， ， ， ，

(1. 燕山大學(xué) 河北省重型機(jī)械流體動(dòng)力傳輸與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河北 秦皇島 066004；2. 燕山大學(xué) 先進(jìn)鍛壓成形技術(shù)與科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河北 秦皇島 066004)

引言

液壓系統(tǒng)處于控制和動(dòng)力傳輸?shù)暮诵牡匚?，廣泛應(yīng)用于冶金工業(yè)、工程機(jī)械、航空航天、船舶等諸多重要領(lǐng)域，因此，液壓元件與系統(tǒng)的可靠性成為保障產(chǎn)品品質(zhì)的核心因素?？煽啃栽囼?yàn)作為可靠性研究中重要的一環(huán)，其目的是為了發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品在設(shè)計(jì)、材料和工藝方面的各種缺陷，確定其失效模式和失效機(jī)理，針對(duì)薄弱環(huán)節(jié)提出改進(jìn)性措施，從而進(jìn)一步提高產(chǎn)品的可靠性水平[1、2]。本研究以節(jié)能為目標(biāo)，采用功率回收方式搭建多機(jī)并行可靠性試驗(yàn)臺(tái)對(duì)軸向柱塞泵進(jìn)行試驗(yàn)，并對(duì)節(jié)能效果進(jìn)行分析研究。

1 液壓補(bǔ)償功率回收

1.1 串聯(lián)液壓泵補(bǔ)償功率回收方案

串聯(lián)液壓泵補(bǔ)償功率回收系統(tǒng)原理簡(jiǎn)圖如圖1所示。加載液壓泵3(或?yàn)楸辉囈簤罕?與被試液壓馬達(dá)4(或?yàn)榧虞d液壓馬達(dá))通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)連接起來(lái)，轉(zhuǎn)速相同。通過(guò)調(diào)節(jié)補(bǔ)油泵2的輸出流量或節(jié)流閥5開(kāi)度大小，可以完成系統(tǒng)壓力以及加載液壓泵3和被試液壓馬達(dá)4轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。在節(jié)流閥口開(kāi)度一定的情況下，改變補(bǔ)油液壓泵的排量可以改變補(bǔ)入加載泵3的流量，從而可以改變加載泵3和被試馬達(dá)4的轉(zhuǎn)速以及系統(tǒng)壓力。

1.電動(dòng)機(jī) 2.低壓補(bǔ)油泵 3.加載液壓泵4.被試液壓馬達(dá) 5.節(jié)流閥圖1 串聯(lián)液壓泵補(bǔ)償功率回收系統(tǒng)原理簡(jiǎn)圖

例如，在電動(dòng)機(jī)輸入轉(zhuǎn)速、加載泵3排量和被試馬達(dá)4排量一定的情況下，增大補(bǔ)油泵2的排量，可以提高加載泵3和被試馬達(dá)4的轉(zhuǎn)速，同時(shí)由于經(jīng)過(guò)節(jié)流閥的流量增大，節(jié)流閥前后壓差必然增大，也就使系統(tǒng)壓力升高。同樣，在補(bǔ)油泵2排量和轉(zhuǎn)速不變的情況下，改變節(jié)流閥5閥口大小同樣可以在一定程度上改變系統(tǒng)壓力、加載泵3和被試馬達(dá)4的轉(zhuǎn)速?？紤]液壓泵與馬達(dá)的泄漏，為了保證被試液壓馬達(dá)4的轉(zhuǎn)速，加載液壓泵3的排量需要適當(dāng)大于被試液壓馬達(dá)4(1.3倍以上)。

這種功率回收系統(tǒng)所用元件較少，操作方便，針對(duì)不同液壓泵(馬達(dá))不同的機(jī)械與容積效率，功率回收率略有起伏，但整體功率回收率較高。在系統(tǒng)建立起合適壓力的情況下通過(guò)節(jié)流閥5的流量越小則額外的能量損耗越少，此類系統(tǒng)調(diào)節(jié)過(guò)程中，為了保證經(jīng)過(guò)節(jié)流閥的流量最小，減少能量損失，需要對(duì)加載液壓泵與被試液壓馬達(dá)進(jìn)行排量的匹配[3]。

1.2 并聯(lián)液壓泵補(bǔ)償功率回收方案

并聯(lián)液壓泵補(bǔ)償功率回收系統(tǒng)原理簡(jiǎn)圖如圖2所示。電動(dòng)機(jī)1驅(qū)動(dòng)主泵2輸出壓力油帶動(dòng)被試馬達(dá)3旋轉(zhuǎn)，被試馬達(dá)3通過(guò)輸出軸拖動(dòng)加載泵4運(yùn)行，加載泵4輸出的壓力油與主泵2輸出的壓力油合流共同驅(qū)動(dòng)被試馬達(dá)3運(yùn)轉(zhuǎn)。通過(guò)調(diào)節(jié)節(jié)流閥5閥口開(kāi)度大小可以對(duì)系統(tǒng)壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，系統(tǒng)壓力的大小也就反應(yīng)了加載泵4軸端輸入扭矩大小，從而調(diào)節(jié)了被試馬達(dá)3的負(fù)載。

1.電動(dòng)機(jī) 2.主泵 3.被試液壓馬達(dá) 4.加載液壓泵 5.節(jié)流閥圖2 并聯(lián)液壓泵補(bǔ)償功率回收系統(tǒng)原理簡(jiǎn)圖

該方案中，被試馬達(dá)3和加載泵4轉(zhuǎn)速的改變是通過(guò)調(diào)節(jié)二者排量實(shí)現(xiàn)的，為了使被試馬達(dá)3拖動(dòng)加載泵4運(yùn)轉(zhuǎn)，要做好二者排量的匹配。主泵2輸入系統(tǒng)的壓力油，是為了補(bǔ)償系統(tǒng)因液壓泵(馬達(dá))容積損失和機(jī)械損失，以及管路的沿程損失和節(jié)流閥的局部能量損失。并聯(lián)液壓泵補(bǔ)償功率回收方案與串聯(lián)液壓泵補(bǔ)償功率回收方案中功率回收率大小差不多。

2 機(jī)械補(bǔ)償功率回收與功率電回收

2.1 機(jī)械補(bǔ)償功率回收

機(jī)械補(bǔ)償功率回收系統(tǒng)原理簡(jiǎn)圖如圖3所示。

1.電動(dòng)機(jī) 2.被試液壓泵 3.功率回收馬達(dá) 4.溢流閥圖3 機(jī)械補(bǔ)償功率回收系統(tǒng)原理簡(jiǎn)圖

機(jī)械補(bǔ)償功率回收是大型液壓泵、馬達(dá)試驗(yàn)臺(tái)常用的功率回收方案，系統(tǒng)主要由雙軸伸電動(dòng)機(jī)、被試液壓泵、功率回收馬達(dá)(被試液壓馬達(dá))、加載裝置、機(jī)械傳動(dòng)裝置及其他液壓輔件組成。系統(tǒng)中因液壓泵(馬達(dá))容積損失與機(jī)械損失、傳動(dòng)裝置的機(jī)械損失、油液經(jīng)過(guò)管路的沿程損失及經(jīng)過(guò)閥口的局部損失，由電動(dòng)機(jī)進(jìn)行補(bǔ)償[4]。

從圖3中可以看到，雙軸伸電動(dòng)機(jī)1的一個(gè)軸伸拖動(dòng)被試泵2旋轉(zhuǎn)，被試泵2打出來(lái)的壓力油驅(qū)動(dòng)功率回收馬達(dá)3運(yùn)行，功率回收馬達(dá)3再通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)裝置與雙軸伸電機(jī)1的另一軸伸進(jìn)行連接，幫助電動(dòng)機(jī)1一起帶動(dòng)被試泵2運(yùn)轉(zhuǎn)。功率回收馬達(dá)3通過(guò)聯(lián)軸器直接與電動(dòng)機(jī)1相連接，二者也可以通過(guò)減速箱或者皮帶連接，從而達(dá)到不同傳動(dòng)比的要求。溢流閥4與功率回收馬達(dá)3配合調(diào)節(jié)，完成功率回收馬達(dá)3轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)最高壓力的設(shè)定。系統(tǒng)的能量流動(dòng)如圖2中箭頭所示，能量在電動(dòng)機(jī)1、被試泵2、功率回收馬達(dá)3之間往復(fù)循環(huán)實(shí)現(xiàn)功率回收的目的。

2.2 功率電回收

功率電回收是將壓力能轉(zhuǎn)化為電能進(jìn)行功率回收的一種方式，其系統(tǒng)原理簡(jiǎn)圖如圖4所示。圖中被試泵2帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)1運(yùn)轉(zhuǎn)，被試泵2輸出壓力油驅(qū)動(dòng)馬達(dá)4，馬達(dá)4帶動(dòng)發(fā)電機(jī)5旋轉(zhuǎn)，發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的電磁阻力矩給功率回收馬達(dá)提供負(fù)載，從而使系統(tǒng)建立起壓力從而實(shí)現(xiàn)壓力能與電能的轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)的最高壓力由溢流閥3設(shè)定。

1.電動(dòng)機(jī) 2.被試液壓泵 3.溢流閥 4.功率回收馬達(dá) 5.發(fā)電機(jī)圖4 功率電回收系統(tǒng)原理簡(jiǎn)圖

此功率回收方式中被試液壓泵和功率回收馬達(dá)之間排量關(guān)系無(wú)嚴(yán)格限制，試驗(yàn)范圍較寬，低速加載性能好。但是馬達(dá)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能回饋電網(wǎng)時(shí)存在困難，因?yàn)殡娔芑仞仌r(shí)需要一套裝置來(lái)保證再生電和電網(wǎng)具有同相位，實(shí)現(xiàn)起來(lái)技術(shù)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，而且效果不理想。因此，實(shí)際運(yùn)用中往往利用電阻或電渦流將這部分能量耗散掉，這樣做雖然減少了油液的發(fā)熱，但能量并未回收，故應(yīng)用較少。

3 并行式軸向柱塞泵可靠性試驗(yàn)臺(tái)分析

針對(duì)高可靠性長(zhǎng)壽命的液壓元件，采用常規(guī)可靠性試驗(yàn)裝置存在單次試驗(yàn)對(duì)象少、能量消耗嚴(yán)重、投入成本高等缺點(diǎn)，嚴(yán)重阻礙了可靠性試驗(yàn)的發(fā)展。采用多機(jī)并行可靠性節(jié)能試驗(yàn)裝置，能夠增加單次試驗(yàn)對(duì)象，提高試驗(yàn)效率，最大程度的減少能量浪費(fèi)。

3.1 被試泵介紹

該試驗(yàn)臺(tái)節(jié)能研究的對(duì)象為某公司生產(chǎn)的分別用于開(kāi)式回路的A4VSO系列和閉式回路的A4VSG系列軸向柱塞泵，如圖5所示。

A4VSO與A4VSG系列液壓泵，為斜盤式軸向柱塞變量泵，采用球面配流，從而使缸體與配流盤有良好的自位性；缸體柱塞孔呈錐形分布，使柱塞在旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生有利于自吸的徑向離心力，使配流盤的配流窗口節(jié)圓直徑減小，降低吸油流速，增強(qiáng)吸油能力；采用空心柱塞利于減輕重量降低噪音；同時(shí)，具有變量方式多等特點(diǎn)。因此，A4VSO與A4VSG系列液壓泵額定工作壓力達(dá)35 MPa，容積效率高，運(yùn)行噪音低，使用壽命長(zhǎng)，可靠性高。

圖5 試驗(yàn)用軸向柱塞泵

3.2 試驗(yàn)原理分析

通過(guò)液壓泵試驗(yàn)臺(tái)節(jié)能方式的分析可知，液壓補(bǔ)償和機(jī)械補(bǔ)償功率回收方案均能起到很好的節(jié)能效果，而對(duì)于本次軸向柱塞泵可靠性試驗(yàn)，機(jī)械補(bǔ)償功率回收方案更加有利于充分利用已有試驗(yàn)設(shè)備與基礎(chǔ)，可以實(shí)現(xiàn)靈活增加被試泵數(shù)量的目的，并且實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，功率回收效果好，因此確定在采用機(jī)械補(bǔ)償功率回收的基礎(chǔ)上搭建并行式軸向柱塞泵可靠性試驗(yàn)臺(tái)[5]。

該試驗(yàn)平臺(tái)通過(guò)1臺(tái)功率為132 kW的雙軸伸電機(jī)同時(shí)建立4個(gè)被試液壓泵樣本，采取的功率回收技術(shù)，將回收的功率用于拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，一方面可以減少電動(dòng)機(jī)的功率輸入，另一方面減少了加載系統(tǒng)的節(jié)流能量損失，減少了系統(tǒng)發(fā)熱量。試驗(yàn)過(guò)程中，4臺(tái)被試泵均為液壓軸向柱塞泵，由于液壓軸向柱塞泵與液壓軸向柱塞馬達(dá)在結(jié)構(gòu)上是可逆的，因此，排量為125 mL/r和250 mL/r的閉式回路液壓泵作為液壓馬達(dá)使用，這樣可以增加被試對(duì)象，增加液壓泵可靠性試驗(yàn)的樣本容量。其原理如圖6所示，主要包括試驗(yàn)臺(tái)架主體、冷卻系統(tǒng)、過(guò)濾系統(tǒng)、補(bǔ)油系統(tǒng)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)等組成部分。

4 新型試驗(yàn)方案節(jié)能效果分析

4.1 功率回收效果對(duì)比

利用軸向柱塞泵可靠性試驗(yàn)過(guò)程中采集到的1號(hào)泵輸入轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，可計(jì)算出系統(tǒng)的輸入總功率，通過(guò)采集到的4號(hào)泵輸出流量和壓力可以計(jì)算出回收功率，系統(tǒng)損耗功率可以通過(guò)系統(tǒng)輸入總功率減去回收功率得到。利用MATLAB軟件繪制出計(jì)算得到的系統(tǒng)輸入總功率、回收功率和損耗功率的曲線圖。

1-1.1號(hào)液壓泵 1-2.2號(hào)液壓泵 1-3.3號(hào)液壓泵 1-4.4號(hào)液壓泵 2-1、2-2.扭矩轉(zhuǎn)速儀 3.電動(dòng)機(jī) 4-1、4-2、4-3、4-4、4-5、5-1、5-2.流量計(jì) 6.補(bǔ)油泵電機(jī)組 T1、T2、T3、T4、T5、T6.溫度傳感器 P1、P2、P3、P4.壓力傳感器 7.系統(tǒng)加載裝置 8.遠(yuǎn)程調(diào)壓閥 9.溢流閥 10.1號(hào)試驗(yàn)臺(tái)架 11.2號(hào)試驗(yàn)臺(tái)架 12.過(guò)濾系統(tǒng) 13.冷卻系統(tǒng)圖6 并行式軸向柱塞泵可靠性試驗(yàn)原理圖

系統(tǒng)壓力為35 MPa時(shí)，一段時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)輸入總功率、回收功率和損耗功率情況如圖7所示。

圖7 35 MPa時(shí)系統(tǒng)輸入總功率、回收功率和損耗功率

經(jīng)計(jì)算得到：35 MPa時(shí)系統(tǒng)輸入總功率平均值為133.4 kW，回收功率平均值為88.6 kW，損耗功率平均值為44.8 kW。

系統(tǒng)功率回收率為：

(1)

根據(jù)試驗(yàn)采集到的數(shù)據(jù)，做出35 MPa下系統(tǒng)實(shí)際功率回收率與理論計(jì)算得到的功率回收率對(duì)比情況如圖8所示。

圖8 35 MPa時(shí)系統(tǒng)功率回收率對(duì)比情況

系統(tǒng)壓力為41 MPa時(shí)，系統(tǒng)輸入總功率、回收功率和損耗功率情況如圖9所示。

圖9 41 MPa時(shí)系統(tǒng)輸入總功率、回收功率和損耗功率

經(jīng)計(jì)算得到：41 MPa時(shí)系統(tǒng)輸入總功率平均值為159.7 kW，回收功率平均96.2 kW，損耗功率平均值63.5 kW。

系統(tǒng)功率回收率為:

(2)

根據(jù)試驗(yàn)采集到的數(shù)據(jù)，做出35 MPa下系統(tǒng)實(shí)際功率回收率與理論計(jì)算得到的功率回收率對(duì)比情況如圖10所示。

圖10 41 MPa時(shí)系統(tǒng)功率回收率對(duì)比情況

通過(guò)以上分析可知，35 MPa時(shí)系統(tǒng)功率回收率平均為66.4%，41 MPa時(shí)系統(tǒng)功率回收率平均為60.2%，可見(jiàn)機(jī)械式功率回收在并行式軸向柱塞泵可靠性試驗(yàn)中起到了非常好的節(jié)能作用。

4.2 試驗(yàn)過(guò)程中電能節(jié)省量計(jì)算

利用試驗(yàn)過(guò)程中采集的數(shù)據(jù)及計(jì)算得到的功率回收效果，可以計(jì)算出新型試驗(yàn)方案下，完成整個(gè)軸向柱塞泵可靠性試驗(yàn)實(shí)際消耗電量為:

Q=44.8×1030+63.5×846

=99865 kW·h

(3)

而假若采用單臺(tái)泵試驗(yàn)方法， 4臺(tái)泵完成試驗(yàn)所需消耗總電量為:

Q=4×(1030×133.4+846×159.7)

=1090032.8 kW·h

(4)

因此可以得到電能的節(jié)約率為:

(5)

由上述計(jì)算數(shù)據(jù)可以看出，與傳統(tǒng)單臺(tái)泵試驗(yàn)方法比較，并行式軸向柱塞泵節(jié)能型可靠性試驗(yàn)所采用的試驗(yàn)方案電能節(jié)約率高達(dá)90.8%，節(jié)能效果相當(dāng)顯著。

5 結(jié)論

本研究對(duì)液壓補(bǔ)償和機(jī)械補(bǔ)償功率回收以及功率電回收方式原理及其特點(diǎn)進(jìn)行了分析。為使軸向柱塞泵可靠性試驗(yàn)更加節(jié)能且耗時(shí)更短，通過(guò)并行設(shè)計(jì)思想提出了節(jié)能型軸向柱塞泵可靠性試驗(yàn)方案。根據(jù)已確立的新型試驗(yàn)方案，完成了四臺(tái)軸向柱塞泵的可靠性試驗(yàn)，利用試驗(yàn)所采集數(shù)據(jù)得到了功率回收率實(shí)際值，并與理論計(jì)算值進(jìn)行了比較，表明并行式軸向柱塞泵可靠性試驗(yàn)具有顯著的節(jié)能效果。

參考文獻(xiàn)：

[1] 趙靜一，姚成玉.液壓系統(tǒng)的可靠性研究進(jìn)展[J].液壓氣動(dòng)與密封，2006,(3)：50-52.

[2] 趙靜一，姚成玉.我國(guó)液壓可靠性技術(shù)概述[J].液壓與氣動(dòng)，2013，(10)：1-7.

[3] 陳國(guó)安，范天錦，曹斌祥.一種液壓泵功率回收試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)[J].流體傳動(dòng)與控制，2013，(3)：30-33.

[4] 謝光輝，喇凱英，王留運(yùn).液壓機(jī)械補(bǔ)償功率回收模型參考模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制[J].機(jī)床與液壓，2009，37(2)：114-116.

[5] 馬紀(jì)明，詹曉燕.具有隨機(jī)退化特性的柱塞泵性能可靠性分析[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2010(14)：189-193.