李一磊，陳國(guó)安，邵杏國(guó)

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇徐州221116;2.工程兵指揮學(xué)院，江蘇徐州221004)

乳化液泵是煤礦綜采工作面必不可少的設(shè)備之一，把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液壓能，并輸送給液壓支架、單體支柱等。高可靠性的乳化液泵可以確保礦工和生產(chǎn)安全，提高生產(chǎn)效率。乳化液泵一般采用往復(fù)式徑向柱塞泵，柱塞每往復(fù)運(yùn)動(dòng)一次，就完成一次吸液和排液的循環(huán)。乳化液泵一般由3或5個(gè)柱塞組成，以克服單柱塞造成的周期性壓力脈沖。

根據(jù)煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MT/T 188.2-2000，正在生產(chǎn)或新設(shè)計(jì)的乳化液泵在出廠時(shí)要進(jìn)行各方面的性能檢驗(yàn)，如空載運(yùn)轉(zhuǎn)、負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)、超載運(yùn)轉(zhuǎn)、耐久運(yùn)轉(zhuǎn)和沖擊試驗(yàn)等。目前，乳化液泵的檢測(cè)采用標(biāo)準(zhǔn)中的檢測(cè)方法，該方法以溢流閥溢流的形式來(lái)設(shè)定乳化液泵滿載的壓力，所耗功率均以熱能形式散失，甚至需要單獨(dú)的降溫設(shè)備。該方法存在裝機(jī)功率大、溫升大、能耗高、浪費(fèi)嚴(yán)重等不足之處。因此，為實(shí)現(xiàn)低碳環(huán)保的乳化液泵檢測(cè)試驗(yàn)，有必要設(shè)計(jì)一種既能滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)乳化液泵性能檢測(cè)的要求，又可以降低能耗、節(jié)約能源的檢測(cè)方法。

1 方案選擇

在液壓系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)研究方面，對(duì)所耗功率進(jìn)行回收再利用是熱門研究方向，許多學(xué)者也研發(fā)了多種形式的功率回收檢測(cè)系統(tǒng)[1－3]。目前，對(duì)于液壓泵檢測(cè)的功率回收方法按照能量回收的方式可以分為4類:電功率回收、機(jī)械補(bǔ)償功率回收、液壓功率補(bǔ)償回收和液壓缸功率回收。

1.1 電功率回收

電功率回收是把液壓馬達(dá)和發(fā)電機(jī)作為被試泵的負(fù)載，被試泵驅(qū)動(dòng)馬達(dá)和發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)把被試泵所耗功率轉(zhuǎn)化成電能，存儲(chǔ)在電池中或是回饋到電網(wǎng)中。該方法原理簡(jiǎn)單，但由于蓄電池充電的容量和效率較低，以及電能回饋到電網(wǎng)時(shí)，需要專門的設(shè)備以確保再生電能與電網(wǎng)具有相同的相位，技術(shù)復(fù)雜、成本高，這種形式的功率回收在現(xiàn)實(shí)中較少采用。

1.2 機(jī)械補(bǔ)償功率回收

機(jī)械補(bǔ)償功率回收可同時(shí)適用于大功率液壓泵或液壓馬達(dá)的檢測(cè)。通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)被試泵旋轉(zhuǎn)，泵輸出的高壓油驅(qū)動(dòng)馬達(dá);由于馬達(dá)的輸出軸與被試泵的輸入軸機(jī)械連接，馬達(dá)把液壓能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，并再次輸入到系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)被試泵旋轉(zhuǎn)。機(jī)械補(bǔ)償功率回收方法必須滿足兩個(gè)條件才能進(jìn)行功率回收:(1)馬達(dá)的排量要小于泵的排量;(2)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速要高于電機(jī)的轉(zhuǎn)速。由于電機(jī)軸、泵軸和馬達(dá)軸三者機(jī)械聯(lián)接，要求安裝精度高，且對(duì)于電機(jī)的速度控制要求較高。

1.3 液壓補(bǔ)償功率回收

液壓補(bǔ)償功率回收方法把被試馬達(dá)與加載泵同軸聯(lián)接，加載泵的出油口直接連到被試馬達(dá)的進(jìn)油口。加載泵作為被試馬達(dá)的負(fù)載，把馬達(dá)輸出的機(jī)械功率轉(zhuǎn)化為液壓能再輸入給被試馬達(dá)。該方法多適用于高速液壓馬達(dá)或低速大扭矩馬達(dá)的試驗(yàn)。

1.4 液壓缸功率回收

液壓缸功率回收是把兩個(gè)液壓缸活塞桿連接起來(lái)，一個(gè)液壓缸吸收被試泵輸出的功率，推動(dòng)另外一個(gè)液壓缸運(yùn)動(dòng)，液壓缸排出的高壓油再輸入到系統(tǒng)中，從而實(shí)現(xiàn)液壓能－機(jī)械能－液壓能的轉(zhuǎn)化。該方法同時(shí)適用于液壓泵或馬達(dá)的檢測(cè)，適用范圍廣。文中采用液壓缸功率回收方法設(shè)計(jì)了乳化液泵節(jié)能型檢測(cè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)[4－5]。

2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)原理

文中設(shè)計(jì)的乳化液泵節(jié)能型檢測(cè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要包括液壓系統(tǒng)和電控系統(tǒng)兩部分，液壓系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)不同形式功率之間的轉(zhuǎn)化與回收，電控部分主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)各元件運(yùn)行參數(shù)的采集與控制。

2.1 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)原理如圖1所示。電動(dòng)機(jī)1 通過(guò)轉(zhuǎn)速扭矩傳感器2 驅(qū)動(dòng)電比例變量泵3，比例變量泵3輸出的液壓油驅(qū)動(dòng)電比例變量馬達(dá)8 旋轉(zhuǎn)。馬達(dá)8 再通過(guò)轉(zhuǎn)速扭矩傳感器12 驅(qū)動(dòng)被試乳化液泵13 旋轉(zhuǎn)。被試乳化液泵13輸出的乳化液經(jīng)過(guò)三位四通換向閥16 進(jìn)入左側(cè)液壓缸21的左腔，推動(dòng)右側(cè)加載缸22的活塞向右運(yùn)動(dòng)，從而排出右側(cè)加載缸右腔的液壓油。被排出的高壓油經(jīng)過(guò)整流單向閥組20 后與來(lái)自電比例變量泵3的高壓油匯合，共同驅(qū)動(dòng)電比例變量馬達(dá)。當(dāng)左側(cè)液壓缸21 運(yùn)行到行程限位時(shí)觸發(fā)限位開關(guān)，限位開關(guān)控制三位四通滑閥16 換向，從而使液壓缸反向運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的循環(huán)。整個(gè)系統(tǒng)中，左半部分為乳化液系統(tǒng)，右半部分為液壓油系統(tǒng)，互不干擾、串油。

在此系統(tǒng)中，電比例變量馬達(dá)8 既作為被試乳化液泵13的動(dòng)力輸入源，又作為其負(fù)載，通過(guò)液壓缸21與加載缸22的配合使用，實(shí)現(xiàn)了液壓能－機(jī)械能－液壓能的能量轉(zhuǎn)化與回收。在檢測(cè)時(shí)，被試乳化液泵13輸出的功率被液壓缸回收再利用，主電機(jī)的輸出功率僅為系統(tǒng)各元件的損耗功率，系統(tǒng)功率回收系數(shù)高，裝機(jī)功率大大降低，節(jié)約能源。為了降低方向閥換向時(shí)造成的壓力沖擊，實(shí)驗(yàn)臺(tái)中使用兩套液壓缸同時(shí)運(yùn)行、錯(cuò)開換向的方法增加系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的平穩(wěn)性。

圖1 液壓系統(tǒng)原理

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，通過(guò)放大器調(diào)節(jié)電比例變量泵與電比例變量馬達(dá)的控制電流，從而改變泵和馬達(dá)的排量:

式中:Qp為變量泵的輸出流量，Vp為變量泵的排量，np為變量泵轉(zhuǎn)速，ηVp為變量泵的容積效率;Qm為變量馬達(dá)的輸入流量，Vm為變量馬達(dá)的排量，nm為變量馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，ηVm為變量馬達(dá)的容積效率。

由連續(xù)性方程可得:

式中:Qc為加載缸的輸出流量;ΔQ為系統(tǒng)沿程流量損失。

由式(1)— (3)可得:

由式(4)可知:在一定的電機(jī)轉(zhuǎn)速情況下，增大變量泵的排量，同時(shí)減小馬達(dá)的排量可以提高變量馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)速，即增大被試乳化液泵的轉(zhuǎn)速與流量。

當(dāng)變量泵的排量保持不變時(shí)，單獨(dú)減小比例馬達(dá)的排量，可以增加液壓油系統(tǒng)的壓力，即提高整流單向閥組出口壓力，從而增加被試乳化液泵的負(fù)載，提高被試乳化液泵的輸出壓力。通過(guò)變量泵與變量馬達(dá)的排量調(diào)節(jié)，可以使試乳化液泵的流量與壓力達(dá)到其額定值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)乳化液泵的檢測(cè)功能。通過(guò)變量泵與馬達(dá)不同的排量配比，可以擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)被試泵轉(zhuǎn)速的適應(yīng)范圍。

系統(tǒng)中在變量泵和被試乳化液泵的出油口處安裝有蓄能器17 和18，可以吸收泵的流量脈動(dòng)，減緩液壓缸在換向過(guò)程中造成的壓力沖擊。由于經(jīng)整流單向閥組回收的液壓油再次驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，液壓油循環(huán)在系統(tǒng)中運(yùn)行會(huì)造成液壓油的溫度升高，系統(tǒng)中在馬達(dá)的出油口處安裝有冷卻器11，降低液壓油的溫度，改善系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境。

2.2 電控系統(tǒng)

電控系統(tǒng)的原理如圖2所示，實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)中，在電動(dòng)機(jī)與變量泵之間、變量馬達(dá)與被試乳化液泵之間安裝有轉(zhuǎn)速扭矩傳感器，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)電動(dòng)機(jī)和變量馬達(dá)輸出的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩，同時(shí)也可以監(jiān)測(cè)被試乳化液泵的運(yùn)行轉(zhuǎn)速是否達(dá)到額定的檢測(cè)轉(zhuǎn)速。

圖2 電控系統(tǒng)原理圖

在變量泵的出油口、整流單向閥組的出油口和被試乳化液泵的出油口處均安裝有數(shù)字壓力傳感器，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)液壓系統(tǒng)中主要部件的壓力變化情況。在變量馬達(dá)回油口、整流閥塊的進(jìn)油口和被試乳化液泵的吸油口處安裝有渦輪流量傳感器，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)流經(jīng)馬達(dá)、被試乳化液泵以及加載缸的流量。

各傳感器參數(shù)由PLC 采集，再經(jīng)通訊電纜傳輸給工控機(jī)。在工控機(jī)中，編制了基于虛擬儀器技術(shù)的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)顯示各采集量的時(shí)間歷程曲線并保存，數(shù)據(jù)采集與控制程序的界面如圖3所示。該程序可對(duì)系統(tǒng)壓力、流量、轉(zhuǎn)速等參數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算，并得出變量泵和變量馬達(dá)排量的控制參數(shù)，再通過(guò)PLC輸出給變量泵和變量馬達(dá)。為了便于控制和研究，電控系統(tǒng)增加了人工調(diào)節(jié)開關(guān)，可手動(dòng)控制變量泵和馬達(dá)的排量。根據(jù)采集的參數(shù)，程序可自動(dòng)計(jì)算得到電動(dòng)機(jī)的輸出功率、變量馬達(dá)的輸入、輸出功率，被試乳化液泵的輸入、輸出功率以及加載缸的回收功率，從而獲得系統(tǒng)的功率回收系數(shù)。

圖3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)界面

3 參數(shù)選型與樣機(jī)實(shí)現(xiàn)

從方便實(shí)用的角度考慮，作者選取流量和壓力較小的BRW40/20A型乳化液泵作為被試泵，輸入轉(zhuǎn)速為1 470 r/min，公稱流量與壓力分別為40 L/min、20 MPa，額定功率13.3 kW。

變量泵和變量馬達(dá)選擇北京華德生產(chǎn)的A7V58EP1型電比例變量泵和A6V107EP2型電比例變量馬達(dá)，可根據(jù)輸入的控制電流信號(hào)線性調(diào)節(jié)排量，具體參數(shù)見表1。

表1 泵與馬達(dá)參數(shù)

當(dāng)變量泵排量最小、變量馬達(dá)排量最大時(shí)，馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速最小可以達(dá)到0;當(dāng)變量泵排量最大、變量馬達(dá)排量最小時(shí)，馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速最大可以達(dá)到泵轉(zhuǎn)速的1.88倍。變量泵與馬達(dá)的這種排量搭配大大增加了被試泵的調(diào)速范圍，擴(kuò)大了實(shí)驗(yàn)臺(tái)的適用范圍。

在正常運(yùn)行時(shí)，由于液壓缸把被試泵的功率進(jìn)行回收再利用，主電機(jī)的輸出功率僅為系統(tǒng)各部件的功率損耗，遠(yuǎn)小于被試泵的額定功率，因此主電機(jī)功率可低于被試泵的額定功率。同時(shí)出于安全裕量及系統(tǒng)后續(xù)各輔助功能完善的考慮，主電機(jī)選擇380 V、15 kW的三相異步電動(dòng)機(jī)，額定轉(zhuǎn)速為1 470 r/min。

電控系統(tǒng)中，PLC 選擇西門子S7-200系列的CPU224型，具有14 輸入/10輸出共24個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn)，滿足系統(tǒng)的輸入輸出要求。

圖4 實(shí)驗(yàn)臺(tái)樣機(jī)

實(shí)驗(yàn)臺(tái)泵、馬達(dá)、液壓缸與其他元件間用膠管連接，以隔離振動(dòng)。建成的實(shí)驗(yàn)臺(tái)樣機(jī)如圖4所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

(1)該實(shí)驗(yàn)臺(tái)以液壓缸作為泵檢測(cè)的功率回收元件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，功率回收系數(shù)高，可以有效地降低裝機(jī)功率，節(jié)約能源。

(2)實(shí)驗(yàn)臺(tái)以變量泵和變量馬達(dá)的排量來(lái)控制調(diào)節(jié)被試泵的運(yùn)行參數(shù)，方法簡(jiǎn)單，調(diào)速范圍大，適用范圍廣;兩套液壓缸錯(cuò)開換向及蓄能器可以有效保證系統(tǒng)運(yùn)行的平穩(wěn)性。

(3)實(shí)驗(yàn)臺(tái)電控系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)檢測(cè)、顯示系統(tǒng)主要元件的運(yùn)行參數(shù)，分析系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，自動(dòng)化程度高。

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