液压泵效率与排量特性试验研究-.pdf

第 l l 卷第 2 期 2 0 1 3年 4月 中国工程机械学报 C H I N E S E J O U R N A LO FC O N S T R U C T I O N MA C HI N E R Y V0 1 ． 1 1 No ． 2 A p r ．2 0 1 3 液压 泵效 率与排量特性试验研 究 叶 敏 ，易小刚 ，蒲东亮 ，焦生杰 1 ． 长安 大学 公路养护装备 国家工程实验室 ， 陕西 西安7 1 0 0 6 4 ； 2 ． 三一重工股 份有 限公司， 湖南 长沙4 1 0 1 0 0 摘要为实现工程机械液压系统的高效节能， 对液压泵的效率和控制特性进行试验研究． 基于液压试验台， 测试 了液压泵在不同压力、 转速和排量下的效率， 并进行了建模分析． 之后对液压泵排量的动态与静态电比例控制特 性进行了对比试验． 研究结果表明液压泵的高效区分布于等值线图的右上角， 即中高转速和排量范围内． 液压泵 排量控制特性基本不受转速影响， 受负载压力影响较大， 新旧液压泵的排量控制特性基本相同． 研究为工程机械 动力匹配奠定了基础． 关键词液压泵； 控制特性 ； 节能；效率 中图分类号T P 3 9 3 文献标志码A 文章编号1 6 7 2 5 5 8 1 2 0 1 3 0 2 0 1 5 7 0 5 1 门 ‘ l ■ ⋯ ● 1● ■ Xpe ri m ent al re s ear c1 1 0n eI t l cl e nc y and di S Pl ace m ent ‘ l 1 ■● Dr oDer t i es OI 1 1 yc I r aul i c DUm pS y EMi n ， X i a o - g a n g ， P 【 ， D o n g - l i a n g ， J I A O S h e n g - j i e 1 ． Hi g h wa y Ma i nt e n a n c e E q u i p me n t Na t i o n a l Eng i n e e r i n g La b o r a t o r y， Ch a n g’ a l l Uni v e r s i t y， Xi ’ a ll 7 1 0 0 6 4， Ch i n a ； 2 ． S ANY He a v y I n d u s t r y C o． Lt d ． ， Cha n g s ha 4 1 0 1 0 0， Ch i n a Ab s t r a c t To r e a l i z e t h e h i g h e f f i c i e n t e n e r g y - s a v i n g h y d r a u l i c s y s t e ms f o r c o n s t r u c t i o n ma c h i n e r y， t h e e x p e r i me n t r e s e a r c h i s f i r s t c o n d u c t e d o n t h e e f f i c i e n c y a n d d i s p l a c e me n t p r o p e r t i e s o f h y d r a u l i c p u mp s ． B a sed o n t h e h y d r a u l i c t e s t - b e d， t h e t e s t i n g a n d mo d e l i n g o n h y d r a u l i c p u mp e f f i c i e n c y a r e t h e n c o mp l e t e d u n d e r d i f f e r e n t p r e s s u r e s a n d r o t a r y s pe e d s a n d d i s p l a c e me n t s ． Ne x t ， a c o mp a r i s o n t e s t i n g i s i n v e s t i g a t e d i n t o t h e d y n a mi c a n d s tat i c p r o p o r t i o n a l c o n t r o l p r o pe r t i e s o f h y d r a u l i c p u mp d i s p l a c e me n t ． F i n a l l y， i t i s f o u n d f r o m r e s u l t s t h a t t h e h i g h e f f i c i e n t z o n e s a r e d i s t r i b u t e d a t t h e t o p r i g h t c o r n e r o f c o n t o u r d i a g r a m ， i ． e ． ， t h e r a n g e o f h i g h me d i u m r o tar y s p e e d s a n d d i s p l a c e me n t s ． Mo r e o v e r ， t h e d i s p l a c e me n t c o n t r o l p r o pe r t i e s a r e f a i r l y r e l a t e d t o r o tar y s pe e d b u t s i g n i f i c a n t l y i mp a c t e d b y l o a d i n g p r e s s u r e ． I n s p i t e o f o l d a n d n e w h y d r a u l i c p u mp s ， r e l e v a n t d i s p l a c e me n t c o n t r o l p r o pe r t i e s a r e a l mo s t t h e s a me ． Th e r e i n， t h i s a p p r o a c h p a v e s a v e n u e f o r c o n s t r u c t i o n ma c h i n e r y p o we r ma t c h i n g ． Ke y wo r d s h y d r a u l i c p u mp ；c o n t r o l p r o p e r t ye n e r g y s a v i n g；e f f i c i e n c y 工程机 械广泛应用于 国家基础设 施及军工国 防建设 ， 现有工程机械作业效率低 、 能源消耗大 ， 其 节能技术研究具有重要意义． 液压泵作为工程机械 的动力执行机构 ， 对于工程机械动力 系统匹配节能 来说 ， 液压泵的效率和控制特性直接影响动力系统 参数匹配的好坏、 能量的利用率、 系统的发热、 振 动、 冲击以及作业质量， 对整机动力性能和经济性 能有着重大的影响 ， 是动力节能参数 匹配 中应着重 考虑的关键 问题之一[ 1 - 3 3 ． 目前国内外对 液压泵大 多进行理论建模研究 I 6 ] ， 试 验研究较少 ． 本文对 液压泵的效率特性 和排量电 比例控 制特性进行试 验研究 ， 分析液压泵在不同工况下的效率和排量控 制比例电流的死区、 饱和区、 工作段的线性度和响 应时间， 为工程机械动力匹配提供参考依据． 1 电比例变量泵特性分析 针对目前工程机械， 尤其是各种型号混凝土 基金项 目 教育部博士点基金资助项目 2 0 1 1 0 2 0 5 1 1 0 0 0 2 ； 中央高校基金资助项 目 C 如] 2 0 1 1 z D 0 1 6 作者简介 叶敏 1 9 7 8一 ， 男 ， 副教授 ， 工学博士 ． E - ma i l mi n g y e c h d ． e d u ． c n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 5 8 中国工程机械学报 第 1 l 卷 泵车 中常用 的力 士乐公 司生产 的 A l 1 v 0系列液 压 泵 进 行 试 验 研 究 ，液 压 泵 的 型 号 为 A l 1 、 ， 】 L 9 0 L R 叫 2 ， 排 量 V1 9 0 c m3 ， 排量 为 时最高转速为 2 1 0 0 r mi n ～， 排量小于 一时最 大转速为 2 3 0 0 r mi n ～， 流量 为 2 6 5 Lmi n ～， 在 时的功率为 1 5 9 k ． A 1 1 V O系列液压泵 主要功能包括压力切断 、 恒功率 和变量控制 ． 三种 功能按优先顺序进行控制， 优先级为 压力切断最 高， 之后是恒功率， 最后是变量控制． 恒功率控制 的压力临界值可 以通过液压泵上的旋钮进行调 节， 具体值需在实际工况下进行调定 ， 当系统压力 进入恒功率调节时 ， 变量控制已经不起 作用 ， 排量 会 自动根据压 力 的增 加而减少 ， 目的是避 免液压 泵超负荷工作 ． 1 ． 1 压 力切 断控 制 压力切断即恒压控制 ， 当达到预先设定 的压力 值时， 它使泵 的排量 向最小排量 摆 回， 特性 曲 线如图 l 所 示． 压力切断功能优先于恒功率 控制 ， 即恒功率控制在低于预设压力时起作用． 工作压力 I ／ 排量 图 1 压力切断原理 图 Fi g ． 1 S c h e ma t i c o f p r e s s u r e c ut - o ff 1 ． 2 恒功率控制原理 恒功率控制调节系统工作压力及 液压泵 的输 出流量 ， 控制液压泵在恒定的驱动转速下不超过预 定的驱动功率 ． 图 2是变量泵 的恒功率 特性 曲线 ， 左边 A B C D表示压力与排量的变化关系， 其中 A B 段是定量段， 相应的功率变化是图中右边的 0 段 ， 此时， 其特性与定量泵一样 ． 段是变量段 ， 此 段内压力 P与排量 V乘积近似为常数， 相应的功 率变化为右边的 E F， 当进入此段后， 排量与压力的 乘积保持不变， 随着压力 的增加 ， 排量 自动减少， 接 近双曲线． 图 2中恒功率实际上也是在变量泵转速 恒定的情况下计算出来的， 所以， 实际上是 p V为 定值， 也即变量泵的吸收转矩为恒定值． 当转速变 化时， 变量泵 的吸收功率将不再恒定． 图 2 恒 功率控制原理 Fi g ． 2 Pr i n c i p l e o f c o ns t a nt p o we r 1 ． 3 变量控制 变量机构使得泵的排量在其整个范围内可无 级调节， 并与比例电磁铁的控制电流或控制 口的压 力成比例， 电流直接去控制 比例电磁铁， 恒定功率 控制优先 于变量控制 ， 即低于功率 曲线时排量受控 制电流的调整． 如果设定流量或工作压力使功率曲 线被超过， 则恒功率控制取代变量控制并按照恒功 率 曲线减小排量． 从 V 到 V ， 随着控制 电流减 小 ， 泵 摆 向较 小 的排 量 ． 控制 电流 范 围 为 2 0 0～ 6 0 0 m A， 对应于泵 的零排量到满排量 ， 特性曲线如 图 3所示 ． 6 o 0 爝 蠢4 o 0 图 3电比例 排量控制原理 Fi g． 3 Pr i n c i p l e o f e l e c t r i c - p r o po r t i o na l c o n t r o l 2 试验台组成及试验流程 2 ． 1 试验 内容 以 A 1 1 V 0 1 9 0液压泵为研 究对象 ， 利用泵 一马 达液压试验台进行试验研究 ， 内容 主要包 括 ①液 压泵效率试验 ； ②液压泵排 量动态响应试验 ； ③ 液 压泵排量静态响应试验． 2 ． 2 试验平台的组成 泵 一马达液压 试验 台主 要 由交 流 电机、 液压 泵 、 液压马达、 阀路 、 智能控制平 台及相关信号检测 元件组成， 如图 4所示． 在交流电机与液压泵的传 动轴上安装有转速传感器和扭矩传感器用以检测 电机的输出扭矩和转速值， 在液压泵、 液压马达、 电 磁溢流阀的泄油路和回油路安装 4 个流量传感器 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2期 叶敏 ， 等 液压泵效率与排量特性试验研究 1 5 9 S F 0 o S F o 3 S F 0 O检测 主 回路 流量 ， S F 0 1检测 电 磁溢流阀 的溢流 量 ， S F 0 2检测 液压 泵 的泄漏 量 ， S F 0 3检测液压马达 的泄漏量 ． 压力传感 器检测液 压泵 出口处 的压力． 交 流电机选用 Y 3 5 5 M22三 相交流异步电动机， 额定输出功率为 2 5 0 k W， 额定 3 试 验研究 转速为 3 0 0 0 r ra i n ～， 智能控制平台比例电流调 节精度为 1 0 mA， 转速控制精度为 5 r rai n ～， 流量传感器 S F 0 0 量程为 5 0 0 L ra i n ～， S F 0 1 量程 为2 5 0 L rai n ～， S F 0 2 ， S 3量程为 5 0 L rai n 。 。 ， 压力传感器量程为 5 0 MP a ． 图 4 泵一马达液压试验平台组成原理图 Fi g ． 4 Di s t r i b ut i o n s c h e ma t i c o fp u mp - mo t o r h y d r a u l i c t e s t b e n c h 3 ． 1 液压泵效率试验 液压泵的效率分为容积效率和机械效率， 容积 效率是由于存在间隙的泄漏而引起的流量损失． 机 械效率是由于摩擦而引起的扭矩损失， 其中一部分 是油液间的黏性摩擦 ， 另一部分是滚动轴承 、 柱塞 与缸体孔 、 各运动副的固体摩擦 ． 在理论上 ， 影响液 压泵效 率的 因素有 很多 ， 但 主要有 油液的工作 黏 度 、 工作压力、 转速及变量泵的控制电流． 液压泵 的容积效率为 1 一 1一 1 式中 为容积效率； Q为理论流量； a Q为泄流 量 ； h为泄漏间隙 ； A p为间隙两端压 差； 为油液 运动黏度； n为转速； 为控制电流； 为最大 排量． 液压泵的机械效率为 1一 1一 式中 Ⅳ e 为泵理论输出功率； A N为机械损失功率． 液压泵的总效率为 t 3 工作压力对容积效率的影响由式 1 分析可 知 ， 工作压力越大容积效率越小． 对机械效率来说 ， 在液压泵转速 、 控 制电流 、 油液运动黏度不变的情 况下 ， 工作压力 的变化对扭矩损失 的影 响很小 ， 但 对液压泵的有效输出功率影响很大 ， 由式 2 可知， 随着工作压力的增大， 液压泵的有效输出功率增 加 ， 机械效率也随之增大． 转速对容积效率的影响由式 1 分析可知， 转 速越大容积效率越大． 对机械效率来说， 随着转速 的增加 ， 液压泵 的流量将增大 ， 随之油液的黏性摩 擦也将增大 ， 同时泵的轴承及其各个运动副的固体 摩擦也将增大， 扭矩损失增加， 由式 2 可知， 液压 泵的机械效率将降低 ． 控制电流对容积效率的影响由式 1 分析可 知 ， 控制 电流越 大 ， 容积效 率越大 ． 对机 械效 率来 说， 控制电流增大， 液压泵流量增大， 油液的黏性摩 擦也将增大， 扭矩损失增大， 但同时液压泵的有效 输 出功率 也随之增大 ， 且其增 大幅度 比扭矩 损失 A N 的要大 ， 由式 2 分析可知 ， 机械效率将增大． 从理论上， 初步分析了影响液压泵效率的各种 因素 ， 但是在实际的工作过程 中各个 因素的影响权 重不一样 ， 不 同工况下有 的因素起着 主要 的作 用， 有的则影响不大， 而且不同型号的液压泵的效率特 性也存在差别， 所以为了实际应用， 需要对试验测 试的数据进行分析． 通过智能控制平台控制交流电机 的转速、 液压 泵 出口的负载压力及液压泵的排量， 测试液压泵在 恒转速和恒控制电流下的效率变化情况 ． 起始负载 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 6 o 中国工程机械学报 第 l 1 卷 压力为 8 MP a ， 每次递增 2 MP a ， 直到 2 4 MP a起始 控制 电 流 为 2 0 0 m A， 每 次 递 增 4 0 m A， 直 到 6 0 0 m A ； 起 始 转 速 8 0 0 rm i n ～， 每 次 递 增 2 0 0 r ra i n ～， 直到 1 8 0 0 r min ～， 部分试验数据 如图 5 所示． 誉 ＼ 褥 较 电流 ／ mA a负载压力1 0 M P a ，转速1 0 0 0 r ．i n i n 2 8 0 3 2 0 3 6 0 4 0 0 4 4 0 4 8 o 5 2 0 5 6 o 60 0 电流 ／ mA b泵控电流4 o o mA ，转速1 2 0 0 r ． m i l i - 图 5 液压泵效率测试曲线 Fi g ． 5 Ef fic i e n c y c u r v e o f p u mp 对试验数据进行整理， 绘制液压泵的效率等值 线图， 如图 6所示 ， 可 以分析出液压泵效率特点 ．要 1 0 1 2 l 4 1 6 l 8 2 0 2 2 2 4 2 6 2 8 压力 ／ MPa 图 6 液压泵效率二维等值分布图 Fi g． 6 C o n t o u r di s t r i b u t i o n o f pu mp e f f i c i e n c y 1 泵的总效率随着转速的增加而降低， 1 3 0 0 ～ l 8 0 0 r min 为稳定区间， 其范围内效率波动 较小． 2 泵的总效率随着压力的增加先增后减， 最 优压力范围为 1 3 2 4 MP a ． 3 泵控制 电流在 4 0 0 m A以上效率较高， 4 0 0 m A 以下效率较低 ； 控制电流越大， 泵效率受压 力和转速变化影响的波动量越小 ， 泵 的大排量工况 为高效区． 4 液压泵总效率随控制电流增大而增大， 因 此泵的排量控制电流最好控制在 4 0 0 6 0 0 m A范 围内， 以使泵 的总效率高于 7 5 ％． 从试验 的结果来看 ， 液压泵的排量对效率的影 响最大 ， 其次是压力 ， 液压泵 的转速对效率 的影 响 最小． 3 ． 2 液压泵排量响应时间试验 将液压泵负载压力设为恒定 ， 控制 台输入满排 量电流控制信号， 记录液压泵由零排量到满排量的 上升时间． 之后输入零排量电流控制信号， 记录液 压泵由满排量到零排量的下降时间． 试验动态响应 测试数据如表 1 ． 试验结果表明泵从零排量到满排 量的响应时间为 0 ． 5 S 左右 ， 而从满排量到零排量 的响应时间为 0 ． 2 5 S 左右 ， 且响应时间随着负载的 增加而延长． 表 1 液压泵响应时间 Ta b ． 1 Re s p o n d t i me o f h y d r a u l i c p u mp 3 ． 3 液压泵静态电流控制特性 通过智能控制平台控制液压泵的输入比例电 流值 ， 测量液压泵在不 同电流下的稳态排量输 出， 得到液压泵排量控制静态电比例特性 ． 恒定 电流值 从 2 0 0 6 0 0 mA， 改变负载 压力 P， 记 录液 压泵的 转速 n和输出流量 Q ． 如图 7所示 ， 从测试 数据统计分析可 以看出 ， 液压泵在恒控制 电流下 ， 不 同压力转速情况 ， 排量 变化不大 ， 波动 量较小 ． 液压泵的控制 电流死 区为 0 2 0 0 mA， 饱 和截 止 电流 为 5 5 0 mA， 在 2 0 0～ 5 5 0 n 范围内液压泵排量线性变化． 液压泵 的排量 控制受负载压力影响较大， 空载下排量与控制电流 近似成线性， 随着载荷的增加， 排量随控制电流的 增加， 速度变慢， 要实现排量的精确控制需对控制 电流进行校正． 之后对新旧液压泵的电 比例控制特性进行研 究， 测试泵的排量与控制电流的曲线关系， 试验结 果如图 8所示 ． 从图 8可以得出新 旧液压泵 的排量 控制特性基本相同， 泵的排量控制特性受使用时 间 影 响不大 ． 泵的死 区控制 电流为2 0 0 mA， 饱和控制 s j ∞ 潞踮 阻 印 9 6 、 将凝 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 期 叶敏， 等 液压泵效率与排量特性试验研究 1 6 1 e 邑 ＼ 嘲I e ＼ 棚 枯 3 o o 3 5 0 4 0 0 45 0 5 o o 5 5 0 6 0 o 电流 ／ mA a负载压力2 2 MP a 3 5 0 4 o o 4 5 0 5 0 0 5 5 O 6 o O 电流 ／ mA b 负载压力3 0 M P a 图 7 不 同转 速下泵排量控制特性 Fi g． 7 Co n t r o l c h a r a c t e r i s t i c s o f p u mp d i s p l a c e me n t wi t h l o a d 电流大致为 5 5 0 m A ， 在区间内泵的排量与控制电 流基本成线性关系， 但与样本手册稍有偏差． 2 0 0 1 8 O l 6 o 1 4 0 1 2 0 1 0 0 8 0 6 O 4 0 2 0 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 o 0 6 0 0 7 0 0 电流 ／ mA 图8 新旧液压泵控制特性对比图 Fi g． 8 Co n t r a s t o f c o nt r o l c ha r a c t e r i s t i c s b e t we e n n e w a n d o l d p u mp 4 结论 本文分析了工程 机械液 压系统常用液压泵 的 工作特性， 并对动、 静电比例特性及效率特性进行 试验研究， 结论如下 1 泵的总效率随着转速的增加而降低， 1 3 0 0 ～ 1 8 0 0 r rai n 为稳 定 区间 ， 其 范围 内效 率波动 较 小 ． 2 泵的总效率随着压力的增加先增后减， 最 优压力范围为 1 3 2 4 MP a ． 3 泵 控 制 电 流 4 0 0 mA 以上 效 率 较 高 ， 4 0 0 m A以下效率较低； 控制电流越大， 泵效率受压 力和转速变化影响的波动量越小 ， 泵 的大排量工况 为高效区． 4 液压泵的排量控制受负载压力影响较大， 空载下排量与控制电流近似成线性， 随着载荷的增 加 ， 排量随控制 电流 的增加速度变慢 ， 要实现排量 的精确控制需对控制电流进行校正． 5 液压泵的控制特性受使用时间影响不大． 参考文献 [ 1 ] 姚怀新． 行走机械液压传动与控制[ M J ． 北京 人民交通出版 社 ， 2 0 0 2 ． YA0 Hu a ixi n ．Hy d r a u l i c t r a n t i o n a n d c o n t r o l o f o ff- r o a d v i h i c l e [ M ] ． B e i j i n g C h i n a C o m m u n i c a i t o n P r e s s ， 2 0 0 2 ． [ 2 ] 彭天好， 杨华勇， 傅欣． 工程机械中的泵与发动机匹配[ J ] ． 工 程机械 ， 2 0 0 1 ， 3 2 8 3 74 0 ． P】 G Tia n h a o ， Y ANG Hu a y o n g， F U Xi n ． Pu mp - e n g i n e ma t c h i n g o n c o n s t r u c ti o n ma c h ine r y 、 v i 吐 l e n g i n e s[ J] ． Co ns t r u c tio n Mac h i n e ry ， 2 0 0 1， 3 2 8 3 74 0． [ 3 ] 柳波， 何清华， 杨忠炯． 发动机一变量泵功率匹配极限负荷控 制I- J ] ． 中国机械工程， 2 0 0 7 ， 2 8 4 5 0 0 5 0 3 ． UU B o ， 耻Qin g h u a ， Y A N G Z h o n g j i o n g ． L o a d l imi t s e n s i n g c o n t r o l o f p o we r ma t c hin g f o r e n g i n e v a r i a b l e p u mp s y s t e m V J ] ． C hin a Me c h a n i c a l E n g ine e r i n g ， 2 0 0 7 ， 2 8 4 5 0 05 0 3 ． [ 4 ] MA N R I N GND ． T ll e c o n tr o l a n d con t a i n m e n t f o r c e s o n t h e s wa s h p l a te of a n a x i a l p i s t o n p u mp u til i z i n g a s e c o n d a r y s w a s h p l a t e a n g l e [ C ] ／ ／ P r o c e e d i n g s of the A m e r i c a n Con tr o l Co n f e r e n c e． Ne w Yo r k I EEE， 2 0 0 2 4 8 3 74 8 4 2． [ 5 ] D UH o n g l i u ．P r e s s u r e c o n tr o l w i th pow e r l i m i ta ti o n f o r h y d r a u l i c v a r ia b l e d i s p l a c e m e n t p i s t o n p um p s[ C]∥ Pr oce e d i n g s o f the Ame r i c a n Co n tro l Co n f e r e n c e ． Ne w Yo r k I EEE， 2 o 0 2 9 4 09 4 5． [ 6 ] 王安麟， 岳滨楠， 周鹏举， 等． 工程机械液压泵和马达模型的 非线性改进[ J ] ． 同济大学学报 自然科学版， 2 0 1 1 ， 3 9 8 1 2 1 2 1 21 5， 1 2 3 2． WA N G A n l i n ， Y U E Bin n a n ， Z I { O U P e n g j u， e t a 1 ． No n l i n e a r i mp r o v e me nt 0 11 h y d r a u l i c pu mp a n d mo t o r mo d e l s f o r c o n s tr u c t i o n ma c h in e ry [ J ] ． J o u r n a l o f T o n g j i U n iv e r s i t y Na t u r a l S c i e n c e ， 2 01 1， 3 9 8 1 21 21 21 51 2 3 2． [ 7 ] 荆宝德． 混凝土输送泵关键技术研究 [ D ] ． 长春 吉林大 学 ， 2 0 0 5 ． J I N B a ode ．Con c r e t e d e l i v e r y p u mp e s s e n ti a l t e c h n o l o g y r e s e a r c h [ D ] ． C h a n g c h u n J i l i n U n i v e r i s t y ， 2 0 0 5 ． ∞ ∞ ∞ ∞ 暑 寻∞ ∞ ∞ ∞ 0‘1■11， 1 11 1 ∞ 踟 ∞ 如 舶 ∞ 踟 ∞ ∞ o ‘l 1 1 1 1 ■1 ． I I邑 ＼ 嘲 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m