高偉，王兆強，王金鉑，王小強，葛志偉，孫令濤，董壯壯

(1.上海工程技術(shù)大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院，上海 201620；2.青島力克川液壓機械有限公司，山東青島 266109；3.上海船舶設(shè)備研究所，上海 200030；4.上海海岳液壓機電工程有限公司，上海 201620；5.上海電氣液壓氣動有限公司，上海 200237)

0 前言

隨著當(dāng)今社會經(jīng)濟的發(fā)展，制造業(yè)成為推動社會進(jìn)步的重要動力。而液壓系統(tǒng)又是制造業(yè)領(lǐng)域不可或缺的系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)具備高負(fù)載、可控性強等優(yōu)良的性能。液壓系統(tǒng)由液壓油、液壓閥、液壓泵、管路、液壓馬達(dá)等液壓元件組成，不同液壓元件的組合，可以實現(xiàn)不同的功能[1-2]。液壓馬達(dá)是液壓系統(tǒng)的核心和基礎(chǔ)執(zhí)行元件，應(yīng)用于工程機械、注塑機械、農(nóng)業(yè)機械、起重運輸機械、艦船機械、海洋工程、盾構(gòu)機械等國民經(jīng)濟行業(yè)，以及軍用車輛、航空航天等軍工領(lǐng)域[3-4]。由于液壓馬達(dá)是工程機械液壓驅(qū)動系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分[5-7]，其傳動效率直接影響整個系統(tǒng)驅(qū)動性能[8]。

由于斜盤式柱塞馬達(dá)內(nèi)部各滑動部件的相互摩擦，如柱塞和缸體、滑靴和斜盤、缸體和配流盤、柱塞的球面軸承等的摩擦，使輸出扭矩比理論輸出扭矩低[9-10]。根據(jù)馬達(dá)總效率公式可知，在相同的油溫、同樣的工況點下，馬達(dá)輸出的扭矩越大，機械效率越大，從而總效率越高。對于一臺新裝配的斜盤式軸向柱塞馬達(dá)，在加工、制造、裝配、測試等各個環(huán)節(jié)，其結(jié)構(gòu)尺寸、工程材料特性、公差配合、工況載荷、環(huán)境因素等均具有隨機不確定性[11-15]。而且配流盤與缸體之間以及滑靴與斜盤之間的油膜并未建立，存在較大摩擦力，從而使得馬達(dá)的輸出扭矩較小，機械效率和總效率較低。對于馬達(dá)生產(chǎn)廠家，如何測出馬達(dá)準(zhǔn)確的總效率，對于馬達(dá)的研究以及應(yīng)用有重要的意義。

作者通過為某公司開發(fā)一臺液壓馬達(dá)出廠測試試驗臺，研究不同跑合方法下馬達(dá)總效率的變化，并總結(jié)出適合出廠試驗的跑合時間。

1 馬達(dá)總效率的影響因素

斜盤式柱塞馬達(dá)的總效率和三大摩擦副的摩擦因數(shù)有直接關(guān)系，摩擦因數(shù)越大，馬達(dá)損失的效率越高，馬達(dá)總效率越低；相反，摩擦因數(shù)越小，馬達(dá)總效率越高。圖1所示曲線反映了不同工況下摩擦因數(shù)的變化規(guī)律，分為幾種潤滑狀態(tài)，分別是邊界潤滑、彈流潤滑、混合潤滑和全油膜潤滑[16-17]。不同潤滑狀態(tài)下摩擦因數(shù)不同。

圖1 摩擦副潤滑狀態(tài)劃分

新裝配的馬達(dá)由于缸體與配流盤之間、滑靴與斜盤之間的油膜并未建立，馬達(dá)在開始跑合的瞬間處于邊界潤滑的狀態(tài)，隨跑合時間的增加，馬達(dá)逐漸過渡到全油膜潤滑狀態(tài)，摩擦因數(shù)會逐漸降至最低，馬達(dá)總效率會逐漸上升最終達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)。

根據(jù)圖1所示曲線可知，摩擦副的摩擦因數(shù)和轉(zhuǎn)速以及壓力相關(guān)。由于馬達(dá)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)導(dǎo)致配流盤與斜盤的高壓側(cè)相反，因此馬達(dá)正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)配流盤和斜盤的摩擦情況完全相反，導(dǎo)致馬達(dá)在連續(xù)正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)結(jié)束時，正反轉(zhuǎn)的總效率存在一定偏差。

由于試驗馬達(dá)為雙排量馬達(dá)，在大排量或小排量、相同轉(zhuǎn)速和壓力下，缸體對配流盤產(chǎn)生的壓力和摩擦力相同。但是在兩種排量下馬達(dá)斜盤的傾斜角度不同，因此在相同轉(zhuǎn)速與壓力下滑靴對斜盤產(chǎn)生的壓力和摩擦力不一樣，并且滑靴中心在斜盤的運動軌跡不同，其運動軌跡如圖2所示。由于大、小排量運動軌跡不相同，所以若只進(jìn)行大排量跑合，那么小排量下斜盤有一部分并未受到摩擦，會導(dǎo)致小排量下整體摩擦因數(shù)并沒有降至最低，從而總效率沒有達(dá)到平穩(wěn)值；相反若只進(jìn)行小排量跑合，那么大排量下總效率也未能達(dá)到平穩(wěn)值。

圖2 大排量、小排量滑靴中心在斜盤運動軌跡

作者為了驗證以上推論，設(shè)計了3組試驗，每組試驗都按照J(rèn)B/T 10829—2008《液壓馬達(dá)》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)跑合方法進(jìn)行跑合。

2 跑合對馬達(dá)總效率影響試驗

試驗測試某公司一款雙排量馬達(dá)，大排量為16.1 mL/r、小排量為9.1 mL/r的斜盤式柱塞馬達(dá)，共測試5臺馬達(dá)，編號分別為馬達(dá)1、2、3、4、5，進(jìn)行3組試驗如下：

(1)試驗一

此試驗驗證同一工況點下，總效率隨跑合時間的變化。選用一臺馬達(dá)進(jìn)行測試，編號為馬達(dá)1，具體試驗如下：

將新裝配的馬達(dá)1按照大排量正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)1 000 r/min，壓力分別為8、10、11、12、14 MPa；小排量正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)1 000 r/min，壓力分別為8、10、11、12、14 MPa的工況反復(fù)跑合8次，每次跑合6 min，每個工況點穩(wěn)定采集數(shù)據(jù)5 s，總跑合時間為48 min。分析跑合過程中馬達(dá)總效率隨跑合時間的變化，具體如圖3所示?？梢钥闯觯厚R達(dá)1開始跑合時總效率較低，隨跑合時間增加，馬達(dá)總效率逐漸升高最后達(dá)到穩(wěn)定。因此可以判斷出，馬達(dá)各摩擦副的摩擦因數(shù)基本符合圖1中曲線的變化趨勢。從試驗數(shù)據(jù)來看，當(dāng)跑合總時間為12 min時馬達(dá)總效率基本接近最大值，當(dāng)跑合總時間大于24 min后馬達(dá)總效率趨于穩(wěn)定。

圖3 馬達(dá)1大排量正轉(zhuǎn)(a)、大排量反轉(zhuǎn)(b)、小排量正轉(zhuǎn)(c)與小排量反轉(zhuǎn)(d)不同工況下馬達(dá)總效率隨跑合時間變化曲線

(2)試驗二

此試驗驗證在連續(xù)正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)跑合后，正反轉(zhuǎn)總效率是否存在偏差。選用兩臺馬達(dá)進(jìn)行測試，編號為馬達(dá)2、馬達(dá)3。具體試驗如下：

根據(jù)試驗一的試驗結(jié)果可知，新裝配的馬達(dá)在測試24 min后總效率趨于穩(wěn)定。馬達(dá)2跑合16遍(以下簡稱階段一)，大排量正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速1 000 r/min，壓力為8、10、11、12、14 MPa，每個工況點穩(wěn)定采集數(shù)據(jù)時間5 s，總跑合時間為24 min。然后按照試驗一的跑合方法繼續(xù)跑合4遍(以下簡稱階段二)，分析在階段一跑合后正反轉(zhuǎn)總效率的偏差，以及隨階段二跑合時間增加正反轉(zhuǎn)總效率偏差的變化。

由圖4可以看出：隨跑合時間增加，馬達(dá)2大排量正轉(zhuǎn)總效率逐漸增大，第12 min后正轉(zhuǎn)總效率基本接近最大值，第21 min后正轉(zhuǎn)總效率已趨于穩(wěn)定。可以看出此試驗結(jié)果與試驗一基本一致。

圖4 馬達(dá)2階段一大排量正轉(zhuǎn)不同工況點總效率隨跑合時間變化曲線

由圖5、6可以看出：在階段一跑合后，馬達(dá)正反轉(zhuǎn)總效率存在較大偏差，正轉(zhuǎn)的總效率略大于反轉(zhuǎn)總效率；階段二中，反轉(zhuǎn)的總效率逐漸上升，正轉(zhuǎn)總效率不變。因此可知經(jīng)過連續(xù)正轉(zhuǎn)跑合后，斜盤和配流盤正轉(zhuǎn)高壓側(cè)的摩擦因數(shù)已經(jīng)基本降至最低，而反轉(zhuǎn)高壓側(cè)由于沒有在較大壓力下摩擦，摩擦因數(shù)并未降至最小值，所以在階段一跑合后，正反轉(zhuǎn)總效率存在偏差。階段二中，由于進(jìn)行了正反轉(zhuǎn)跑合，反轉(zhuǎn)高壓側(cè)的摩擦因數(shù)也逐漸降至最低，所以正反轉(zhuǎn)的總效率偏差逐漸降低。

圖5 馬達(dá)2階段二大排量正轉(zhuǎn)(a)、大排量反轉(zhuǎn)(b)、小排量正轉(zhuǎn)(c)與小排量反轉(zhuǎn)(d)馬達(dá)總效率隨跑合時間變化曲線

圖6 馬達(dá)2階段二大排量正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)(a)、小排量正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)(b)在同工況點下總效率差值隨跑合時間變化曲線

馬達(dá)3跑合16遍(以下簡稱階段一)，大排量反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速1 000 r/min，壓力為8、10、11、12、14 MPa，每個工況點穩(wěn)定采集數(shù)據(jù)時間5 s，總跑合時間為24 min。然后按照試驗一的跑合方法繼續(xù)跑合4遍(以下簡稱階段二)，分析在階段一跑合后正反轉(zhuǎn)總效率的偏差，以及隨階段二的跑合增加正反轉(zhuǎn)總效率偏差的變化。

由圖7可以看出：隨跑合時間增加，馬達(dá)3大排量反轉(zhuǎn)總效率逐漸增大，第12 min后反轉(zhuǎn)總效率基本接近最大值，第21 min后反轉(zhuǎn)總效率已趨于穩(wěn)定。此試驗結(jié)果與試驗一基本一致。

圖7 馬達(dá)3階段一大排量反轉(zhuǎn)不同工況點總效率隨跑合時間變化曲線

由圖8、9可以看出：在階段一跑合后，馬達(dá)正反轉(zhuǎn)總效率存在較大偏差，反轉(zhuǎn)的總效率略大于正轉(zhuǎn)的總效率；隨著階段二的跑合，正轉(zhuǎn)的總效率逐漸上升，反轉(zhuǎn)總效率不變。因此可知經(jīng)過連續(xù)反轉(zhuǎn)跑合后，斜盤和配流盤反轉(zhuǎn)高壓側(cè)的摩擦因數(shù)已經(jīng)基本降至最低，而正轉(zhuǎn)高壓側(cè)由于沒有在較大壓力下摩擦，摩擦因數(shù)并未降至最小值，所以在階段一跑合后，正反轉(zhuǎn)總效率存在偏差。階段二中由于進(jìn)行了正反轉(zhuǎn)跑合，正轉(zhuǎn)高壓側(cè)的摩擦因數(shù)也逐漸降至最低，所以正反轉(zhuǎn)的總效率偏差值逐漸降低。

圖8 馬達(dá)3階段二大排量正轉(zhuǎn)(a)、大排量反轉(zhuǎn)(b)、小排量正轉(zhuǎn)(c)與小排量反轉(zhuǎn)(d)馬達(dá)總效率隨跑合時間變化曲線

圖9 馬達(dá)3階段二大排量反轉(zhuǎn)與大排量正轉(zhuǎn)(a)、小排量反轉(zhuǎn)與小排量正轉(zhuǎn)(b)在同工況點下總效率差值隨跑合時間變化曲線

由馬達(dá)2和馬達(dá)3的試驗結(jié)果可以看出：一臺新裝配的斜盤式柱塞馬達(dá)若只進(jìn)行正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)跑合，會導(dǎo)致最終測出的正反轉(zhuǎn)總效率存在偏差，偏差值達(dá)到2%～3%。因此馬達(dá)出廠測試需要進(jìn)行正反轉(zhuǎn)跑合。

(3)試驗三

此試驗驗證在大排量或者小排量下跑合后，大、小排量總效率是否上升至最大值，以及分析跑合后再次進(jìn)行大、小排量全面跑合時總效率上升速率的對比。選用兩臺馬達(dá)進(jìn)行測試，編號為馬達(dá)4、馬達(dá)5。具體試驗如下：

將馬達(dá)4按照大排量正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速1 000 r/min，壓力分別為8、10、11、12、14 MPa的工況下跑合8遍(以下稱階段一)，總跑合時間為24 min；然后按照試驗一的跑合方法繼續(xù)跑合4遍，試驗結(jié)果如圖10—12所示。

圖10 馬達(dá)4階段一大排量正轉(zhuǎn)(a)與大排量反轉(zhuǎn)(b)總效率隨跑合時間變化圖

由圖10可以看出：馬達(dá)4大排量正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)總效率隨跑合時間逐漸升高，在12 min后，大排量正反轉(zhuǎn)總效率基本接近最大值，在21 min后，大排量正反轉(zhuǎn)總效率基本穩(wěn)定，和試驗一結(jié)果基本一致。

由圖11、12可以看出：經(jīng)過階段一跑合后，大小排量總效率均有大幅提高，均接近平穩(wěn)值，但在階段二的跑合過程中，大排量總效率的增長速度略微小于小排量總效率的增長速度，階段二跑合后，小排量正反轉(zhuǎn)總效率上升了不到1%，大排量正反轉(zhuǎn)總效率基本沒上升。主要原因是在階段二的跑合中，小排量下滑靴在斜盤上的運動軌跡處受到摩擦，使得這一部分摩擦因數(shù)逐漸降至最低，而大排量下經(jīng)過階段一的跑合，斜盤對應(yīng)運動軌跡處摩擦因數(shù)已降至最低，所以小排量總效率的上升速度較大排量快。

圖11 馬達(dá)4階段二大排量正轉(zhuǎn)(a)、大排量反轉(zhuǎn)(b)、小排量正轉(zhuǎn)(c)與小排量反轉(zhuǎn)(d)總效率隨跑合時間變化曲線

圖12 馬達(dá)4階段二大排量正轉(zhuǎn)與小排量正轉(zhuǎn)(a)、大排量反轉(zhuǎn)與小排量反轉(zhuǎn)(b)總效率差值隨跑合時間變化曲線

將馬達(dá)5按照大排量正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速1 000 r/min，壓力分別為8、10、11、12、14 MPa的工況點下跑合8遍(以下稱階段一)，總跑合時間為24 min。然后按照試驗一的跑合方法繼續(xù)跑合4遍，試驗結(jié)果如圖13—15所示。

圖13 馬達(dá)5階段一小排量正轉(zhuǎn)(a)與反轉(zhuǎn)(b)總效率隨跑合時間變化曲線

由圖13可以看出：馬達(dá)5小排量正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)總效率隨跑合時間逐漸升高，在12 min后，小排量正反轉(zhuǎn)總效率基本接近最大值，在21 min后，小排量正反轉(zhuǎn)總效率基本穩(wěn)定。此試驗結(jié)果和試驗一基本一致。

如圖14、15可以看出：經(jīng)過階段一跑合后，大小排量總效率均有大幅提高，均接近平穩(wěn)值，但在階段二的跑合過程中，大排量總效率的增長速度略微大于小排量，階段二跑合后，大排量正反轉(zhuǎn)總效率上升了不到1%，小排量正反轉(zhuǎn)總效率基本沒上升。其主要原因是在階段二的跑合過程中，大排量下滑靴在斜盤上的運動軌跡處受到摩擦，使得這一部分摩擦因數(shù)逐漸降至最低，而小排量下經(jīng)過階段一的跑合，斜盤對應(yīng)運動軌跡處摩擦因數(shù)已降至最低，所以大排量總效率上升速度較小排量快。

圖14 馬達(dá)5階段二大排量正轉(zhuǎn)(a)、大排量反轉(zhuǎn)(b)、小排量正轉(zhuǎn)(c)與小排量反轉(zhuǎn)(d)總效率隨跑合時間變化圖

圖15 馬達(dá)5階段二大排量正轉(zhuǎn)與小排量正轉(zhuǎn)(a)、大排量反轉(zhuǎn)與小排量反轉(zhuǎn)(b)總效率差值隨跑合時間變化圖

根據(jù)馬達(dá)4和馬達(dá)5的試驗結(jié)果可知，在一定時間內(nèi)，若只進(jìn)行大排量跑合，那么小排量下總效率并不能快速提高至其最大值，與最大值差值小于1%；若只進(jìn)行小排量跑合，結(jié)果相反。

3 結(jié)論

針對跑合方法對斜盤柱塞馬達(dá)總效率的影響，從分析影響馬達(dá)總效率的因素入手，測試了5臺馬達(dá)，分為3組試驗，分別分析了只進(jìn)行正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)跑合對于總效率的影響；只進(jìn)行大排量或者小排量跑合對于總效率的影響；大小排量下正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)全面進(jìn)行跑合對于總效率的影響。

(1)根據(jù)試驗一結(jié)果可知，一臺新裝配的斜盤式柱塞馬達(dá)若進(jìn)行大小排量下正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)全面跑合，其總效率會隨跑合時間逐漸上升，最終達(dá)到平穩(wěn)。在跑合12 min后，馬達(dá)總效率基本接近最大值，跑合24 min后，馬達(dá)總效率已趨于穩(wěn)定。

(2)根據(jù)試驗二結(jié)果可知，一臺新裝配的斜盤式柱塞馬達(dá)若只進(jìn)行正轉(zhuǎn)跑合，那么跑合12 min后正轉(zhuǎn)總效率基本接近最大值，跑合21 min后，正轉(zhuǎn)總效率已經(jīng)趨于穩(wěn)定，但反轉(zhuǎn)總效率比正轉(zhuǎn)總效率小2%～3%。若只進(jìn)行反轉(zhuǎn)跑合，結(jié)果相反。

(3)根據(jù)試驗三結(jié)果可知，一臺新裝配的斜盤式柱塞馬達(dá)若只進(jìn)行大排量正反轉(zhuǎn)跑合，那么跑合12 min后，大排量正反轉(zhuǎn)總效率已接近最大值，跑合21 min后，大排量正反轉(zhuǎn)總效率已趨于穩(wěn)定，但小排量正反轉(zhuǎn)總效率與最大值存在微小差值，差值小于1%；若只進(jìn)行小排量正反轉(zhuǎn)跑合，結(jié)果相反。

綜上所述：一臺新裝配的斜盤式柱塞馬達(dá)在測試馬達(dá)總效率之前，需要按照J(rèn)B/T 10829—2008《液壓馬達(dá)》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)跑合方法，進(jìn)行大小排量下正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)全面跑合，跑合總時間不小于12 min，若想測出更加精準(zhǔn)的總效率，跑合總時間不小于24 min。不同馬達(dá)存在差異。