王 海，李德勝

(江蘇省機(jī)械研究設(shè)計(jì)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(wú)級(jí)可調(diào)等特性，在眾多領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用，因此對(duì)液壓馬達(dá)的性能試驗(yàn)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(yàn)項(xiàng)目、試驗(yàn)方法、考核指標(biāo)等，其中耐久性試驗(yàn)耗時(shí)最長(zhǎng)，電能消耗最大，費(fèi)用最高。若選擇帶有功率回收系統(tǒng)的試驗(yàn)臺(tái)，能夠減少電能消耗，降低費(fèi)用，為此筆者向試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)人員介紹一種功率回收系統(tǒng)的分析計(jì)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(jì)了一種適用于多種規(guī)格系列馬達(dá)的性能試驗(yàn)臺(tái)［2-3］(系統(tǒng)原理如圖1所示)。此試驗(yàn)臺(tái)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(lái)調(diào)節(jié)被試馬達(dá)輸入壓力，溢流閥5用來(lái)調(diào)節(jié)被試馬達(dá)背壓，換向閥6用來(lái)對(duì)馬達(dá)轉(zhuǎn)向進(jìn)行切換;整流油路11用來(lái)保證加載泵的油液輸入、輸出始終按照一定的流向，不會(huì)隨加載泵的轉(zhuǎn)向改變;加載泵10通過(guò)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(guò)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(shí)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(lái)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(yùn)行在平衡狀態(tài)，即被試馬達(dá)運(yùn)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(shí)際工程應(yīng)用中，試驗(yàn)臺(tái)是為多種規(guī)格系列被試馬達(dá)設(shè)計(jì)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(jì)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(duì)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(fèi)用等進(jìn)行分析計(jì)算，具體過(guò)程如下。

a．根據(jù)被試馬達(dá)的公稱排量、額定轉(zhuǎn)速，計(jì)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(jì)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(jì)算結(jié)果，可選擇國(guó)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(zhǎng)，壓力等級(jí)高。

c．計(jì)算變速箱理論傳動(dòng)比i'，即

由公式(2)計(jì)算可得：i'≈5．6。

d．確定合適的變速箱傳動(dòng)比i。

變速箱傳動(dòng)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(jì)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(jì)算可得：M2=69．3N·m。

f．計(jì)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(jì)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(jì)算可得：P2=8．8MPa。

h．計(jì)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(jì)算可得：ΔT=7．1kW。

i．計(jì)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(jì)算可得：η≈49．6%。

j．根據(jù)上述參數(shù)的計(jì)算結(jié)果，計(jì)算試驗(yàn)過(guò)程中節(jié)約的電能費(fèi)用，即

式中：C1為未使用帶功率回收的試驗(yàn)系統(tǒng)時(shí)所需電能費(fèi)用，C1=T2tpe，t為以耐久性試驗(yàn)中耗時(shí)最長(zhǎng)的“滿載試驗(yàn)”為例，可取1 000h，pe為用電單價(jià)，可取1．1元/kWh。

由公式(8)計(jì)算可得：Cs≈0．8萬(wàn)元。

對(duì)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(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 參數(shù)計(jì)算值

3 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)液壓馬達(dá)試驗(yàn)臺(tái)中功率回收系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行了分析，對(duì)其中元件、設(shè)備選型涉及的計(jì)算方法進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，這為技術(shù)人員在設(shè)計(jì)帶功率回收系統(tǒng)的液壓馬達(dá)試驗(yàn)臺(tái)時(shí)提供了一定的參考。

［1］ 中華人民共和國(guó)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)．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(dòng)［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996．

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