聯體泵馬達功率回收試驗方法研究

郭劉洋，劉俊，唐守生，郭楊瀏

(1.中國北方車輛研究所車輛傳動重點實驗室，北京100072; 2.勝利石油管理局鉆井工程技術公司，山東東營257064)

閉式泵馬達結構緊湊，傳動功率大，能夠實現無級調速，廣泛用于工程機械中。鑒于這些優勢，自研某聯體泵馬達用于車輛轉向。由于聯體閉式泵馬達受車輛特殊環境對其空間尺寸的限制，采用變量泵定量馬達閉式結構，結構更加緊湊，功率密度更高，能夠實現液壓能向機械能的無級轉換。以往通過傳統的試驗方法對泵馬達進行性能測試，如圖1所示，能量損失較大，對試驗臺要求也較高。

圖1 傳統泵馬達試驗臺架布置圖

采用功率回收方法對泵馬達進行性能測試，能量損失小，試驗成本低，既能節能，試驗臺架又容易搭建，節約時間和資金。鑒于以上原因，針對某聯體泵馬達開展功率回收試驗方法研究。

1 聯體泵馬達功率回收試驗原理

如圖2所示為通用的液壓泵與液壓馬達的功率回收試驗原理，可在泵與馬達之間直接循環驅動電機，從而實現功率的循環利用。

圖2 泵馬達機械補償方法示意圖［1］

而聯體泵馬達為閉式泵，因其結構的差別，無法實現在泵與馬達之間直接裝備驅動電機，因此聯體泵馬達功率回收試驗中電機在泵與馬達外側驅動，設計一個齒輪箱與驅動電機、聯體泵馬達共同實現功率的循環，其原理如圖3所示，因3個齒輪的傳遞作用，致使泵馬達的功率傳遞路線成為一個閉式系統。其功率回收的路線是:中間齒輪與輸入電機相連接，再由泵軸齒輪驅動泵，泵傳遞的功率分為兩路:一路直接傳遞到馬達，其中應考慮泵馬達效率造成的功率損失，另一路則通過加載閥發熱消耗;而后馬達再通過二級齒輪將大部分功率循環回泵一側。即輸入電機所傳遞的功率僅僅用來補充加載閥的功率消耗及泵馬達各種損失造成的功率消耗;而泵馬達的大部分功率則通過功率循環得到了回收再利用。

圖3 聯體泵馬達功率回收試驗原理圖

2 試驗方法

2.1 流量匹配

根據流量連續性原理，參考文獻 ［1］，可以得到功率回收試驗中:

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

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

2.2 反拖工況

功率回收試驗中泵與馬達之間存在固定傳動比，實際限定為1.54，而聯體泵馬達中泵與馬達的最大理論排量相同，假設理想狀態下不考慮容積效率影響 (即假設容積效率均為1)，則變量泵的排量至少應大于等于最大理論排量的65%。因此當泵排量小于最大理論排量的65%時，泵與馬達出現倒拖狀態。此時泵轉換為馬達，而馬達則成為泵。變量泵無法通過液壓能驅動馬達，而是馬達拖著變量泵運轉，此時無多余流量進入加載閥，因此加載閥不工作。

2.3 正轉工況

當泵排量等于最大理論排量的65%時，此時泵的流量與馬達流量相等，可看作無消耗，相當于泵與馬達處于自由旋轉的平衡狀態，此時不能產生高壓，因此高壓與補油壓力相等。一旦泵排量大于最大理論排量的65%，此時泵輸出流量大于馬達輸入流量，一部分流量通過加載閥溢流回油箱。而對于功率循環，因加載閥位于泵后端，會消耗能量，同時產生高壓 (憋高壓)，所以一部分功率傳遞給馬達，繼而循環回泵，另一部分功率則通過加載閥消耗轉化為熱量。實際試驗中主要在此工況下對聯體泵馬達進行了性能檢驗。試驗中忽略泵馬達的機械損失，通過計算補油消耗量分析了泵馬達的容積效率。

聯體泵馬達功率回收試驗臺架布置圖見圖4。

圖4 聯體泵馬達功率回收試驗臺架布置圖

3 容積效率

3.1 原理分析

聯體泵馬達是閉式泵，低壓油路循環作用是通過沖洗閥為殼體內所有零件散熱，而補油的作用則是補充消耗的沖洗油，而高壓油路一旦泄入低壓腔，也最終進入泵馬達殼體。因此難以獲得精確的補油流量、回油流量，且難以簡單估算補油消耗，繼而得到泵與馬達的效率。因此試驗中為了能夠計算補油流量及其消耗量，必須將閉式泵轉化為開式泵，將泵馬達低壓側回油引回試驗裝置液壓泵站，通過流量計測量回油流量。聯體泵馬達功率回收液壓原理圖見圖5。

圖5 聯體泵馬達功率回收液壓原理圖

考慮到結構的一致性，假設泵與馬達容積效率相等，單元件容積效率:

式中:ηvp為單元件容積效率，ηvm及ηpm分別為馬達與泵的容積效率。

由于柱塞及缸體結構相同，因此泵與馬達排量相等，則排量:

其中:Vp為泵排量，Vm為馬達排量，單位均為cm3/r。

總容積效率為泵與馬達效率的乘積:

功率回收試驗中由于齒輪的傳遞作用，有固定的傳動比:

其中:k為傳動比;nm為馬達轉速，單位為r/min; np為泵轉速，單位為r/min。

根據流量平衡，系統總流量為泵的泄漏量、馬達泄漏量以及回油流量的和，應等于總補油量，則近似有:

其中:Qr為回油流量，Qb為補油流量，將傳動比代入上述公式，則有:

式中:Qbc為補油消耗量，最后可以得到單元件的效率，如泵的容積效率:

從而進一步得出泵馬達的真正的容積效率ηv:

3.2 試驗結果

實際試驗中，在正轉工況下間接獲得了泵馬達的補油消耗量 (如圖5直接測量得到補油流量和回油流量，二者差值為補油消耗量)，圖6是泵馬達最大排量狀態的補油消耗量。而后根據上述公式對容積效率進行了計算，如圖6所示不同的壓力下，即相當于不同的負載下，其容積效率有所變化。當負荷達到30 MPa時，補油消耗量最大，說明泄漏量最大，而此時容積效率相應最低，為91.4%。

圖6 補油消耗量及容積效率對比圖

傳統的試驗方法通過轉速比即可獲得總效率，其總效率包括機械效率和容積效率，而在功率回收試驗中難以獲得總效率，但是由于容積效率足以反映液壓元件的基本性能，因此在此僅對容積效率進行計算。

通過曲線對比可以得到如下規律:即負載越大容積效率越低，即泵馬達的功率損失越大，相應的補油消耗量就越大;相同負載下，轉速越高補油消耗量越大，容積效率越低。試驗曲線反映了聯體泵馬達的真實狀態，對試驗方法進行了驗證。

4 結論

(1)分析液壓泵功率回收試驗原理，根據聯體泵馬達的結構特點，搭建了聯體變量閉式泵馬達功率循環試驗臺架。

(2)根據功率回收試驗液壓原理，推導出容積效率計算公式。

(3)通過功率回收試驗得到了不同負載下聯體泵馬達的容積效率，進一步驗證了功率回收試驗的有效性。

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

【2】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.