液压舵机试验台加载装置型式,测试方法的分析和意见

1、液压舵机试验台加载装置型式,测试方法的分析和意见液压舵机试验台加载装置型式,测试方法的分析和意见田婉华液压舵机是船舶安全航行的关键设备之一,为TiiE液压舵机的产品质量,保证船舶的安全航行.液压舵机各类产品在定型之前要进行型式试验,在出厂之前要进行出厂试验,以保',证其性能可靠.j,十多年来,我国液压舵机专业生产厂逐渐形成,液压舵机试验台逐步建立进行各种类型各种型号的液压驼机性能试验.本文将对国内现有液压舵机试验台的加载装置和试验中一尚存在的一些问题提出看法.?一,液压舵机型式试验的目的液压舵机型式试验是用以考核设计的正确性和产品制造质量.主要目的如下:1.考核液压舵机动作的正确,及时

2、,耐压,密封.'2.确定液压舵机输出扭矩.3.确定液压舵机推舵机构效率.对于往复式舵机仅机械效率,对于转翼式还应确定其容积效率.4.确定液压舵机主要性能指标(稳舵,负扭矩特性等).,.5.通过耐久试验考核液压舵机各元件长期工作的可靠性.1982年在数年液压舵机试验工作的基础上,704所和我院共同编制了液压舵机型式试验方法(CB3l3O一82)和液压舵机出厂试验方法(CB313182),把液压舵机试验项目,方法,要求用标准的形式确定下来,以保证液压舵机产品质量.二,国内液压舵机试验加载装置及其特性我国现有液压舵机试验台加载装置大致有二种.广州建设机器厂,清江机器厂,武汉船用付机厂,南京航

3、海仪器二厂液压舵机试验台(均为704所设计)采用直线置摆动油缸式机构加载装置.其加载系统原理图见图1.1)加载扭矩特性当试验舵机以一定的转舵速度由0位向一舷转舵时,通过转轴15,16带动加载舵柄l7,18转动,将加载油缸9,1o内的活塞拉出,活塞下部的油被压出经过加载溢流阀8流回油箱,油缸上部空间则由油泵将油入内.当加城溢流阀调定后,加裁油缸的负载压力为P加=c,加-3o?图1直线置摆缸式机构'加载系统原理图?;卜电动机;2一加栽油泵;3,23-压力表,4,8一溢流阀,.6一节流阀l6一电液换向阀,7-单向阀,9,l0-加载油缸;ll,l2,l3,l4一截止阀;l5,16一边转轴,17

4、,l8一加截舵臂,t9一舵角测量仪,20一回油滤器,21-油箱;22一温度计,载油缸上部供油压力为P加,此时在转轴上造成负载力矩M加.M加=Z(P加?F加?RSin(仅+e)/11加式中:Z加载油缸数:P加一一加载油缸压力差I)加=.P加z?P加.F加一一加载油缸油液作用面积;R加-一加载机构舵柄半径;一i一加载机构舵柄转动中心与油缸转动中心间距离.(1)(2)?3l?假设L/R加=3tg裹1aO.5.1O.15.20.25.30.35.0O.2.49.4.92.7.25.9.45.11.41.13.81.14.73.M加/o,8/凸6/牛/O,Z/负载力曲矩线为35.时负载力矩的50%以下.

5、而当舵柄由一舷转回0时,油缸内活塞上移,将其上部空间油液压出,油液直接流回油箱,因此无负载力矩.应当指出:由于机械摩擦和回油管路阻力的存在,若油泵供油压力极小,实际上舵在0位时和回舵时负载力矩并不完全为零.,图2表示了本加载装置当其结构参数L=3R时的负载力矩曲线.为讨论问题方便起见,在此假设11加不随舵角的变化而变化.2)试验液压舵机压力一转角(Po【)曲线.试验液压舵机为拨叉式推舵机构(见图10).拨叉式推舵机构输出扭矩M拨.M=F_一(3)C0S'0【式中F拨试验拨叉式油缸油液作用面积.P拔试验拨叉式油缸压方差.,?32?R拨一试验拨叉式推舵机构舵柄半径.T1拨一一试验拨叉式推舵

6、机构机械效率.在平衡状态下输出力矩与负载力矩平衡M:M加/T1转T1转一一试验台转轴轴承效率.将式(1)和式(3)代入式(4)得xPf2:_R拔?T1加?11拔?T1转当试验拨叉式推舵机构和直线置摆缸式加载机构的结构参数一定时,均不随转舵角的变化而变化,将加载溢流阀调定.此时P拔=cOS.o【?Sin(Gc4-0)?cont当结构参数L=3R时,舵从O位转向一舷时,待表2.表中PGc一在转舵角为时的zkP.P35.P.Sa在转舵角为Gc时的拨又式推舵机构柱塞行程S.在转舵角为35.时拨叉式推舵机构柱塞行程.假设L/R:=3(4)(5)假设11加,11拔,11转(6)裹2-l'o【0.5

7、,10.15.20.25.30.35.-00.2.49.4.92.7.25.9.42.11.4l.13.8114.73.I将表2中数值绘成P拨S曲线(包括35.一0.)绘入图3中.被试液压舵机为直角置摆缸式(以下简称摆缸式)推舵机构摆缸式推舵机构输出扭矩M摆M摆=F摆?P摆?R摆?T1摆?COS(Gc±B)因p一般为3.5.略而不计.将式(1)与式(7)代入式(4)得摆=为试验摆I式汕IffIj压作用面积总和i;R摆一为试验摆工工式推舵机构舵柄半径lT1摆力试验摆式推舵机构机械效率.(见图4)(7)(8)33?P一一为试验摆墨(式油缸压力差.,一f|一广一/.-一75/一/-/;,/

8、.一一一/j厂图3.PS曲缦比较1一同类型机构加载时试验推舵机构PS曲线2一直线置摆缸式加载机构加载装置试验拔叉式推舵机构时PS曲线3一直线置摆缸式加载机构加载装置试验摆缸式推舵机构时PS曲线图4摆缸式推舵机构'当试验摆缸式推舵机构和直线置摆缸式加载机构结构参数一定时,假设加,T1按,T1转均不随转舵角变化而变化.加载溢流阀调定时.此时P摆=Sin(a+0)/cos(.cont.(9)当结构参数L=3R时,舵从另位转向一舷时得表3.一假设L/R加=3蠢3l00.2.49.4.92.7.25.9.42.lJ.41.l3.8ll4.73.Si13.(a+0)0.COSaPcz/?34I.S

9、O.一(=Si11(/.?R表3中符号意义同拨叉式表2,只是将拨叉式改为摆缸式将表3中的数值绘成P摆一S曲线(包括35.一O.)也绘入图3中.上面仅举二种试验推舵机构以说明直线置摆缸式加载机构加载的情况.2.采用与试验推舵机构同类型机构加载装置.南京航标厂拨叉式推舵机构液压舵机试验台(长江船舶设计院设计)采用了与试验推舵压舵机试验台也采用了同类型机构加载装置.图5与试验液压舵机同类型机构加载装置1一加载油泵2,3一溢流闷4,5一加载溢流阀6一电液换向阀7,8一单向阀9一加载机构10-转轴ll一回油滤嚣l2一油箱l3一压力表及开关l4一电动机15-舵柄1)加载扭矩特性.当试验舵机一定f转舵速度由

10、一舷向另一舷转舵时,通过转轴lO带动加载舵柄l5转动,将加载油缸9内的柱塞拨动,使之从另一舷转向一舷,此时一舷油缸内的油被压出经过加载至一舷时JII栽油缸摆缸式加裁系统原理不同,舵无论由0位向一舷转或从一舷向0位转均有负载力矩.现以跋叉式推驼机怕为例对此类同类型机构加戟装置的加载特性进行分析?35?M加对于拨叉式机构加裁装置其负载力矩M加=FNPNRI1其负载力矩曲线由6所示./6一/一/-图6拨叉式机构加载时载负力矩曲线2)试验液压舵机压力一转角(P)曲线拨叉式推舵机构输出扭矩M拨见式(3),将式P拨:一加(1(J)图7实测11一曲线(3)式(10)代入式(4)得同样设T1加,11,T1拷不

11、随转舵角变化而变化,将加载溢流阀调定时P拨=eOnt(12)应该指出:实践上拨叉式推舵机构由于柱塞侧推力随着转角的增加而增加,其机械效率随转角增加而下降.将式(12)绘成PS曲线放入图3中图7所示实测T1一曲线.其余类型推舵机构在采用同类型机构作为加载装置时,情况相同.三,二种加载装置试验效果分析由上述可知,试验液压舵机当其转舵角为35.时,使其油缸工作压差为P额定值,若采用上述二种不同的加载装置,不仅所施加的负载力矩曲线M不相同,试验油缸的PS曲线也是不相同的.这使液压舵机性能及耐久试验效果也是不一样的.机也只有在转舵角为35.时其工作压差才出现额定值.当转舵角由35.一0.时,负载力矩和相

12、似.但实际情况丌IE如此,由了船舶采用舵的结构,参数是多种多样的,其舵杆扭矩特性可?36?'可变形舵币u转动导流管时舵扭的最火值甚至可侈至2o.,l5.,10.处并周.负载力矩也不一也是仪在从O位向一舷转舵时出现,有时是出现在舵从一舷回O位时某些船舶舵系摩擦阻力矩较大,甚至出现无论从O位向一舷转舵或是一舷向O位转舵图8所示为具有可变翼形鸵的原长江2039轮的舵杆扭矩曲线.液压舵机是通用产品,应能适应于各种且也找不到一种负载力矩能模拟多种多样船舶舵杆扭矩特性.在提供液压舵机产品时提供了该液压舵机在额定工作压力下输出扭矩一转角曲线.在选择舵机时只要使该船舶舵杆扭矩一转角曲线位于所提供的舵机

13、扭矩转角曲线之下就图8长江2036舵杆M一0【时由前分析和式(i2)可知其是符合要求的.(P拔=cO/1t)'''负扭矩性能试验实质是对液压舵机系统中所采用平衡阀进行动态性能试验.1)二种加载装置负扭矩工况比较有些船舶其负扭矩况相当严重,例长江2048轮1970年在首次试航用舵时曾出现自一舷为液压舵机所用阀的动态性能试验,在动态过程试验中最好能保持额定的负扭矩,并要求在此情况下,平衡阀的负扭矩特性KK,K='(13)t一液压舵机系统上装上专用的平衡阀时,在额定负扭矩作用下舵机转动某角度所需时间.(试验系统油泵排量调定而加载油泵排置凋至为转舵时间音)t在没有负扭矩

14、时液压舵机在空载时,转动同样的角度所需时间.K平衡阀设计时所确定的允许值.采用直线置摆缸式机构加载装置的负扭矩曲线(图1图5中电液换向阀6动作时可造成负扭矩)与采用与试验液压舵机同类型加载机构的加载装置的负扭矩曲线相比(见图9).后者的负扭矩变化较小与不变额定负扭矩更为接近,因此动态性能试验的效果较之前者为佳.2)测试精度,由式(i3)可知,K的精度取决于t和t的精度.t和t均是用秒表测得,其误差主要在于秒表的起动,停止与舵转动的起动,停止的同步误差,所时间越长则相对误差越小,精?37?度越高.页扭矩.而对于与试验液压舵机同类型加载机构的加载装置由图5可知从一舷(或另一舷)至另一舷(或一舷)均

15、可有负扭矩作用.因此对于直线置摆缸式加载机构加载装置t,tt是转舵时间.这样后者t为前者t的2倍(同样的转诧时间:了二况下).后者测试精度高于前者.厂/一/'h-2/一图9不同加载装置负扭矩曲线比较卜拨叉式机构作加载机构负扭矩曲线2一直线置摆缸式机构作加载机构负扭矩曲线按照CB*313082的要求,型式试验时液压舵机应进行1O0小时耐久试验,以致核液压舵机各之件长期工作的可靠性,耐久试验需连续进行4昼夜以上(若中间需有拆检,需时更多),假若能提高耐久试验单位时间负荷的效果,就可缩短耐久试验的时间,这是很经济的.采用不同的加载机构,同样进行1O0小时的试验,其耐久试验的效果相距很大.采用

16、直线置摆缸机构加载装置时1O0小时中有sod',时是空负荷运行,而其余50小时工作压力也是由.一额定工作压力值变化.采用同类型机构作加载装置时lood',时均在接近额定工作压力下工作(若不考虑T1随oc的变化,那么可看作均在额定工作压力下工作)(见图3)现F22xPJ表示.对图3的各种情况用定积分梯形近似计算法进行计算.,可得F同类拨=2fF同类摆=2f其而积之比(同一类推舵机构在不同加载机构加载时)p直线置拨'.1直线置摆'?3R?(14)(15),因此采用同类加找机构作加找装置时_lJ'于拨叉式液眈饥其们同时问的耐久试验效果较之直线置撰Jf1拽1=J

17、l作加找装时I/"Jr不L1Jit:,:'j2.85ff.时J:摆缸式舵机其效果则提高4.1倍.同样,采用直线置摆缸式机构作加找装置时耐久试验为100/'qt".而采用同类型机h同类拔=:35小时对刁摆缸式舵杉【h同摆:-24.4小lt,l.耐久试验效果就可相当.通常在液压舵机进行新产品非正式性性能试验和产品出厂试验时不会按装二次仪表(1ip电测法).但此时往往想通过直接读取精度级较高的压力表(0.35级)数值来得到大概的估算.此时也是采用与试验液压舵机同类型加载机构的加载装置比较容易估算.由式(11)将P改写成(PzP-)经整理后可得11加?垫二!垫.P2

18、一P垫:堡垫.l-F?R转(16)冈试验与加载的机构为同类型,:芷估算中可以将其近似认为加=(忽略压力差异和大,小型差异时效率略有不同.)转轴若采用滚动轴承11转=0.99,代入之可得11=P2一PlF加?R加(17)在转舵过程巾P.加,P.加,P的值,当加载溢流阀调定后,几乎不变,所以很容易从压力表中作为静态数据读出,对于同类型机构加载时P.的变化也不大(仅效率变化所致)只要将电舵角限位器定在35.近处,那么从压力表也很易读到o【=35.时P的数值由式(17)可求得11,并求出此时之输出扭短.5.=种加载装置对液压舵机试验台的要求1)采用直线置摆缸式加载机构加载装置的液压舵机试验台在试验不同

19、机构类型的液压舵机时,其加载机构是不变的,试验台的通用性较大.2)采用同类型加城机构的液压舵机试验台在试验不同机构类型的液压舵机时,可以l用下述方法.国内目前使用的推舵机构以拨又式占绝对优势,摆缸式有少量,个别为转叶式和推式机构和摆缸式机构作为加载装置的二个液压舵机试验台(其它类型如转1t卜式也可试验,只是特性差一些),这对专业生产厂是完全可行的.?39?试验台上的加载装置的加载机构做成可更换的,此时试验台通用性仍较大,只是在试验不同类型推舵机构的液压舵机时增加了安装工作赶.四,对液压舵机测试方法的看法国内在进行液压舵机型式试验时,输出扭矩和机械效率的测定都是采用电测手段,测试?4O?图10拨

20、叉式推舵机构双舵装置一一一BPR一2一油缸压力Pz一一一.一一,.一fBPR一2一.;.油缸压力P卜一一一刨一-太,一fBPR一2一油泵压力P一六一.,.BPR一2蛮线一f玉菌.一f;Y6D-1;线;拉杆拉应力H.一i域一.一.,BPR一21不拉杆拉应力H一一波舵角角度发生器o【光栅盘脉冲发生器l_一一一SCl6一一电流互感器;电机电流信号I._-_-_,_一一L一'_一一分压器j电机电压信号U_一-l图l1舵机参数测量原理方框图(双舵装置)方法大体有二种.1)试验装置和测试原理简介油压,拉压力,电流,电压,舵角由示波器送出动态曲线记录纸.为了提高测试精度,采用了测量系统标定法(见图I

21、2)BPR一1动态应变仪(BPR一2)Y6D一3十标准拉压力油压机十六线光线示波器(标准压力校验台)SCt6图12拉压传感器(压力传感器)标定原理图按照CB.313o一82型式试验方法中负载试验的规定,通过测试应计得液压舵机输出a液压舵机输出扭矩'',图1o所示是测定液压舵机双舵装置拉杆机构连杆的拉,压力,然后通过机构计算,求得其输出扭矩和机械效率的.M双出=M左出+M右出M左出一左边舵杆输出力矩,M右出右边舵杆输出力矩.拉压传感器BLR一1所测得的是舵柄连杆机构上连杆所受之拉,压力,它由示l滤器记录纸带将其动态输出,其数值用H.,H表示.图13舵柄拉杆机构受力图.由图13可得

22、:M双出=M左出+M右出.=R拉Hcos(a+)+H2(G【一)l1.(18),但液压舵机公称转舵扭矩是以单舵装置输出扭矩来标称的现设双舵装置的舵柄连抨I机构假舵承的机械效率合计为T1拉=0.9.4I?是液心渤输出扭M出=出b液压舵机推舵机构机械效率液压舵机推柁机构机械效率是指单舵装盟而言(国内外均如此)M出已由式(19)求得,M入则根据液压舵机转舵机构的形式而定,对于拨又式推舵机构M入:里(21),C0S'o【P:,PI由压力传感器测得,0【由光栅盘脉冲发生器测得,均由十六线示波器与H,H:同时输出得动态曲线记录纸,其它何尺寸由试验舵机加工和安装时实测记录数据查得士n:坐:曼:(22

23、)F(P2一P1)?R.C电动机功率所采用电动机一般为YH系列电动机输出功率N:,/UIcos11电机.(23)电流I,电压U由电流互感器,分压器经示波器输出动态曲线记录纸得COs用功率因素表测得.(略有变化)电机由电动机出厂证卡上查得(仅有额定工况下的)-'r2)分析意见采用此种方法测试除了测试仪器不可免的误差外,尚存在着一些应探讨应解决的并对测试精度有较大影响的误差.从上述测试原理简介可知示波器所得到的动态曲线其主要是仪器误差(包括仪器安装误差)通过采用测量系统算定法来标定测试仪器,使之误差减少,但示波器所得到的动态曲线转换为输出扭矩,机械效率等还要通过儿个环节,这些环节的误差却大

24、大超过了测试仪器的误差,因此极大地降低了液压舵机的测试精度.a,用直尺或方格将动态曲线中各参数转化为数值.直尺和方格本身是较粗糙的测量仪器,直尺和方格的最小刻度为1mm,示波器振子曲线粗度调为0.61mm(太细时不清楚),这三者合在一起带来的绝对误差若按o.8mm计,示波器出纸最大宽彦为120ram,当超负荷1.25倍时曲线应在纸内,一般控制额定值约在80fnm处.对于最大转角(35.),额定:亡作压力,额定电流,额定扭矩时的拉,压值其相对误差较小仅1%(这是在假设0.8ram的前题下得,实际由于直尺和方格的制造误差不定,振子曲线的粗赛未定,不能用计算的方法确正其随机误差的最大发生值),但对于

25、小量值时,读数误差若仍为0.8mm,其相对误差就大得多了?42?例蚶':乐jfj_血线摆缸式饥于勺加载置进行拨叉式液压舵机试验时,在转舵珀为5.时?输出扭矩相应为17%额扭(见表1)由式(18),对于=0的连杆机构HaMaCOS35.=一一一一H35.M35COSU.因之相应5.时的拉力应为O.17x一警等额定拉力=l4%额枣拉力,当额定拉力时相对误差为1%,5.时所读得的H相对误差就是7%.同样若P一P的绝对误差为2×0.8ram(P.,Pt分别测得)而当额定压差时相对误差为14%.M双出应包括H的读数误差.而机械效率读数差则更大,由式(22)可知.当0【=5.由于0【的误

26、差而产生的cOs0【的读差很小,可忽略不计,因此机的读数相对误差为M出与(P一)读数相对误差的叠加.采用直线置摆岱I式机构加载装置进行拨叉式液压舵机试验时,在小转舵角时,由于读数误差将使所测输出扭矩具有较大的误差,而所测机械效率所包含的读数误差则更大.b测得连杆所受的拉压力转化为边舵柄力矩由干舵柄连杆机构的尺寸精度对于推舵机构来说不被认为是影响舵机性能和工作可靠性的重要尺寸,所以在设计图纸中均作自由尺寸公差处理(包括),因此实际试验舵机的舵柄连杆机械平行四边形形状上是有误差的,由此带来由拉,压力转化为边舵柄力矩就存在误差.c在计算液压舵机输出扭矩时,是从双舵装置输出扭矩转换过来的,此时引入了一

27、个从未测定过(这是试验舵机上的,也难以测定)误差范围很大的假设,即T1拉杆=o.9,由此引起M出和11机的误差也是很大的.电动机功率的测量按照CB313082型式试验方法中负荷试验中的规定"电动机过载情况不超过设计值的要求,对此项测试精度要求并不高.'实际情况电动机输出功率的测试其精度也不可能高,因为U,I虽则测得动态值,但cOs是静态用表测得的,他所取时刻应与所取M出=公称转舵扭矩(=35.),U,I同步,这是比较困难的(也可直接用功率表测得功率),其次式(21)中11电机是合格证上取的,是额定工况下,但实际上当输出扭矩为公称转舵扭矩(0【=35.)时依照设计,电动机均巳超

28、载,11电机已经不是这个值了.'.由于所测额定工况下电动机输出精度不高,所以由此计出的额定工况下的整机效率更不高(还要引入由秒表测得的转舵时间所计之转舵角速度),更是只能作参考了.2.采用单舵装置,在转轴上用桥式应变片进行输出扭矩的湃定.?4:1?慕j5武1部(此时试验舵柄与加载舵柄应各位于转轴的上部和下部桥式应变片贴在图转轴.中部(此时试验舵柄与刀口载肥衲台丁转衽!H上个油缸压力P:I一一动一一BPR一2一B油缸压力PtI一./,一PR-2态线一1'线一pD一应:光油泵压力PBl一二二二二二二二二BPR一2变线乒一一仪'.示桥式应变片-l舵杆扭矩M一一一Y6o波3A器一.光栅盘脉冲发生器lsc16l舵角发生器I一一啼图14舵机参数测量原理方框图(单舵装置)测试方法大部份同前一种,仅输出扭矩测量方法不同,由桥式应变片通过动态应变仪由