CN105971978A - 深海动力源的性能测试装置及方法 - Google Patents

深海动力源的性能测试装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种深海液压泵的测试装置及方法，包括深海模拟舱，深海模拟舱连接有液压泵加压装置、液压泵‑溢流阀加载装置和循环水冷却器；通过耐压舱模拟深海复杂环境，通过液压泵加压装置为耐压舱提供所需0～50MPa的压力；为避免加载溢流阀直接加载导致产生大量的热量无法迅速散失而引起耐压舱温骤升，而采用液压泵‑溢流阀加载装置，热量直接在大气中散失，少部分的热量通过循环水冷却器来降温，本装置能够模拟不同环境压力、不同环境温度深海环境，具有模拟精度高、受工况变化影响小的特点，同时能够在大气工况下对深海液压泵进行模拟深海工况的各种性能测试。

Description

深海动力源的性能测试装置及方法
技术领域
本发明属于深海液压传动领域，具体涉及深海动力源的性能测试装置及方法。
背景技术
目前，世界各国已经进入大规模、全方位、多领域的开发利用海洋资源的时期，而我国拥有广阔的海洋面积及丰富的海洋资源，因此深海液压设备的研制是我国实现海洋资源有效勘探开发利用和实现世界海洋强国的必由之路。对于这些水下设备的液压控制系统，在海水压力变化比较大以及温差变化显著这种复杂的海洋环境中，液压泵的性能会受到影响，因此在深海环境中对液压泵进行性能测试至关重要，但是在实际深海环境中对液压泵进行性能测试成本过高、操作难度过大、也是不可行的。因此，模拟深海高压低温环境下液压泵的性能测试是非常重要的。
这方面已有相关研究，北京工业大学聂松林提出一种较为可行的方法是：高压模拟系统为耐压舱提供模拟深海0～50MPa范围内的压力调定，而溢流阀直接对耐压舱中变量液压泵进行加载，从而完成对深海复杂环境的模拟并对液压泵性能进行测试；另一种是浙江大学胡国庆提出的方法是：深海模拟舱通过加压系统为海水液压泵的性能测试提供不同水深环境所需的压力，模拟负载由高压流量控制阀自由调节，为避免耐压舱内温度升高而采用循环水冷却管路降温。
这两种方案都有其各自的局限性：在4000～6000m的深海环境中压力大约为50MPa、温度为0～10℃，为更加精确的模拟深海复杂环境，必须考虑压力和温度要素，而在不同水深，压力和温度是变化的。但上述第一种方法没有对温度因素进行充分考虑，同时温度对液压油的粘度影响特别大，因此用第一种方法模拟深海液压环境进行泵的测试是不够准确；第二种方法对温度变化而采取的应对措施考虑也不够周全。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供深海动力源的性能测试装置及方法，用于模拟不同环境压力、不同环境温度深海环境，具有模拟精度高、受工况变化影响小的特点，同时能够在大气工况下对深海液压泵进行模拟深海工况的各种性能测试。
为了达到上述目的，深海动力源的性能测试装置包括深海模拟舱，深海模拟舱连接有液压泵加压装置、液压泵-溢流阀加载装置和循环水冷却器；
所述深海模拟舱用于模拟深海复杂环境；
所述液压泵加压装置用于为深海模拟舱内提供0～50MPa的压力；
所述液压泵-溢流阀加载装置用于带走深海模拟舱的部分温度；
所述循环水冷却器用于带走深海模拟舱剩余的温度。
所述深海模拟舱包括耐压舱，耐压舱内设置有三位四通电液比例电磁换向阀，三位四通电液比例电磁换向阀的左位和右位均连接信号输入端i0，三位四通电液比例电磁换向阀的中位连接液压缸，三位四通电液比例电磁换向阀连接第二溢流阀和第二高压电磁流量计，第二高压电磁流量计连接被测泵，被测泵连接深水电机和循环泵，深水电机连接有转速转矩测试仪，被测泵和循环泵分别连接第一过滤器和第四过滤器，循环泵还连接有第三溢流阀和循环水冷却器；
所述耐压舱上设置有第一温度传感器、第一压力传感器和第二压力传感器，第一温度传感器和第一压力传感器用于采集耐压舱的温度和压力，第二压力传感器连接三位四通电液比例电磁换向阀、被测泵和第二溢流阀。
所述耐压舱内填充有液压油，耐压舱连接有第一溢流阀，耐压舱通过第四截止阀连接第三油箱。
所述液压泵加压装置包括加载舱，加载舱内设置有液压马达，加载舱外设置有液压泵，液压泵通过联轴器与液压马达连接，液压泵还连接第三过滤器和第五溢流阀，液压泵与第五溢流阀间设置有压力表，第五溢流阀连接加载信号iq，第三过滤器和第五溢流阀均连接第二油箱；
所述液压马达两端均连接深海模拟舱，其中一端通过高压电磁流量计通过管道接口接入，加载舱上设置有第四压力传感器，加载舱通过管路连接深海模拟舱和液压泵-溢流阀加载装置。
所述加载舱与联轴器和液压马达连接处的密封通过高压动密封。
所述液压泵-溢流阀加载装置包括与电机相连的高压泵，高压泵的输出端连接单向阀、第三压力传感器和第四溢流阀，高压泵的输入端通过连接第二过滤器，第二过滤器和第四溢流阀均连接第一油箱，第四溢流阀接受调压信号ip，单向阀分别通过第一截止阀和第二截止阀连接深海模拟舱和液压泵加压装置。
所述循环水冷却器包括与冷却电机连接的冷却水泵，冷却水泵的输入端接入冷却箱外壳内，冷却箱外壳内设置有冷却管道，冷却管道的一端与深海模拟舱连接，另一端通过第三截止阀接入深海模拟舱内，冷却箱外壳下部开设有回水管道，回水管道通过第六截止阀接入水池中，水池通过水泵过滤器连接冷却水泵的输入端，冷却箱外壳上设置有第二温度传感器，冷却箱外壳内填充有冷却水和冷却剂。
所述冷却箱外壳上开设有添加冷却剂入口，添加冷却剂入口通过第五截止阀连接添加冷却剂管理。
深海动力源的性能测试装置的测试方法，包括以下步骤：
步骤一，打开第一截止阀和第二截止阀，并启动驱动电机和高压泵，给第四溢流阀一个加压电信号，开始为耐压舱和加载舱提供压力；同时打开第六截止阀和第二截止阀、开启冷却泵，使循环冷却系统开始工作；
步骤二，当耐压舱中压力第一传感器所示压力值与所调定压力相等时，开启被测泵，使液压系统开始工作；
步骤三，当耐压舱中第一温度传感器的温度达到一个深海环境中较为适合的温度时，给第五溢流阀一个特定的加载电信号ip，对液压泵系统进行加载；
步骤四，记录第二高压电磁流量计、第二压力传感器的数值，然后通过控制三位四通电液比例电磁换向阀来操纵液压缸来控制被测泵的斜盘倾角，再记录第二高压电磁流量计、第二压力传感器的数值，得出被测泵的静态P-Q特性。
所述步骤四中，当液压泵性能测试完毕后，使循环泵停止工作，循环冷却系统关闭；电机停机，加压系统停止工作；加载舱的高压液压油进入耐压舱中，而从第一溢流阀中泄压，调节调压信号ip，观察记录第三压力传感器的变化，得到ip-p加载系统的控制特性。
与现有技术相比，本发明通过耐压舱模拟深海复杂环境，通过液压泵加压装置为耐压舱提供所需0～50MPa的压力；为避免加载溢流阀直接加载导致产生大量的热量无法迅速散失而引起耐压舱温骤升，而采用液压泵-溢流阀加载装置，热量直接在大气中散失，少部分的热量通过循环水冷却器来降温，本装置能够模拟不同环境压力、不同环境温度深海环境，具有模拟精度高、受工况变化影响小的特点，同时能够在大气工况下对深海液压泵进行模拟深海工况的各种性能测试。
进一步的，本发明设置有若干传感器用于检测和记录实验数据。
进一步的，本发明能够给液压泵加压装置输入加载信号iq，而为深海模拟舱提供大小不同的负载。
进一步的，本发明具有添加冷却剂入口以及直接从耐压舱放高压油来控制耐压舱温度，以便与深海特定环境温度相一致。
本发明的测试方法采用马达及大气下液压泵-溢流阀组成的被测泵加载方式，将加载产生的热能在大气下散发掉，有效避免了加载系统可能对环境温度造成的影响，监控测试系统能够实时监测环境模拟系统和被测泵的试验参数，采集温度、压力、流量等，本发明能够模拟不同环境压力、不同环境温度深海环境，具有模拟精度高、受工况变化影响小的特点，同时能够在大气工况下对深海液压泵进行模拟深海工况的各种性能测试。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
其中，1.1-第一溢流阀；1.2-第二溢流阀；1.3-第三溢流阀；1.4-第四溢流阀；1.5-第五溢流阀；2.1-第一温度传感器；2.2-第二温度传感器；3.1-第一压力传感器；3.2-第二压力传感器；3.3-第三压力传感器；3.4-第四压力传感器；3.5-第五压力传感器；3.6-第六压力传感器；4-耐压舱；5.1-第一高压电磁流量计；5.2-第二高压电磁流量计；6-三位四通电液比例电磁换向阀；7-液压缸；8-循环泵；9-被测泵；10.1-第一过滤器；10.2-第二过滤器；10.3-第三过滤器；11-深水电机；12-转速转矩测试仪；13-管道接口；14.1-第一截止阀；14.2-第二截止阀；14.3-第三截止阀；14.4-第四截止阀；14.5-第五截止阀；14.6-第六截止阀；15-单向阀；16-电机；17-高压泵；18.1-第一油箱；18.2-第二油箱；18.3-第三油箱；19-加载舱；20-液压马达；21-联轴器；22-高压动密封；23-液压泵；24-压力表；25-冷却箱外壳；26-冷却管道；27-添加冷却剂入口；28-冷却水泵；29-冷却电机，30-水泵过滤器，31-水池。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参见图1，包括深海模拟舱，深海模拟舱连接有液压泵加压装置、液压泵-溢流阀加载装置和循环水冷却器；深海模拟舱用于模拟深海复杂环境；液压泵加压装置用于为深海模拟舱内提供0～50MPa的压力；液压泵-溢流阀加载装置用于带走深海模拟舱的部分温度；循环水冷却器用于带走深海模拟舱剩余的温度。
深海模拟舱包括耐压舱4，耐压舱4内设置有三位四通电液比例电磁换向阀6，三位四通电液比例电磁换向阀6的左位和右位均连接信号输入端i0，三位四通电液比例电磁换向阀6的中位连接液压缸7，三位四通电液比例电磁换向阀6连接第二溢流阀1.2和第二高压电磁流量计5.2，第二高压电磁流量计5.2连接被测泵9，被测泵9连接深水电机11和循环泵8，深水电机11连接有转速转矩测试仪9，被测泵9和循环泵8分别连接第一过滤器10.1和第四过滤器，循环泵8还连接有第三溢流阀1.3和循环水冷却器；耐压舱4上设置有第一温度传感器2.1、第一压力传感器3.1和第二压力传感器3.2，第一温度传感器2.1和第一压力传感器3.1用于采集耐压舱4的温度和压力，第二压力传感器3.2连接三位四通电液比例电磁换向阀6、被测泵9和第二溢流阀1.2。耐压舱4内填充有液压油，耐压舱4连接有第一溢流阀1.1，耐压舱4通过第四截止阀14.4连接第三油箱18.3。
液压泵加压装置包括加载舱19，加载舱19内设置有液压马达20，加载舱19外设置有液压泵23，液压泵23通过联轴器与液压马达20连接，液压泵23还连接第三过滤器10.3和第五溢流阀1.5，液压泵23与第五溢流阀1.5间设置有压力表24，第五溢流阀1.5连接加载信号iq，第三过滤器10.3和第五溢流阀1.5均连接第二油箱18.2；液压马达20两端均连接深海模拟舱，其中一端通过第一高压电磁流量计5.1通过管道接口13接入，加载舱19上设置有第四压力传感器3.4，加载舱19通过管路连接深海模拟舱和液压泵-溢流阀加载装置。加载舱19与联轴器21和液压马达20连接处的密封通过高压动密封22。
液压泵-溢流阀加载装置包括与电机16相连的高压泵17，高压泵17的输出端连接单向阀15、第三压力传感器3.3和第四溢流阀1.4，高压泵17的输入端通过连接第二过滤器10.2，第二过滤器10.2和第四溢流阀1.4均连接第一油箱18.1，第四溢流阀1.4接受调压信号ip，单向阀15分别通过第一截止阀14.1和第二截止阀14.2连接深海模拟舱和液压泵加压装置。
循环水冷却器包括与冷却电机29连接的冷却水泵28，冷却水泵28的输入端接入冷却箱外壳25内，冷却箱外壳25内设置有冷却管道26，冷却管道26的一端与深海模拟舱连接，另一端通过第三截止阀14.3接入深海模拟舱内，冷却箱外壳25下部开设有回水管道，回水管道通过第六截止阀14.6接入水池31中，水池31通过水泵过滤器30连接冷却水泵28的输入端，冷却箱外壳25上设置有第二温度传感器2.2，冷却箱外壳25内填充有冷却水和冷却剂。冷却箱外壳25上开设有添加冷却剂入口27，添加冷却剂入口27通过第五截止阀14.5连接添加冷却剂管理。
本发明的操作步骤如下：
实验前，打开第一截止阀14.1和第二截止阀14.2，并启动驱动电机16和高压泵17，给第四溢流阀1.4一个加压电信号，开始为耐压舱和加载舱提供压力；同时打开第六截止阀14.6和第二截止阀14.2、开启冷却泵26，使循环冷却系统开始工作。
当耐压舱4中压力第一传感器3.1所示压力值与所调定压力相等时，开启被测泵9，使液压系统开始工作。
当耐压舱中第一温度传感器2.1的温度达到一个深海环境中较为适合的温度时，给第五溢流阀1.5一个特定的加载电信号ip，对液压泵系统进行加载。
记录第二高压电磁流量计5.2、第二压力传感器3.2的数值。然后通过控制三位四通电液比例电磁换向阀6来操纵液压缸7来控制被测泵9的斜盘倾角，再记录第二高压电磁流量计5.2、第二压力传感器3.2的数值，得出被测泵9的静态P-Q特性。
当液压泵性能测试完毕后，使循环泵8停止工作，循环冷却系统关闭；电机16停机，加压系统停止工作；加载舱的高压液压油进入耐压舱中，而从第一溢流阀1.1中泄压。
调节调压信号ip，观察记录第三压力传感器3.3的变化，得到ip-p加载系统的控制特性。
测试泵的效率：
1)调节泵，使之处于最大流量、额定转速下，再根据第二压力传感器3.2调节被测泵9的出口压力逐渐增加至额定压力的25％左右。待测试状态稳定后，用转速转矩测试仪12测此时的转矩和转速；
2)按上述方法，再根据第二压力传感器3.2调节被测泵9的出口压力逐渐增加至额定压力的40％、55％、70％、80％、100％时，稳定之后，根据转速转矩测试仪12测此时的转矩和转速；
3)根据转速转矩测试仪12调节电机和泵的转速约为额定转速的100％、85％、100％、70％、55％、40％时，用第二压力传感器3.2和第二高压流量计5.2分别测相应的压力和流量。
4)利用记录的数据，绘制等效率特性曲线图。

Claims (10)

1.深海动力源的性能测试装置，其特征在于，包括深海模拟舱，深海模拟舱连接有液压泵加压装置、液压泵-溢流阀加载装置和循环水冷却器；
所述深海模拟舱用于模拟深海复杂环境；
所述液压泵加压装置用于为深海模拟舱内提供0～50MPa的压力；
所述液压泵-溢流阀加载装置用于带走深海模拟舱的部分温度；
所述循环水冷却器用于带走深海模拟舱剩余的温度。
2.根据权利要求1所述的深海动力源的性能测试装置，其特征在于，所述深海模拟舱包括耐压舱(4)，耐压舱(4)内设置有三位四通电液比例电磁换向阀(6)，三位四通电液比例电磁换向阀(6)的左位和右位均连接信号输入端io，三位四通电液比例电磁换向阀(6)的中位连接液压缸(7)，三位四通电液比例电磁换向阀(6)连接第二溢流阀(1.2)和第二高压电磁流量计(5.2)，第二高压电磁流量计(5.2)连接被测泵(9)，被测泵(9)连接深水电机(11)和循环泵(8)，深水电机(11)连接有转速转矩测试仪(9)，被测泵(9)和循环泵(8)分别连接第一过滤器(10.1)和第四过滤器，循环泵(8)还连接有第三溢流阀(1.3)和循环水冷却器；
所述耐压舱(4)上设置有第一温度传感器(2.1)、第一压力传感器(3.1)和第二压力传感器(3.2)，第一温度传感器(2.1)和第一压力传感器(3.1)用于采集耐压舱(4)的温度和压力，第二压力传感器(3.2)连接三位四通电液比例电磁换向阀(6)、被测泵(9)和第二溢流阀(1.2)。
3.根据权利要求2所述的深海动力源的性能测试装置，其特征在于，所述耐压舱(4)内填充有液压油，耐压舱(4)连接有第一溢流阀(1.1)，耐压舱(4)通过第四截止阀(14.4)连接第三油箱(18.3)。
4.根据权利要求1所述的深海动力源的性能测试装置，其特征在于，所述液压泵加压装置包括加载舱(19)，加载舱(19)内设置有液压马达(20)，加载舱(19)外设置有液压泵(23)，液压泵(23)通过联轴器与液压马达(20)连接，液压泵(23)还连接第三过滤器(10.3)和第五溢流阀(1.5)，液压泵(23)与第五溢流阀(1.5)间设置有压力表(24)，第五溢流阀(1.5)连接加载信号iq，第三过滤器(10.3)和第五溢流阀(1.5)均连接第二油箱(18.2)；
所述液压马达(20)两端均连接深海模拟舱，其中一端通过第一高压电磁流量计(5.1)通过管道接口(13)接入，加载舱(19)上设置有第四压力传感器(3.4)，加载舱(19)通过管路连接深海模拟舱和液压泵-溢流阀加载装置。
5.根据权利要求4所述的深海动力源的性能测试装置，其特征在于，所述加载舱(19)与联轴器(21)和液压马达(20)连接处的密封通过高压动密封(22)。
6.根据权利要求1所述的深海动力源的性能测试装置，其特征在于，所述液压泵-溢流阀加载装置包括与电机(16)相连的高压泵(17)，高压泵(17)的输出端连接单向阀(15)、第三压力传感器(3.3)和第四溢流阀(1.4)，高压泵(17)的输入端通过连接第二过滤器(10.2)，第二过滤器(10.2)和第四溢流阀(1.4)均连接第一油箱(18.1)，第四溢流阀(1.4)接受调压信号ip，单向阀(15)分别通过第一截止阀(14.1)和第二截止阀(14.2)连接深海模拟舱和液压泵加压装置。
7.根据权利要求1所述的深海动力源的性能测试装置，其特征在于，所述循环水冷却器包括与冷却电机(29)连接的冷却水泵(28)，冷却水泵(28)的输入端接入冷却箱外壳(25)内，冷却箱外壳(25)内设置有冷却管道(26)，冷却管道(26)的一端与深海模拟舱连接，另一端通过第三截止阀(14.3)接入深海模拟舱内，冷却箱外壳(25)下部开设有回水管道，回水管道通过第六截止阀(14.6)接入水池(31)中，水池(31)通过水泵过滤器(30)连接冷却水泵(28)的输入端，冷却箱外壳(25)上设置有第二温度传感器(2.2)，冷却箱外壳(25)内填充有冷却水和冷却剂。
8.根据权利要求7所述的深海动力源的性能测试装置，其特征在于，所述冷却箱外壳(25)上开设有添加冷却剂入口(27)，添加冷却剂入口(27)通过第五截止阀(14.5)连接添加冷却剂管理。
9.权利要求1所述的深海动力源的性能测试装置的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，打开第一截止阀(14.1)和第二截止阀(14.2)，并启动驱动电机(16)和高压泵(17)，给第四溢流阀(1.4)一个加压电信号，开始为耐压舱和加载舱提供压力；同时打开第六截止阀(14.6)和第二截止阀(14.2)、开启冷却泵(26)，使循环冷却系统开始工作；
步骤二，当耐压舱(4)中压力第一传感器(3.1)所示压力值与所调定压力相等时，开启被测泵(9)，使液压系统开始工作；
步骤三，当耐压舱中第一温度传感器(2.1)的温度达到一个深海环境中较为适合的温度时，给第五溢流阀(1.5)一个特定的加载电信号ip，对液压泵系统进行加载；
步骤四，记录第二高压电磁流量计(5.2)、第二压力传感器(3.2)的数值，然后通过控制三位四通电液比例电磁换向阀(6)来操纵液压缸(7)来控制被测泵(9)的斜盘倾角，再记录第二高压电磁流量计(5.2)、第二压力传感器(3.2)的数值，得出被测泵(9)的静态P-Q特性。
10.根据权利要求9所述的深海动力源的性能测试装置的测试方法，其特征在于，所述步骤四中，当液压泵性能测试完毕后，使循环泵(8)停止工作，循环冷却系统关闭；电机(16)停机，加压系统停止工作；加载舱的高压液压油进入耐压舱中，而从第一溢流阀(1.1)中泄压，调节调压信号ip，观察记录第三压力传感器(3.3)的变化，得到ip-p加载系统的控制特性。
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