郭劉洋，劉俊，唐守生，郭楊瀏

(1.中國(guó)北方車輛研究所車輛傳動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100072; 2.勝利石油管理局鉆井工程技術(shù)公司，山東東營(yíng)257064)

閉式泵馬達(dá)結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)功率大，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，廣泛用于工程機(jī)械中。鑒于這些優(yōu)勢(shì)，自研某聯(lián)體泵馬達(dá)用于車輛轉(zhuǎn)向。由于聯(lián)體閉式泵馬達(dá)受車輛特殊環(huán)境對(duì)其空間尺寸的限制，采用變量泵定量馬達(dá)閉式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)更加緊湊，功率密度更高，能夠?qū)崿F(xiàn)液壓能向機(jī)械能的無(wú)級(jí)轉(zhuǎn)換。以往通過(guò)傳統(tǒng)的試驗(yàn)方法對(duì)泵馬達(dá)進(jìn)行性能測(cè)試，如圖1所示，能量損失較大，對(duì)試驗(yàn)臺(tái)要求也較高。

圖1 傳統(tǒng)泵馬達(dá)試驗(yàn)臺(tái)架布置圖

采用功率回收方法對(duì)泵馬達(dá)進(jìn)行性能測(cè)試，能量損失小，試驗(yàn)成本低，既能節(jié)能，試驗(yàn)臺(tái)架又容易搭建，節(jié)約時(shí)間和資金。鑒于以上原因，針對(duì)某聯(lián)體泵馬達(dá)開展功率回收試驗(yàn)方法研究。

1 聯(lián)體泵馬達(dá)功率回收試驗(yàn)原理

如圖2所示為通用的液壓泵與液壓馬達(dá)的功率回收試驗(yàn)原理，可在泵與馬達(dá)之間直接循環(huán)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)功率的循環(huán)利用。

圖2 泵馬達(dá)機(jī)械補(bǔ)償方法示意圖［1］

而聯(lián)體泵馬達(dá)為閉式泵，因其結(jié)構(gòu)的差別，無(wú)法實(shí)現(xiàn)在泵與馬達(dá)之間直接裝備驅(qū)動(dòng)電機(jī)，因此聯(lián)體泵馬達(dá)功率回收試驗(yàn)中電機(jī)在泵與馬達(dá)外側(cè)驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)一個(gè)齒輪箱與驅(qū)動(dòng)電機(jī)、聯(lián)體泵馬達(dá)共同實(shí)現(xiàn)功率的循環(huán)，其原理如圖3所示，因3個(gè)齒輪的傳遞作用，致使泵馬達(dá)的功率傳遞路線成為一個(gè)閉式系統(tǒng)。其功率回收的路線是:中間齒輪與輸入電機(jī)相連接，再由泵軸齒輪驅(qū)動(dòng)泵，泵傳遞的功率分為兩路:一路直接傳遞到馬達(dá)，其中應(yīng)考慮泵馬達(dá)效率造成的功率損失，另一路則通過(guò)加載閥發(fā)熱消耗;而后馬達(dá)再通過(guò)二級(jí)齒輪將大部分功率循環(huán)回泵一側(cè)。即輸入電機(jī)所傳遞的功率僅僅用來(lái)補(bǔ)充加載閥的功率消耗及泵馬達(dá)各種損失造成的功率消耗;而泵馬達(dá)的大部分功率則通過(guò)功率循環(huán)得到了回收再利用。

圖3 聯(lián)體泵馬達(dá)功率回收試驗(yàn)原理圖

2 試驗(yàn)方法

2.1 流量匹配

根據(jù)流量連續(xù)性原理，參考文獻(xiàn) ［1］，可以得到功率回收試驗(yàn)中:

其中:泵的輸出流量為Qp=invpηvp，馬達(dá)輸入流量則為Qmi=nvm/ηvm，則:

泵輸出流量為馬達(dá)流量與溢流流量之和，如圖3所示，功率回收試驗(yàn)中聯(lián)體泵馬達(dá)的泵排量在正常工作時(shí)大于等于Vm/(iηvpηvm)。因此，根據(jù)以上理論分析在實(shí)際試驗(yàn)中將試驗(yàn)工況分為反拖工況和正常工況。

2.2 反拖工況

功率回收試驗(yàn)中泵與馬達(dá)之間存在固定傳動(dòng)比，實(shí)際限定為1.54，而聯(lián)體泵馬達(dá)中泵與馬達(dá)的最大理論排量相同，假設(shè)理想狀態(tài)下不考慮容積效率影響 (即假設(shè)容積效率均為1)，則變量泵的排量至少應(yīng)大于等于最大理論排量的65%。因此當(dāng)泵排量小于最大理論排量的65%時(shí)，泵與馬達(dá)出現(xiàn)倒拖狀態(tài)。此時(shí)泵轉(zhuǎn)換為馬達(dá)，而馬達(dá)則成為泵。變量泵無(wú)法通過(guò)液壓能驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，而是馬達(dá)拖著變量泵運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)無(wú)多余流量進(jìn)入加載閥，因此加載閥不工作。

2.3 正轉(zhuǎn)工況

當(dāng)泵排量等于最大理論排量的65%時(shí)，此時(shí)泵的流量與馬達(dá)流量相等，可看作無(wú)消耗，相當(dāng)于泵與馬達(dá)處于自由旋轉(zhuǎn)的平衡狀態(tài)，此時(shí)不能產(chǎn)生高壓，因此高壓與補(bǔ)油壓力相等。一旦泵排量大于最大理論排量的65%，此時(shí)泵輸出流量大于馬達(dá)輸入流量，一部分流量通過(guò)加載閥溢流回油箱。而對(duì)于功率循環(huán)，因加載閥位于泵后端，會(huì)消耗能量，同時(shí)產(chǎn)生高壓 (憋高壓)，所以一部分功率傳遞給馬達(dá)，繼而循環(huán)回泵，另一部分功率則通過(guò)加載閥消耗轉(zhuǎn)化為熱量。實(shí)際試驗(yàn)中主要在此工況下對(duì)聯(lián)體泵馬達(dá)進(jìn)行了性能檢驗(yàn)。試驗(yàn)中忽略泵馬達(dá)的機(jī)械損失，通過(guò)計(jì)算補(bǔ)油消耗量分析了泵馬達(dá)的容積效率。

聯(lián)體泵馬達(dá)功率回收試驗(yàn)臺(tái)架布置圖見圖4。

圖4 聯(lián)體泵馬達(dá)功率回收試驗(yàn)臺(tái)架布置圖

3 容積效率

3.1 原理分析

聯(lián)體泵馬達(dá)是閉式泵，低壓油路循環(huán)作用是通過(guò)沖洗閥為殼體內(nèi)所有零件散熱，而補(bǔ)油的作用則是補(bǔ)充消耗的沖洗油，而高壓油路一旦泄入低壓腔，也最終進(jìn)入泵馬達(dá)殼體。因此難以獲得精確的補(bǔ)油流量、回油流量，且難以簡(jiǎn)單估算補(bǔ)油消耗，繼而得到泵與馬達(dá)的效率。因此試驗(yàn)中為了能夠計(jì)算補(bǔ)油流量及其消耗量，必須將閉式泵轉(zhuǎn)化為開式泵，將泵馬達(dá)低壓側(cè)回油引回試驗(yàn)裝置液壓泵站，通過(guò)流量計(jì)測(cè)量回油流量。聯(lián)體泵馬達(dá)功率回收液壓原理圖見圖5。

圖5 聯(lián)體泵馬達(dá)功率回收液壓原理圖

考慮到結(jié)構(gòu)的一致性，假設(shè)泵與馬達(dá)容積效率相等，單元件容積效率:

式中:ηvp為單元件容積效率，ηvm及ηpm分別為馬達(dá)與泵的容積效率。

由于柱塞及缸體結(jié)構(gòu)相同，因此泵與馬達(dá)排量相等，則排量:

其中:Vp為泵排量，Vm為馬達(dá)排量，單位均為cm3/r。

總?cè)莘e效率為泵與馬達(dá)效率的乘積:

功率回收試驗(yàn)中由于齒輪的傳遞作用，有固定的傳動(dòng)比:

其中:k為傳動(dòng)比;nm為馬達(dá)轉(zhuǎn)速，單位為r/min; np為泵轉(zhuǎn)速，單位為r/min。

根據(jù)流量平衡，系統(tǒng)總流量為泵的泄漏量、馬達(dá)泄漏量以及回油流量的和，應(yīng)等于總補(bǔ)油量，則近似有:

其中:Qr為回油流量，Qb為補(bǔ)油流量，將傳動(dòng)比代入上述公式，則有:

式中:Qbc為補(bǔ)油消耗量，最后可以得到單元件的效率，如泵的容積效率:

從而進(jìn)一步得出泵馬達(dá)的真正的容積效率ηv:

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

實(shí)際試驗(yàn)中，在正轉(zhuǎn)工況下間接獲得了泵馬達(dá)的補(bǔ)油消耗量 (如圖5直接測(cè)量得到補(bǔ)油流量和回油流量，二者差值為補(bǔ)油消耗量)，圖6是泵馬達(dá)最大排量狀態(tài)的補(bǔ)油消耗量。而后根據(jù)上述公式對(duì)容積效率進(jìn)行了計(jì)算，如圖6所示不同的壓力下，即相當(dāng)于不同的負(fù)載下，其容積效率有所變化。當(dāng)負(fù)荷達(dá)到30 MPa時(shí)，補(bǔ)油消耗量最大，說(shuō)明泄漏量最大，而此時(shí)容積效率相應(yīng)最低，為91.4%。

圖6 補(bǔ)油消耗量及容積效率對(duì)比圖

傳統(tǒng)的試驗(yàn)方法通過(guò)轉(zhuǎn)速比即可獲得總效率，其總效率包括機(jī)械效率和容積效率，而在功率回收試驗(yàn)中難以獲得總效率，但是由于容積效率足以反映液壓元件的基本性能，因此在此僅對(duì)容積效率進(jìn)行計(jì)算。

通過(guò)曲線對(duì)比可以得到如下規(guī)律:即負(fù)載越大容積效率越低，即泵馬達(dá)的功率損失越大，相應(yīng)的補(bǔ)油消耗量就越大;相同負(fù)載下，轉(zhuǎn)速越高補(bǔ)油消耗量越大，容積效率越低。試驗(yàn)曲線反映了聯(lián)體泵馬達(dá)的真實(shí)狀態(tài)，對(duì)試驗(yàn)方法進(jìn)行了驗(yàn)證。

4 結(jié)論

(1)分析液壓泵功率回收試驗(yàn)原理，根據(jù)聯(lián)體泵馬達(dá)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，搭建了聯(lián)體變量閉式泵馬達(dá)功率循環(huán)試驗(yàn)臺(tái)架。

(2)根據(jù)功率回收試驗(yàn)液壓原理，推導(dǎo)出容積效率計(jì)算公式。

(3)通過(guò)功率回收試驗(yàn)得到了不同負(fù)載下聯(lián)體泵馬達(dá)的容積效率，進(jìn)一步驗(yàn)證了功率回收試驗(yàn)的有效性。

【1】蔡廷文.液壓泵和液壓馬達(dá)功率回收試驗(yàn)方法的研究［J］.液壓與氣動(dòng)，2003(7):49-52.

【2】付永領(lǐng)，汪明霞.液壓泵加速壽命試驗(yàn)臺(tái)中的節(jié)能設(shè)計(jì)［J］.機(jī)床與液壓，2010，38(4):40-41.