大功率液力机械性能试验台的研制

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通信地址：贵州省贵阳市花溪区中槽路97号 贵州詹阳动力重工有限公司(550006) (收稿 日期：2013—05—15)大功率液力机械性能试验台的研制鲁士军，张彦杰，东 方(天津工程机械研究院鼎成公司)摘 要：为解决大功率(传递功率 1 000 kW以上)液力偶合器、变矩器性能检测，研制驱动功率1 000 kW液力机械性能试验台。详细介绍试验台的功能、系统组成、软硬件的实现、工作原理以及操作功能。偶合器、变矩器性能试验检测结果表明，该系统运行稳定，安装调试方便，结构简单，操作简便，自动化程度高，数据采集精确，可靠性高，能够满足大功率液力机械传动性能检测试验要求。

关键词：大功率；液力偶合器；自动测量与控制目前随着我国大型装备制造业的高速发展，大功率(传递功率 1 000 kW以上)液力机械传动系统在石油机械、风电机械等多个领域得到了更广泛应用。大功率液力机械传动装置的性能检测尤为重要 ，但国内大功率液力机械传动装置的检测试验装置很少，且功能比较落后，操作复杂，数据采集不精确，自动化程度低，工作效率低，可靠性差。

液力偶合器、液力变矩器是油田钻机主传动装置，是关键传动部件，其质量直接影响整机的性能和质量。在进入整机装配前，要进行部件性能试验和跑合试验，检查各种性能指标是否达到预定的要求，以减少整机故障率。我公司研制的大功率液力机械传动试验台，利用LabVIEW软件实现对整个试验台的测试控制以及试验数据的处理，实现了液力偶合器、液力变矩器检测的自动化，该试验台操作方便，测试精度高，满足了大功率液力机械传动性能检测试验要求。

1 试验台功能该试验台适用于YOT750Z正车调速型偶合器、YOT750F反车调速型偶合器、YBLT900B型变矩器产品的性能试验，以及产品定型后的跑合试验等。

可完成液力偶合器的加载试验(不同导管开度下施加不同载荷 )，空载功率损失试验，额定效率测定试验，绘出偶合器不同导管开度的外特性曲线在内的曲线簇，原始特性曲线即泵轮转矩系数A 与转速比(涡轮转速与泵轮转速的比值)的关系曲线等。

根据液力偶合器的转速及传递功率要求，如果液力偶合器的传递功率不大于试验系统本身的驱动电机的功率，可通过变频器进行无级调速实现01 500 r／min范围内的任意调节；如果液力偶合器的传递功率大于试验系统本身的驱动电机的功率，在作者简介：鲁士军(1964一)，男，天津人，教授级高工，研究方向：工程机械研发，动态物理仿真试验系统及机电一体化设备研发。

一 29— 保证雷诺系数Re≥5×1 05时，可采用降低输入转速的试验方法进行检验，通过变频器进行无级调速实现转速的调节，但输入转速不能无限制地降低，最少不能低于 1 000 r／rain，当低于 1 000 r／min时，试验得到的曲线已失真，不具有参考价值。

2 试验台硬件系统组成该试验台主要由驱动装置、加载装置、转矩转速传感器、基础平台及支座、分动箱及输入输出万向轴、增速箱、液压泵站、集控操作仪表台等组成，如图 1所示。

1．交流变频调速电机 2，8，l0，12．联轴器 3．输入转矩转速传感器 4．输入万向轴 5．被试液力元件 6．输出万向轴 7．分动箱 9．输出转矩转速传感器 1 1．增速箱 13．水力测功机 14．滑套 15．零速锁定装置 l6．基础平台图 1 试验台硬件系统组成2．1 驱动装置试验台驱动装置须满足全部工作范围内输入转速的稳定运转和较高的动态响应速度。采用交流变频电机和变频器闭环控制方式，可以实现高精度的控制，响应速度快。技术参数：变频电机型号额定功率(kw)额定电压(v)额定转速(r／min)额定频率(Hz)变频器型号额定电流(A)输出电压(V)输出频率(Hz)总功率因数2．2 加载装置Y2-500XA-411 000 1690 1l1 490 薰150 婪lACS800—．07 ．1 500—．71 2580-6900—。300>0．95试验台加载装置须满足工作范围内输出转速、转矩的稳定运转和较高的动态响应速度。由于加载的功率和转矩较大，考虑经济性和控制精度要求，选用单向水力测功机。水力测功机技术参数：型号 SL1900旋向一 30一 单向(面向进水口端，主轴逆时针旋转)最大吸收功率(kw) 1 000稳定转速(r／min) 1 000最高转速(r／min) 3 000SL1900型水力测功机特性曲线如图2所示。

n 1 Il0，●0 ，l『10 ／J／ ，， I— f。 r [， l 一} ， 一10·， 一一a )0 0( 0 3((】c图2 SL1900型水力测功机特性曲线2．3 转矩转速传感器转矩转速传感器技术参数：输入转矩转速传感器型号最高转速(r／min)工作范围(N·m)NJ33 0000 1O000 输出转矩转速传感器型号 NJ4最高转速(r／min) 3 000工作范围(N·m) 0—40 000被试件输入、输出的转矩和转速信号经仪表处理后显示，并经串行通信送至工控机。

2．4 基础平台及支座基础平台用于固定动力电机、输入输出端转矩转速传感器、被试元件、分动箱、增速箱和水力测功机等。输入输出端转动轴线距平台高度 1 100 mm。

被试元件的支座高度可依据实际工况调整与更换。

2．5 分动箱及输入输出万向轴分动箱可实现正车、反车偶合器使用同一个水力测功机加载。正车偶合器输入输出轴为同轴，反车偶合器输出轴比输入轴高425 mm，分动箱能够满足低输入(正车)、高输人(反车)的安装要求，分动箱输人输出为等速传递。

输入万向轴的伸缩长度最大调整量 70 mm，输出万向轴的伸缩长度最大调整量 280 mm，便于安装不同轴向尺寸的被试件。

2．6 增速箱由于偶合器输出端带一级减速，减速比2—3，在加载时其输出转速会降低，转矩会增大。通过增速箱(增速比为 4)提高水力测功机输入转速 ，以满足水力测功机的加载特性。

2．7 液压泵站液压泵站采用变频电机驱动液压泵实现供油流量的调节，利用液压齿轮泵将偶合器内的油抽回油箱，油箱具备加热功能，供油、回油均为双级过滤，确保油液清洁。

2．8 集控操作仪表台集控操作仪表台用于试验台系统集中操作与控制。设有故障急停和复位等操作开关、液压泵站电机启停按钮、油箱加热按钮、转矩控制仪开关、测功机控制仪开关。在操作台面板上设有故障报警灯和显示仪表，包括驱动电机转速、电流，水力测功机进、出口温度，液压油箱温度，系统压力显示等。

3 试验台测控系统3．1 测控系统组成测控系统包括工业控制计算机、I／0卡、通信卡、PLC控制器、传感器、测功机测控仪、仪表及软件等。硬件是测控系统的基础，软件是测控系统的核心。测控系统对温度、流量、压力、转矩、转速等数据进行采集。可以实现手动控制、自动控制的计算机自动判断，对采集数据进行数据表格打印和绘制曲线打印。自动记录输入转矩、输出转矩、输人转速、输出转速，以及液力偶合器腔体内液体温度、液体压力等参数。可以测量的温度范围为 55～125℃。当水温或油温超过预定范围，PLC输出报警。

3．2 测控系统原理测控系统中水力测功机、交流变频调速系统均为闭环控制，可模拟液力偶合器的实际工况进行负荷加载。计算机通过给定交流变频调速系统转速信号，控制变频电机转速；计算机通过给定测功机测控仪加载转矩(转速)信号，控制水力测功机加载转矩(转速)。待加载转矩(转速)稳定，通过转矩转速传感器测量转矩、转速，被测的转速、转矩通过转矩仪转化为电信号，经过放大滤波电路使其符合 A／D转换器测量范围，由测控仪芯片内的ADC进行采样，根据信息进行判定和数据处理。计算机自动采集输入转矩转速(M1、N1)，输出转矩转速(M2、N2)，在测量获取有效转矩 、转速以后，执行智能运算控制 ，实现功率运算，并将输出信号送到现场显示单元，也可通过接 口电路上传给上位工控机进行综合运算和显示。计算机同时完成数据采集、数据处理、存储和数据通信等多种任务。测控系统原理图见图3。

测控软件具有便捷的人机界面，具有试验参数设置、试验数据保存分析、试验报告输出功能。软件系统包括试验检测软件和试验控制软件 。采用LabVIEW作为程序开发语言，图形化的编程语言大大减少了编写程序的时间，并且易于修改，很大程度地缩短了工期。软件系统按其功能进行模块化设计，增强了软件系统的通用性和开放性 ，易于维护和改进。测控软件系统主要由数据采集、数据分析与处理、试验条件控制等模块构成。可完成数据的实时采集、自动记录、自动分析、曲线拟合和自动生成报告等。软件编程的程序框图见图4。

3．3 人机界面在人机界面设计中，采用多层次面板结构，主面板上设有参数显示窗口、软件功能键和面板切换键，通过切换键选择下一层多功能面板，操作方便。

一 31— 供，清晰明了，操作简便。对不同试件输入各自必要的试验参数，然后根据试验要求进行试验，系统保存试验数据和曲线，最后经过文件处理生成试验报告。

试验界面(图5)包括试验中必需的各执行单元控制按钮和各试验流程的数据监视、采集、保存功能。M1、nl选项卡存储“输入转矩仪”转矩、转速值，M2、n2选项卡存储“输出转矩仪”转矩、转速值。

数据处理界面见图 6，可实现当前试验数据载入，历史试验数据载入，数据保存，Excel格式导出，一 32— 4 结论通过对YOT750Z正车调速型偶合器、YOT750F反车调速型偶合器、YBLT900B型变矩器产品的性能测试试验 ，取得的试验数据与装机应用状态一致。试验证明该试验台对大功率液力偶合器、变矩器性能测试结果准确可靠，可为以后的产品性能改进提供重要依据。