一种调节燃料泵全时域频谱分析试验装置及方法

技术领域

本发明属于调节燃料泵性能试验技术领域，具体涉及一种调节燃料泵全时域频谱分析试验装置及试验方法。

背景技术

某水下动力系统采用开式循环热动力推进系统，调节燃料泵的动态特性，对整个动力推进系统的工作稳定性及可靠性都有直接的影响。

调节燃料泵主要由用于增压的柱塞泵和用于增压后燃料压力调节控制的双速制压力调节阀两部分组合而成，其主要功能是将贮存在燃料舱内的燃料吸入并进行增压，为燃烧室提供一定压力和流量的工作介质，并能够按不同速制要求及航行深度自动调节进入燃烧室的燃料流量，控制进入燃烧室的燃料压力。

调节燃料泵工作时，其进口及出口均存在压力脉动，该压力脉动主要与柱塞泵、双速质压力调节阀结构及负载有关，且实际工作中调节燃料泵的主轴在发动机及其传动机构的带动下工作，处于比较复杂的力学环境中，可能由于机械振动及流体振动造成调节燃料泵进口压力、出口压力或背压压力异常波动，甚至发生共振现象造成调节燃料泵工作异常；严重时可能造成全雷航速异常或者停车故障。因此，通过试验研究在前期避免由于结构或流致振动造成调节燃料泵功能异常，获得调节燃料泵的动态特性对调节燃料泵的研制及试验具有重要的意义。

然而现有调节燃料泵的试验手段并不完善，无法模拟实航状态下调节燃料泵的动态信息，在调节燃料泵的性能试验中一般只对调节燃料泵的压力及流量进行采集，只关注采集数据的时域信息，从而造成试验结果的完整性及可靠性并不高，对调节燃料泵的研制和性能评估无法提供有效的参考意见。

因此，针对上述问题，有必要设计一种调节燃料泵的试验装置及试验方法，能够将调节燃料泵工作性能的真实可靠完整地呈现出。

发明内容

本发明的目的在于解决现有调节燃料泵的试验手段不完善，无法模拟实航状态下调节燃料泵的动态信息，造成试验结果的完整性及可靠性并不高，对调节燃料泵的研制和性能评估无法提供有效参考意见的不足之处，而提供一种调节燃料泵全时域频谱分析试验装置及试验方法。

为实现上述目的，本发明所提供的技术解决方案是：

一种调节燃料泵全时域频谱分析试验装置，其特殊之处在于，包括驱动单元、滑油单元、液压源、安全辅助单元、数据采集单元、数据处理单元、第一负载、第二负载、第一手摇泵、第二手摇泵以及四个压力传感器；

所述驱动单元的输出与待测调节燃料泵的主轴连接，用于驱动所述主轴旋转，使其工作在高速制和低速制下；

所述滑油单元用于对待测调节燃料泵的内部元件进行润滑；

所述液压源与待测调节燃料泵的进口连接，为待测调节燃料泵提供工作介质；

所述第一负载和第二负载均与待测调节燃料泵的出口连接，用于分别模拟高速制和低速制下待测调节燃料泵的出口负载；

所述第一手摇泵与待测调节燃料泵的背压口连接，通过控制第一手摇泵的加载压力模拟不同航深下待测调节燃料泵出口压力的偏压补偿；

所述第二手摇泵与待测调节燃料泵的换速口连接，通过给待测调节燃料泵的换速腔施加液压力使待测调节燃料泵的压力调节阀工作在高速制工况下；

所述四个压力传感器分别设置在待测调节燃料泵的进口、出口、背压口以及换速口；四个压力传感器分别为进口压力传感器、出口压力传感器、背压口压力传感器以及换速口压力传感器；

所述安全辅助单元与待测调节燃料泵的出口连接，用于保证待测调节燃料泵试验的安全性；

所述数据采集单元用于接收接收进口、出口、背压口处压力传感器的测量数据，并发送给数据处理单元；

所述数据处理单元对所述测量数据进行全时域信号的频谱分析，并得到全时域状态下的三维频谱图。

进一步地，为了确保待测调节燃料泵能够安全顺利的完成试验，所述安全辅助单元包括储压器、限压阀、第一油箱、安全阀、第二油箱及限压压力表；

所述储压器的一端连接待测调节燃料泵的出口，另一端通过限压阀与限压压力表连接，限压阀的出油口连接第一油箱；

所述安全阀的一端连接待测调节燃料泵的出口，另一端连接第二油箱。

进一步地，所述液压源与所述进口之间设置有入口压力表、入口温度计以及进口过滤器。

进一步地，所述滑油单元包括供油组件以及回油组件；

所述供油组件包括滑油源、以及设置在滑油源与调节燃料泵滑油入口之间的滑油入口压力表、滑油过滤器、滑油入口温度计和滑油流量计；

所述回油组件包括滑油出口压力表以及滑油回收箱。

进一步地，所述待测调节燃料泵出口与设置在出口的压力传感器之间设置有出口温度计以及出口过滤器。

进一步地，所述驱动单元与待测调节燃料泵之间设置有转速扭矩仪。

进一步地，所述第一负载和第二负载的一端均连接出口处的压力传感器，另一端均通过出口流量计连接第三油箱；第一负载和第二负载为不同规格的孔板或节流阀，以匹配高速制工况和低速制工况下的负载。

进一步地，所述数据处理单元采用DASP，并利用DASP软件中的三维谱阵分析；DASP为北京东方振动和噪声技术研究所研制的一套多通道信号采集和实时分析软件，用于对待测调节燃料泵压力脉动数据进行频域分析。

同时，本发明还提供了采用上述调节燃料泵全时域频谱分析试验装置进行试验的方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)将待测调节燃料泵安装在试验装置上；

2)启动驱动单元，使待测调节燃料泵工作，通过调节待测调节燃料泵的速制和背压，测量不同速制及背压下待测调节燃料泵进口压力脉动数据、出口压力脉动数据以及背压压力变化数据；速制的选择主要通过驱动单元调节主轴的速度以及第二手摇泵实现，相对应地使用与速制匹配的出口负载；而背压则主要通过调节第一手摇泵的加载压力模拟不同航深(上浮和下潜)下待测调节燃料泵的出口负载；

3)利用数据采集单元接收步骤2)测量的数据，并将这些数据发送至数据处理单元；

4)利用数据处理单元步骤3)接收的数据进行全时域信号的频谱分析，得到全时域状态下的三维频谱图。进一步地，根据得到的三维频谱图便可获得变深况下待测调节燃料泵的动态特性。

优选地，步骤4)中，所述全时域的频谱分析为三维谱阵分析，具体是先设置计算数据范围，并对该范围内的数据点进行快速傅里叶变换分析，然后将谱分析结果在三维空间中依次排列，以表现在不同时间位置上的信号频谱特性；

所述快速傅里叶变换分析方法的公式为：

其中，ω为角频率，f(t)为时域数据序列，F(ω)为频域的谱函数序列。

本发明的优点是：

1.采用本发明试验装置，能够弥补现有调节燃料泵性能试验手段的不完善，实现在陆上试验中模拟实航状态下(不同速制变深工况下)的调节燃料泵的动态特性，对调节燃料泵相关压力脉动信号在变工况下的全时域频谱进行分析，解决了调节燃料泵特殊使用环境下的动态特性研究和性能评估。

2.本发明试验装置结构简单、原理可行、采用负载孔板(或者负载节流阀)以及手摇泵进行测试环境的切换，可对四种工况下的调节燃料泵的动态特性进行分析，试验结果更加接近实航状态，可靠性更高。

附图说明

图1为本发明调节燃料泵试验装置原理示意图；

图2为本发明中数据采集及处理的原理图；

图3为不同进口压力时变深工况下压力脉动时域曲线；

图4为进口压力0.8MPa下变深时域图；

图5为进口压力0.8MPa下进口压力全时域频谱图；

图6为进口压力0.8MPa下出口压力全时域频谱图；

图7为进口压力0.8MPa下背压压力全时域频谱图；

附图标号如下：

1-待测调节燃料泵，2-液压源，3-入口压力表，4-进口压力传感器，5-入口温度计，6-进口过滤器，7-背压口压力传感器，8-第一手摇泵，9-第二手摇泵，10-换速口压力传感器，11-出口温度计，12-出口过滤器，13-出口压力传感器，14-第一负载，15-第二负载，16-出口流量计，17-第三油箱，18-限压压力表，19-储压器，20-限压阀，21-第一油箱，22-安全阀，23-第二油箱，24-滑油出口压力表，25-滑油回收箱，26-驱动单元，27-转速扭矩仪，28-滑油流量计，29-滑油入口温度计，30-滑油过滤器，31-滑油入口压力表，32-滑油源。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步的详细描述：

如图1和图2所示，调节燃料泵全时域频谱分析试验装置包括驱动单元26、滑油单元、液压源2、安全辅助单元、数据采集单元、数据处理单元、第一负载14、第二负载15、第一手摇泵8、第二手摇泵9以及四个压力传感器(分别为进口压力传感器4、出口压力传感器13、背压口压力传感器7以及换速口压力传感器10)。

驱动单元26的输出与待测调节燃料泵1的主轴连接，用于驱动所述主轴旋转，模拟工作转速，使其工作在高速制和低速制下；本实施例中采用电机作为驱动单元26，且电机和主轴之间设置有转速扭矩仪27。

滑油单元用于对待测调节燃料泵1的内部元件(例如：泵体内的斜盘运动部件及柱塞)进行润滑。滑油单元包括供油组件以及回油组件；供油组件包括滑油源32、以及设置在滑油源32与调节燃料泵滑油入口之间的滑油入口压力表31、滑油过滤器30、滑油入口温度计29和滑油流量计28；回油组件包括滑油出口压力表24以及滑油回收箱25。

液压源2用于代用工作介质的存储及增压供应，为待测调节燃料泵1提供工作介质，与待测调节燃料泵1的进口连接，之间设置有入口压力表3、进口压力传感器4、入口温度计5以及进口过滤器6。其他三个压力传感器分别设置在待测调节燃料泵1的出口、背压口以及换速口。

两个手摇泵主要用于模拟背压及换速压力的施加。其中，第一手摇泵8与待测调节燃料泵1的背压口连接，通过控制第一手摇泵8的加载压力模拟不同航深下待测调节燃料泵1出口压力的偏压补偿；第二手摇泵9与待测调节燃料泵1的换速口连接，通过给待测调节燃料泵1的换速腔施加液压力使待测调节燃料泵1的压力调节阀工作在高速制工况下。

其中，待测调节燃料泵1的出口与出口压力传感器13之间设置有出口温度计11以及出口过滤器12。

第一负载14和第二负载15的一端均连接出口压力传感器13，另一端均通过出口流量计16连接第三油箱17，用于分别模拟高速制和低速制下待测调节燃料泵1的出口负载，本实施例中，第一负载14和第二负载15采用不同规格的孔板；出口流量计16则用于测量出口的流量数据。

安全辅助单元与待测调节燃料泵1的出口连接，用于保证待测调节燃料泵1试验的安全性；其包括储压器19、限压阀20、第一油箱21、安全阀22、第二油箱23及限压压力表18；储压器19的一端连接出口过滤器12的出口端，另一端通过限压阀20与限压压力表18连接，限压阀20的出油口连接第一油箱21；安全阀22的一端连接出口过滤器12的出口端，另一端连接第二油箱23。

数据采集单元用于接收进口、出口以及背压口压力传感器的测量数据，并发送给数据处理单元；本实施例中，数据采集单元为数据采集卡。

数据处理单元对测量数据进行全时域信号的频谱分析，并得到压力脉动信号的全时域状态下的三维频谱图。本实施例中数据处理单元采用DASP，并利用DASP中的三维谱阵分析，装载在电脑中，为软件提供运行平台；DASP为北京东方振动和噪声技术研究所研制的一套多通道信号采集和实时分析软件，用于对待测调节燃料泵1压力脉动数据进行频域分析。

采用上述调节燃料泵全时域频谱分析试验装置进行试验的方法，包括以下步骤：

1)将待测调节燃料泵安装在试验装置上；

2)启动驱动单元，使待测调节燃料泵能工作在不同的工作转速下，通过调节待测调节燃料泵的速制和背压(通过调节电机转速，以及使用不同的孔板进行加载，实现两种速制下的调节燃料泵工作特性的模拟；手摇泵实现不同深度下的调节燃料泵出口压力的偏压补偿，通过控制第一手摇泵的加载压力模拟下潜及上浮过程中的调节燃料泵的偏压补偿，通过第二手摇泵给调节燃料泵的换速腔施加液压力使调节燃料泵压力调节阀工作在高速制工况下)，测量不同速制及背压下(即不同速制下变深过程，上浮高速制、上浮低速制、下潜高速制、下潜低速制)待测调节燃料泵进口压力脉动数据、出口压力脉动数据以及背压压力变化数据；

3)利用数据采集单元接收步骤2)测量的数据，并将这些数据发送至数据处理单元；

4)利用数据处理单元步骤3)接收的数据进行全时域信号的频谱分析，得到全时域状态下的三维频谱图；全时域的频谱分析为三维谱阵分析，具体是先设置计算数据范围(通常取一个下潜及上浮时间为单元)，并对该范围内的数据点进行快速傅里叶变换分析，然后将谱分析结果在三维空间中依次排列，以表现在不同时间位置上的信号频谱特性；所述快速傅里叶变换分析方法的公式为：

其中，ω为角频率，f(t)为时域数据序列，F(ω)为频域的谱函数序列。

信号的傅里叶频谱只能反映信号在整个事件过程中的平均频率情况，使用DASP软件中的三维谱阵分析则可以反映长数据信号的频谱特性随着时间变化而变化的情况。三维谱阵分析对调节燃料泵变背压工况时间段内的压力信号，取一定长度的数据点分别进行傅里叶谱分析，然后将各次的谱分析结果在三维空间中依次排列起来，以表现在不同时间位置上的信号频谱特性。

通过压力脉动数据的三维谱阵分析得到不同进口压力下，变深工况下的调节燃料泵的进口压力、出口压力及背压压力的全时域频谱特性，进而深入准确的研究调节燃料泵在不同工况下的动态特性。

如图3所示为低速制不同进口压力下的调节燃料泵进口压力、出口压力及背压压力时域图，通过对时域信号分析随着进口压力的降低，调节燃料泵进口压力脉动、出口压力脉动及背压压力脉动幅值均存在下降趋势。

为了进一步得到调节燃料泵变深工况下的动态特性，例如：取某段进口压力(P1＝0.8MPa)，变深工况下的时域数据(见图4)进行三维谱阵分析，得到调节燃料泵进口压力、出口压力及背压压力脉动数据的全时域频域特性。

图5为进口压力0.8MPa时调节燃料泵进口压力全时域频谱图，图6为进口压力0.8MPa时调节燃料泵出口压力全时域频谱图，图7为进口压力0.8MPa时调节燃料泵背压压力全时域频谱图。图中横坐标为频率(Hz),纵坐标为时间，图中色标表示压力脉动峰值，因此通过三维谱阵图能较明显的分析出随着时间及背压深度的变化过程中压力脉动信号的频域特性。通过对以上数据分析可以得到：

a)当进口压力0.8MPa时，偏压在85m左右使进口压力出现约76Hz的主要脉动频率，且随偏压逐渐上升，在150m左右，脉动频率不再随偏压明显上升，且频率出现跳变，且均在125Hz以下；

b)偏压上升、下降时，进口压力、出口压力、背压压力的脉动主频率均成对称形状；

c)出口压力脉动的主要频率成分为柱塞运动频率、进口压力脉动的1倍频、2倍频；

d)偏压脉动的主要频率成分为进口压力脉动的1倍、2倍频。

通过对不同进口压力及速制下的调节燃料泵动态特性分析进而分析调节燃料泵在变工况条件下的动态特性研究和性能评估。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。