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                             液壓泵(馬達(dá))可靠性試驗臺設(shè)計與仿真 (2)

3、可靠性試驗工況的仿真結(jié)果分析
   電功率回收系統(tǒng)能夠在可靠性試驗過程中節(jié)省能耗, 但必須保證系統(tǒng)在正常試驗的基礎(chǔ)上進(jìn)行功率回收, 理論功率回收率通過式(1)—式(3)計算:

    式中, P1、P2為系統(tǒng)輸入輸出功率; n1、n2為被試泵和馬達(dá)的轉(zhuǎn)速; v1、v2為被試泵和馬達(dá)的排量; p1、p2為被試泵和馬達(dá)的壓力; ηm為被試泵的機械效率; ηv為被試馬達(dá)的容積效率; ηt1、ηt2為驅(qū)動和加載系統(tǒng)的總效率, 取0.75; η為系統(tǒng)的功率回收率。
   由于可靠性試驗工況復(fù)雜多樣, 電功率回收系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率將受到不同程度的影響, 為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行, 在可靠性試驗臺仿真模型的基礎(chǔ)上分析了不同試驗工況下的系統(tǒng)性能和功率回收效果。

3.1、恒負(fù)載試驗工況
   液壓泵(馬達(dá))在可靠性測試時常采用滿載與超載試驗, 針對此類恒負(fù)載試驗工況, 試驗臺基于發(fā)電機的恒轉(zhuǎn)矩控制方式, 通過控制發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩實現(xiàn)系統(tǒng)加載的目的。為了模擬實際試驗過程, 設(shè)置從空載至額定負(fù)載的時間為2 s, 得到發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩和系統(tǒng)壓力加載響應(yīng)曲線, 如圖7所示, 系統(tǒng)壓力可以跟隨電磁轉(zhuǎn)矩變化, 加載時間為1.5s, 壓力波動小, 可以達(dá)到恒定加載的測試需求。

                      圖7: 恒負(fù)載工況轉(zhuǎn)矩和壓力曲線

    在恒負(fù)載試驗工況中, 發(fā)電機作為系統(tǒng)能量回饋單元, 將電能回饋至蓄電池中, 蓄電池處于充電狀態(tài), 為縮短仿真時間, 設(shè)置蓄電池容量為0.1Ah, 電壓為200V, 理論計算得到充電時間為1.8s, 圖8為蓄電池的電壓和電流隨時間變化曲線, 初始充電狀態(tài)時電流呈直線增大趨勢, 斜率接近90°, 隨后進(jìn)入恒壓充電模式, 斜率略有降低, 在時間為1.6s左右時電流達(dá)到穩(wěn)定值, 此時蓄電池電量已滿。

                        圖8: 恒負(fù)載工況蓄電池電流和電壓曲線

    在滿載試驗工況下, 得到系統(tǒng)的功率流曲線, 如圖9所示, 系統(tǒng)輸入功率為85kW, 回收功率為36kW, 回收效率達(dá)到43%。

                           圖9: 恒負(fù)載工況系統(tǒng)功率曲線

3.2、變負(fù)載試驗工況
    為了節(jié)省液壓泵(馬達(dá))的可靠性試驗時間, 常采用步進(jìn)應(yīng)力加載方案。通過仿真計算, 得到系統(tǒng)的壓力和電磁轉(zhuǎn)矩的曲線如圖10所示, 變負(fù)載下的能量回收效率變化曲線如圖11所示。由圖10可知, 變負(fù)載工況下系統(tǒng)壓力響應(yīng)快, 能夠?qū)崿F(xiàn)液壓泵(馬達(dá))的加速壽命試驗。由圖11可知, 隨著負(fù)載增大, 系統(tǒng)能量回收率隨之提高, 但系統(tǒng)能量回收率的變化梯度逐漸減小。

圖10: 變負(fù)載工況轉(zhuǎn)矩和壓力曲線

                          圖11: 變負(fù)載工況能量回收效率曲線

3.3、交變壓力沖擊試驗工況
    根據(jù)液壓泵(馬達(dá))的耐久性試驗國標(biāo)要求, 沖擊試驗工況下被試液壓泵(馬達(dá))的壓力曲線需要從10%的額定壓力短時達(dá)到額定壓力, 若采用控制發(fā)電機輸出電磁轉(zhuǎn)矩方式實現(xiàn)此功能, 會引起發(fā)電機溫度急劇升高, 且同時會對發(fā)電機產(chǎn)生機械沖擊, 從而引起發(fā)電機的燒蝕和磨損。因此, 采用發(fā)電機的恒轉(zhuǎn)速控制方式實現(xiàn)系統(tǒng)的交變壓力沖擊試驗。試驗過程中, 控制發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩, 通過控制旁路插裝式比例溢流閥實現(xiàn)液壓泵(馬達(dá))的交變壓力沖擊, 圖12為通過仿真確定的交變壓力沖擊工況下的壓力變化波形圖, 符合國標(biāo)測試要求。

                     圖12: 交變沖擊試驗下的壓力變化波形圖

    通過恒負(fù)載、變負(fù)載和交變壓力沖擊試驗3種可靠性試驗工況仿真分析可知, 在恒負(fù)載試驗工況下, 系統(tǒng)壓力響應(yīng)快, 波動小, 蓄電池充電穩(wěn)定, 速度快。變負(fù)載試驗工況下, 隨著負(fù)載的增加, 系統(tǒng)輸入功率和回收功率隨之增加, 回收效率增加, 系統(tǒng)能量回收率的變化梯度逐漸減小, 最大回收效率為43%; 交變壓力沖擊試驗工況下, 利用插裝式比例溢流閥實現(xiàn)了交變加載, 系統(tǒng)壓力變化波形符合國標(biāo)測試要求。
4、結(jié)論
  (1) 基于電功率回收方式設(shè)計了一種新型液壓泵(馬達(dá))可靠性試驗臺。功率范圍大、回收效率高, 加載方式簡單且通用性強, 可實現(xiàn)多種型號液壓泵(馬達(dá))的可靠性試驗;
  (2) 利用AMESim軟件對關(guān)鍵元件和系統(tǒng)進(jìn)行了建模與仿真, 驗證了液壓泵(馬達(dá))可靠性試驗臺原理的正確性和可行性;
  (3) 對恒負(fù)載、變負(fù)載和交變壓力沖擊試驗3種可靠性試驗工況進(jìn)行了仿真分析, 結(jié)果表明, 該試驗臺能夠滿足液壓泵(馬達(dá))可靠性試驗要求, 功率回收率最大能達(dá)到43%, 并且提出了不同工況下試驗系統(tǒng)的加載控制方式。

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