Стенд для динамических испытаний объемных гидромашин

Стенд предназначен для энергосберегающих испытаний гидромоторов и насосов-гидромоторов методом замкнутого контура в динамическом режиме. Стенд включает регулируемый насос (1), бак (5) с жидкостью, фильтр (6), маховик (10) и измерительную систему (11), состоящую из датчиков: частоты вращения маховика (12), давления (13), (14) и расхода (15), (16) рабочей жидкости, установленных в рабочих линиях (8) испытываемой гидромашины, и подсоединенных через модуль ввода сигналов (17) к вычислительному устройству (18), гидрораспределитель (19), соединенный с напорной и сливной линиями насоса (1), и с рабочими линиями испытываемой гидромашины (20), обратно-предохранительные клапаны (21) и (22), соединенные входами с рабочими линиями испытываемой гидромашины (20), а выходами между собой и со сливной линией насоса (1). Для снижения энергоемкости испытаний стенд оснащен дополнительной гидромашиной (23), соединенной с испытываемой гидромашиной (20), управляемой (24) и неуправляемой (25) муфтами, соединяющими валы гидромашин (20), (23) и маховика (10), нерегулируемым насосом (26), соединенным с испытываемой гидромашиной (20), предохранительными клапанами (29) и (30), соединенными с насосами (1) и (26) и со сливной линией (4), гидрораспределителем (31), соединенным с напорной (28), сливной (4) и с рабочей линиями (8), при этом управляющий модуль вывода команд (32), соединен входом с вычислительным устройством (18), а выходом - с регулируемым насосом (1), гидрораспределителями (19) и (31), и управляемой муфтой (24). 1 ил.

Полезная модель относится к машиностроению, а именно к устройствам для испытания гидравлических машин, и может найти применение при производстве и ремонте гидромоторов и насосов-гидромоторов.

Известен стенд для испытания гидромоторов (см. патент на полезную модель 46312, МПК F04В 51/00), содержащий насос, бак, фильтр, предохранительный клапан, соединенный с напорной линией насоса, нагрузочное устройство, выполненное в виде маховика, измерительную систему, содержащую датчик частоты вращения маховика и датчики давления и расхода рабочей жидкости, установленные в напорной линии насоса, соединенные через модуль ввода с вычислительным устройством.

Недостатком указанного стенда является то, что он не позволяет испытывать гидромотор и определять величину его КПД в режиме насоса.

Наиболее близким аналогом по технической сущности является стенд для динамических испытаний объемных гидромашин (см. патент на полезную модель 117528, МПК F04В 51/00, F15В 19/00).

Недостатком указанного стенда является то, что он выполнен по схеме с разомкнутой циркуляцией мощности и поэтому имеет повышенную энергоемкость процесса испытания гидромашины в режиме гидромотора.

Технической задачей, поставленной в настоящей полезной модели, является снижение энергоемкости процесса испытания гидромашины в режиме гидромотора.

Эта задача достигается тем, что стенд для динамических испытаний объемных гидромашин, содержащий регулируемый насос, бак, фильтр, нагрузочное устройство в виде маховика, измерительную систему, содержащую датчик частоты вращения маховика и датчики давления и расхода рабочей жидкости, установленные в рабочих линиях испытываемой гидромашины, соединенные через модуль ввода сигналов с вычислительным устройством, гидрораспределитель, соединенный подводящими линиями с напорной и сливной линиями насоса, а отводящими линиями - с рабочими линиями испытываемой гидромашины, обратно-предохранительные клапаны, соединенные входами с рабочими линиями испытываемой гидромашины, а выходами между собой и со сливной линией насоса, и управляющий модуль вывода команд, соединенный своим входом с вычислительным устройством, а выходом - с гидрораспределителем, отличающийся тем, что он снабжен установленной на валу вспомогательной гидромашиной, соединенной посредством управляемой муфты с испытываемой гидромашиной, при этом последняя связана через неуправляемую муфту с маховиком, нерегулируемым насосом, соединенным с испытываемой гидромашиной, предохранительным клапаном, соединенным входом с регулируемым насосом, выходом - с его сливной линией, обратно-предохранительным клапаном, соединенным входом с нерегулируемым насосом, а выходом - со сливной линией регулируемого насоса, дополнительным гидрораспределителем, соединенным с напорной и сливной линиями нерегулируемого насоса, и с рабочей линией испытываемой гидромашины, при этом управляющий модуль вывода команд выходом соединен с регулируемым насосом, дополнительным гидрораспределителем и управляемой муфтой.

Снижение энергоемкости процесса испытания гидромашины в режиме гидромотора обеспечивается благодаря:

- контуру циркуляции мощности между испытываемой и, дополнительно установленной, гидромашинами за счет того, что в напорную линию контура нерегулируемым насосом подается расход, равный расходу дренажных утечек из испытываемой гидромашины, и поддерживается необходимое в этой линии давление; регулируемому насосу, подающему во всасывающую линию дополнительно установленной гидромашины расход, равный сумме расходов в ее напорной и дренажной линиях;

- возможности регулирования производительности регулируемого насоса и изменения давления настройки предохранительного и обратно-предохранительного клапанов для выполнения коррекции параметров и обеспечения получения необходимых для испытания гидромашины величин давления и расхода жидкости и частоты вращения вала.

Использование управляемой муфты, обеспечивает отключение валов маховика и испытываемой гидромашины от дополнительно установленной гидромашины после разгона маховика для привода испытываемой гидромашины от маховика при испытании гидромашины в режиме насоса.

На чертеже представлена принципиальная схема предлагаемого энергосберегающего стенда для динамических испытаний объемных гидромашин методом замкнутого контура.

Стенд содержит регулируемый насос 1, всасывающую линию 2, напорную линию 3, сливную линию 4, бак 5 с жидкостью, фильтр 6 и аппарат теплообменный 7, установленные в сливной линии 4, рабочие линии 8, обратный клапан 9 в напорной линии насоса 1, маховик 10 и измерительную систему 11, состоящую из датчиков: частоты вращения маховика 12, давления 13, 14 и расхода 15, 16 рабочей жидкости, установленных в рабочих линиях 8 испытываемой гидромашины и подсоединенных через модуль ввода сигналов 17 (аналого-цифровой преобразователь) к вычислительному устройству 18, гидрораспределитель 19, соединенный подводящими линиями с напорной и сливной линиями насоса 1, а отводящими линиями - с рабочими линиями испытываемой гидромашины 20, обратно-предохранительные клапаны 21 и 22, соединенные входами с рабочими линиями испытываемой гидромашины 20, а выходами между собой и со сливной линией насоса 1, дополнительную гидромашину 23, вал которой соединен с валом испытываемой гидромашины 20, а напорная линия соединена с ее напорной линией, управляемую муфту 24, соединяющую валы гидромашин 20 и 23, неуправляемую муфту 25, соединяющую валы испытываемой гидромашины 20 и маховика 10, нерегулируемый насос 26 со всасывающей 27 и напорной 28 линиями, соединенным напорной линией 28 с испытываемой гидромашиной 20, предохранительным клапаном 29, соединенный входом с напорной линией регулируемого насоса 1, выходом - со сливной линией 4, обратно-предохранительный клапан 30, соединенный входом с напорной линией 28 нерегулируемого насоса 26, выходом - со сливной линией 4, гидрораспределитель 31, соединенный подводящими линиями с напорной 28 и сливной 4 линиями, а отводящей линией - с рабочей линией 8 испытываемой гидромашины 20, управляющий модуль вывода команд 32 (цифро-аналоговый преобразователь), соединенный своим входом с вычислительным устройством 18, а выходом - с регулируемым насосом 1, гидрораспределителями 19, 31 и управляемой муфтой 24, обратный клапан 33 в напорной линии 28 нерегулируемого насоса 26, вал маховика 34 в подшипниках 35.

Стенд работает следующим образом.

Перед началом испытаний вал гидромашины 20 соединяют муфтой 25 с валом 34 маховика 10, ее вход и отвод с рабочими линиями 8, через вычислительное устройство 18 и управляющий модуль вывода 32:

- муфта 24 переводится в замкнутое положение и соединяет вал гидромашины 23 и вал 34 маховика;

- гидрораспределители 19 и 31 переводятся в главные позиции. Испытания гидромашины 20 в режиме гидромотора производят следующим образом.

При включении насосов 1, 26 и переводе гидрораспределителей 19 и 31 в рабочие позиции, возрастающие потоки рабочей жидкости из бака 5, проходят через насосы 1 и 26, обратные клапаны 9 и 33, гидрораспределители 19 и 31 поступают в контур «23-20-23» при этом валы гидромашин 20 и 23 вращаются, а в контуре «23-20-23» циркулирует мощность, если:

- в напорную линию контура насосом 26 подается расход, равный расходу дренажных утечек из гидромашины 20, и поддерживается необходимое в этой линии давление;

- во всасывающую линию гидромашины 23 насосом 1 подается расход, равный сумме расходов в напорной линии гидромашины 23 и дренажных утечек из гидромашины 23. Давление этой подачи должно быть достаточно для преодоления механических и гидромеханических потерь энергии в контуре «23-20-23». Этим же давлением контур «23-20-23» запускается в работу. Причем, при давлении в напорной линии, например, 25 МПа и расходе 0,004 м³/с в контуре «23-20-23» циркулирует мощность 100 кВт.

Энергия, необходимая для циркуляции мощности в контуре «23-20-23», подается насосами 1 и 26. Мощность привода насоса 1 мала, так как мало необходимое давление во всасывающей линии гидромашины 23. Мощность привода насоса 23 тоже мала, так как мала его подача - примерно 5% от расхода 0,004 м³/с (это - расход дренажных утечек в гидромашине 20).

Возрастающий поток в контуре «23-20-23» проходит через датчики расхода 16 и давления жидкости 14, гидромашину 20, датчики давления 13 и расхода жидкости 15, убывающий - через обратно-предохранительный клапан 21, а маховик 10, приводимый во вращение испытываемой гидромашиной 20, разгоняется.

Сигналы с датчиков частоты вращения маховика 12, давления 13 и 14, расхода 15 и 16 поступают через модуль ввода сигналов 17 на вычислительное устройство 17, где с малым шагом t регистрируются текущие значения расхода, давления жидкости в напорной и сливной линиях гидромашины и частоты вращения валов гидромашины 20 и маховика 10. По приращению угловой скорости _м за промежуток времени t вычислительное устройство 18 определяет текущие значения углового ускорения разгона вала гидромашины и маховика, а затем и среднее за время t значение вращающего момента Т_м на валу гидромотора. Текущие значения КПД гидромашины в режиме гидромотора вычислительное устройство 18 определяет по совокупности вышеперечисленных параметров:

где и - мощность на выходе (на валу) и входе (в напорной линии) гидромашины в режиме гидромотора;

Т_м и n_м - вращающий момент и частота вращения вала гидромашины;

и - давление жидкости на входе и выходе (в сливной линии) гидромашины;

- расход жидкости на входе гидромашины.

Величина вращающего момента Т_м вычисляется по угловому ускорению разгона и суммарному моменту инерции I₁:

Суммарный момент инерции I₁:

где I₁₀, I₃₄, I₂₄, I₂₅, I₂₀, I₂₃ - моменты инерции маховика 10, его вала 34, муфт 24, 25 и вращающихся частей гидромашин 20, 23 соответственно.

Угловое ускорение разгона вала гидромашины и маховика:

где _м и n_м - угловая скорость и частота вращения вала гидромашины;

t - время;

n_м и t - приращение частоты вращения вала гидромашины и соответствующее ему приращение времени.

По формулам (1), (2), (3), (4) вычислительное устройство 18 строит графики изменения главного диагностического параметра - полного КПД в функции времени =f(t) и частоты вращения вала гидромашины =f(n_м).

В качестве дополнительного диагностического параметра гидромашины в режиме гидромотора используется гидромеханический КПД:

где q_м - рабочий объем гидромашины.

По результатам расчетов по формулам (1), (2), (3), (4), (5) вычислительное устройство 18 строит графики изменения дополнительного диагностического параметра - гидромеханического КПД в функции времени _мгм=f(t) и частоты вращения вала гидромашины _мгм=f(n_м).

Испытания гидромашины 20 в режиме насоса производят следующим образом.

По окончании разгона маховика 10 и гидромашины 20 через вычислительное устройство 18 и управляющий модуль вывода команд 32 муфта 24 размыкается, а гидрораспределитель 19 переводится в нейтральную позицию. Маховик 10, запасший энергию во время разгона, приводит во вращение гидромашину 20 (для ее испытания в режиме насоса), при этом жидкость из сливной линии 4 проходит через обратно-предохранительный клапан 30, гидрораспределитель 31, датчики расхода 16 и давления жидкости 14, гидромашину 20, датчики давления 13 и расхода жидкости 15, обратно-предохранительный клапан 22, выполняющий роль нагрузочного дросселя.

Полный КПД при испытании гидромашины 20 в режиме насоса:

где || - модуль ускорения при торможении;

I₂ - суммарный момент инерции;

n _м - частота вращения вала гидромашины при работе в режиме насоса.

Суммарный момент инерции I₂:

где I₁₀, I₃₄, I₂₄, I₂₅, I₂₀ - моменты инерции маховика 10, его вала 34, муфты 25, правой полумуфты 24 и вращающихся частей гидромашины 20.

По результатам вычислений по формулам (4) и (6) вычислительное устройство 18 строит графики изменения дополнительного диагностического параметра - полного КПД гидромашины в режиме насоса в функции времени _н=f(t) и частоты вращения вала гидромашины и _н=f(n_м) при заданной нагрузке.

По полученным графикам _н=f(t), _н=f(n_м), _мгм=f(t), _мгм=f(n_м), _н=f(t) и н=f(n_м) судят о качестве ремонта или изготовления гидромашины.

По окончании испытаний насосы 1 и 26 отключают, а остановку маховика 10 и гидромашин 23 и 20 производят обратно-предохранительным клапаном 21 или 22.

Заявленная конструкция стенда в сравнении прототипом обеспечивает существенное снижение энергоемкости процесса испытания гидромашины в режиме гидромотора. Например, при испытании гидромашины 20 мощностью 100 кВт суммарная мощность электродвигателей стенда (приводы насосов 1 и 26) не превышает 40 кВт. При использовании же стенда с разомкнутым потоком энергии необходимы электродвигатель привода насоса 1 мощностью примерно 130 кВт и устройство мощностью 100 кВт для нагружения гидромашины 20.

Стенд для динамических испытаний объемных гидромашин, содержащий регулируемый насос, бак, фильтр, нагрузочное устройство в виде маховика, измерительную систему, содержащую датчик частоты вращения маховика и датчики давления и расхода рабочей жидкости, установленные в рабочих линиях испытываемой гидромашины, соединенные через модуль ввода сигналов с вычислительным устройством, гидрораспределитель, соединенный подводящими линиями с напорной и сливной линиями насоса, а отводящими линиями - с рабочими линиями испытываемой гидромашины, обратно-предохранительные клапаны, соединенные входами с рабочими линиями испытываемой гидромашины, а выходами между собой и со сливной линией насоса, и управляющий модуль вывода команд, соединенный своим входом с вычислительным устройством, а выходом - с гидрораспределителем, отличающийся тем, что он снабжен установленной на валу вспомогательной гидромашиной, соединенной посредством управляемой муфты с испытываемой гидромашиной, при этом последняя связана через неуправляемую муфту с маховиком, нерегулируемым насосом, соединенным с испытываемой гидромашиной, предохранительным клапаном, соединенным входом с регулируемым насосом, выходом - с его сливной линией, обратно-предохранительным клапаном, соединенным входом с нерегулируемым насосом, а выходом - со сливной линией регулируемого насоса, дополнительным гидрораспределителем, соединенным с напорной и сливной линиями нерегулируемого насоса, и с рабочей линией испытываемой гидромашины, при этом управляющий модуль вывода команд выходом соединен с регулируемым насосом, дополнительным гидрораспределителем и управляемой муфтой.