液壓泵效率與排量特性試驗研究

葉 敏，易小剛，蒲東亮，焦生杰

(1.長安大學(xué)公路養(yǎng)護裝備國家工程實驗室，陜西西安 710064;2.三一重工股份有限公司，湖南長沙 410100)

工程機械廣泛應(yīng)用于國家基礎(chǔ)設(shè)施及軍工國防建設(shè)，現(xiàn)有工程機械作業(yè)效率低、能源消耗大，其節(jié)能技術(shù)研究具有重要意義.液壓泵作為工程機械的動力執(zhí)行機構(gòu)，對于工程機械動力系統(tǒng)匹配節(jié)能來說，液壓泵的效率和控制特性直接影響動力系統(tǒng)參數(shù)匹配的好壞、能量的利用率、系統(tǒng)的發(fā)熱、振動、沖擊以及作業(yè)質(zhì)量，對整機動力性能和經(jīng)濟性能有著重大的影響，是動力節(jié)能參數(shù)匹配中應(yīng)著重考慮的關(guān)鍵問題之一［1－3］.目前國內(nèi)外對液壓泵大多進行理論建模研究［4－6］，試驗研究較少.本文對液壓泵的效率特性和排量電比例控制特性進行試驗研究，分析液壓泵在不同工況下的效率和排量控制比例電流的死區(qū)、飽和區(qū)、工作段的線性度和響應(yīng)時間，為工程機械動力匹配提供參考依據(jù).

1 電比例變量泵特性分析

針對目前工程機械，尤其是各種型號混凝土泵車中常用的力士樂公司生產(chǎn)的A11VO系列液壓泵進行試驗研究，液壓泵的型號為A11VL90LRDU2，排量V=190cm3，排量為Vmax時最高轉(zhuǎn)速為2100r·min－1，排量小于Vmax時最大轉(zhuǎn)速為 2300r·min－1，流量為 265L·min－1，在Vmax時的功率為 159kW［7］.A11VO 系列液壓泵主要功能包括壓力切斷、恒功率和變量控制.三種功能按優(yōu)先順序進行控制，優(yōu)先級為:壓力切斷最高，之后是恒功率，最后是變量控制.恒功率控制的壓力臨界值可以通過液壓泵上的旋鈕進行調(diào)節(jié)，具體值需在實際工況下進行調(diào)定，當(dāng)系統(tǒng)壓力進入恒功率調(diào)節(jié)時，變量控制已經(jīng)不起作用，排量會自動根據(jù)壓力的增加而減少，目的是避免液壓泵超負(fù)荷工作.

1.1 壓力切斷控制

壓力切斷即恒壓控制，當(dāng)達(dá)到預(yù)先設(shè)定的壓力值時，它使泵的排量向最小排量Vmin擺回，特性曲線如圖1所示.壓力切斷功能優(yōu)先于恒功率控制，即恒功率控制在低于預(yù)設(shè)壓力時起作用.

圖1 壓力切斷原理圖Fig.1 Schematic of pressure cut-off

1.2 恒功率控制原理

恒功率控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作壓力及液壓泵的輸出流量，控制液壓泵在恒定的驅(qū)動轉(zhuǎn)速下不超過預(yù)定的驅(qū)動功率.圖2是變量泵的恒功率特性曲線，左邊ABCD表示壓力與排量的變化關(guān)系，其中AB段是定量段，相應(yīng)的功率變化是圖中右邊的OE段，此時，其特性與定量泵一樣.BC段是變量段，此段內(nèi)壓力p與排量V乘積近似為常數(shù)，相應(yīng)的功率變化為右邊的EF，當(dāng)進入此段后，排量與壓力的乘積保持不變，隨著壓力的增加，排量自動減少，接近雙曲線.圖2中恒功率實際上也是在變量泵轉(zhuǎn)速恒定的情況下計算出來的，所以，實際上是pV為定值，也即變量泵的吸收轉(zhuǎn)矩為恒定值.當(dāng)轉(zhuǎn)速變化時，變量泵的吸收功率將不再恒定.

圖2 恒功率控制原理Fig.2 Principle of constant power

1.3 變量控制

變量機構(gòu)使得泵的排量在其整個范圍內(nèi)可無級調(diào)節(jié)，并與比例電磁鐵的控制電流或控制口的壓力成比例，電流直接去控制比例電磁鐵，恒定功率控制優(yōu)先于變量控制，即低于功率曲線時排量受控制電流的調(diào)整.如果設(shè)定流量或工作壓力使功率曲線被超過，則恒功率控制取代變量控制并按照恒功率曲線減小排量.從Vmax到Vmin，隨著控制電流減小，泵擺向較小的排量.控制電流范圍為200～600mA，對應(yīng)于泵的零排量到滿排量，特性曲線如圖3所示.

圖3 電比例排量控制原理Fig.3 Principle of electric-proportional control

2 試驗臺組成及試驗流程

2.1 試驗內(nèi)容

以A11VO190液壓泵為研究對象，利用泵－馬達(dá)液壓試驗臺進行試驗研究，內(nèi)容主要包括:①液壓泵效率試驗;②液壓泵排量動態(tài)響應(yīng)試驗;③液壓泵排量靜態(tài)響應(yīng)試驗.

2.2試驗平臺的組成

泵－馬達(dá)液壓試驗臺主要由交流電機、液壓泵、液壓馬達(dá)、閥路、智能控制平臺及相關(guān)信號檢測元件組成，如圖4所示.在交流電機與液壓泵的傳動軸上安裝有轉(zhuǎn)速傳感器和扭矩傳感器用以檢測電機的輸出扭矩和轉(zhuǎn)速值，在液壓泵、液壓馬達(dá)、電磁溢流閥的泄油路和回油路安裝4個流量傳感器SF00—SF03:SF00檢測主回路流量，SF01檢測電磁溢流閥的溢流量，SF02檢測液壓泵的泄漏量，SF03檢測液壓馬達(dá)的泄漏量.壓力傳感器檢測液壓泵出口處的壓力.交流電機選用Y355M2－2三相交流異步電動機，額定輸出功率為250kW，額定轉(zhuǎn)速為3000r·min－1，智能控制平臺比例電流調(diào)節(jié)精度為 ±10mA，轉(zhuǎn)速控制精度為 ±5r·min－1，流量傳感器 SF00量程為 500L·min－1，SF01量程為250L·min－1，SF02，SF03 量程為 50L·min－1，壓力傳感器量程為50MPa.

圖4 泵－馬達(dá)液壓試驗平臺組成原理圖Fig.4 Distribution schematic of pump-motor hydraulic testbench

3 試驗研究

3.1 液壓泵效率試驗

液壓泵的效率分為容積效率和機械效率，容積效率是由于存在間隙的泄漏而引起的流量損失.機械效率是由于摩擦而引起的扭矩?fù)p失，其中一部分是油液間的黏性摩擦，另一部分是滾動軸承、柱塞與缸體孔、各運動副的固體摩擦.在理論上，影響液壓泵效率的因素有很多，但主要有油液的工作黏度、工作壓力、轉(zhuǎn)速及變量泵的控制電流.

液壓泵的容積效率為

式中:ηV為容積效率;Q為理論流量;ΔQ為泄流量;h為泄漏間隙;Δp為間隙兩端壓差;μ為油液運動黏度;n為轉(zhuǎn)速;β為控制電流;Vmax為最大排量.

液壓泵的機械效率為

式中:Ne為泵理論輸出功率;ΔN為機械損失功率.

液壓泵的總效率為

工作壓力對容積效率的影響由式(1)分析可知，工作壓力越大容積效率越小.對機械效率來說，在液壓泵轉(zhuǎn)速、控制電流、油液運動黏度不變的情況下，工作壓力的變化對扭矩?fù)p失的影響很小，但對液壓泵的有效輸出功率影響很大，由式(2)可知，隨著工作壓力的增大，液壓泵的有效輸出功率增加，機械效率也隨之增大.

轉(zhuǎn)速對容積效率的影響由式(1)分析可知，轉(zhuǎn)速越大容積效率越大.對機械效率來說，隨著轉(zhuǎn)速的增加，液壓泵的流量將增大，隨之油液的黏性摩擦也將增大，同時泵的軸承及其各個運動副的固體摩擦也將增大，扭矩?fù)p失增加，由式(2)可知，液壓泵的機械效率將降低.

控制電流對容積效率的影響由式(1)分析可知，控制電流越大，容積效率越大.對機械效率來說，控制電流增大，液壓泵流量增大，油液的黏性摩擦也將增大，扭矩?fù)p失增大，但同時液壓泵的有效輸出功率也隨之增大，且其增大幅度比扭矩?fù)p失ΔN的要大，由式(2)分析可知，機械效率將增大.

從理論上，初步分析了影響液壓泵效率的各種因素，但是在實際的工作過程中各個因素的影響權(quán)重不一樣，不同工況下有的因素起著主要的作用，有的則影響不大，而且不同型號的液壓泵的效率特性也存在差別，所以為了實際應(yīng)用，需要對試驗測試的數(shù)據(jù)進行分析.

通過智能控制平臺控制交流電機的轉(zhuǎn)速、液壓泵出口的負(fù)載壓力及液壓泵的排量，測試液壓泵在恒轉(zhuǎn)速和恒控制電流下的效率變化情況.起始負(fù)載壓力為8MPa，每次遞增2MPa，直到24MPa;起始控制電流為 200mA，每次遞增 40mA，直到600mA;起 始 轉(zhuǎn) 速 800r· min－1，每 次 遞 增200r·min－1，直到 1800r·min－1，部分試驗數(shù)據(jù)如圖5所示.

圖5 液壓泵效率測試曲線Fig.5 Efficiency curve of pump

對試驗數(shù)據(jù)進行整理，繪制液壓泵的效率等值線圖，如圖6所示，可以分析出液壓泵效率特點:

圖6 液壓泵效率二維等值分布圖Fig.6 Contour distribution of pump efficiency

(1)泵的總效率隨著轉(zhuǎn)速的增加而降低，1300～1800r·min－1為穩(wěn)定區(qū)間，其范圍內(nèi)效率波動較小.

(2)泵的總效率隨著壓力的增加先增后減，最優(yōu)壓力范圍為13～24MPa.

(3)泵控制電流在400mA以上效率較高，400mA以下效率較低;控制電流越大，泵效率受壓力和轉(zhuǎn)速變化影響的波動量越小，泵的大排量工況為高效區(qū).

(4)液壓泵總效率隨控制電流增大而增大，因此泵的排量控制電流最好控制在400～600mA范圍內(nèi)，以使泵的總效率高于75%.

從試驗的結(jié)果來看，液壓泵的排量對效率的影響最大，其次是壓力，液壓泵的轉(zhuǎn)速對效率的影響最小.

3.2 液壓泵排量響應(yīng)時間試驗

將液壓泵負(fù)載壓力設(shè)為恒定，控制臺輸入滿排量電流控制信號，記錄液壓泵由零排量到滿排量的上升時間.之后輸入零排量電流控制信號，記錄液壓泵由滿排量到零排量的下降時間.試驗動態(tài)響應(yīng)測試數(shù)據(jù)如表1.試驗結(jié)果表明泵從零排量到滿排量的響應(yīng)時間為0.5s左右，而從滿排量到零排量的響應(yīng)時間為0.25s左右，且響應(yīng)時間隨著負(fù)載的增加而延長.

表1 液壓泵響應(yīng)時間Tab.1 Respond time of hydraulic pump

3.3 液壓泵靜態(tài)電流控制特性

通過智能控制平臺控制液壓泵的輸入比例電流值，測量液壓泵在不同電流下的穩(wěn)態(tài)排量輸出，得到液壓泵排量控制靜態(tài)電比例特性.恒定電流值從200～600mA，改變負(fù)載壓力p，記錄液壓泵的轉(zhuǎn)速n和輸出流量Q.

如圖7所示，從測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析可以看出，液壓泵在恒控制電流下，不同壓力轉(zhuǎn)速情況，排量變化不大，波動量較小.液壓泵的控制電流死區(qū)為0～200mA，飽和截止電流為 550mA，在 200～550mA范圍內(nèi)液壓泵排量線性變化.液壓泵的排量控制受負(fù)載壓力影響較大，空載下排量與控制電流近似成線性，隨著載荷的增加，排量隨控制電流的增加，速度變慢，要實現(xiàn)排量的精確控制需對控制電流進行校正.

之后對新舊液壓泵的電比例控制特性進行研究，測試泵的排量與控制電流的曲線關(guān)系，試驗結(jié)果如圖8所示.從圖8可以得出新舊液壓泵的排量控制特性基本相同，泵的排量控制特性受使用時間影響不大.泵的死區(qū)控制電流為200mA，飽和控制電流大致為550mA，在區(qū)間內(nèi)泵的排量與控制電流基本成線性關(guān)系，但與樣本手冊稍有偏差.

圖7 不同轉(zhuǎn)速下泵排量控制特性Fig.7 Control characteristics of pump displacement with load

圖8 新舊液壓泵控制特性對比圖Fig.8 Contrast of control characteristics between new and old pump

4 結(jié)論

本文分析了工程機械液壓系統(tǒng)常用液壓泵的工作特性，并對動、靜電比例特性及效率特性進行試驗研究，結(jié)論如下:

(1)泵的總效率隨著轉(zhuǎn)速的增加而降低，1300～1800r·min－1為穩(wěn)定區(qū)間，其范圍內(nèi)效率波動較小.

(2)泵的總效率隨著壓力的增加先增后減，最優(yōu)壓力范圍為13～24MPa.

(3)泵控制電流400mA以上效率較高，400mA以下效率較低;控制電流越大，泵效率受壓力和轉(zhuǎn)速變化影響的波動量越小，泵的大排量工況為高效區(qū).

(4)液壓泵的排量控制受負(fù)載壓力影響較大，空載下排量與控制電流近似成線性，隨著載荷的增加，排量隨控制電流的增加速度變慢，要實現(xiàn)排量的精確控制需對控制電流進行校正.

(5)液壓泵的控制特性受使用時間影響不大.

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