油泵壓力脈動(dòng)測(cè)試方法研究

0   引言

西安某汽車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(jì)生產(chǎn)了近千萬(wàn)油泵產(chǎn)品，并成功交付客戶。油泵的測(cè)試指標(biāo)中有一項(xiàng)關(guān)鍵的測(cè)試參數(shù)：壓力脈動(dòng)。一直以來(lái)，關(guān)于壓力脈動(dòng)的測(cè)試工藝及計(jì)算方法一直為國(guó)外進(jìn)行技術(shù)屏蔽。本文重點(diǎn)介紹壓力脈動(dòng)的機(jī)理及測(cè)試方法，為進(jìn)一步開發(fā)油泵性能自動(dòng)測(cè)試生產(chǎn)線提供依據(jù)。

1   壓力脈動(dòng)機(jī)理

1.1 液壓泵的壓力脈動(dòng)

液壓泵由于其工作機(jī)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(dāng)流量脈動(dòng)遇到液壓系統(tǒng)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(duì)于西安某汽車電子有限公司西安廠所生產(chǎn)的油泵系列產(chǎn)品，屬于葉片式油壓系統(tǒng)。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(nèi)的油液是在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角范圍(即葉片從1 點(diǎn)掃到2 點(diǎn)區(qū)間內(nèi)) 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(dāng)容腔剛進(jìn)入排油區(qū)時(shí)，在dt時(shí)間轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)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(dāng)葉片排油接近終點(diǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子同樣轉(zhuǎn)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(nèi)曲線為變半徑，R1> R′1，故dV > d V′。所以，葉片容腔在排區(qū)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(zhuǎn)角變化呈正弦周期脈動(dòng)。其波動(dòng)過(guò)程，可理解為準(zhǔn)周期性壓力脈動(dòng)，其典型壓力曲線如圖2所示。

圖2 準(zhǔn)周期性壓力脈動(dòng)曲線

用公式可表示為：

P=Asin(2πft+σ)   (3)

壓力脈動(dòng)參數(shù)數(shù)學(xué)描述

當(dāng)葉片泵泵轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)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(tǒng)，可用式(4)表示為：

其中，S=JW，式(4)可以寫為：

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(wěn)定，當(dāng)帶有氣泡的液流進(jìn)入高壓區(qū)時(shí)，周圍的高壓會(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(cè)試系統(tǒng)組成

本文所述測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，油路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可靠性以及壓力脈動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)采集的時(shí)機(jī)將對(duì)最終壓力脈動(dòng)數(shù)值的計(jì)算產(chǎn)生致關(guān)重要的影響。本文采用了分時(shí)控制系統(tǒng)對(duì)油路進(jìn)行切換，即通過(guò)精確地控制先對(duì)油泵進(jìn)行正常加電沖洗，將油泵內(nèi)的異物進(jìn)行先行排空，同時(shí)對(duì)油泵內(nèi)腔清洗并充滿測(cè)試液，然后在不掉電的狀態(tài)下將油路切換進(jìn)測(cè)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(tǒng)穩(wěn)定后對(duì)壓力信號(hào)進(jìn)行采集。測(cè)試系統(tǒng)液路原理圖如圖3所示。

圖3 測(cè)試系統(tǒng)液路

采用雙壓力測(cè)試傳感器的結(jié)構(gòu)，其中一路用于壓力PID調(diào)節(jié)的輸入，另一路用于PID調(diào)節(jié)后壓力測(cè)試。這樣使用壓力傳感器可迅速進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)，并提供相互校驗(yàn)，保證系統(tǒng)的壓力可靠穩(wěn)定。壓力傳感器盡量靠近油泵出油口，用于得到油泵運(yùn)轉(zhuǎn)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(zhǎng)的軟性連接管路，用于抵消管路所帶來(lái)應(yīng)力對(duì)油泵壓力脈動(dòng)的影響。

本文數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用美國(guó)國(guó)家儀器公司的高性能采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，其采樣時(shí)機(jī)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(wěn)狀態(tài)，又能保證油路系統(tǒng)不因長(zhǎng)時(shí)間工作造成的油液補(bǔ)油不及時(shí)等問(wèn)題。

3   測(cè)試系統(tǒng)功能及硬件構(gòu)架

3.1 測(cè)試系統(tǒng)原理

測(cè)試系統(tǒng)主要由主控計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集模塊、濾波器模塊、數(shù)字DIO模塊，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器和電氣轉(zhuǎn)接箱組成。

測(cè)試系統(tǒng)電氣原理框圖如圖4所示。

圖4 測(cè)試系統(tǒng)框圖

其中，電氣轉(zhuǎn)接箱包括對(duì)負(fù)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(dāng)油泵正常工作后，壓力動(dòng)態(tài)信號(hào)通過(guò)壓力傳感器進(jìn)行采集，其中濾波模塊以及數(shù)據(jù)采集模塊采用美國(guó)國(guó)家儀器公司的PXI4472以及PXI6229，設(shè)備具備IP67的防護(hù)等級(jí)。

3.2 測(cè)試系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

測(cè)試系統(tǒng)設(shè)備如圖5所示。

圖5 測(cè)試系統(tǒng)設(shè)備

由于壓力脈動(dòng)僅體現(xiàn)在壓力傳感器在排除直流分量下的交流波動(dòng)量計(jì)算，所以對(duì)信號(hào)濾波處理的方式就顯得極為重要。根據(jù)油泵轉(zhuǎn)速及壓力特性，本文采用10Hz~4 kHz硬件帶通濾波器對(duì)壓力傳感器所輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行處理，從而去除信號(hào)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(hào)。壓力脈動(dòng)信號(hào)通過(guò)動(dòng)態(tài)信號(hào)采集卡NI_PXI6229進(jìn)行10 kHz信號(hào)采樣，然后通過(guò)軟件分析計(jì)算，將壓力脈動(dòng)的實(shí)際計(jì)算值輸出。

壓力脈動(dòng)信號(hào)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(hào)采集對(duì)濾波信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并進(jìn)行分析，確保計(jì)算壓力脈動(dòng)的可靠性。

測(cè)試與分析軟件界面如圖7所示。

圖7 測(cè)試分析軟件

4   結(jié)論

本文對(duì)油泵帶載狀態(tài)下壓力脈動(dòng)測(cè)試工藝及測(cè)試方法進(jìn)行研究。尤其是壓力脈動(dòng)產(chǎn)生的原因和機(jī)理進(jìn)行介紹，在此基礎(chǔ)上，搭建了一整套用于驗(yàn)證的測(cè)試系統(tǒng)，并成功進(jìn)行相關(guān)軟件及硬件功能的開發(fā)。通過(guò)該測(cè)試設(shè)備進(jìn)行的理論研究，為進(jìn)一步油泵測(cè)試自動(dòng)生產(chǎn)線的研制打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2020年9月期）