功率回馈式液压泵耐久性试验系统设计.pdf

2 0 1 2年 9月 第 4 O卷 第 1 8期 机床与液压 MACHI NE T OOL ＆ HYDRAULI C S S e p ．2 01 2 Vo 1 ． 4 0 No ． 1 8 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 1 8 ． 0 2 3 功率回馈式液压泵耐久性试验系统设计 王华兵 ，胡军科 1 ．淮海工学院机械 工程 学院，江苏连云港 2 2 2 0 0 5 ； 2 ．中南大学机电工程学院 ，湖南长沙 4 1 0 0 8 3 摘要设计一种基于先导压力设定的自动控制变量液压马达的液压泵功率 回馈试验系统。系统的特点为液压马达能够 适应性地 自动调整其排量，以满足试验系统功率回馈的排量匹配要求。同时通过调节液压马达的起始控制压力，可以控制 系统的工作压力，从而保证被试液压泵的测试压力要求。 关键词液压泵；耐久性；功率回馈 中图分类号 T H1 3 7 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 1 8 0 7 63 De s i g n o f Te s t i n g S y s t e m 、 t h Po we r Re c y c l e f o r Hy dr a u l i c Pump s ’Dur a b i l i t y WAN G Hu a b i n g ．HU J u n k e 1 ． S c h o o l o f M e c h a n i c a l E n g i n e e ri n g ， H u a i h a i I n s t i t u e o f T e c h n o l o g y ，L i a n y u n g a n g J i a n g s u 2 2 2 0 0 5 ，C h i n a ； 2． S c ho o l o f Me c h a n i c a l a n d El e c t r o n i c a l En g i n e e r i n g，Ce n t r a l S o u t h Un i v e r s i t y， C h a n g s h a H u n a n 4 1 0 0 8 3 ，C h i n a Ab s t r a c t A t e s t i n g s y s t e m w i t h p o we r r e c y c l e f o r h y d r a u l i c p u mp s d u r a b i l i t y w a s d e s i g n e d，w h i c h W a S b a s e d o n a h y d r a u l i c mo t o r w i t h h y d r a u l i c l y o v e r r i d d e n p r e s s u r e c o m p e n s a t i o n ．T h e d i s p l a c e m e n t o f t h e h y d r a u l i c mo t o r c a n b e a d a p t i v e l y a d j u s t e d t o me e t t h e d i s p l a c e m e n t m a t c h c o n d i t i o n for t h e pow e r f e e d b a c k i n t h e s y s t e m． A n d t h e s y s t e m p r e s s u r e c a n b e s e t b y a d j u s t i n g t h e s t a r t i n g c o n t r o l pr e s s u r e o f t h e mo t o r ． Ke y wo r d s Hy d r a u l i c p u mp；Du r ab i l i t y ；P o w e r r e c y c l e 在液压泵的耐久性试验中，要求液压泵在其额定 压力和额定转速下长时间连续运转，如 G B ／ T 1 3 8 5 3 ． 2 0 0 9船用液压泵液压马达技术条件中，规定的液压 泵的耐久性试验要求泵 在其额定工况 下连续 运转 3 0 0 0 h 。故对于 液压泵 的耐久性试 验 系统而 言 ， 效率和运行的经济性就显得尤其重要。 液压泵将外部输入的机械能转化为传动介质油液 的压力能，其输出功率由液压泵的出油口处油液的压 力和流量的乘积决定 。对于工作于某一排量下 的变量 泵或者定量泵 ，在其额定转速下的输出流量与泵的容 积效率有关 ，而容积效率随着泵 的出油 口压力的升高 而略有降低 ，故在此情况下控制泵出油 口处的压力即 可决定泵的输出功率。 液压泵出油口处的压力取决于其所接管路以及管 路上所 连接元件对于通过的液流的阻碍程度 ，通过调 节管路上的某些特定元件可以控制液压泵出油 口处的 压力。若这些特定元件为节流阀或者溢流阀，则可以 改变节流阀的阀口开度或者调节溢流阀的设定压力来 控制泵出口处的压力 ，这种方式是大多数液压元件性 能测试标准或者规范给 出的系统加 载方 法 ，其简单 、 灵活 、调节方便 ，但通过节流阀或者溢流阀将油液 的 压力能转化成了热 能 ，造成油液温度上升 ，这种方式 适用于大部分的不需要长 时间高压大流量运转的液压 元件测试项 目。 若在液压泵的出口管路上连接液压马达，则可通 过液压马达将液压泵输出的压力能转化为机械能由液 压马达的转轴输出，在液压马达上连接某种加载装置 控制液压马达输 出机械能 的大小 ，就能够调节液压泵 的输出压力。常见 的加载装置有非功率 回收式和功率 回收式两种类型。前者包括如水力测功器 、电磁加 载 器和发电机加电阻片等类型，其特点是将马达输出的 机械能最终转化为热能耗散掉 ，系统中的动力元件如 驱动液压泵的电机功率比液压泵的输出功率还要大， 系统结构复杂、效率低下 ，但不存在节流或溢流加载 的油液严重 发 热 问题 。后者 包括 功 率 电力 回 收方 式、机械补偿回收方式和液压补偿回收方式 。其 中电力 回收方式利用发电机将液压 马达输 出的机械能 转化为电能，再利用一套变换装置将其转化成工频交 收稿 日期 2 0 l 1 1 0 0 2 作者简介王华兵 1 9 7 6 一 ，男，工学博士，讲师，研究方向为机电液一体化技术、数字化设计与制造技术。Ema i l W h u a b i n g 1 6 3 ． c o r n。 第 1 8期 王华兵 等功率回馈式液压泵耐久性试验系统设计 7 7 流 电回馈至电网 ；后两 种补偿式 的功率 回收方式利用 系统中构建 的部分功率循环 回路，能够 回收大约 6 0 ％以 上 的 液 压 泵 输 出功 率 ，使 得 仅 需 提 供 不 到 4 0 ％的液 压泵输 出功率 到系统 中即可保证系统 的连续 运转 ，故与电力回收方式相比其降低了驱动被试液压 泵的电机的所需功率要求，因而得到众多学者的关 注 。 文献 [ 6 ]分析了机械补偿和液压补偿式功率回 收式液压泵试验 台的流量匹配 、转矩匹配和 回收效 果 等 ，给出了系统的示意图，但未说明机械补偿式系统 的具体 加载 方法 。文 献 [ I 1 ]利 用减 速箱 实现 了高 速 液压泵 和低速液压 马达 的转速匹配 ，采用 电液 比例 溢流阀调定系统的工作压力并释放部分多余的高压 油。文献 [ 4 ]则采用了定量马达来转化液压泵输出 的压力能，并要求泵 的输 出流量大于马达所需的流 量。文献 [ 7 ]利用远程调整马达排量和远程调整 比 例溢流阀两种方法来实现压力调节 ，并加装了蓄能器 以稳定 系统压 力。文献 [ 9 ] 针对 大功 率泵试 验 台 ， 提出通过改变马达排量改变系统压力的试验方案，但 需要传感器实时测量系统压力，利用控制系统调节马 达排量。文献 [ 8 ]提出采用恒压变量泵作为功率 回 收变量马达的补偿泵，并利用其功能调定系统压力。 文献 [ 1 4 ] 提 出利 用 串联 补偿 变 量 泵来 补偿 压 力 ， 利用并联补偿变量泵来补偿流量，而采用电液比例溢 流阀来调定系统工作压力的试验方案。这些研究成果 加深了人们对于补偿式功率回收液压泵试验技术的认 识 ，解决 了所针对的工程问题 。 在前人研究 的基础上 ，作者提出一种基 于设定 压 力可调的高压相关 自动控制变量马达的功率回馈式液 压泵耐久性试验系统 ，该系统能够实现流量的 自动匹 配和工作压力的方便调节，并且正常工作时主回路上 无溢 流损失 。 1 系统的组成 如图 1 所示，双轴伸电机 M1两轴端分别连接加 载液 压马达 1 和被试液压泵 2 ，安全 阀 4用 于 限制 主 油路的最高工作压力 ，过滤器 9用作主油路的吸油过 滤，风冷式冷却器 l 2安装在液压马达的回油路上用 于保证规定的试验油温。电机 M 2驱动小流量的控制 油液压泵 3 ，为系统 提供稳 定 的低压 控制油液 ，调 压 阀 5用于保证控制油 的压力恒定 ，过滤器 1 O和 1 1保 证控制油液的清洁度符合规定的要求，单向阀 6 用于 当主回路压力低于控制油路压力时向变量马达的控制 阀的压力油 口提供足够高的控制油压，电液比例减压 阀 8 用于调节进入变 量液压 马达 的控制油 口的油 压 ， 背压阀7为电液比例减压阀的正常工作提供合理的背 压 。 1 一 加 载派 压 马达2 一被 试液 压 泵卜拄制 油液 压 泵4 一 安全 阀 5 一调压阀 6 一单向阀 7 一背压阀 8 一 电液比例减压阀 9 、1 O 一粗过 滤 器l 1 一 精 过滤 器1 2 一风 冷 式冷 却器 图 1 试 验系统原理图 加载液压马达 8为 R e x r o t h公 司 A 6 V M H A 1 ． T类 型的斜轴式变量液压马达，其具有高压相关的自动控 制变量特性，在其设定压力处，压力升高 1 ． 0 MP a ， 则 马达排量从最小增大到最大 。而且马达特性曲线上 的变量起始控制压力液控 可调 ，即通 过 改 变其 控 制 油 口的压 力可 以重 新设 定 变量 特 性 曲线 上 的 拐点 压 力 。对 于规 格 大于 2 5 MP a 的 A 6 V M H A 1 ． T变 量 液压 马达，其控制油 口的每增 大0 ． 1 MP a ，则其特性曲线 上的拐点压力 降低约 0 ． 8 M P a 。液压马达 的变量特性 如图 2 所示 。 2系统工作原理 图 2 液压马达的 变 量特性 系统正常工作时所需满足的条件 1 排量匹配条件 电机 M1 将被试泵和加载液压马达同轴相连，则 其转速相等。若忽略管路的泄漏和少量的控制油路的 分流 ，液压泵实际输出的流量等于实际输入液压马达 的液体流量 。于是有 ／ 7 , p n 1 Q p／ 7 , p y o n 2 Q n ／ r ／ 3 联立式 1 、 2 和 3 可得 叼 4 即液压马达的排量等于液压泵排量、液压泵容积 效率和液压马达容积效率三者的乘积。由于液压泵和 液压马达的容积效率都小于 1 ，故液压马达的排量小 7 8 机床与液压 第 4 O卷 于液压泵的排量。又因为两者的容积效率随油液压力 和温度 的变化而改变 ，同时在耐久性试 验中 ，经过长 时间的运转和磨合液压泵和液压马达中的某些配合间 隙的大小发生变化 ，也会导致各 自容积效率的改变， 容积效率的这种改变将导致排量匹配点的变化。 2 扭矩平衡条件 液压泵 的输入轴匀速转动时 ，则液 压泵 的输入扭 矩等于电机的输出扭矩和液压马达输出扭矩的和，即 有 T T u l 5 由液压传动的相关知识知 箍 6 7 2竹 、 若忽略管道阻力和冷却器的压力损失则有 P △ p 8 联立式 5 一 8 ，并将式 4 代入并整理 可得 TM t 2P 盯 p ＼ 7 7 L 。 一 叼 一 』 L 上 1一r ／ p r ／ r ／ 一r ／ p 9 二。兀’7 ， o m 故 电机 M1 所需提供 的扭矩与液压 马达的输 出扭 矩之和等于液压泵所需输入的扭矩。电机所需提供的 扭矩与液压泵的工作压力、排量、液压泵和液压马达 的机械效率和容积效率有关。当液压泵的工作压力和 排量不变时 ，液压 马达和液压泵 的机械效率和容积效 率越高则所需电机提供的扭矩越小，若各项效率值都 为 1 ，则不需要 电机提供扭矩 。但 由于液压 泵和液压 马达实际的效率值都小于 1 ，故需要电机提供一定扭 矩才能保证系统正常运转。电机所提供的扭矩大约占 到泵 所需输 入扭矩 的 2 0 ％ ～ 4 0 ％[ 4 - i t ] 。 首先启 动电机 M 2 ，则控制 油液压 泵 3输 出压力 油 ，输 出油压 由调压 阀 5设定为 3 ． 5 M P a ，向变量液 压 马达控制 阀的压力油 口和 电液 比例减压阀的压力油 口提供恒定压力的油液。给电液比例减压阀的比例电 磁铁通人较大电流，使得其输出高压，令变量马达工 作于最小拐点压力特性 曲线上。 启动电机 M1 ，并缓慢升速至被试泵的额定转速。 对于定量泵来说 ，其排量和转速以及泵出口的压力无 关 ，则在电机开始启动时，系统压力接近于零压 ，马 达工作于最小排量状态，此时泵的排量与泵的容积效 率以及马达容积效率的乘积大于马达的排量 ，于是泵 输出油液在其出口和马达入口的管路中受到压缩 ，其 压力上升 ，而马达 的排量随压力的上升按 照其变量特 性曲线 的规律逐 渐增大 ，当马达排量满足式 4 时， 达到平衡状态，此时泵的出口压力为马达变量特性曲 线上与满足式 4 的排量的工作点所对应的压力。 逐步减小电液比例减压阀的控制电流，其输出控 制油液的压力随之降低 ，马达变量特性 曲线逐渐上 移 ，而工作 点 随着 向上移 动 ，液 压泵 的出 口压 力升 高，直至到液压泵的额定工作压力。同时泵和马达的 排量关系自动保持满足匹配条件。为了防止长时间的 连续运行后，电液比例减压阀输出压力的偏移引起工 作点的漂移，可以利用闭环的方法实时测量系统主回 路的工作压力并调整电液比例减压阀的输入电流使得 系统工作点满足试验规范的要求。 3 总结 利用变量液压马达的变量特性 自动满足 了功率 回 收的排量匹配条件，利用电液比例减压阀输出的可控 压力调节系统的工作压力 ，从而保证了液压泵耐久性 试验标准规定的试验条件 ，实现了液压泵输出功率回 收，降低了系统的装机功率。 利用同一台液压马达 可以满足多个规格 的液压泵 的试验要求，只需满足由式 4 计算出的马达排量 值在马达的最小排量和最大排量的范围内即可。 参考文献 【 1 】全国船用机械标准化技术委员会． G B ／ T 1 3 9 5 3 - 2 0 0 9船 用液压泵液压马达技术条件[ s ] ． 北京 中国标准出版 社 ， 2 0 0 9 ． 【 2 】全国液压气动标准化技术委员会． J B ／ T 1 0 8 3 1 - 2 0 0 8 静 液压传动装置[ s ] ． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 8 ． 【 3 】煤炭工业煤矿专用设备标准化技术委员会． M T ／ T 8 5 1 9 9 9采煤机液压元件试验规范[ s ] ． 北京 煤炭工业出 版社 ， 1 9 9 9 ． 【 4 】张之良， 贺建林， 陈馨． 功率回收方式在大流量油泵、 油马 达试验系统中的应用[ J ] ． 航海工程， 2 0 0 6 5 3 9 4 2 ． 【 5 】张峥明， 胡军科， 葛玉柱． 一种液压功率回收试验系统的 工作特性及 回收效率研究 [ J ] ． 现代制造工程 ， 2 0 1 0 5 1 2 31 2 6 ． 【 6 】沙明元 ， 李建英， 李春林． 大型液压试验台功率 回收系统 研究[ J ] ． 石家庄铁道学院学报， 1 9 9 8 ， 1 1 4 8 4 8 8 ． 【 7 】白国长， 王占林， 祁晓野． 航空液压泵变负载加速寿命试 验台研制[ J ] ． 液压与气动， 2 0 0 6 3 4 7 5 0 ． 【 8 】 刘斌 ， 姜伟， 裘信国． 双向变量液压泵试验台功率回收系 统分析[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 6 1 2 1 3 91 4 1 ． 【 9 】白国长， 逢波， 王占林 ， 等． 机械补偿液压功率回收系统 研究[ J ] ． 机械科学与技术， 2 0 0 7 ， 2 6 2 2 1 3 3 1 6 ． 【 1 0 】 付永领， 江明霞． 液压泵加速寿命试验台中的节能设计 [ 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