一种液压泵的流量脉动测试装置的制作方法

[0001]
本发明属于液压系统振动噪声测试技术领域，具体涉及一种液压泵的流量脉动测试装置。


背景技术：

[0002]
由于液压泵自身结构以及油液的压缩性等因素，液压泵必然存在着周期性的流量脉动，流量脉动是引起液压泵流体噪声的根本原因。流量脉动与系统中管路和阀类发生耦合作用产生压力脉动，并经出口传播到整个液压系统；同时导致管道、泵壳振动，激发机械噪声和空气噪声，严重时会导致系统不稳定甚至发生谐振，对系统构件产生严重的破坏。因此，建立精确的流量脉动测试装置，对理解液压泵流体噪声产生机理，指导液压泵低噪声结构优化设计，降低液压系统的振动噪声具有重要的意义。
[0003]
液压泵流量脉动具有高频、大流量的特点，现有动态流量计只能测试不超过300hz的流量脉动，因此要测试高频液压泵流量脉动，必须采用间接测试的方法：通过对液压泵输出管道中压力、温度、粘度等易得信号进行测量，结合流体的连续性及压力波的传播特性，通过数学转化和计算得到流量脉动。国内外学者对泵源流量脉动测试方法进行了大量的研究，并设计了相对应的流量脉动测试装置。其中，英国bath大学的edge等人设计的“二次源”流量脉动测试装置和日本学者kojima提出的“双系统/双压力”流量脉动测试装置分别于1996年和2015年被iso制定成液压泵流量脉动的标准测试系统。“二次源”流量脉动测试装置可以用于测试具有复杂管道、高频大流量液压泵的泵源流量脉动，测试频率范围广，精度高，对测试影响因素考虑全面，但是“二次源”法对测试元件精度要求高，数据处理过程极其复杂，计算耗时长，测试系统引入陪试泵导致系统复杂且测试费用较高，需要具备专业知识的人员处理，不适用于工业环境的应用。相比之下，“双压力/双系统”测试法测试系统布置简单，操作方便，数据处理过程快且测试结果可靠性较高，适用于工业环境，但在测试过程中忽略了测试工况，如转速、压力、温度等改变对声速和油液体积弹性模量的影响；压力传感器数量限制了流量脉动频率的有效测试范围；压力传感器之间的距离为压力脉动谐波半波长的整数倍时会造成试验结果无效等，导致系统在一些特殊工况下，如高压，高转速工况下流量脉动的测试结果偏差较大。


技术实现要素：

[0004]
本发明所要解决的技术问题是，针对现有流量脉动测试装置的以上缺陷或改进需求的一种或多种：(1)未考虑测试工况对声速和油液体积弹性模量的影响，导致测试结果不准确；(2)压力传感器数量限制了流量脉动测试频率的有效范围；(3)压力传感器的安放位置不当造成测试结果无效；(4)系统复杂，数据处理过程复杂，耗时长且不适用于工业环境。
[0005]
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种液压泵的流量脉动测试装置，包括液压系统、信号采集系统和信号分析系统；
[0006]
所述液压系统包括与被试泵的排油口相连的测试管路，设置在所述测试管路上的
第一静态压力传感器，设置在所述排油口与所述第一静态压力传感器之间的至少三个动态压力传感器，以及设置在第一静态压力传感器远离排油口一侧的第一节流阀和第二节流阀；
[0007]
所述信号采集系统分别与第一静态压力传感器、至少三个动态压力传感器通讯连接，所述信号分析系统通过信号采集系统获取各动态压力传感器在同一测试工况下的第一时域数据和第二时域数据，根据所述第一时域数据、第二时域数据对系统的声速和油液体积弹性模量进行校正，并根据校正后的声速、油液体积弹性模量、第一时域数据和第二时域数据计算所述测试工况下的流量脉动时域曲线；
[0008]
其中，所述测试工况包括被试泵的转速和测试管道的压力值；
[0009]
所述第一时域数据为在第二节流阀完全打开，通过第一节流阀将第一静态压力传感器的压力信号调节到测试工况所需的压力值的条件下采集得到；
[0010]
所述第二时域数据为在第一节流阀完全打开，通过第二节流阀将第一静态压力传感器的压力信号调节到测试工况所需的压力值的条件下采集得到。
[0011]
优选的，上述液压泵的流量脉动测试装置，所述至少三个动态压力传感器中的第一动态压力传感器与被试泵的排油口之间的距离为10～15mm；
[0012]
第二动态压力传感器与第一动态压力传感器之间的距离为150mm
±
2mm，与第一静态压力传感器之间的距离为200～300mm；
[0013]
其他动态压力传感器设置在第二动态压力传感器与第一静态压力传感器之间；
[0014]
第一节流阀与第二节流阀之间的距离为150mm
±
5mm。
[0015]
优选的，上述液压泵的流量脉动测试装置还包括吸油管路；
[0016]
所述吸油管路的两端分别连接被试泵的吸油口和油箱，该吸油管路上设置有与信号采集系统通讯连接的第二静态压力传感器和第一温度传感器。
[0017]
优选的，上述液压泵的流量脉动测试装置，所述吸油管路上还设置有可实时显示吸油管路的压力值的第一压力表。
[0018]
优选的，上述液压泵的流量脉动测试装置还包括泄油管路；
[0019]
所述泄油管路的两端分别连接被试泵的泄油口和油箱，用于回收被试泵的油液。
[0020]
优选的，上述液压泵的流量脉动测试装置，所述测试管路上还设置有溢流阀；
[0021]
所述溢流阀设置在第一静态压力传感器与第一节流阀之间，其溢流压力至少调定为测试管路压力的120％。
[0022]
优选的，上述液压泵的流量脉动测试装置还包括回流管路；
[0023]
所述回流管路的两端分别连接测试管路和油箱，其上设置有与信号采集系统通讯连接的流量计、第三静态压力传感器和第二温度传感器。
[0024]
优选的，上述液压泵的流量脉动测试装置，所述回流管路上还设置有可实时显示回流管路的压力值的第二压力表。。
[0025]
优选的，上述液压泵的流量脉动测试装置，还包括设置在吸油管路或回流管路上的冷却器和油液加热器，用于调节系统油温。
[0026]
优选的，上述液压泵的流量脉动测试装置，所述吸油管路、回油管路与油箱的连接处分别设置有过滤器。
[0027]
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有的有益效果
包括：
[0028]
(1)本发明的液压泵流量脉动测试装置，通过在测试管路上安装三个以上的动态压力传感器，分别采集各动态压力传感器在同一测试工况下的第一时域数据和第二时域数据，根据第一时域数据、第二时域数据能够对测试工况下的系统声速和油液体积弹性模量进行实时修正，扩展被试泵流量脉动测试频率的有效范围；
[0029]
(2)本发明的液压泵流量脉动测试装置，为减小液压泵的输出流量过渡过程的影响，同时考虑管道长度和传感器位置与最小管道频率的关系，将第一动态压力传感器与被试泵的排油口之间的距离设置为10～15mm；第二动态压力传感器与第一动态压力传感器之间的距离设置为150mm
±
2mm，与第一静态压力传感器之间的距离设置为200～300mm；其他动态压力传感器设置在第二动态压力传感器与第一静态压力传感器之间；通过对各压力传感器的安放位置进行优化，解决了传感器安放位置不当导致测量结果无效的问题，实现对液压泵流量脉动的准确测量，适用于工业环境下的应用。
[0030]
(3)本发明的液压泵流量脉动测试装置，测试系统组成简单，操作方便，数据处理过程快，能够对系统各种工作参数进行准确调节和测量，节省试验时的设备成本和时间成本，提升在不同工况下液压泵流量脉动测试的准确性和效率，对理解液压泵流体噪声产生机理，指导液压泵低噪声结构优化设计，降低液压系统的振动噪声具有重要的意义，具有较好的工程实用价值和应用前景。
附图说明
[0031]
图1是本发明实施例提供的液压泵流量脉动测试装置的结构组成示意图；
[0032]
图2是本发明实施例提供的测试管路上各器件的安装示意图；
[0033]
图3是本发明实施例提供的第一、第二、第三动态压力传感器在管道上的安装示意图；
[0034]
在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：
[0035]
1.液压系统；2.信号采集系统；3.信号分析系统；4.油箱；5.吸油管路；6.测试管路；7.回油管路；8.被试泵；9.伺服电机；10.泄油管路；11.信号采集线；12.通讯线；13.溢流阀；14.流量计；15.冷却器；16.油液加热器；17.吸油过滤器；18.回油过滤器；19.液位器；20.空气滤清器；21.液温计。
[0036]
101、第一动态压力传感器；102、第二动态压力传感器；103、第三动态压力传感器；
[0037]
201、第一温度传感器；202、第二温度传感器；
[0038]
301、第一压力表；302、第二压力表；
[0039]
401、第一静态压力传感器；402、第二静态压力传感器；403、第三静态压力传感器；
[0040]
501、第一节流阀；502、第二节流阀；
[0041]
601、感应膜。
具体实施方式
[0042]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼
此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0043]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0044]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0045]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0046]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0047]
图1是本发明优选实施例提供的液压泵流量脉动测试装置的结构示意图，参见图1，该液压泵流量脉动测试装置由液压系统1、信号采集系统2和信号分析系统3三个子系统组成。
[0048]
具体而言，液压系统1包括油箱4，吸油管路5、测试管路6、回油管路7、被试泵8和伺服电机9。其中，被试泵8(即待测试的液压泵)的吸油口，排油口和泄油口分别设置有吸油管路5，测试管路6和泄油管路10；测试管路6通过回油管路7连接在对应设置的油箱4上，确保实现试验用油的循环往复使用；泄油管路10连接在对应设置的油箱4上，用于相应油液的回收；被试泵8的转动轴对应设置有伺服电机9；进一步地，伺服电机通过信号采集线11连接信号采集系统2，信号采集系统2通过信号线12与信号分析系统3连接，连接方式包括不限于通讯线、网线、通讯电缆等，信号采集系统2将采集的转速信号发送给信号分析系统3，由信号分析系统3对伺服电机9的转速信号的监控和调节，确保被试泵8可准确的在不同转速情况下完成流量脉动测试。
[0049]
进一步地，吸油管路5的两端分别连接在被试泵8的吸油口和油箱4上，吸油管路5上设置有第一压力表301，方便测试人员监测被试泵8的吸油口压力。优选地，在吸油管路5与油箱4的连接处设置有吸油过滤器17，以避免油箱中的杂质进入吸油管路5中。优选地，在吸油管路5上还设置有静态压力传感器和温度传感器，例如图1中所示的设置于第一压力表301与被试泵8吸油口之间的第二静态压力传感器402、第一温度传感器201；进一步地，第二静态压力传感器402、第一温度传感器201通过信号采集线11连接信号采集系统2，信号采集系统2通过信号线12连接信号分析系统3，实现对吸油管路5的压力和温度的实时采集与监
控。
[0050]
进一步地，测试管路6为与被试泵8排油口直径相同管径的长直、厚壁硬质金属油管，管路内径均匀无变化；测试管路6的一端与被试泵8的排油口连接，具体的连接方式不做具体限定，取决于被试泵8的排油口的管路接口形式。在一个具体示例中，测试管路6的一端端部采用螺纹接头或者法兰盘的形式与被试泵8的排油口对应连接，另一端对应连接回油管路7；优选地，回油管路7选择与测试管路6管径相同的厚壁硬质金属油管。
[0051]
本实施例中，测试管路6上依次设置有第一动态压力传感器101、第二动态压力传感器102、第三动态压力传感器103、第一静态压力传感器401、溢流阀13、第一节流阀501、第二节流阀502；其中，第一动态压力传感器101设置在靠近被试泵8排油口的一端，第二节流阀502设置在远离被试泵8排油口的一端。
[0052]
在一个优选的示例中，第一静态压力传感器401与溢流阀13可以设置在测试管路6上的同一位置处，举例说明，第一静态压力传感器401与溢流阀13设置在同一个安装基座上，该安装基座设置在第三动态压力传感器103与第一节流阀501之间；进一步地，溢流阀13选用直动式溢流阀，溢流阀13的两端分别通过油路管道连接在油箱4和测试管路6上，溢流阀13设置的与测试管路6尽可能的近，从而减小分支油路对实验结果的影响，溢流阀13的溢流压力至少调定为测试管路6压力的120％，起到对测试系统安全保护的作用。进一步地，第一节流阀501和第二节流阀502选用针阀，通过调节阀芯开度的大小来调节测试管路6的压力。
[0053]
请参阅图2，为减小液压泵的输出流量过渡过程的影响，同时考虑管道长度和传感器位置与最小管道频率的关系，本实施例中，第一动态压力传感器101与被试泵8排油口的距离x1设置为10mm到15mm之间，第一动态压力传感器101与第二动态压力传感器102之间的距离x2为150mm
±
2mm，第二动态压力传感器102与第二静态压力402传感器之间的距离x3设置为200mm到300mm之间，第一节流阀501与第二节流阀502之间的距离x4设置为150mm
±
5mm，第三动态压力传感器103设置在第二动态压力传感器102与第一静态压力传感器401大约中间位置即可；进一步地，第一、第二、第三动态压力传感器安装时，压力传感器的感应膜601与管道内壁尽量平齐，传感器油路选择大孔短流道，减小管道中液体流态对传感器测试结果的影响；进一步的，第一动态压力传感器101、第二动态压力传感器102、第三动态压力传感器103、第一静态压力传感器401均通过信号采集线11连接信号采集系统2，信号采集系统2将采集的各路压力信号传输给信号分析系统3，实现对测试管路6的压力脉动的采集、监控、处理和分析，得到所需的测试结果。
[0054]
进一步地，回油管路7一端连接测试管路6，另一端连接在对应设置的油箱4上，回油管路7上分别设置有第三静态压力传感器403、第二压力表302、流量计14、冷却器15、油液加热器16，各部件之间通过油路管路连通。进一步地，流量计14的一端通过回油管路7连接测试管路6，另一端通过回油路管路7连接冷却器15，而冷却器15通过油路管道连接油液加热器16，而油液加热器16通过回油路管路连接在油箱4上。冷却器15和油液加热器16主要实现对系统油温的调控，确保被试泵8可准确的在不同温度工况下完成流量脉动测试。需要指出的是，冷却器15和油液加热器16也可以设置在吸油管路5上，不会影响其温度调控的功能。优选地，油液加热器16与油箱4之间设置有回油过滤器18，以过滤掉回油管路7中的杂质。优选地，在回油管路7上还设置有静态压力传感器和温度传感器，例如设置在测试管路
和第二压力表302之间的第三静态压力传感器403，设置在第三静态压力传感器403与第二压力表302之间的第二温度传感器202；进一步地，流量计14、第三静态压力传感器403和第二温度传感器202通过信号采集线11连接信号采集系统2，信号采集系统2将采集得到的流量、压力、温度信号发送给信号分析系统3，实现对回油管路7的流量、温度和压力的实时采集和监控，检测系统是否正常运行。
[0055]
在一个优选的示例中，油箱4上设置有液位计19、空气滤清器20和液温计21，方便测试人员实现对油箱4中油液位置和温度的监控，同时达到防止空气中颗粒污染物污染油液的作用。
[0056]
通过上述设置，可以得到本发明优选实施例中适用于液压泵的流量脉动测试装置，采用上述液压泵流量脉动测试装置进行液压泵流量脉动的测试，具体的测试过程主要包括如下步骤：
[0057]
(1)确认被试泵8安装良好，吸油充分，运行工况可调，确认测试系统平台各元件连接良好，记录测试管路的内径、壁厚、动态压力传感器位置、油液密度、粘度等基本特性参数；
[0058]
(2)测试之前需要对系统进行预运行，将第一节流阀501和第二节流阀502完全打开，被试泵8进行足够长时间的预运行以清除系统中可能存在的气体影响，
[0059]
(3)调节伺服电机9转速、冷却器15、油液加热器16使电机运行转速和温度满足测试工况要求，通过信号分析系统对运行过程中的电机转速和系统温度进行实时的监控；
[0060]
(4)将第二节流阀502完全打开，通过调节第一节流阀501将测试管路6的压力设定到测试工况压力，待系统稳定运行后，通过信号采集系统2对测试管路6上的第一动态压力传感器101、第二动态压力传感器102、第三动态压力传感器103的时域数据p1(t)，p2(t)，p3(t)进行采样，采样时间大于5s，信号分析系统3对采样数据实时记录和显示，观察数据压力脉动是否平稳，正常；
[0061]
(5)将第一节流阀501完全打开，通过调节第二节流阀502将测试管路压力再次设定到测试工况压力，待系统稳定运行后，通过信号采集系统2对测试管路6上的第一动态压力传感器101、第二动态压力传感器102、第三动态压力传感器103的时域数据p'1(t)，p'2(t)，p'3(t)进行采样，采样时间大于5s，信号分析系统3对采样数据实时记录和显示，观察数据压力脉动是否平稳，正常；
[0062]
(6)信号分析系统3利用两次采样所得的动态压力传感器数据，结合流体的连续性及压力波的传播特性等理论，对测试工况下的油液粘度、声速、油液体积弹性模量等系统参数进行修正，分析得到该测试工况下的被试泵流量脉动测试结果；
[0063]
具体而言，获得试泵流量脉动测试结果的方法包括以下步骤：
[0064]
步骤1：压力脉动信号的滤波、频域转换；
[0065]
对第一次采样所得的时域数据p1(t)，p2(t)，p3(t)进行滤波和离散傅里叶变换，将其转换为该测试工况下谐波频率点f
i
处的频域数据p
1,i
，p
2,i
，p
3,i
，包括幅值和相位；
[0066]
同样，对第二次采样所得的时域数据p'1(t)，p'2(t)，p'3(t)进行离散傅里叶变换，将其转换为该测试工况下谐波频率点f
i
处的频域数据p'
1,i
，p'
2,i
，p'
3,i
，包括幅值和相位；
[0067]
步骤2：声速和油液体积弹性模量校正；
[0068]
利用步骤1中获得的两组压力脉动频域数据p
1,i
，p
2,i
，p
3,i
与p'
1,i
，p'
2,i
，p'
3,i
，采用
牛顿迭代法对该测试工况下系统的声速c0和油液体积弹性模量b
eff
进行校正；
[0069]
步骤3：计算泵源阻抗和泵源流量脉动
[0070]
将步骤1获取的两组压力脉动频域数据p
1,i
，p
2,i
，p
3,i
与p'
1,i
，p'
2,i
，p'
3,i
以及步骤2校正后所得的系统声速c0和油液体积弹性模量b
eff
带入管路流体波动方程，计算出该测试工况下谐波频率点f
i
处的泵源阻抗z
s,i
和泵源流量脉动q
s,i
，包括幅值|q
s,i
|和相位∠q
s,i
，将频域数据反变换即可可得该测试工况下的流量脉动时域曲线q(t)，如下式：
[0071][0072]
(7)完成测试后，通过信号分析系统3对系统中的流量、压力、温度和电机转速的测试数据进行检查，这些参数允许波动的范围见下表1，任何一个参数的波动范围超过允许波动的范围，则该工况下的测试结果无效，需要对该工况下的被试泵流量脉动重新测量。
[0073]
表1测试系统参数允许波动范围表
[0074]
系统测试参数允许波动范围流量
±
2.0％压力
±
2.0％电机转速
±
0.5％温度
±
2.0
°
[0075]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。