基于機(jī)械功率回收式液壓泵馬達(dá)試驗(yàn)臺(tái)的研制

王汝成，傅連東，彭海洋，林少龍

（1.武漢科技大學(xué)冶金裝備及其控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室機(jī)械傳動(dòng)與制造工程湖北 省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430081；2.廣東省韶關(guān)市質(zhì)量計(jì)量監(jiān)督檢測所，廣東韶關(guān) 512000）

1 引言

液壓泵和液壓馬達(dá)屬于液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中的核心動(dòng)力元件和執(zhí)行元件，隨著液壓系統(tǒng)在工程機(jī)械中應(yīng)用的更加廣泛，不少廠家對(duì)液壓泵和液壓馬達(dá)的性能也愈加重視，因而搭建一個(gè)高效率、低能耗的液壓試驗(yàn)系統(tǒng)是至關(guān)重要的。液壓泵和液壓馬達(dá)在性能測試的時(shí)候需要試驗(yàn)臺(tái)處于長期運(yùn)行狀態(tài)，而目前我國對(duì)液壓泵和液壓馬達(dá)的測試標(biāo)準(zhǔn)都是通過節(jié)流閥或者溢流閥加載[1]，液壓泵輸出的壓力能全部轉(zhuǎn)化為熱能損耗，不僅加重了液壓系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，還會(huì)使液壓元件壽命減少。

為了使液壓泵和液壓馬達(dá)試驗(yàn)成本降低，國內(nèi)外已有諸多學(xué)者對(duì)液壓泵馬達(dá)功率回收試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了深入研究，文獻(xiàn)[2]早在20世紀(jì)80年代就提出了一種液壓馬達(dá)和電機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)液壓泵的機(jī)械補(bǔ)償式功率回收系統(tǒng)，其中扭矩差由電機(jī)通過齒輪箱補(bǔ)充。文獻(xiàn)[3-4]提出的液壓功率回收試驗(yàn)系統(tǒng)，被試馬達(dá)與加載泵同軸相連，變量泵與被試馬達(dá)并聯(lián)，被試泵輸出壓力油給被試馬達(dá)，三者之間構(gòu)成一個(gè)互為負(fù)載的閉合回路。文獻(xiàn)[5]提出一種用電功率回收的方式，功率回收馬達(dá)帶動(dòng)加載電機(jī)，經(jīng)過加載變頻單元使機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能儲(chǔ)存在公共母線中，再由驅(qū)動(dòng)變頻單元將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能給加載泵，外部電網(wǎng)僅提供小部分電力給驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

根據(jù)國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T10829—2008《液壓馬達(dá)》和JB/T7043-2006《液壓軸向柱塞泵》對(duì)液壓泵、液壓馬達(dá)的試驗(yàn)包括出廠試驗(yàn)和型式試驗(yàn)。而目前國家標(biāo)準(zhǔn)中的液壓泵和液壓馬達(dá)的試驗(yàn)回路存在能量消耗大，試驗(yàn)成本高的特點(diǎn)。為了減少試驗(yàn)成本，試驗(yàn)臺(tái)對(duì)液壓泵、液壓馬達(dá)試驗(yàn)過程中采用機(jī)械功率回收方式將耗散的能量重新回收利用。

實(shí)現(xiàn)對(duì)開式柱塞泵、閉式柱塞泵和柱塞馬達(dá)試驗(yàn)的功率回收有兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：（1）實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)臺(tái)具有功率回收的效果；（2）實(shí)現(xiàn)在一個(gè)試驗(yàn)臺(tái)上同時(shí)滿足三種液壓元件的試驗(yàn)要求。

2 液壓試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

機(jī)械功率回收試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵思路是：液壓馬達(dá)將被測泵輸出的液壓能轉(zhuǎn)化成回轉(zhuǎn)的機(jī)械能，減小驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出功率，達(dá)到節(jié)能的目的。

2.1 機(jī)械功率回收式液壓系統(tǒng)原理

機(jī)械功率回收液壓泵馬達(dá)試驗(yàn)系統(tǒng)原理，如圖1所示。雙輸出軸電機(jī)1分別連接被測泵和功率回收馬達(dá)，被測泵2輸出的流量一部分通過溢流閥4溢流回到油箱，另一部分液壓油用來驅(qū)動(dòng)功率回收馬達(dá)3作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，功率回收馬達(dá)回收的機(jī)械能幫助電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。

圖1 機(jī)械功率回收液壓泵馬達(dá)試驗(yàn)臺(tái)原理簡圖Fig.1 Schematic Diagram of Mechanical Power Recovery Hydraulic Pump Motor Test Bench

由于雙向變量泵在試驗(yàn)過程中輸出流量大小和方向都發(fā)生變化，進(jìn)出油口方向會(huì)發(fā)生改變，故很難在一個(gè)閉合油路中實(shí)現(xiàn)功率回收。因此液壓試驗(yàn)臺(tái)設(shè)置電動(dòng)三通球閥將開式回路與閉式回路分開，形成一個(gè)半閉式的液壓系統(tǒng)，同時(shí)通過液壓橋路控制功率回收馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)方向，即可滿足對(duì)開式泵、閉式泵和液壓馬達(dá)三種不同柱塞元件的測試要求。機(jī)械補(bǔ)償功率回收式液壓泵馬達(dá)試驗(yàn)系統(tǒng)，如圖2所示。主電機(jī)功率為200kW,最高試驗(yàn)壓力為50MPa。

圖2 液壓系統(tǒng)原理圖Fig.2 Schematic Diagram of Hydraulic System

2.2 開式泵測試工作原理

非功率回收模式下，將功率回收馬達(dá)從聯(lián)軸器上脫離，電磁換向閥閥7保持在中位，功率回收馬達(dá)不轉(zhuǎn)動(dòng)。比例溢流閥8起溢流作用，加載后的油液通過熱交換器9冷卻后回到油箱。

功率回收模式下，通過電磁換向閥7和橋式回路6來控制能量馬達(dá)的正、反轉(zhuǎn)，與被測泵的旋轉(zhuǎn)方向相匹配。油液經(jīng)過橋式回路6到達(dá)功率回收馬達(dá)入口，比例溢流閥8起安全閥作用。

2.3 閉式泵測試工作原理

閉式泵測試實(shí)驗(yàn)時(shí)，將被試閉式泵安裝在被測泵3處，閉式泵的A、B口與PA、PB口連接。補(bǔ)油泵17在測試過程中補(bǔ)充陪試馬達(dá)和功率回收馬達(dá)的泄漏量。

非功率回收模式下，功率回收馬達(dá)從聯(lián)軸器上脫離，電磁換向閥7保持在中位，功率回收馬達(dá)14不轉(zhuǎn)動(dòng)，比例溢流閥8起溢流作用。加載后的油液通過冷卻器9冷卻之后回到加載馬達(dá)的入口。

功率回收模式下，被測閉式泵3的高壓油經(jīng)過流量計(jì)帶動(dòng)被測馬達(dá)13轉(zhuǎn)動(dòng)，被測馬達(dá)13與加載馬達(dá)12同軸連接。加載馬達(dá)12的油液經(jīng)過液壓橋路到達(dá)功率回收馬達(dá)的入口，電磁溢流閥7和液壓橋路6控制功率回收馬達(dá)與被測泵旋轉(zhuǎn)方向相匹配，比例溢流閥8起安全閥作用，功率回收馬達(dá)將扭矩傳遞給電機(jī)。

2.4 試驗(yàn)臺(tái)的特點(diǎn)

2.4.1 冷卻循環(huán)系統(tǒng)

高溫油通過板式冷卻器進(jìn)行冷卻，冷卻水塔放置在戶外，用于控制冷卻水的溫度。循環(huán)過濾是獨(dú)立的過濾系統(tǒng)。系統(tǒng)可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)回油冷卻、過濾和獨(dú)立循環(huán)冷卻、過濾。既有利用回油冷卻的熱交換溫差大的優(yōu)點(diǎn)，又利用了獨(dú)立冷卻啟停的隨時(shí)性。

2.4.2 比例溢流閥的設(shè)置

液壓泵馬達(dá)試驗(yàn)臺(tái)通過采用變量馬達(dá)與比例溢流閥組合實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的加載。調(diào)節(jié)功率回收馬達(dá)的排量與被測泵的排量相匹配，多余的油液通過比例溢流閥加載。通過給定壓力值與泵出口壓力對(duì)比，調(diào)節(jié)比例溢流閥的控制電流大小即可自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力。在非功率模式回收下可以用比例溢流閥加載。

3 試驗(yàn)臺(tái)流量匹配與回收效率分析

3.1 開式泵試驗(yàn)系統(tǒng)回收效率分析

功率回收效率等于液壓系統(tǒng)回收功率與液壓系統(tǒng)輸入功率之比，其值可用ζ來表示。由于在整個(gè)液壓系統(tǒng)中，僅當(dāng)溢流閥有溢流量時(shí)，系統(tǒng)壓力才可調(diào)。被試泵與功率回收馬達(dá)之間的功率差和扭矩由電機(jī)提供，即滿足以下關(guān)系:

式中：np—被測泵轉(zhuǎn)速；

PP—被測泵兩端壓差；

VP—被測泵排量；

ηv-P—被測泵容積效率；

ηm-P—被測泵機(jī)械效率；

nM—功率回收馬達(dá)轉(zhuǎn)速；

VM—功率回收馬達(dá)排量；

ηv-M—功率回收馬達(dá)容積效率；

ηm-M—功率回收馬達(dá)機(jī)械效率；

ηT—聯(lián)軸器傳動(dòng)效率。

設(shè)被測開式泵的ηv-P—0.97，ηm-P—0.87，功率回收馬達(dá)ηv-M—0.95，ηm-M—0.88，ηT—0.98，功率回收效率理論上最高可達(dá)70%。

3.2 閉式泵馬達(dá)試驗(yàn)系統(tǒng)回收效率分析

閉式液壓系統(tǒng)由兩個(gè)閉式回路組成，流量匹配滿足以下條件：

被試馬達(dá)和陪試馬達(dá)同軸連接，轉(zhuǎn)速相同，故nM1=nM2，代入公式得:

式中：PM3—功率回收馬達(dá)兩端壓差；ηv-P1—被測泵容積效率；ηm-P1—被測泵機(jī)械效率；ηv-M1—被試馬達(dá)容積效率；ηv-M3—功率回收馬達(dá)容積效率；ηm-M3—功率回收馬達(dá)機(jī)械效率；ηv-M2—加載馬達(dá)容積效率；ηT—聯(lián)軸器傳動(dòng)效率。

由以上公式可知，回收效率與被測閉式泵與功率回收馬達(dá)的參數(shù)匹配、加載馬達(dá)的參數(shù)以及系統(tǒng)泄漏量有關(guān)，與被測泵、加載馬達(dá)、功率回收馬達(dá)的效率和聯(lián)軸器的效率、電機(jī)的效率成正比；與系統(tǒng)的溢流量成反比。

由于被測泵和功率回收馬達(dá)同軸相連，故nP1=nM3，當(dāng)泄漏量QR1、QR2很小忽略不計(jì)時(shí)，補(bǔ)油泵流量忽略不計(jì)。為了保證調(diào)壓穩(wěn)定，當(dāng)被測馬達(dá)和加載馬達(dá)功率接近時(shí)，需使兩者排量相近。故VM1=VM2，PP1=PM3。代入上述公式得：

設(shè)被測泵的容積效率和機(jī)械效率分別為0.96、0.88,被測馬達(dá)、陪試馬達(dá)和被測馬達(dá)容積效率和機(jī)械效率都分別取0.95、0.88,功率回收馬達(dá)容積效率和機(jī)械效率分別取0.95、0.88，聯(lián)軸器傳動(dòng)效率取0.98。經(jīng)計(jì)算回收功率可達(dá)69%。

4 液壓試驗(yàn)臺(tái)測控原理

控制器采用CompactRIO高性能控制器，變頻器采用東元的F150-4300-H3變頻器，工控機(jī)采用研華工控機(jī)IPC-6606。數(shù)據(jù)采集處理及電氣控制系統(tǒng)由動(dòng)力電控柜、試驗(yàn)手動(dòng)操作控制臺(tái)、上位機(jī)臺(tái)、軟件及人機(jī)界面、數(shù)字顯示屏組成[6-7]。液壓泵馬達(dá)測控原理框圖，如圖3所示。

圖3 測控系統(tǒng)圖Fig.3 Measurement and Control System Diagram

4.1 PLC控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)采用西門子PLC S7-200 smart，控制電壓為DC24V，確保安全性。NI CompactRIO 控制器同PLC 一起放置在控制柜內(nèi)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能和動(dòng)態(tài)加載功能。所有采集到的信號(hào)都通過高速隔離變送器變化為（0～10）V信號(hào)傳至控制器的模擬量輸入模塊[8]。采用16位16通道DA模擬量輸出卡，通過采集控制軟件提供加載譜，實(shí)現(xiàn)正弦波，方波，梯形波，異形波等加載方式。

4.2 CAT系統(tǒng)

試驗(yàn)臺(tái)CAT系統(tǒng)采用NI公司的LabVIEW軟件開發(fā)，能完成壓力、流量、泄漏量、油溫、液位等參數(shù)的自動(dòng)采集和測試[9]，根據(jù)測試項(xiàng)目進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)備份，并由計(jì)算機(jī)自動(dòng)生成相應(yīng)的試驗(yàn)曲線及試驗(yàn)報(bào)告，并能其及時(shí)予以保存和打印輸出，試驗(yàn)數(shù)據(jù)以XLS等格式保存，還可以導(dǎo)入其他分析軟件，便于研發(fā)人員自主生成各類曲線。

測試項(xiàng)目由開式泵測試、閉式泵測試、液壓馬達(dá)測試三個(gè)部分組成。測試系統(tǒng)界面包含①數(shù)據(jù)顯示區(qū)、②報(bào)警顯示區(qū)、③曲線圖形顯示和其他項(xiàng)目測試操作區(qū)、④加載閥調(diào)節(jié)區(qū)、⑤主電機(jī)啟動(dòng)停止操作區(qū)、⑥采集啟停和報(bào)表生成區(qū)。主要數(shù)據(jù)顯示區(qū)包括轉(zhuǎn)速、扭矩、壓力、流量、功率和油溫等參數(shù)。開式泵測試界面，如圖4所示。LabVIEW 編寫的數(shù)據(jù)采集模塊程序框圖，如圖5所示。

圖4 開式泵測試界面圖Fig.4 Test Interface Diagram of Open Pump

圖5 信號(hào)采集模塊Fig.5 Signal Acquisition Module

5 功率回收效果分析

在最大驅(qū)動(dòng)功率為200kW試驗(yàn)臺(tái)上，對(duì)排量為190ml/r、轉(zhuǎn)速為1000r/min的開式泵進(jìn)行測試，其中，回收馬達(dá)排量為140ml/r，加載壓力按每50bar遞增到350bar，測得試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表1所示。

由表1可看出在電機(jī)轉(zhuǎn)速一定的情況下，電機(jī)功率和泵輸入功率隨著加載壓力的增長趨勢為線性增長，回收效率隨著加載壓力變化先增大后減小。

表1 開式泵試驗(yàn)臺(tái)功率回收試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Power Recovery Data of Open Pump Test Bench

為了更深入研究開式泵試驗(yàn)系統(tǒng)功率回收的特性，分別繪制液壓泵總效率和系統(tǒng)功率回收效率隨加載壓力的趨勢圖，系統(tǒng)功率回收效率與開式泵的總效率變化趨勢相同，如圖6所示。

圖6 開式泵功率回收系數(shù)曲線圖Fig.6 Power Recovery Coefficient Curve of Open Pump

隨著加載壓力的變化，液壓泵的總效率存在最大值[10]，故系統(tǒng)功率回收效率也存在最大值。

在最大驅(qū)動(dòng)功率為200kW試驗(yàn)臺(tái)上，對(duì)排量為90ml/r、轉(zhuǎn)速為1500r/min 的閉式泵進(jìn)行測試，加載壓力按每50bar 遞增到400bar，測得試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 閉式泵試驗(yàn)臺(tái)功率回收試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.2 Power Recovery Data of Closed Pump Test Bench

從表2中可看出在轉(zhuǎn)速一定情況下，電機(jī)功率和閉式泵輸入功率與加載壓力為線性增長，系統(tǒng)功率回收效率隨加載壓力變化先增大后減小。

閉式泵功率回收效率和總效率隨加載壓力變化曲線，如圖7所示。圖中表明，當(dāng)系統(tǒng)壓力較小時(shí)，系統(tǒng)回收效率較低，隨著加載壓力的不斷增大，系統(tǒng)功率回收效率逐漸增高。系統(tǒng)功率回收效率與閉式泵總效率的變化趨勢相同，且都存在最大值。

圖7 閉式泵功率回收系數(shù)曲線圖Fig.7 Power Recovery Coefficient Curve of Closed Pump

6 結(jié)論

（1）通過合理設(shè)置功率回收馬達(dá)排量，使加載馬達(dá)與回收馬達(dá)形成流量差以提升系統(tǒng)壓力和功率回收。選擇高效率液壓元件和高效工作區(qū)能有效提高回收效率。

（2）通過設(shè)置功率回收馬達(dá)能夠減少從比例溢流閥溢出的流量，不僅減少了能量損失同時(shí)也提高了比例溢流閥的使用壽命。

（3）對(duì)大功率液壓泵馬達(dá)測試系統(tǒng)而言，機(jī)械補(bǔ)償功率回收式液壓泵馬達(dá)試驗(yàn)系統(tǒng)與電功率回收試驗(yàn)系統(tǒng)相比，占地面積更小，試驗(yàn)成本更低。經(jīng)試驗(yàn)表明，該液壓系統(tǒng)處于功率回收模式時(shí)，實(shí)際回收效率可達(dá)46%，功率回收效果顯著。該系統(tǒng)對(duì)技術(shù)人員設(shè)計(jì)和研究液壓系統(tǒng)節(jié)能方面具有重要的參考價(jià)值。