乳化液泵功率回收實驗臺設計

李一磊，陳國安，邵杏國

(1.中國礦業大學機電工程學院，江蘇徐州221116;2.工程兵指揮學院，江蘇徐州221004)

乳化液泵是煤礦綜采工作面必不可少的設備之一，把機械能轉化為液壓能，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安全，提高生產效率。乳化液泵一般采用往復式徑向柱塞泵，柱塞每往復運動一次，就完成一次吸液和排液的循環。乳化液泵一般由3或5個柱塞組成，以克服單柱塞造成的周期性壓力脈沖。

根據煤炭行業標準MT/T 188.2-2000，正在生產或新設計的乳化液泵在出廠時要進行各方面的性能檢驗，如空載運轉、負載運轉、超載運轉、耐久運轉和沖擊試驗等。目前，乳化液泵的檢測采用標準中的檢測方法，該方法以溢流閥溢流的形式來設定乳化液泵滿載的壓力，所耗功率均以熱能形式散失，甚至需要單獨的降溫設備。該方法存在裝機功率大、溫升大、能耗高、浪費嚴重等不足之處。因此，為實現低碳環保的乳化液泵檢測試驗，有必要設計一種既能滿足行業標準對乳化液泵性能檢測的要求，又可以降低能耗、節約能源的檢測方法。

1 方案選擇

在液壓系統的節能技術研究方面，對所耗功率進行回收再利用是熱門研究方向，許多學者也研發了多種形式的功率回收檢測系統[1－3]。目前，對于液壓泵檢測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、機械補償功率回收、液壓功率補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和發電機作為被試泵的負載，被試泵驅動馬達和發電機，發電機把被試泵所耗功率轉化成電能，存儲在電池中或是回饋到電網中。該方法原理簡單，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時，需要專門的設備以確保再生電能與電網具有相同的相位，技術復雜、成本高，這種形式的功率回收在現實中較少采用。

1.2 機械補償功率回收

機械補償功率回收可同時適用于大功率液壓泵或液壓馬達的檢測。通過電機驅動被試泵旋轉，泵輸出的高壓油驅動馬達;由于馬達的輸出軸與被試泵的輸入軸機械連接，馬達把液壓能轉化為機械能，并再次輸入到系統中，驅動被試泵旋轉。機械補償功率回收方法必須滿足兩個條件才能進行功率回收:(1)馬達的排量要小于泵的排量;(2)馬達的轉速要高于電機的轉速。由于電機軸、泵軸和馬達軸三者機械聯接，要求安裝精度高，且對于電機的速度控制要求較高。

1.3 液壓補償功率回收

液壓補償功率回收方法把被試馬達與加載泵同軸聯接，加載泵的出油口直接連到被試馬達的進油口。加載泵作為被試馬達的負載，把馬達輸出的機械功率轉化為液壓能再輸入給被試馬達。該方法多適用于高速液壓馬達或低速大扭矩馬達的試驗。

1.4 液壓缸功率回收

液壓缸功率回收是把兩個液壓缸活塞桿連接起來，一個液壓缸吸收被試泵輸出的功率，推動另外一個液壓缸運動，液壓缸排出的高壓油再輸入到系統中，從而實現液壓能－機械能－液壓能的轉化。該方法同時適用于液壓泵或馬達的檢測，適用范圍廣。文中采用液壓缸功率回收方法設計了乳化液泵節能型檢測實驗臺[4－5]。

2 實驗臺系統原理

文中設計的乳化液泵節能型檢測實驗臺主要包括液壓系統和電控系統兩部分，液壓系統主要實現不同形式功率之間的轉化與回收，電控部分主要負責系統各元件運行參數的采集與控制。

2.1 液壓系統

液壓系統原理如圖1所示。電動機1 通過轉速扭矩傳感器2 驅動電比例變量泵3，比例變量泵3輸出的液壓油驅動電比例變量馬達8 旋轉。馬達8 再通過轉速扭矩傳感器12 驅動被試乳化液泵13 旋轉。被試乳化液泵13輸出的乳化液經過三位四通換向閥16 進入左側液壓缸21的左腔，推動右側加載缸22的活塞向右運動，從而排出右側加載缸右腔的液壓油。被排出的高壓油經過整流單向閥組20 后與來自電比例變量泵3的高壓油匯合，共同驅動電比例變量馬達。當左側液壓缸21 運行到行程限位時觸發限位開關，限位開關控制三位四通滑閥16 換向，從而使液壓缸反向運行，實現整個系統的循環。整個系統中，左半部分為乳化液系統，右半部分為液壓油系統，互不干擾、串油。

在此系統中，電比例變量馬達8 既作為被試乳化液泵13的動力輸入源，又作為其負載，通過液壓缸21與加載缸22的配合使用，實現了液壓能－機械能－液壓能的能量轉化與回收。在檢測時，被試乳化液泵13輸出的功率被液壓缸回收再利用，主電機的輸出功率僅為系統各元件的損耗功率，系統功率回收系數高，裝機功率大大降低，節約能源。為了降低方向閥換向時造成的壓力沖擊，實驗臺中使用兩套液壓缸同時運行、錯開換向的方法增加系統運行時的平穩性。

圖1 液壓系統原理

系統運行時，通過放大器調節電比例變量泵與電比例變量馬達的控制電流，從而改變泵和馬達的排量:

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

由連續性方程可得:

式中:Qc為加載缸的輸出流量;ΔQ為系統沿程流量損失。

由式(1)— (3)可得:

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

當變量泵的排量保持不變時，單獨減小比例馬達的排量，可以增加液壓油系統的壓力，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載，提高被試乳化液泵的輸出壓力。通過變量泵與變量馬達的排量調節，可以使試乳化液泵的流量與壓力達到其額定值，從而實現對乳化液泵的檢測功能。通過變量泵與馬達不同的排量配比，可以擴大實驗臺對被試泵轉速的適應范圍。

系統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，減緩液壓缸在換向過程中造成的壓力沖擊。由于經整流單向閥組回收的液壓油再次驅動馬達，液壓油循環在系統中運行會造成液壓油的溫度升高，系統中在馬達的出油口處安裝有冷卻器11，降低液壓油的溫度，改善系統運行環境。

2.2 電控系統

電控系統的原理如圖2所示，實驗臺系統中，在電動機與變量泵之間、變量馬達與被試乳化液泵之間安裝有轉速扭矩傳感器，可以實時檢測電動機和變量馬達輸出的轉速與轉矩，同時也可以監測被試乳化液泵的運行轉速是否達到額定的檢測轉速。

圖2 電控系統原理圖

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字壓力傳感器，可以實時檢測液壓系統中主要部件的壓力變化情況。在變量馬達回油口、整流閥塊的進油口和被試乳化液泵的吸油口處安裝有渦輪流量傳感器，可以實時檢測流經馬達、被試乳化液泵以及加載缸的流量。

各傳感器參數由PLC 采集，再經通訊電纜傳輸給工控機。在工控機中，編制了基于虛擬儀器技術的數據采集與控制系統，可實時顯示各采集量的時間歷程曲線并保存，數據采集與控制程序的界面如圖3所示。該程序可對系統壓力、流量、轉速等參數進行分析計算，并得出變量泵和變量馬達排量的控制參數，再通過PLC輸出給變量泵和變量馬達。為了便于控制和研究，電控系統增加了人工調節開關，可手動控制變量泵和馬達的排量。根據采集的參數，程序可自動計算得到電動機的輸出功率、變量馬達的輸入、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，從而獲得系統的功率回收系數。

圖3 數據采集系統界面

3 參數選型與樣機實現

從方便實用的角度考慮，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。

變量泵和變量馬達選擇北京華德生產的A7V58EP1型電比例變量泵和A6V107EP2型電比例變量馬達，可根據輸入的控制電流信號線性調節排量，具體參數見表1。

表1 泵與馬達參數

當變量泵排量最小、變量馬達排量最大時，馬達輸出轉速最小可以達到0;當變量泵排量最大、變量馬達排量最小時，馬達輸出轉速最大可以達到泵轉速的1.88倍。變量泵與馬達的這種排量搭配大大增加了被試泵的調速范圍，擴大了實驗臺的適用范圍。

在正常運行時，由于液壓缸把被試泵的功率進行回收再利用，主電機的輸出功率僅為系統各部件的功率損耗，遠小于被試泵的額定功率，因此主電機功率可低于被試泵的額定功率。同時出于安全裕量及系統后續各輔助功能完善的考慮，主電機選擇380 V、15 kW的三相異步電動機，額定轉速為1 470 r/min。

電控系統中，PLC 選擇西門子S7-200系列的CPU224型，具有14 輸入/10輸出共24個數字量I/O點，滿足系統的輸入輸出要求。

圖4 實驗臺樣機

實驗臺泵、馬達、液壓缸與其他元件間用膠管連接，以隔離振動。建成的實驗臺樣機如圖4所示。

4 結束語

(1)該實驗臺以液壓缸作為泵檢測的功率回收元件，結構簡單，可靠性高，功率回收系數高，可以有效地降低裝機功率，節約能源。

(2)實驗臺以變量泵和變量馬達的排量來控制調節被試泵的運行參數，方法簡單，調速范圍大，適用范圍廣;兩套液壓缸錯開換向及蓄能器可以有效保證系統運行的平穩性。

(3)實驗臺電控系統可以實時檢測、顯示系統主要元件的運行參數，分析系統運行狀態，自動化程度高。

【1】付永領，汪明霞.液壓泵加速壽命試驗臺中的節能設計[J].機床與液壓，2010，38(4):40－41.

【2】鄭明輝，江吉彬，郭熛.液壓泵性能測試實驗臺設計[J].機床與液壓，2011，39(20):76－78.

【3】沙明元，李建英，李春林.大型液壓試驗臺功率回收系統研究[J].石家莊鐵道學院學報，1998(4):84－87.

【4】LI Yilei，ZHU Zhencai，CHEN Guoan.A Novel Test System of High Energy Efficiency for Emulsion Pump[J].Applied Mechanics and Materials，20116，66/67/68:1017－1021.

【5】范天錦，朱真才，陳國安，等.一種乳化液泵測試系統:中國，CN200910032358.1[P].2009－06－11.