油泵壓力脈動測試方法研究

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，已經(jīng)累計生產(chǎn)了近千萬油泵產(chǎn)品，并成功交付客戶。油泵的測試指標中有一項關鍵的測試參數(shù)：壓力脈動。一直以來，關于壓力脈動的測試工藝及計算方法一直為國外進行技術屏蔽。本文重點介紹壓力脈動的機理及測試方法，為進一步開發(fā)油泵性能自動測試生產(chǎn)線提供依據(jù)。

1   壓力脈動機理

1.1 液壓泵的壓力脈動

液壓泵由于其工作機理，其工作過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程。所以其瞬間流量是脈動的，這樣液壓泵的出口流量存在流量的脈動。當流量脈動遇到液壓系統(tǒng)管路的阻抗時又形成壓力脈動;而壓力脈動在一定條件下也產(chǎn)生流量脈動。一般情況下，壓力脈動和流量脈動兩者并存，相互影響。

對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 點掃到2 點區(qū)間內(nèi)) 排出完畢的。在排油的過程中，油泵一般會經(jīng)過困油到排油的過程，當容腔剛進入排油區(qū)時，在dt時間轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過dφ的微小角度，排油口所排出壓力油的微小體積為葉片1′點所掃過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時，轉(zhuǎn)子同樣轉(zhuǎn)過dφ的微小角度，葉片從2′到2點掃過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，即流量是脈動的，排油壓力也是脈動的。

1.2 壓力脈動的特征

壓力脈動是隨葉片轉(zhuǎn)角變化呈正弦周期脈動。其波動過程，可理解為準周期性壓力脈動，其典型壓力曲線如圖2所示。

圖2 準周期性壓力脈動曲線

用公式可表示為：

P=Asin(2πft+σ)   (3)

壓力脈動參數(shù)數(shù)學描述

當葉片泵泵轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過，其瞬時流量可以表示為：

其中，d為油泵工作過程可近似為一個為閉環(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，液壓泵在吸油過程中若吸入大量的空氣時，大量的氣泡不但使液流的流動性能變壞，造成流量和壓力的不穩(wěn)定，當帶有氣泡的液流進入高壓區(qū)時，周圍的高壓會使氣泡迅速崩潰，使局部產(chǎn)生非常高的壓力沖擊，從而引起壓力脈動、振動、噪聲。

2   測試系統(tǒng)組成

本文所述測試系統(tǒng)的設計中，油路系統(tǒng)的設計可靠性以及壓力脈動信號數(shù)據(jù)采集的時機將對最終壓力脈動數(shù)值的計算產(chǎn)生致關重要的影響。本文采用了分時控制系統(tǒng)對油路進行切換，即通過精確地控制先對油泵進行正常加電沖洗，將油泵內(nèi)的異物進行先行排空，同時對油泵內(nèi)腔清洗并充滿測試液，然后在不掉電的狀態(tài)下將油路切換進測試回路，同時施加油泵正常工作做必需的壓力，在整個供油系統(tǒng)穩(wěn)定后對壓力信號進行采集。測試系統(tǒng)液路原理圖如圖3所示。

圖3 測試系統(tǒng)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(diào)節(jié)的輸入，另一路用于PID調(diào)節(jié)后壓力測試。這樣使用壓力傳感器可迅速進行壓力調(diào)節(jié)，并提供相互校驗，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，用于得到油泵運轉(zhuǎn)工程中所產(chǎn)生的壓力脈動。同時，在壓力傳感器后接3 m長的軟性連接管路，用于抵消管路所帶來應力對油泵壓力脈動的影響。

本文數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用美國國家儀器公司的高性能采集卡進行數(shù)據(jù)采集，其采樣時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(wěn)狀態(tài)，又能保證油路系統(tǒng)不因長時間工作造成的油液補油不及時等問題。

3   測試系統(tǒng)功能及硬件構架

3.1 測試系統(tǒng)原理

測試系統(tǒng)主要由主控計算機、數(shù)據(jù)采集模塊、濾波器模塊、數(shù)字DIO模塊，數(shù)據(jù)存儲服務器和電氣轉(zhuǎn)接箱組成。

測試系統(tǒng)電氣原理框圖如圖4所示。

圖4 測試系統(tǒng)框圖

其中，電氣轉(zhuǎn)接箱包括對負載油泵進行加電的電源、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，壓力動態(tài)信號通過壓力傳感器進行采集，其中濾波模塊以及數(shù)據(jù)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(tǒng)功能實現(xiàn)

測試系統(tǒng)設備如圖5所示。

圖5 測試系統(tǒng)設備

由于壓力脈動僅體現(xiàn)在壓力傳感器在排除直流分量下的交流波動量計算，所以對信號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硬件帶通濾波器對壓力傳感器所輸出的電壓信號進行處理，從而去除信號中所疊加的低頻與高頻分量，得到真實的壓力脈動信號。壓力脈動信號通過動態(tài)信號采集卡NI_PXI6229進行10 kHz信號采樣，然后通過軟件分析計算，將壓力脈動的實際計算值輸出。

壓力脈動信號采集方式如圖6所示：

圖6 壓力脈動采集方式

使用高頻信號采集對濾波信號進行數(shù)據(jù)采集，并進行分析，確保計算壓力脈動的可靠性。

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)下壓力脈動測試工藝及測試方法進行研究。尤其是壓力脈動產(chǎn)生的原因和機理進行介紹，在此基礎上，搭建了一整套用于驗證的測試系統(tǒng)，并成功進行相關軟件及硬件功能的開發(fā)。通過該測試設備進行的理論研究，為進一步油泵測試自動生產(chǎn)線的研制打下堅實的基礎。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2020年9月期）