油泵壓力脈動(dòng)測試方法研究

0   引言

西安某汽車(chē)電子有限公司所生產(chǎn)的EKP油泵系列產(chǎn)品自投產(chǎn)以來(lái)，已經(jīng)累計生產(chǎn)了近千萬(wàn)油泵產(chǎn)品，并成功交付客戶(hù)。油泵的測試指標中有一項關(guān)鍵的測試參數：壓力脈動(dòng)。一直以來(lái)，關(guān)于壓力脈動(dòng)的測試工藝及計算方法一直為國外進(jìn)行技術(shù)屏蔽。本文重點(diǎn)介紹壓力脈動(dòng)的機理及測試方法，為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)油泵性能自動(dòng)測試生產(chǎn)線(xiàn)提供依據。

1   壓力脈動(dòng)機理

1.1 液壓泵的壓力脈動(dòng)

液壓泵由于其工作機理，其工作過(guò)程中是油泵腔體是密閉的，工作容積發(fā)生周期性變化，完成吸油和排油的過(guò)程。所以其瞬間流量是脈動(dòng)的，這樣液壓泵的出口流量存在流量的脈動(dòng)。當流量脈動(dòng)遇到液壓系統管路的阻抗時(shí)又形成壓力脈動(dòng);而壓力脈動(dòng)在一定條件下也產(chǎn)生流量脈動(dòng)。一般情況下，壓力脈動(dòng)和流量脈動(dòng)兩者并存，相互影響。

對于西安某汽車(chē)電子有限公司西安廠(chǎng)所生產(chǎn)的油泵系列產(chǎn)品，屬于葉片式油壓系統。其工作示意原理如圖1所示。

圖1 葉片泵工作示意圖

小容腔內的油液是在轉子轉角范圍(即葉片從1 點(diǎn)掃到2 點(diǎn)區間內) 排出完畢的。在排油的過(guò)程中，油泵一般會(huì )經(jīng)過(guò)困油到排油的過(guò)程，當容腔剛進(jìn)入排油區時(shí)，在dt時(shí)間轉子轉過(guò)dφ的微小角度，排油口所排出壓力油的微小體積為葉片1′點(diǎn)所掃過(guò)dφ角的扇形體積dV，葉片寬度為b，則

dV=b(R21- r2)dφ   (1)

然而當葉片排油接近終點(diǎn)時(shí)，轉子同樣轉過(guò)dφ的微小角度，葉片從2′到2點(diǎn)掃過(guò)dφ角扇形體積為dV′，則

dV′=b(R′21-r2)dφ   (2)

因定子內曲線(xiàn)為變半徑，R1> R′1，故dV > d V′。所以，葉片容腔在排區的排油量是不均勻的，即流量是脈動(dòng)的，排油壓力也是脈動(dòng)的。

1.2 壓力脈動(dòng)的特征

壓力脈動(dòng)是隨葉片轉角變化呈正弦周期脈動(dòng)。其波動(dòng)過(guò)程，可理解為準周期性壓力脈動(dòng)，其典型壓力曲線(xiàn)如圖2所示。

圖2 準周期性壓力脈動(dòng)曲線(xiàn)

用公式可表示為：

P=Asin(2πft+σ)   (3)

壓力脈動(dòng)參數數學(xué)描述

當葉片泵泵轉子旋轉過(guò)，其瞬時(shí)流量可以表示為：

其中，d為油泵工作過(guò)程可近似為一個(gè)為閉環(huán)傳遞系統，可用式(4)表示為：

其中，S=JW，式(4)可以寫(xiě)為：

其頻率特性為：

同樣有：

另一方面，液壓泵在吸油過(guò)程中若吸入大量的空氣時(shí)，大量的氣泡不但使液流的流動(dòng)性能變壞，造成流量和壓力的不穩定，當帶有氣泡的液流進(jìn)入高壓區時(shí)，周?chē)母邏簳?huì )使氣泡迅速崩潰，使局部產(chǎn)生非常高的壓力沖擊，從而引起壓力脈動(dòng)、振動(dòng)、噪聲。

2   測試系統組成

本文所述測試系統的設計中，油路系統的設計可靠性以及壓力脈動(dòng)信號數據采集的時(shí)機將對最終壓力脈動(dòng)數值的計算產(chǎn)生致關(guān)重要的影響。本文采用了分時(shí)控制系統對油路進(jìn)行切換，即通過(guò)精確地控制先對油泵進(jìn)行正常加電沖洗，將油泵內的異物進(jìn)行先行排空，同時(shí)對油泵內腔清洗并充滿(mǎn)測試液，然后在不掉電的狀態(tài)下將油路切換進(jìn)測試回路，同時(shí)施加油泵正常工作做必需的壓力，在整個(gè)供油系統穩定后對壓力信號進(jìn)行采集。測試系統液路原理圖如圖3所示。

圖3 測試系統液路

采用雙壓力測試傳感器的結構，其中一路用于壓力PID調節的輸入，另一路用于PID調節后壓力測試。這樣使用壓力傳感器可迅速進(jìn)行壓力調節，并提供相互校驗，保證系統的壓力可靠穩定。壓力傳感器盡量靠近油泵出油口，用于得到油泵運轉工程中所產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)。同時(shí)，在壓力傳感器后接3 m長(cháng)的軟性連接管路，用于抵消管路所帶來(lái)應力對油泵壓力脈動(dòng)的影響。

本文數據采集系統采用美國國家儀器公司的高性能采集卡進(jìn)行數據采集，其采樣時(shí)機放在油泵正常工作5 s后。這樣既能保證油泵工作處于平穩狀態(tài)，又能保證油路系統不因長(cháng)時(shí)間工作造成的油液補油不及時(shí)等問(wèn)題。

3   測試系統功能及硬件構架

3.1 測試系統原理

測試系統主要由主控計算機、數據采集模塊、濾波器模塊、數字DIO模塊，數據存儲服務(wù)器和電氣轉接箱組成。

測試系統電氣原理框圖如圖4所示。

圖4 測試系統框圖

其中，電氣轉接箱包括對負載油泵進(jìn)行加電的電源、壓力放大器以及電路切換所必需的插接件。

當油泵正常工作后，壓力動(dòng)態(tài)信號通過(guò)壓力傳感器進(jìn)行采集，其中濾波模塊以及數據采集模塊采用美國國家儀器公司的PXI4472以及PXI6229，設備具備IP67的防護等級。

3.2 測試系統功能實(shí)現

測試系統設備如圖5所示。

圖5 測試系統設備

由于壓力脈動(dòng)僅體現在壓力傳感器在排除直流分量下的交流波動(dòng)量計算，所以對信號濾波處理的方式就顯得極為重要。根據油泵轉速及壓力特性，本文采用10Hz~4 kHz硬件帶通濾波器對壓力傳感器所輸出的電壓信號進(jìn)行處理，從而去除信號中所疊加的低頻與高頻分量，得到真實(shí)的壓力脈動(dòng)信號。壓力脈動(dòng)信號通過(guò)動(dòng)態(tài)信號采集卡NI_PXI6229進(jìn)行10 kHz信號采樣，然后通過(guò)軟件分析計算，將壓力脈動(dòng)的實(shí)際計算值輸出。

壓力脈動(dòng)信號采集方式如圖6所示：

圖6 壓力脈動(dòng)采集方式

使用高頻信號采集對濾波信號進(jìn)行數據采集，并進(jìn)行分析，確保計算壓力脈動(dòng)的可靠性。

測試與分析軟件界面如圖7所示。

圖7 測試分析軟件

4   結論

本文對油泵帶載狀態(tài)下壓力脈動(dòng)測試工藝及測試方法進(jìn)行研究。尤其是壓力脈動(dòng)產(chǎn)生的原因和機理進(jìn)行介紹，在此基礎上，搭建了一整套用于驗證的測試系統，并成功進(jìn)行相關(guān)軟件及硬件功能的開(kāi)發(fā)。通過(guò)該測試設備進(jìn)行的理論研究，為進(jìn)一步油泵測試自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)的研制打下堅實(shí)的基礎。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2020年9月期）