基于自動(dòng)化測(cè)控平臺(tái)對(duì)外嚙合齒輪泵的總效率研究

田立勇，鄭躍鵬，王 慧

（遼寧工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧阜新 123000）

0 引言

齒輪泵由于結(jié)構(gòu)緊湊、制作簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、自吸性強(qiáng)、使用壽命較長(zhǎng)、適應(yīng)性強(qiáng)、成本較低、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用各種設(shè)備的動(dòng)力源［1］。在節(jié)能高效的時(shí)代背景下，圍繞齒輪泵效率的問題展開研究，可以降低工業(yè)生產(chǎn)成本，在一定程度上緩解能源危機(jī)。在我國(guó)齒輪泵的年產(chǎn)量約為200萬臺(tái)，隨著生產(chǎn)模式的改變，齒輪泵生產(chǎn)廠家都根據(jù)顧客需求生產(chǎn)特定應(yīng)用場(chǎng)合的齒輪泵，從而導(dǎo)致齒輪泵在尺寸、排量、壓力等性能方面都存在差異，因而齒輪泵在可靠性、效率性和試驗(yàn)測(cè)試周期等方面的研究都存在一定的困難。

許多學(xué)者都對(duì)齒輪泵進(jìn)行了相關(guān)的理論分析和試驗(yàn)研究，如陳英，馬軍建立了外嚙合齒輪泵的容積效率模型，并分析了齒輪泵內(nèi)泄漏的影響因素［2-3］。王國(guó)志利用CFD技術(shù)仿真了工作條件對(duì)深海下內(nèi)嚙合齒輪泵的效率的影響［4］?？追庇嗟葘?duì)齒輪泵的流量特性展開研究，分析了齒輪泵結(jié)構(gòu)對(duì)流量的影響［5-8］。徐平等通過對(duì)齒輪泵進(jìn)行優(yōu)化，減小了齒輪泵的振動(dòng)和噪聲和提高齒輪泵工作性能［9-11］。本文基于自動(dòng)化測(cè)控平臺(tái)，對(duì)齒輪泵進(jìn)行多種工況下的加載試驗(yàn)研究。繪制出齒輪泵的總效率與轉(zhuǎn)速、壓力和溫度之間的關(guān)系圖。

1 齒輪泵自動(dòng)測(cè)控平臺(tái)的組成以及控制原理

1.1 加載試驗(yàn)臺(tái)組成

加載試驗(yàn)臺(tái)主要由手動(dòng)操作面板，數(shù)據(jù)儀表顯示面板，試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)等3部分組成。其中，主要的控制位于控制面板上，主要包括運(yùn)行指示燈，急停，變頻開關(guān)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，加載壓力調(diào)節(jié)等按鈕。主要的測(cè)量數(shù)據(jù)位于數(shù)據(jù)儀表顯示面板，主要有溫度、流量、轉(zhuǎn)速、扭矩和壓力的顯示儀。

試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示，主要包括132 kW自帶變頻器的電機(jī)，比例溢流閥、電磁換向閥、加熱器、液壓油箱、傳感器以及管路等幾部分組成。

圖1 試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)

為了保證試驗(yàn)結(jié)果的精確性，在試驗(yàn)開始前對(duì)現(xiàn)有的手動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的液壓工作原理如圖2所示。右側(cè)為2套加載回路系統(tǒng)（企業(yè)為了保證生產(chǎn)進(jìn)度，通常備用一套系統(tǒng)）。

圖2 試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)

1.2 控制原理

自動(dòng)化試驗(yàn)平臺(tái)采用某公司生產(chǎn)的PLC200smart和北京某公司開發(fā)的KingView軟件相結(jié)合的方法來達(dá)到自動(dòng)控制和采集數(shù)據(jù)的目的。對(duì)試樣進(jìn)行加載試驗(yàn)時(shí)，上位機(jī)KingView發(fā)送信號(hào)命令至交換機(jī)，PLC從交換機(jī)處接收到指令后，將信號(hào)發(fā)送至被控機(jī)構(gòu)，當(dāng)被控機(jī)構(gòu)發(fā)生動(dòng)作后，再經(jīng)由交換機(jī)發(fā)送至PC端。當(dāng)需要數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)，PC端發(fā)出存儲(chǔ)信號(hào)標(biāo)志，PLC將傳感器的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)信號(hào)，然后PLC通過交換機(jī)傳遞給PC端。PC端數(shù)據(jù)存儲(chǔ)完成后，再清除存儲(chǔ)標(biāo)志信號(hào)，程序繼續(xù)往下運(yùn)行（加載試驗(yàn)臺(tái)的控制系統(tǒng)組成框圖如3所示）。

圖3 測(cè)試控制平臺(tái)原理

PLC的“模擬量輸入模塊”為4～20 mA、0～10 V等輸入形式。在試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，采用的是4～20 mA的模擬信號(hào)輸出，通過對(duì)不同加載情況下的模擬量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字量與模擬量的轉(zhuǎn)換，保證了信息傳輸?shù)木_性。由于齒輪泵在加載試驗(yàn)時(shí)，齒輪泵受到的軸向和徑向壓力的不平衡急劇上升，會(huì)產(chǎn)生較大的振動(dòng)與噪聲，為了防止齒輪泵試驗(yàn)時(shí)噪聲和振動(dòng)對(duì)模擬信號(hào)傳輸?shù)母蓴_，PLC與傳感器之間的通訊線都采用的是屏蔽線。

1.3 改進(jìn)試驗(yàn)臺(tái)控制功能

試驗(yàn)系統(tǒng)的主要功能主要包括加熱系統(tǒng)、加載測(cè)控系統(tǒng)和倒油泵系統(tǒng)。

加熱系統(tǒng)系統(tǒng)：加熱系統(tǒng)提高溫度的方法有2種：（1）通過加熱器實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓油溫度的升高；（2）通過齒輪泵的加載測(cè)控系統(tǒng)，增加液壓油的內(nèi)摩擦、液壓油和齒輪泵之間的黏性摩擦，提高液壓油溫度上升的速度。

加載測(cè)控系統(tǒng)：加載測(cè)控系統(tǒng)可以根據(jù)模擬信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)加載條件的精確控制，同時(shí)可以根據(jù)狀態(tài)標(biāo)志量實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器采集數(shù)據(jù)的臨時(shí)記錄或者存貯。

倒油泵系統(tǒng)：每次切換試驗(yàn)樣品時(shí)，管道中的一部分液壓油就會(huì)溢出到試驗(yàn)臺(tái)下的小油箱內(nèi)，通過倒油泵系統(tǒng)，將溢出的液壓油輸輸送至大油箱內(nèi)。

2 工況條件對(duì)齒輪泵總效率的影響

2.1 溫度對(duì)齒輪泵總效率的影響

溫度對(duì)齒輪泵總效率的影響主要取決于液壓油的物理性質(zhì)，即流體的黏度。當(dāng)溫度升高時(shí)，分子間吸引力減小，流體黏度下降，泄漏量上升，從而導(dǎo)致總效率下降。但是齒輪泵中齒頂與液壓油、齒輪端面與液壓油等方面的黏性摩擦損失的能量降低，會(huì)導(dǎo)致總效率上升。

液壓油黏度與溫度的關(guān)系式為［12］：

式中 u ——溫度為t 時(shí)的運(yùn)動(dòng)黏度；

u0——溫度為t0時(shí)的運(yùn)動(dòng)黏度；

b ——溫度黏度系數(shù)。

2.2 壓力對(duì)齒輪泵總效率的影響

壓力對(duì)齒輪泵總效率影響主要取決于液壓油的物理性質(zhì)，即流體的壓縮性和黏度。當(dāng)壓力增加時(shí)，分子間的間距減小，分子間吸引力上升，黏度增加，液體體積縮小，同時(shí)壓力的增加，會(huì)導(dǎo)引起齒輪泵間隙兩端的壓差增加，加劇齒輪泵的泄漏，導(dǎo)致齒輪泵總效率的降低。然而工作壓力的增加，齒輪泵輸入的機(jī)械能和輸出的液壓能同時(shí)增加，齒輪泵內(nèi)部的黏性摩擦損失的能量也隨著液壓油黏度的增加而增加。

液壓油黏度與壓力的關(guān)系式為：

式中 u ——壓力為P時(shí)的運(yùn)動(dòng)黏度；

u0——標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的壓力黏度；

a ——壓力黏度系數(shù)。

2.3 轉(zhuǎn)速對(duì)齒輪泵總效率的影響

齒輪泵在較低轉(zhuǎn)速工作時(shí)，會(huì)出現(xiàn)液壓油難以吸入或伴有吸空現(xiàn)象，齒輪泵可能無法實(shí)現(xiàn)正常工作，此時(shí)齒輪泵的工作效率很低。當(dāng)轉(zhuǎn)速增加時(shí)，齒輪泵進(jìn)出口的流量增加，齒輪泵間隙結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的泄漏量基本不變，因此總效率上升。然而轉(zhuǎn)速增加會(huì)使輪齒之間嚙合、軸與軸承等方面的摩擦加劇，從而導(dǎo)致總效率的降低。

3 試驗(yàn)方法

3.1 試驗(yàn)條件設(shè)置

根據(jù)JBT7041-2006液壓齒輪泵行業(yè)質(zhì)檢的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)外嚙合齒輪泵進(jìn)行效率試驗(yàn)，具體加載試驗(yàn)條件設(shè)置如下：

（1）轉(zhuǎn)速設(shè)置。由于齒輪泵依靠自吸能力進(jìn)行工作，但是轉(zhuǎn)速過低時(shí)，齒輪泵無法產(chǎn)生自吸能力，根據(jù)齒輪泵的低速性能要求可知，當(dāng)額定壓力為1.0～2.5 MPa時(shí)，齒輪泵轉(zhuǎn)速為800 r/min時(shí)，齒輪泵可以保持穩(wěn)定的輸出壓力，且容積效率不低于60%。齒輪泵的試驗(yàn)轉(zhuǎn)速初步定位800～2 000 r/min。

（2）壓力設(shè)置。試驗(yàn)時(shí)，齒輪泵的壓力設(shè)置分別為初始?jí)毫χ?、額定壓力值、超載壓力值和卸載后的額定壓力值。根據(jù)齒輪泵的壓力振擺要求，初始?jí)毫χ禐?.5 MPa，因此齒輪泵的試驗(yàn)壓力范圍為 2.5～22.5 MPa。

（3）溫度。根據(jù)設(shè)備及環(huán)境的限制原因，加載試驗(yàn)的溫度設(shè)置范圍為為20～50 ℃。

3.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)開始時(shí)，液壓油溫度默認(rèn)為室溫，通過調(diào)用加熱程序提高液壓油的溫度如圖4所示，同時(shí)啟動(dòng)齒輪泵，增加齒輪泵與液壓油之間的摩擦消耗，加速液壓油溫度的上升。當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，加熱程序自動(dòng)結(jié)束。

圖4 加熱界面控制界面

設(shè)置齒輪泵的轉(zhuǎn)速，電機(jī)啟動(dòng)后，當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速誤差小于1%時(shí)，齒輪泵進(jìn)入空載狀態(tài)下，空載時(shí)間為5 s?？蛰d時(shí)間結(jié)束時(shí)，上位機(jī)發(fā)出存儲(chǔ)信號(hào)，流量傳感器將刷新的流量數(shù)據(jù)傳遞給上位機(jī)中特定的內(nèi)存變量，當(dāng)內(nèi)存變量臨時(shí)存儲(chǔ)完成后，上位機(jī)清除存儲(chǔ)信號(hào)。溢流閥按照設(shè)置好的1 MPa/s的加載速度逐步將壓力提高至初始?jí)毫χ?，保?0 s后。溢流閥按照加載的壓力和沖擊次數(shù)達(dá)到額定壓力值，再次保壓10 s后，進(jìn)入超載壓力條件下，在超載壓力情況下保持5 s，卸載到20 MPa，保壓10 s后，上位機(jī)發(fā)出存儲(chǔ)信號(hào)，流量傳感器將刷新的流量數(shù)據(jù)傳遞給上位機(jī)中特定的內(nèi)存變量，當(dāng)內(nèi)存變量臨時(shí)存儲(chǔ)完成后，上位機(jī)清除存儲(chǔ)信號(hào)。齒輪泵進(jìn)入卸載程序。按照設(shè)定好的工作狀況，重復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)。

4 試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

根據(jù)JBT7041-2006液壓齒輪泵行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在上位機(jī)程序中添加齒輪泵的效率計(jì)算公式。齒輪泵的容積效率η1、機(jī)械效率η2、和總效率η計(jì)算方法如下：

式中 Qs——泵的實(shí)際流量，L/min；

Q0——泵空載時(shí)的流量，L/min；

P ——泵出口壓力，MPa；

n——電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；

Ts——電機(jī)負(fù)載時(shí)輸入扭矩，N·m；

T0——電機(jī)空載時(shí)的輸入扭矩。

4.1 轉(zhuǎn)速對(duì)總效率的影響

在壓力P=15 MPa，溫度T=40 ℃的工作條件下，設(shè)置不同的轉(zhuǎn)速，對(duì)外嚙合齒輪泵進(jìn)行加載試驗(yàn)，得到的部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 不同轉(zhuǎn)速下齒輪泵的效率

從圖5中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)壓力一定時(shí)，轉(zhuǎn)速?gòu)?00 r/min上升到2 000 r/min時(shí)，容積效率逐漸增加，機(jī)械效率逐漸降低，在一定范圍內(nèi)，總效率隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加，并且存在一個(gè)nt轉(zhuǎn)速使總效率到達(dá)最高，當(dāng)超過nt時(shí)，總效率隨轉(zhuǎn)速的增加而降低。

為了進(jìn)一步研究齒輪泵的總效率與工作條件的關(guān)系，分析工作壓力、溫度與轉(zhuǎn)速對(duì)齒輪泵總效率的共同影響，將齒輪泵工作壓力分別設(shè)置為2.5～22.5 MPa，溫度分別設(shè)置為 20～50 ℃，轉(zhuǎn)速設(shè)置為800～2 000 r/min進(jìn)行加載試驗(yàn)，得到一系列工作條件下齒輪泵的總效率數(shù)據(jù)，將工況參數(shù)和齒輪泵總效率的數(shù)據(jù)導(dǎo)入matlable中繪制出外嚙合齒輪泵效率與轉(zhuǎn)速和壓力、轉(zhuǎn)速和溫度的三維關(guān)系如圖6，7所示。

圖6 轉(zhuǎn)速和壓力與總效率的三維關(guān)系

圖7 轉(zhuǎn)速和溫度與總效率的三維關(guān)系

當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，壓力在2.5～22.5 MPa的范圍內(nèi)，總效率隨壓力的增加先上升后下降。同時(shí)總效率受壓力影響比較明顯，當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時(shí)，壓力從2.5 MPa增加到15 MPa時(shí)，總效率提高了將近40%。

從圖7中可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，溫度從20 ℃升高至50 ℃時(shí)，齒輪泵的總效率隨溫度的升高而下降。

4.2 溫度對(duì)總效率的影響

在壓力P=15 MPa，轉(zhuǎn)速n=1 500 r/min的工作條件下，通過加熱系統(tǒng)升高液壓油的溫度，對(duì)外嚙合齒輪泵進(jìn)行加載試驗(yàn)，得到的部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖8所示，同時(shí)將試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlable中，繪制出壓力和溫度與總效率的三維關(guān)系如圖9所示。

圖8 不同溫度下齒輪泵的效率

圖9 壓力和溫度與總效率的三維關(guān)系

從圖8可知，轉(zhuǎn)速和壓力一定時(shí)，隨著溫度的升高，齒輪泵的容積效率逐漸降低；齒輪泵的機(jī)械效率逐漸上升，但增幅不大；齒輪泵的總效率降低。從圖9可看出，當(dāng)溫度一定時(shí)，在2.5～22.5 MPa的范圍內(nèi)，齒輪泵的總效率隨著壓力的增加而增加，并且存在一個(gè)Pt壓力使總效率到達(dá)最高，當(dāng)壓力超過Pt時(shí)，總效率隨壓力的增加而降低。

5 結(jié)論

（1）當(dāng)工作壓力為2.5 MPa時(shí)，轉(zhuǎn)速?gòu)?00 r/min上升至2 000 r/min時(shí)，總效率僅提高11%，而當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時(shí)，壓力從2.5 MPa增加到15 MPa時(shí)，總效率提高了將近40%。說明工作壓力對(duì)齒輪泵的影響較大。

（2）隨著溫度的升高，齒輪泵的總效率下降，說明溫度對(duì)容積效率的影響大于對(duì)機(jī)械效率的影響。

（3）當(dāng)溫度升高時(shí)，齒輪泵總效率下降，在2.5～15 MPa時(shí)，隨著壓力的增加齒輪泵總效率上升，在一定程度上說明工作壓力對(duì)齒輪泵總效率的影響大于溫度的影響。