一种超高速涡轮泵与溢流阀匹配试验装置的制作方法

本发明涉及一种超高速涡轮泵与溢流阀匹配试验装置，用于验证高温条件下溢流阀动态性能与涡轮泵的匹配耦合关系，属于液压系统领域。

背景技术：

溢流阀在伺服液压系统中是重要的压力控制调节元件，作为伺服能源的重要控制调节元件，其动态特性、稳定性及工作噪声将影响到整个伺服系统的正常工作。对于工作在高温条件下，溢流阀在阀芯和阀体配合表面之间，由于热膨胀大小不一致，很容易产生阀芯卡死、运动不灵活或泄漏量增大等现象，导致溢流阀调压性能不稳定，甚至无法正常工作。同时溢流阀在液压系统中做定压阀使用时，因受压力脉动和系统负载波动的干扰，使得先导阀或主阀产生振动，引起系统压力在调定压力附近波动。压力波动大的溢流阀的压力稳定性就差，严重时会产生激烈振动和啸叫声，使系统不能正常工作。同时先导阀或主阀产生振动会反过来影响液压泵供油脉动，使涡轮泵轴系产生一定的振动。溢流阀与涡轮泵相互耦合，产生共振现象，严重影响了系统的压力稳定性。这是液压系统中存在的一大难题，即系统压力稳定性问题。同时目前国内在高温条件下溢流阀动态性能还没有形成系统的、完善的测试方法，目前还没有针对这方面的专门研究。

溢流阀用作定压阀时，因受液压泵供油脉动和系统负载波动的干扰，使得先导阀或主阀产生振动，引起系统压力在调定压力附近波动。压力波动大的溢流阀的压力稳定性就差，严重时会产生激烈的振动和啸叫声，使系统不能正常工作。同时先导阀或主阀产生振动会反过来影响液压泵供油脉动，使涡轮泵轴系产生一定的振动。为了提高系统压力稳定性，溢流阀主阀固有频率必须避免与外界压力扰动频率相重合或成整倍数，为验证溢流阀和涡轮泵在工作状态下的匹配耦合关系，建立溢流阀与涡轮泵匹配性试验系统是十分必要的。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种超高速涡轮泵与溢流阀匹配试验装置，能够验证溢流阀的动态特性以及溢流阀动态特性与超高速涡轮泵在工作状态下的匹配耦合关系。

本发明的技术解决方案是：

一种超高速涡轮泵与溢流阀匹配试验装置，包括涡轮驱动装置、液压系统、计算机采集与控制系统以及实时频谱分析仪；

涡轮驱动装置：试验过程中，用于驱动涡轮泵工作；

液压系统：为超高速涡轮泵提供等效模拟负载；

计算机采集与控制系统：根据性能要求调节等效模拟负载的流量；实时采集超高速涡轮泵工作过程中的转速、转子小轴端振动量，以及溢流阀的开启压力、流量、额定压力、关闭压力和自振频率，处理后得到溢流阀动态特性，并将采集的参数发送给实时频谱分析仪；

实时频谱分析仪：针对不同试验环境下溢流阀未开启、正在开启和完全开启状态，对溢流阀自振频率和超高速涡轮泵转子小轴端振动量进行频谱分析，得到自激现象下溢流阀动态特性与超高速涡轮泵转子小轴端振动量的匹配关系。

所述涡轮驱动装置利用氦气驱动，包括氦气瓶、防爆电磁阀和电磁截止阀；氦气瓶依次通过防爆电磁阀、电磁截止阀与涡轮泵的气体入口连接，涡轮泵的气体出口直接排空。

液压系统包括自增压油箱和伺服阀；自增压油箱的进油口与涡轮泵的液体入口连接，涡轮泵的液体出口与伺服阀的入口连接，伺服阀的出口与自增压油箱的回油口连接，被测溢流阀与伺服阀并联；伺服阀作为等效模拟负载，计算机采集与控制系统通过控制伺服阀的开度，实现流量的控制。

在伺服阀的出口和自增压油箱的回油口之间设置有换热器，涡轮泵的液体出口与伺服阀出口之间设置有安全阀。

自增压油箱为容积可调式油箱，包括电动加注台、气源和油箱；

气源与油箱的气腔连接，为油箱提供增压压力；电动加注台与油箱中活塞杆上的油路连接，用于为油箱注油；油箱底部设置有第一温度传感器、第一截止阀和第一压力传感器，第一位移传感器与油箱中的活塞杆连接，用于检测油箱的油面变化，所述电动加注台通过第一截止阀与第一位移传感器配合将油箱液面调定到指定位置。

电动加注台包括电机泵和加注油箱；电机泵的入口和加注油箱出油口连接，电机泵的出口与油箱中活塞杆上的油路连接；油箱的进油口通过第二截止阀、第一单向阀与加注油箱连接，实现从油箱向加注油箱的回流。

油箱的进油口通过第三截止阀与加注油箱连接，作为冗余回流通路。

自增压油箱还包括一套活塞杆位移测量装置，所述活塞杆位移测量装置实现油箱容积调节过程中活塞杆的移动以及活塞杆到达指定位置后的固定；

活塞杆位移测量装置包括连接件、压板、螺杆和刻度尺；油箱中活塞杆的顶端与连接件一端连接，连接件的另一端插入压板中，螺杆的一端插入压板中，且与连接件固连，连接件、螺杆均与压板螺纹连接，螺杆另一端与螺杆座连接，连接件与基准尺一端连接，基准尺另一端与刻度尺接触，所述刻度尺固定在试验台上，通过刻度尺实现对连接件的位移测量。

所述活塞杆位移测量装置还包括第二位移传感器，所述第二位移传感器与连接件连接，实现对连接件位移的冗余测量。

计算机采集与控制系统通过转速传感器采集超高速涡轮泵工作过程中的转速，通过测振传感器采集转子小轴端振动量；所述转速传感器和测振传感器均为电涡流传感器；

转速传感器与超高速涡轮泵的安装方式如下：

在超高速涡轮泵轴上安装一个带有键槽的轴承套筒，转速传感器采用螺纹连接方式内嵌于涡轮泵内壳体上，且转速传感器探头距离涡轮泵轴上键槽0.1-0.5mm，对转速传感器电涡流遇到凸起产生的方波进行脉冲计数，实现转速测量；

测振传感器与超高速涡轮泵的安装方式如下：

测振传感器布置在超高速涡轮泵的涡轮盖上，测振传感器探头与涡轮泵转子小轴端的径向距离为0.5-0.55mm，根据转子转动时振动引起测振传感器电涡流的脉冲变化计算振动值。

试验过程如下：

(1)试验开始时，启动试验装置，涡轮驱动装置驱动涡轮泵，使涡轮泵工作，当涡轮泵达到额定转速后，按照试验工况的要求通过计算机采集与控制系统通过对等效模拟负载的调节，间接实现流量的调节；

(2)在等效模拟负载每种状态下，当涡轮泵达到额定工作状态时，逐级调整溢流阀的开启压力，然后通过计算机采集与控制系统采集溢流阀的开启压力、额定流量、额定压力、关闭压力和自振频率，记录试验数据，获得溢流阀动态特性，同时通过计算机采集与控制系统采集实时采集涡轮转子小轴端振动量；

(3)利用实时频谱分析仪获得涡轮泵转子振动频谱和溢流阀压力振荡频谱，要求在一个时间相关视图中分析时域、频域和调制域的关系。进而得到溢流阀的动态特性与超高速涡轮泵转子小轴端振动量的匹配关系。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明设计了一种超高速涡轮泵与溢流阀匹配试验装置，可实现高温高压情况下溢流阀动态性能的测试以及研究溢流阀动态特性与涡轮泵小轴端振动量的耦合关系测量。

(2)本发明油箱为自增压容积可调式油箱，通过截止阀与位移传感器配合将油箱液面调定到指定位置，可实现油箱自增压；通过电动加注台、油箱与气源配合使用，在试验前实现油箱的压力与容积的调节，极大地增加了试验装置的灵活性。

(3)本发明设计了转速传感器和测振传感器的安装结构，一方面保证了其安装可靠性，另一方面解决了其安装尺寸太小无法加工的问题，从而实现了狭小空间下转子小轴端振动量和转速的精准测量。

附图说明

图1为本发明一种超高速涡轮泵与溢流阀匹配试验装置液压系统示意图；

图2为本发明自增压油箱示意图；

图3为涡轮泵轴系测振传感器、转速传感器安装示意图，其中(a)为传感器具体安装形式，(b)为测振传感器安装示意图，(c)为转速传感器安装示意图。

具体实施方式

本发明提供一种超高速涡轮泵与溢流阀匹配试验装置，该系统主要包括涡轮驱动装置、液压系统、计算机采集与控制系统、实时频谱分析仪。超高速涡轮泵的转速大于转子的一阶临界转速。

涡轮驱动装置：试验过程中，用于驱动涡轮泵工作。

液压系统：为超高速涡轮泵提供等效模拟负载。

计算机采集与控制系统：根据性能要求调节等效模拟负载的流量；采集处理超高速涡轮泵工作过程中的转速、转子小轴端振动量，以及溢流阀的开启压力、流量、额定压力、关闭压力和自振频率，处理后得到溢流阀动态特性，并将检测分析后的参数发送给实时频谱分析仪。

实时频谱分析仪：采集不同试验环境下溢流阀未开启、正在开启和完全开启状态下的信号，在每种状态下，对溢流阀自振频率和超高速涡轮泵转子小轴端振动量进行频谱分析，得到自激现象下溢流阀动态特性与超高速涡轮泵转子小轴端振动量的匹配关系。

如图1所示，涡轮驱动装置利用氦气驱动。涡轮驱动装置包括氦气瓶、防爆电磁阀181和电磁截止阀182。氦气瓶依次通过防爆电磁阀181、电磁截止阀182与涡轮泵19的气体入口连接。涡轮泵19的气体出口直接排空。

如图1所示，液压系统包括自增压油箱和伺服阀24；自增压油箱的进油口与涡轮泵19的液体入口连接，涡轮泵19的液体出口与伺服阀24的入口连接，伺服阀24的出口与自增压油箱的回油口连接，被测溢流阀与伺服阀24并联。

伺服阀24作为等效模拟负载，计算机采集与控制系统通过控制伺服阀24的开度，实现流量的控制。

为了监控流量、压力和温度，在涡轮泵19的液体出口与伺服阀24的入口之间设置有第三温度传感器23、第三压力传感器43、第二压力表172(与第三压力传感器43互为冗余)、第三单向阀153、高压滤油器12、第一流量计221和第四截止阀39。第三单向阀153的作用是保证油沿涡轮泵出口流向伺服阀24。

在伺服阀24的出口和自增压油箱的回油口之间设置有换热器25。涡轮泵液体出口与伺服阀24出口之间设置有安全阀20。

在被测溢流阀与伺服阀24的并联支路上，在被测溢流阀入口处设置有第四压力传感器44和第三压力表173。在被测溢流阀出口处设置有第二流量计222。

如图2所示，自增压油箱为容积可调式油箱，包括电动加注台、气源、油箱等，活塞杆移动实现油箱1～10l容积的变化，气源实现油箱增压，电动加注台通过截止阀与位移传感器配合将油箱液面调定到指定位置。

气源与油箱1的气腔连接，为油箱1提供增压压力。电动加注台与油箱1中活塞杆上的油路连接，用于为油箱1注油。

为了获得位移、压力等参数，在油箱1底部设置有第一温度传感器21、第一截止阀31和第一压力传感器41。第一位移传感器5用于与油箱1活塞杆连接，用于检测油面变化。

在气源(本发明选用氮气瓶8)与油箱1的气腔之间，设置有减压阀9、过滤器10、第五截止阀33和二位三通电磁换向阀11。

电动加注台包括电机泵13、加注油箱14；电机泵13的入口和加注油箱14出油口连接，电机泵13的出口与油箱1中活塞杆上的油路连接。油箱1的进油口通过第二截止阀37、第一单向阀151与加注油箱14连接，实现从油箱1向加注油箱14的回流。为了保证可靠性，设计了一套冗余回流通路，即油箱1的进油口通过第三截止阀36与加注油箱14连接。

油箱1的进油口与涡轮泵19液体入口的连接通路上设置有第四截止阀38、第二单向阀152、低压滤油器16、第二温度传感器22、第二压力传感器42、第一压力表171(与第二压力传感器42互为冗余)。第二单向阀152用于实现油箱1的进油口向涡轮泵19液体入口的液体通路。

为了精确测量油箱1中油面的位移，本发明设计了活塞杆位移测量装置，实现油箱1容积调节过程中活塞杆111的移动以及活塞杆111到达指定位置后的固定。

活塞杆位移测量装置包括连接件118、压板119、螺杆120、第二位移传感器116和刻度尺117。油箱中活塞杆111的顶端与连接件118一端连接，连接件118的另一端插入压板119中，螺杆120的一端插入压板119中，且与连接件118固连，连接件118、螺杆120均与压板119螺纹连接，螺杆120另一端与螺杆座121连接。连接件118与基准尺一端连接，基准尺另一端与刻度尺117连接，所述刻度尺117固定在试验台上，第二位移传感器116与连接件118连接。通过刻度尺117和第二位移传感器116实现对连接件118的位移测量。

本发明用安全阀20和被测溢流阀23，实现了油箱和管路的过压保护功能。装置中，用伺服阀24作为等效模拟负载，并实现了流量的控制，使用第一流量计221和第二流量计222来检测被测溢流阀以及整个系统流量的变化，并且通过热交换器25实现对整个系统的及时冷却，油箱1中设有排气阀以及排气口用于整个装置和油箱的排气。低压滤油器16和高压滤油器21的使用保证了整个系统油路的清洁与畅通。

本发明在油路中多点安装了压力传感器以及压力表，可以通过多点采集实现对压力脉动频率的精确测量。在被试溢流阀出口处以及进油总油路中设有流量计221和222，用于对测试被测溢流阀启闭特性时不同流量进行监测。

本发明中采用自增压容积可调式油箱，通过活塞杆移动实现油箱1～10l容积的变化，气源实现油箱增压，电动加注台通过截止阀与位移传感器配合将油箱液面调定到指定位置。

电动加注台、油箱与气源配合使用，在试验未开始前实现油箱的压力与容积的调节。

增大油箱容积的调节过程如下：

先调节螺杆120带动活塞杆111右移到指定位置，第二截止阀37打开，电动加注台向油箱1中注油，通过液位计观察是否到达指定油面位置；

当油面到达指定位置时，第二截止阀37关闭，二位二通电磁换向阀11断电，氮气经减压阀9、过滤器10、二位三通电磁换向阀11进入油箱，实现增压作用。

减小油箱容积的调节过程如下：

先调节螺杆120带动活塞杆111左移，同时油液经第二截止阀37和第一单向阀151注入加注油箱14，通过液位计观察是否到达指定油面位置；

当油面到达指定位置时，二位三通电磁换向阀11断电，氮气经减压阀9、过滤器10、二位三通电磁换向阀11进入油箱，实现增压作用。

活塞杆位移测量装置实现活塞杆111到达指定位置后的固定以及容积调节过程中的移动；位移传感器116和刻度尺117，可以精确的显示出容积对应位移的变化，实现准确定位；液位计可以显示油箱油面的高度。

计算机采集与控制系统通过转速传感器194采集超高速涡轮泵工作过程中的转速，通过测振传感器192采集转子小轴端振动量。

转速传感器和测振传感器均为电涡流传感器；

转速传感器与超高速涡轮泵的安装方式如下：

在超高速涡轮泵轴上安装一个带有键槽的轴承套筒，转速传感器采用螺纹连接方式内嵌于涡轮泵内壳体上，且转速传感器探头距离涡轮泵上键槽0.1-0.5mm，对转速传感器电涡流遇到凸起产生的方波进行脉冲计数，实现转速测量；

测振传感器与超高速涡轮泵的安装方式如下：

测振传感器布置在超高速涡轮泵的涡轮盖上，测振传感器探头与涡轮泵转子小轴端的径向距离为0.5-0.55mm，根据转子转动时振动引起测振传感器电涡流的脉冲变化计算振动值。

本发明的超高速涡轮泵与溢流阀匹配试验装置主要通过试验过程中实时测量涡轮转子小轴端振动量，针对不同的溢流阀动态特性，研究超高速涡轮泵额定流量和压力与溢流阀动态特性的内在对应关系。对于测试分析超高速涡轮泵与溢流阀动态性能匹配，需要进行实时频谱分析，测试涡轮泵转子振动频谱和溢流阀压力振荡频谱，要求在一个时间相关视图中分析时域、频域和调制域的关系。能够在信号变化时触发采集，无缝捕获信号，在所有域中分析变化的影响。

具体地，为了测量涡轮泵转速和小轴端的振动量(径向测量)，传感器采集频率为5000hz，振动位移0-500um，因此选用德国米依公司生产的eddyncdt—3010—u05型电涡流测振传感器和eddyncdt—turbospeed—135型电涡流转速传感器，电涡流传感器具体安装形式如图3中(a)所示。

对于小轴端振动测量的测振传感器安装示意图如图3中(b)所示，测量轴端直径为6～12mm，测振传感器探头直径为2mm，满足被测要求，测振传感器与涡轮盖193上的支架孔相配合，通过两端锁紧螺母锁紧实现固定，并使探头距离小轴端轴的径向距离为0.5mm，利用转动时振动引起电涡流的脉冲变化实现测量。对于小轴端转速测量的转速传感器安装示意图如图3中(c)所示，在涡轮泵轴191上安装一个带有键槽的轴承套筒，键槽宽为1.2mm、高为1mm。将转速传感器采用螺纹连接方式内嵌于涡轮泵内部，安装在距离轴上键槽0.3mm处，根据电涡流遇到凸起产生的方波实现测量。

应用本发明试验装置的试验过程如下：

(1)试验时，启动试验装置，高压氦气驱动涡轮泵，使涡轮工作，当涡轮泵达到额定转速后，按照试验工况的要求通过计算机采集与控制系统调节等效模拟负载的开度(实现全开、半开、全关等状态)，以实现流量的调节。

(2)在每种开度下，被试涡轮泵达到额定工作状态时，分别对溢流阀的动态特性和涡轮泵转子振动量等进行测试。在测试中按照一定的量级(如逐级调整开启压力0.2mpa)，逐级调整溢流阀的启闭特性，然后采集溢流阀的开启压力、额定流量、额定压力、关闭压力等，分别进行对比测试，记录试验数据，获得溢流阀动态特性。实时测量涡轮转子小轴端振动量。

(3)获得不同开度下溢流阀动态特性和涡轮泵转子小轴端振动量。针对不同的溢流阀动态特性，研究涡轮泵额定流量和压力与溢流阀动态特性的内在对应关系。利用实时频谱分析仪对溢流阀自振频率和超高速涡轮泵转子小轴端振动量进行频谱分析，获得测试涡轮泵转子振动频谱和溢流阀压力振荡频谱，在一个时间相关视图中分析时域、频域和调制域的关系，进而得到自激现象下溢流阀动态特性与超高速涡轮泵转子小轴端振动量的匹配关系。

本发明能够在信号变化时触发采集，无缝捕获信号，在所有域中分析变化的影响。本发明采用频谱分析仪通过时域分析可以直观看出溢流阀自激状态以及发生自激的时间，频域分析可以得到溢流阀自激频率振荡区间和液体本体振荡频率，从而实现对于溢流阀自激啸叫现象的分析。

以上结合附图对本发明的实施例进行了详细地说明，此处附图是用来提供对本发明的进一步理解。显然，以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明保护范围并不局限于此，任何对本领域技术人员来说是可轻易想到的、实质上没有脱离本发明的变化或替换，也均包含在本发明保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。