液壓馬達(dá)試驗臺中功率回收系統(tǒng)的分析計算

王 海，李德勝

(江蘇省機(jī)械研究設(shè)計院有限責(zé)任公司，江蘇南京 210012)

液壓馬達(dá)具有輸出轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)速無級可調(diào)等特性，在眾多領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用，因此對液壓馬達(dá)的性能試驗顯得尤為重要。在JB/T 10829-2008《液壓馬達(dá)》標(biāo)準(zhǔn)中［1］，規(guī)定了液壓馬達(dá)的試驗項目、試驗方法、考核指標(biāo)等，其中耐久性試驗耗時最長，電能消耗最大，費用最高。若選擇帶有功率回收系統(tǒng)的試驗臺，能夠減少電能消耗，降低費用，為此筆者向試驗臺設(shè)計人員介紹一種功率回收系統(tǒng)的分析計算方法，以供參考。

1 功率回收系統(tǒng)的分析

1.1 液壓系統(tǒng)原理圖

根據(jù)某廠提出的要求，筆者為其設(shè)計了一種適用于多種規(guī)格系列馬達(dá)的性能試驗臺［2-3］(系統(tǒng)原理如圖1所示)。此試驗臺帶有的功率回收系統(tǒng)能將被試馬達(dá)的輸出功率反饋至其輸入口，而不是變成熱能消耗掉。

1.2 功率回收系統(tǒng)工作原理分析

在本系統(tǒng)中，溢流閥3用來調(diào)節(jié)被試馬達(dá)輸入壓力，溢流閥5用來調(diào)節(jié)被試馬達(dá)背壓，換向閥6用來對馬達(dá)轉(zhuǎn)向進(jìn)行切換;整流油路11用來保證加載泵的油液輸入、輸出始終按照一定的流向，不會隨加載泵的轉(zhuǎn)向改變;加載泵10通過轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器8、變速箱9與被試馬達(dá)7連接，其輸出的油液通過單向閥4反饋至被試馬達(dá)，加載泵的這種反饋輸出即稱為功率回收。

圖1 系統(tǒng)原理圖

在實際工況中，由于存在容積效率、機(jī)械效率等因素，加載泵并不能將被試馬達(dá)的全部輸入功率反饋回去，必然存在功率損失ΔT，這種損失主要是由系統(tǒng)的流量、壓力損失造成的，因此使用油源裝置1和2分別來彌補(bǔ)壓力和流量損失。我們將彌補(bǔ)壓力損失的油源裝置稱為壓力補(bǔ)償裝置，其輸出功率稱為壓力補(bǔ)償功率ΔTP;彌補(bǔ)流量損失的油源裝置稱為流量補(bǔ)償裝置，其輸出功率稱為流量補(bǔ)償功率 ΔTQ。

在此系統(tǒng)中，當(dāng)系統(tǒng)運行在平衡狀態(tài)，即被試馬達(dá)運行在額定轉(zhuǎn)速及額定工作壓差下，理想的加載泵排量應(yīng)和被試馬達(dá)一致，這樣只需補(bǔ)償極少量的流量及壓力損失即可。但在實際工程應(yīng)用中，試驗臺是為多種規(guī)格系列被試馬達(dá)設(shè)計的，且被試馬達(dá)額定轉(zhuǎn)速往往小于加載泵規(guī)定的最低轉(zhuǎn)速，因此在系統(tǒng)中就需設(shè)置變速箱，以使加載泵工作在規(guī)定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)。

2 功率回收系統(tǒng)的計算

下面以某廠的B-200馬達(dá)(公稱排量為199．2mL/r，額定工作壓差為 12MPa，額定轉(zhuǎn)速為300r/min，額定輸出扭矩為330N·m，額定輸出功率為10kW)為例，對功率回收系統(tǒng)中涉及的如加載泵和變速箱參數(shù)確定、功率回收效率、節(jié)約費用等進(jìn)行分析計算，具體過程如下。

a．根據(jù)被試馬達(dá)的公稱排量、額定轉(zhuǎn)速，計算加載泵理論排量，即

式中：n1為被試馬達(dá)額定轉(zhuǎn)速，r/min;n2為加載泵期望轉(zhuǎn)速，取1 500r/min;V1為被試馬達(dá)公稱排量，mL/r;ηv1為被試馬達(dá)容積效率，可取85%;ηv2為加載泵容積效率，可取95%。

由公式(1)計算可得：V'2≈49．3mL/r。

b．確定加載泵排量V2(mL/r)。

根據(jù)加載泵廠家提供的樣本資料，選擇排量最接近理論排量的加載泵。根據(jù)上述計算結(jié)果，可選擇國內(nèi)知名廠家生產(chǎn)的排量為44．3mL/r、額定壓力為31．5MPa的斜軸式雙向變量泵，此泵自吸能力大，抗污染性強(qiáng)，壽命長，壓力等級高。

c．計算變速箱理論傳動比i'，即

由公式(2)計算可得：i'≈5．6。

d．確定合適的變速箱傳動比i。

變速箱傳動比i參照i'選取，要求i＜i'，以保證加載泵的輸出流量小于被試馬達(dá)的輸入流量，另外要注意保證加載泵工作在規(guī)定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，i可選為 4．5。

e．計算加載泵的輸入扭矩M2，即

式中：M'為被試馬達(dá)額定輸出扭矩下加載泵的理論輸入扭矩，即其中M1為被試馬達(dá)額定輸出扭矩，N·m;M″為被試馬達(dá)額定輸出功率下加載泵的理論輸入扭矩N·m，其中T1為被試馬達(dá)額定輸出功率，kW，η'為被試馬達(dá)與加載泵之間的扭矩傳遞效率，可取98%。

由公式(3)計算可得：M2=69．3N·m。

f．計算流量補(bǔ)償量，即

式中：Q1為被試馬達(dá)輸入流量，L/min;Q2為加載泵輸出流量，L/min;ΔQ'為系統(tǒng)內(nèi)部泄漏量，可取2L/min。

由公式(4)計算可得：ΔQ=15．5L/min。

g．確定壓力補(bǔ)償量，即

式中：P1為馬達(dá)額定工作壓差，MPa;P2為加載泵輸出壓力，，MPa，其中ηt2為加載泵總效率，可取85%;ΔP'為系統(tǒng)壓力損失，可取1MPa。

由公式(5)計算可得：P2=8．8MPa。

h．計算總補(bǔ)償功率，即

式中：ΔTQ為流量補(bǔ)償功率，ΔTP為壓力補(bǔ)償功率，

由公式(6)計算可得：ΔT=7．1kW。

i．計算功率回收效率，即

式中：T2為被試馬達(dá)輸入功率，

由公式(7)計算可得：η≈49．6%。

j．根據(jù)上述參數(shù)的計算結(jié)果，計算試驗過程中節(jié)約的電能費用，即

式中：C1為未使用帶功率回收的試驗系統(tǒng)時所需電能費用，C1=T2tpe，t為以耐久性試驗中耗時最長的“滿載試驗”為例，可取1 000h，pe為用電單價，可取1．1元/kWh。

由公式(8)計算可得：Cs≈0．8萬元。

對某廠多種規(guī)格系列的被試馬達(dá)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計算，結(jié)果見表1。

表1 參數(shù)計算值

3 結(jié)束語

本文對液壓馬達(dá)試驗臺中功率回收系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行了分析，對其中元件、設(shè)備選型涉及的計算方法進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，這為技術(shù)人員在設(shè)計帶功率回收系統(tǒng)的液壓馬達(dá)試驗臺時提供了一定的參考。

［1］ 中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會．JB/T 10829-2008液壓馬達(dá)［S］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008．

［2］ 章宏甲，黃誼．液壓傳動［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996．

［3］ 雷天覺．新編液壓工程手冊［M］．北京：北京理工大學(xué)出版社，1998．