了良好的学习环境并提供了 大量的锻炼机会，并在生活中给予我无微不至的关怀。在此，谨向尊敬的曾老 师表达我最衷心的感谢和最诚挚的敬意! 特别感谢王玉琳副教授，本课题的完成也离不开王老师的教导和大力协助。 王老师在单片机控制领域具有非常深厚的造诣，对于单片机的学习，王老师在 理论和实践上都给了我很多指导，并提供了很多相关资料，对课题的进展有很 大的帮助，在此向他表示真诚地感谢! 衷心感谢实验室的钱钧老师和曹剑老师，他们在我研究生期间的学习和生 活中给了我很多帮助，钱老师在控制领域有很高的造诣，让我受益很多。 感谢合肥工业大学给我提供了本科和研究生的学习机会，多年的相伴，感 情无以言表! 感谢吕善超、宋旭、方梁菲师兄和周宝根、耿乾坤师弟的鼓励和帮助! 感 谢我的同学肖扬、张忠硭、肖传清在课题研究上给予我的支持和帮助! 在研究生学习即将结束之际，特别感谢我的父母和亲人，他们的支持和鼓 励，是我在学业上获得进步的源泉，给我能够顺利完成学业的以巨大动力! 最后，向在百忙之中抽出宝贵时间评审本论文，参加本论文答辩的各位专 家教授表示衷心的感谢! 由于本人水平有限，论文中存在的不足之处，恳请批 评指正。 作者：王志敏 2 0 11 年3 月2 8 日 目录 第一章绪论l 1 1 课题背景。1 1 2 国内外相关研究工作现状1 1 3 课题研究的目的和意义：2 1 4 课题的主要研究内容3 第二章供油泵检测系统整体方案。4 2 1 供油泵检测系统的功能要求4 2 2 检测系统技术参数5 2 3 供油泵检测试验大纲5 2 4 检测系统方案5 2 5 液压系统结构划分7 2 6 电气系统功能模块划分7 2 7 本章小结8 第三章供油泵检测试验台液压系统设计9 3 1 系统液压回路设计9 3 2 油液存储及处理模块设计1 0 3 2 1 油箱组件j 1 0 3 2 2 控温组件。1o 3 2 3 过滤组件1 1 3 3 压力控制模块设计1 1 3 4 油液过滤模块设计1 2 3 5 油路测试模块设计1 3 3 5 1 传感器及显示仪表的选用1 3 3 5 2 压力测量l3 3 5 3 流量测量1 4 3 5 4 转矩、转速的测量1 5 3 5 5 温度测量l6 3 6 元件选择16 3 6 1 电机选择1 6 3 6 2 普通溢流阀与比例阀1 6 3 6 3 液压系统其它液压元件1 6 3 7 本章小结1 7 第四章电气控制系统设计。1 8 4 1 电气控制系统整体结构18 4 2 中央处理器( c p u ) 1 9 4 3 数据存储模块19 4 3 1 程序存储器的选择l9 4 3 2 数据存储器的选择2 0 4 4 键盘及l e d 显示管理模块2 1 4 4 1 8 2 7 9 基本工作原理2 1 4 4 2 键盘接口电路设计。2 1 4 4 3l e d 显示电路的设计2 2 4 5d a 转换模块2 3 4 5 1d a 转换芯片d a c 0 8 3 2 2 3 4 5 2 电液比例控制电路设计2 3 4 5 3 变频器控制电路设计2 4 4 6 控制系统复位电路2 5 4 7 控制系统电源2 6 4 8 控制系统主电路图及电气控制柜结构2 7 4 9 电气系统试验流程及程序编制2 8 4 9 1 控制流程图的拟定2 8 4 9 2 控制系统程序编制2 8 4 1 0 本章小结。2 8 第五章检测系统压力及供油泵转速控制3 0 5 1 变频调速控制3 0 5 1 1 变频器和变频调速3 0 5 1 2 变频器类型3 0 5 1 3 交流异步电机变频调速原理3 2 5 1 4 异步电机变频调速的控制方式3 2 5 1 5 变频器的选择3 4 5 2 压力控制3 5 5 2 1 电液比例阀3 5 5 2 2 电液比例阀结构及工作原理o 3 6 5 2 3 电液比例技术在本试验台中的应用3 8 5 2 4 电液比例溢流阀数学模型的建立及性能分析3 8 5 3 本章小节：4 3 第六章供油泵检测试验台的性能测试与结果分析4 4 6 1 供油泵试验分类4 4 6 1 1 液压泵型式试验4 4 6 1 2 液压泵出厂试验4 4 6 2 测试项目与测试方法4 4 6 2 1 跑合试验4 4 6 2 2 超载试验4 4 6 2 3 容积效率试验4 5 6 2 4 流量检测试验4 5 6 2 5 观察试验4 5 6 3 试验数据分析4 5 6 3 1 流量测试结果分析4 6 6 3 2 容积效率计算分析4 6 2 4 6 4 7 4 7 4 7 4 9 5 l 5 2 插图清单 图2 1 检测系统整体结构6 图2 2 液压系统组成结构框图7 图3 一l 试验台液压系统原理图9 图3 2 试验台油箱1 1 图3 3 液压集成块1 2 图3 4z u h 1 0 x s p 型过滤器及其安装位置1 3 图3 5y 1 5 0 1 型数显压力表1 4 图3 - 6 椭圆齿轮流量计工作原理图1 4 图3 7l c a a y i7 f 型椭圆齿轮流量计1 5 图4 1 供油泵检测试验台控制系统原理框图。1 8 图4 2a t 8 9 s 5 1 单片机引脚图1 9 图4 3e p r o m2 7 5 1 2 芯片引脚图2 0 图4 4s 洲6 2 6 4 a 芯片引脚及电路连接图2 3 图4 5 控制系统键盘电路2 3 图4 6 控制系统显示电路2 3 图4 7d a c 0 8 3 2 引脚2 3 图4 8 控制系统输出模拟电压到比例阀放大器2 3 图4 9 电动机正反转控制电路2 3 图4 - 1 0 控制系统输出模拟电压到变频器2 3 图4 1 1 控制系统复位电路2 3 图4 - 1 2 控制系统电源配置2 3 图4 1 3 控制系统主电路2 3 图4 1 4 电气控制柜2 7 图4 15 总控制流程图2 8 图5 1 交一直一交电压型变频器主电路3 0 图5 2 交一直一交电流型变频器原理图3 1 图5 3 交一交变频调速系统3l 图5 - 4v ，恒定时变频调速的机械特性3 4 图5 5s a m c o v m 0 5 变频器3 5 图5 - 6 电液比例阀的结构框图3 6 图5 7 比例电磁铁特性图3 7 图5 8 锥阀式先导级：3 8 图5 - 9b r g a 0 3 s 3 1 5 8 0 型先导式比例溢流阀。3 8 图5 1 0b r g a 0 3 s 3 1 5 8 0 型比例溢流阀先导级简化图3 9 4 1 ：4 1 图4 2 4 3 2 5 5 6 7 6 1 1 2 j 第一章绪论 1 1 课题背景 随着科学技术的快速发展和工业生产水平的不断提高，液压传动与控制系 统的应用范围越来越广，几乎所有机械设备的驱动、传动和控制都用到了液压 传动技术，例如利用液压传动技术操纵汽车转向和制动；控制飞机飞行；驱动 和控制机床、挖掘机、收割机、采矿机械、食品机械以及医疗机械等等。 由于现代工业的快速发展，生产中对液压元件、组件及系统的质量和性能 也提出了更多更高的要求。因此，进行液压传动与控制领域的试验及研究，对 于研制和开发符合要求的新产品以及对老产品做分析和改进工作都有很重要的 作用；同时，液压检测试验也是定性检测和定量分析液压元件及系统的重要手 段【2 j 。所以，开展液压检测系统的研究开发对现代工业生产具有非常重要的意 义。 本课题来源于合肥工业大学机械与汽车工程学院液压气动研究所与某液压 件生产企业的合作项目“汽车供油泵综合性能检测系统的研究与开发”。该项目 用于对该厂生产的供油泵进行性能测试。这种供油泵属于内啮合齿轮泵，专门 用于匹配汽车变速器，为整个变速系统提供压力油以推动其工作并起到润滑作 用，是变速系统的核心部件之一。其性能的好坏，对变速器液压系统有着重要 影响，因此，供油泵出厂前必须进行严格的性能测试以保证其质量。对供油泵 进行精确的性能检测，是辨别其质量优劣的重要手段。同时，严格的性能检测 也有助于改进供油泵的结构设计，提高工艺水平从而促进产品的改进升级。 本课题的任务就是根据供油泵的相关测试标准，研究开发出能够满足供油 泵各项性能测试要求的检测系统。 1 2 国内外相关研究工作现状 随着科技的进步和工业生产水平的提高，液压测试技术已经逐渐发展成为 一门融液压技术、测试技术、计算机技术、传感器技术、微电子技术和电力电 子技术等于一体的综合性技术，并且随着上述各项技术的发展而不断进步【3 】。 传统的液压测试技术，需要操作人员手工控制设备，对被测量的测量需借 助于传感器进行检测，并经由中间电路对检测信号进行放大处理，利用记录仪 ( 如示波器等) 对检测结果进行记录，然后再由专人把记录仪记录的数字或显 示的曲线抄录下来。可见，这种检测方法测试速度慢，准确性差，自动化程度 较低【4 l 。随着液压技术、测试技术、计算机技术、传感器技术、微电子技术和 控制技术等技术的发展，在液压测试领域出现了一门综合性的新技术一液压计 算机辅助测试技术( c o m p u t e ra i d e dt e s t ) ，简称液压c a t t 3 1 。液压计算机辅助 测试技术把计算机技术应用到液压检测系统中，利用计算机对检测系统进行自 动控制，自动对被测元件的各项性能参数( 如压力、转速、流量、温度、扭矩 等) 进行采集和分析并能按照要求进行结果的输出。在试验过程中，计算机还 可以根据数字偏差反馈或人工指令输入即时地控制测试的过程和工作状态，提 高检测的精度和效率，并实现整个测试过程的安全监控【5 】。 由于国外计算机技术、传感器技术、信息处理技术和控制技术等的发展水 平较快，其液压计算机辅助测试系统的整体研发水平较中国要高。国外的很多 液压元件制造企业都已经把液压c a t 技术应用于对液压元件的研制开发和出 厂检测中。比如，美国、日本、德国和英国等国家都已在液压c a t 方面进行了 许多卓有成效的研究工作。他们设计的液压c a t 系统利用计算机控制系统对液 压检测系统进行自动控制，选用宽频高效的传感器进行各种参数的检测，采用 先进的数据采集装置对数字信号进行采集，利用丰富的计算机测试软件和实时 高效的数据处理系统对数据进行分析处理。其中有很多代表性的例子，如日本 制钢所研制的柱塞泵效率检测试验台；德国r e x r o t h 公司开发的专门用于比 例泵和液压比例阀等液压元件测试的液压c a t 试验台；s u n d s t r o n 公司液压 传动实验室的多功能液压c a t 系统等【6 】。为了提升产品质量及加快研发速度， 目前国外的大多数液压件生产企业都已采用液压c a t 系统对产品进行性能检 测。 我国对液压c a t 方面的研究始于二十世纪八十年代，随着近几十年的发 展，也已取得了很大进步。如机械工业北京自动化研究所开发的液压泵、液压 马达、液压阀、液压缸等系列计算机辅助测试系统，广州机床研究所研制的液 压泵性能和噪声计算机实时监测系统【_ 7 1 ，华中科技大学研制的用于中高压液压 缸性能测试的试验台及电液伺服阀c a t 系统】，东风汽车公司开发的能够满足 国标b 级精度要求的液压元件c a t 试验台【9 】，北京航空航天大学开发的液压 泵虚拟仪器试验台【lo j 等。这些检测系统的自动化水平较高，可以通过计算机对 整个测试过程进行控制，能够实现检测数据的采集、分析和输出的功能。 1 3 课题研究的目的和意义 供油泵是汽车变速器里的核心部件，是整个变速器的动力源。其性能好坏， 对变速器系统有着直接影响。因此，在供油泵出厂前必须有专门的检测设备对 它的各项性能参数进行测试，这是保证供油泵质量的一项重要工作。同时，专 业的检测设备也能用于新产品的研究开发工作。 传统的供油泵检测方法是通过人工手动控制来实现的，其测试精度低，劳 动强度大，效率不高，已经在很大程度上制约了企业的发展。随着计算机等相 关技术和电液比例控制技术的发展进步，由计算机辅助、机电液一体化系统组 成的检测系统逐步地取代了传统的液压检测系统。本文对供油泵的性能检测系 统进行研究，旨在通过本系统实现供油泵性能检测的自动化控制，提高检测效 2 率和精确性，保证产品质量。 本供油泵检测系统采用单片机进行控制，能够克服传统液压检测系统的诸 多不足，通过直观的人机界面，检测人员只需对控制面板进行简单操作，即可 按照各项试验要求进行自动检测，能够方便地读取数据进而判定被试供油泵是 否合格。 1 4 课题的主要研究内容 本课题的主要任务是研究开发出一台能够用于汽车变速器供油泵综合性能 检测的试验台。该检测试验台主要用于供油泵的出厂质量检测，也可以用于新 产品研究开发的各项型式试验。本试验台要求能够完成的性能检测试验有：跑 合试验、超载试验、流量检测试验、容积效率试验和观察试验等。检测系统采 用单片机控制，要求检测系统测试精度高、测试方便、响应迅速、自动化程度 高、可靠性好。 本课题在充分研究国内外各种液压测试技术、计算机技术和控制技术后， 并且综合考虑了企业的实际情况，开发出了一台供油泵检测液压测试试验台。 本试验台选用微型计算机( 单片机) 进行控制，具有试验过程自动控制，能够 自动采集数据、进行分析处理，并具备打印输出的功能。本文完成的主要研究 内容如下： ( 1 ) 把先进的计算机辅助测试技术( c a t ) 引入到液压测试试验台的设计 中，提高了测试的精度、可靠性和测试效率； ( 2 ) 在试验台的设计过程中采用了模块化的设计思想，对液压集成阀快及 系统的其它模块进行设计； ( 3 ) 采用电液比例压力控制技术对试验台液压系统进行自动加载，实现检 测系统的自动化控制，并对所用电液比例控制系统进行了研究； ( 4 ) 对变频调速技术进行研究，选定变频器及交流异步电机，并设计控制 电路； ( 5 ) 设计试验台电气控制系统，选择电气控制元件、传感器及显示仪表， 并根据试验内容编制检测系统的控制软件； ( 6 ) 研究试验台的测试方法，并对试验台检测结果进行分析。 第二章供油泵检测系统整体方案 本检测试验台用于对被试供油泵的出厂试验和型式试验，要求能够满足供 油泵的各项性能检测的需求，并且试验台的操作要求能够实现自动控制。为了 拟定供油泵检测系统的方案，下面就检测系统的各项相关要求进行分析。 2 1 供油泵检测系统的功能要求 本课题所研究的供油泵检测系统是用于对某型号的变速器供油泵的整体性 能进行测试的试验台。检测试验台由液压系统和电气控制系统两部分组成。 检测时通过电动机带动供油泵运转，试验台的进油、回油管路分别与供油泵的 迸、出油口相连形成回路，试验人员可以控制压力加载装置给供油泵加载，模 拟其在特定压力载荷条件下的工作情况，供油泵的各项被测参数，如：压力、 流量、扭矩、转速、温度等则可由不同传感器进行测量。 在操作方式上，本试验台要求具备手动和自动两种控制方式，以便在自动 控制系统发生故障时仍然可以通过手动操作继续工作，不影响企业的生产任务。 在拟定测试方案和设计检测系统之前，有必要详细了解项目的测试、控制 以及设备操作等的各项要求，下面对这些功能要求分别进行分析： 1 检测系统测试功能的要求： ( 1 ) 被试供油泵转速的检测； ( 2 ) 被试供油泵加载压力的检测； ( 3 ) 被试供油泵流量及容积效率的检测： ( 4 ) 变频电机扭矩的检测； ( 5 ) 试验台油箱油温的检测。 2 检测系统控制功能的要求： ( 1 ) 被试供油泵转速的控制； ( 2 ) 被试供油泵加载压力的控制( 包括手动和自动两种方式) ； ( 3 ) 电机最大扭矩的监测控制； ( 4 ) 试验台液压系统油路堵塞报警器的控制； ( 5 ) 试验台压力、流量等测试信息的采集及显示控制； 3 检测系统的人机交互要求： ( 1 ) 控制系统须有简洁实用的显示及操作界面； ( 2 ) 系统试验流程可根据需要进行调整； ( 3 ) 能更改或添加测试参数以满足不同型号供油泵的检测需要； ( 4 ) 各项监控参数实时显示并有自动声光报警功能： ( 5 ) 系统工作状态显示； ( 6 ) 具有数据编排和报表打印的功能； 4 液压系统工作油温 技术标准及企业的具体要求，本检测试验台液压系 如表2 1 所示。 液压系统技术设计参数 要求 6 号液压传动油或2 0 号汽轮机油 额定工作压力1 5m p a ，过载试验 时加载压力为2 m p a 供油泵流量范围小于4 0 l m i n 不低于b 级 最高3 0 0 0r r a i n 2 0l lm 7 0 1 0o c 2 3 供油泵检测试验大纲 根据汽车变速器供油泵的技术特性和生产厂家的要求，供油泵检测试验的 试验大纲如表2 2 所示【1 。 序号 试验 项目 1跑合试验 2超载试验 3 4 5 空载流量 检测试验 容积效率 试验 加载流量 检测试验 表2 - 2 供油泵试验项目及要求 试验内容及方法要求 3 始0 0 0 粗r r a i n 箍爵盏瓣1 戛m i 耋n 糕磊兰警! 竺宝勰中 ，升速时间不少于，再逐渐加二= j = _ 一。 载，满足? 1 ) 5 m p a 加载时间约l m i n ， 不得有漏气、漏油、 ( 2 ) 1 5m p a 压力下运转3 5m i n 。异响等异常现象。 在转速n = 3 0 0 0r r a i n ，压力p = 2m p a 无漏气、漏油、异 的工况下运转2 3m i n 。响等现象。 在转速n = 2 5 0 0r m i n ，空载( 压力q o = 3 3 4 3 8 5 l m i n p = o ) 工况下，检测流量。 在转速n = 2 5 0 0r m i n ，压力p = i 5r lv 8 8 m p a 工况下，测量容积效率。 1 n l = 6 0 0r m i n ；p l = 1 5 m p a 2 n 2 = 1 5 0 0r m i n ：p l = 1 5 m p a 3 n 3 = 2 5 0 0r m i n ；p t = 1 5 m p a q l ；， 4 l m i n q 2 1 6 l m i n q 3 3 0 5 l m i n 2 4 检测系统方案 在传统的液压控制系统中，通常采用溢流阀、节流阀和换向阀等液压元件 对系统的压力、流量和方向进行控制，再利用压力表、流量计和温度计等测量 装置对液压系统压力、流量、温度等数据进行检测，经过简单的数据处理后， 就可以得到试验结果，整个检测过程靠手工完成。随着现代工业的发展，这种 传统的检测方式已经难以满足检测精度要求更高、响应速度更快，动作更复杂 和数据更繁杂的高性能液压元件的检测【1 2 】。 现在，随着把先进的计算机、传感器和仪器仪表等技术引入到液压控制系 统中来，使得液压测试技术快速地朝着集成化和智能化的方向发展。计算机辅 助测试技术( c a t ) 是把计算机技术、传感器技术、仪器仪表技术和测试技术 与液压控制技术结合在一起产生的一个新的应用领域。这种控制技术在液压工 程领域得到了广泛的应用，其特点是系统可靠性好、功能多、控制精度高、结 构紧凑且自动化程度高。 液压c a t 和模块化思想已日渐成为液压检测系统的发展趋势，它们的应用 也已成为衡量液压测试系统水平的两个重要依据。本课题采用计算机辅助测试 技术( c a t ) 与模块化思想对供油泵检测系统进行研究，所开发的供油泵性能 检测液压试验台具备了液压测试领域的先进水平。 电气控制系统 液 电器 电压、电流 压 元件j 1 u ，i 软 - - - - - - - - - - - - - - - - _ j 萱 控 件 制 片 机 程 系 压力、流量 厂石五；i i 一电压、电流 序 统 p ，q 7 i l u 、i 7 图2 - 1 检测系统整体结构 本检测系统以微型计算机( 单片机) 作为控制部件，操作人员通过控制界 面与微型计算机( 单片机) 进行交互，对整个测试过程进行控制，提高了测试 的精确度、可靠性以及便捷性。试验台检测系统分为两个部分：液压系统和电 气控制系统。其中，液压系统负责对被试供油泵进行压力加载并测试其流量。 电气控制部分负责三项工作：对液压测试试验台的电器元件供电；根据微机指 令程序或者操作人员的动作，控制试验台液压系统的电机、电液控制阀等的工 作；获取液压试验台相关测试参数。试验台检测系统的总体方案框图如图2 1 所示。 试验台液压系统与被试供油泵连成回路，被试供油泵由交流异步电机驱动， 通过变频器调节其转速，供油泵压力加载采用手动和自动两种方式：手动加载 由操作人员控制节流阀开口大小来调节供油泵负载压力；自动加载选用电液比 例溢流阀进行加载，其控制压力可由单片机控制系统调节。 电气控制部分通过相关的电器控制元件实现电动机转速的控制、液压回路 6 ) 的控制和系统各检测参数的采集与显示控制等。 统的各项功能要求以及技术指标，结合拟定的检测 为四个部分：油液存储及处理模块，压力控制模块， 块。图2 2 为液压系统组成框图。 油箱、进油滤油器、回油滤油器、加热器、液位计 责液压油的存储、粗过滤及调温。 流阀、比例溢流阀、普通溢流阀等元件组成，它是 部分，检测系统液压油路的压力加载和控制都由它 个过滤等级不同的过滤器组成，用以滤除杂质，保 护油路中的各个元件( 主要是防止比例溢流阀堵塞) 。 油路测试模块包括流量、压力、转速、扭矩、温度等传感器，以及压力表、 流量表、温度表等二次显示仪表。主要负责油路各检测数据的采集与显示。 图2 - 2 液压系统组成结构框图 2 6 电气系统功能模块划分 电气控制系统由电气控制和软件程序两部分构成。电气控制部分具有供电、 控制、获取测试参数等三种功能。电器控制部分包括电源控制模块、数据存储 模块、键盘及l e d 显示管理模块、d a 转换模块等部分。 电源控制模块主要负责把3 8 0 v 的工业交流电经变压转换后分配给单片 机、变频器和电液比例放大器。 数据存储模块主要由程序存储芯片和数据存储芯片，负责单片机控制系统 程序及数据的存储。 键盘及l e d 显示管理模块负责可编程键盘及l e d 显示器的管理。本控制 系统选择i n t e l 8 2 7 9 芯片作为管理芯片。 d a 转换模块是系统实现对供油泵转速和电液比例溢流阀控制的关键，它 把单片机控制系统发出的数字控制信号转换成模拟电压信号才能被变频器和电 液比例放大器接收，实现供油泵转速和加载压力的控制。 功能要求以及相关技术参数，并结合供 方案，并对检测系统的各组成模块进行 第三章供油泵检测试验台液压系统设计 试验台液压系统包括油液存储处理模块、压力控制模块、油液过滤模块和 油路测试模块四部分，主要负责对供油泵进行压力加载模拟其在特定工况( 特 定负载压力和转速) 下的工作状况，从而对其各项性能参数进行测试。液压系 统设计的主要任务是根据拟定的方案，确定出液压系统总原理图，并对液压系 统的各模块进行设计。 3 1 系统液压回路设计 本液压测试系统根据液压齿轮泵最新国家标准j b t7 0 4 1 2 0 0 6 1 3 1 和液压齿 轮泵试验方法j b t7 0 4 2 1 9 9 3 【l4 1 ，设计的供油泵检测试验台液压系统如图3 1 所示。系统中采用了新型的传感器，交流异步电机，各类智能仪器仪表( 如压力 表，转矩转速仪器仪表，流量计、温度计等) ，系统操作以及数据的采集和显示 都可由单片机自动控制。 图3 - 1 试验台液压系统原理图 l 、1 2 、1 3 、1 8 过滤器2 温度传感器3 交流异步电机4 扭矩传感器5 被试供油泵6 转速表7 截 止阀8 压力表9 、1 4 溢流阀 l o 手动换向阀1 1 节流阀1 5 比例溢流阀1 6 流量计1 7 冷却器 本试验台利用交流异步电机驱动被试供油泵，并通过变频器控制其转速。 采用电液比例溢流阀对被试供油泵进行压力加载，比例溢流阀可以实现无极调 压。系统对供油泵进行性能检测时，可以通过控制转速和加载压力的不同以模 拟其在不同工况下的工作情况，再借助各种传感器检测出其在各种工作状态下 的性能参数( 如流量、压力、容积效率、扭矩等) 。 供油泵检测试验台液压系统的组成及工作原理如图3 1 所示，被试供油泵 5 由交流异步电机3 驱动，转速表6 和扭矩传感器分别用来测量电机转速和传 动轴扭矩。供油泵的工作压力由压力表8 测量。9 和1 4 为两个直动式溢流阀， 作安全阀用，分别保护被试供油泵和电液比例溢流阀。节流阀1l 和比例溢流阀 1 5 可以控制加载压力。由于该系统检测过程中会产生大量金属杂质，为了保障 9 油路畅通，采用了四个过滤器，其中粗过滤器1 2 和精过滤器13 用来保护比例 溢流阀。流量计16 可以测量供油泵输出流量。温度计2 可以测量系统油温。 该检测系统有自动和手动两种压力加载方式，可以通过手动换向阀1 0 进行 切换。系统正常工作时，手动换向阀处于上位，此时为自动控制，通过电液比 例溢流阀l5 对被试供油泵进行压力加载。比例溢流阀作为一种电液比例压力控 制阀，可以根据控制信号( 电流) 的大小连续地按比例地控制液压系统的压力， 使之与输入电信号成比例地变化。本检测试验台以单片机作为控制系统，单片 机根据指令程序发出控制信号，调节被试供油泵的转速和加载压力，实现了加 载过程的自动控制。试验台的手动控制用于应急操作，当比例溢流阀因油路堵 塞或出现故障不能正常工作时，可以通过换向阀1 0 切换油路，利用节流阀1 1 进行手动压力加载。 3 2 油液存储及处理模块设计 油液存储及处理模块负责液压油的存储、粗过滤及调温，由油箱组件、控 温组件、过滤组件三部分组成。 3 2 1 油箱组件 主要由油箱、液位计、网式过滤器以及放油塞等相对独立单元组合而成， 用来完成储有油液、散发油中热量、逸出油中气体、沉淀油中污物等功能。 为了防止灰尘进入污染油液，本试验台油箱选择闭式结构。油箱的吸油侧 和回油侧用隔板隔开，以增大油箱内油液循环的距离，这样有利于油液的冷却 和放出油中的气泡，并使杂质沉淀在回油管的一侧。隔板的高度约为油面高度 的2 3 。为了便于放油，油箱底部应有适当斜度，并设置放油塞。 油箱的容积根据液压系统的散热要求来确定，有效容积可按式3 1 近似计 算得到。 v = 8 x 1 0 - 3 式中：h 一单位时间系统的总发热量，w h ； t m a x 一系统达到热平衡时的油温，o c ； t 0 一环境温度，o c 。 油箱的设计容积应为计算容积的1 2 倍【15 1 。 ( 3 1 ) 3 2 2 控温组件 主要由加热器、冷却器及温度传感器等器件构成，实现系统的油温控制。 加热器选用普通油用电加热器即可，并直接将其固定在油箱中。在试验台 刚开始工作时可以开启加热器使油温较快地达到试验要求的温度。 l o 图3 - 2 试验台油箱 最终使水流回水 统足够大的流量 3 3 压力控制模块设计 压力控制模块主要由节流阀、比例溢流阀、普通溢流阀等元件组成，它是 整个液压检测试验台的关键部分，检测系统液压油路的压力加载和控制都