葉片泵/軸向柱塞泵的壓力與流量性能測試

張志森

(四川文理學院物理與機電工程學院，四川達州 635000)

在液壓傳動系統中，液壓泵是液壓系統中將機械能轉變成壓力能的裝置。它是液壓傳動的“心臟”，其作用是為液壓系統提供足夠的壓力油，其性能直接影響整個液壓系統甚至整個設備的工作質量［1－2］。由于液壓泵在液壓系統中的重要性，根據液壓實驗平臺液壓泵站上的葉片泵/軸向柱塞泵的相關參數，測試兩種液壓泵的壓力－流量的變化情況并獲得液壓泵的壓力－流量的變化數據及數據曲線，對于了解液壓泵出口壓力與流量的變化情況非常重要。

1 液壓泵站的結構及工作原理

該液壓實驗平臺專門用于對自行搭建的液壓系統進行分析優化及對液壓閥的性能進行測試分析，液壓實驗平臺中的液壓泵站主要由驅動電機、葉片泵/軸向柱塞泵、溢流閥、節流閥、流量/壓力傳感器、過濾器等相關元器件組成，其構成如圖1所示。

圖1 液壓泵站實物圖

在實際測試中，液壓泵的壓力－流量數據測試的工作原理圖如圖2所示。

圖2 液壓泵測試的油路圖

測試工作原理:當按下液壓泵的啟動電源時，液壓泵開始工作，在整個液壓泵測試過程中，無外接負載;液壓泵出口壓力通過手動調節溢流閥的彈簧預壓縮量調節，改變閥口開啟壓力，從而達到調節泵出口壓力的目的，壓力表與流量表分別測量液壓泵的出口壓力與液壓油經過節流閥流回油箱時的流量。

2 液壓泵的性能參數

液壓泵輸出壓力是由負載決定的，系統壓力用壓力閥調整，液壓泵輸出壓力過剩，一是系統控制元件必需的，如調速閥、分流集流閥、壓力繼電器等可靠穩定工作必需的壓差;二是控制系統，如節流調速系統流量過剩引發的壓力過剩。大多數定量泵系統輸出流量是過剩的，即使使用手動變量泵，也會存在流量過剩［3］，因此，有必要對液壓泵的主要性能參數進行數學分析。

液壓泵的主要性能參數［4］:

(1)實際流量q

式中:qt為理論流量(L/min);n為泵的轉速(r/min);V為泵的排量(L/r);Δq為泄漏流量(L/min)。

(2)容積效率ηV

液壓泵的實際流量q與理論流量qt的比值稱為液壓泵的容積效率，可表示為:(3)輸出功率P與輸入功率Pr

(4)總效率

液壓泵的輸出功率P與輸入功率Pr之比為總效率，即:

式中:p為液壓泵的出口壓力(MPa)，T為輸入液壓泵的轉矩(N·m)，ω為角速度(r/min)，ηm為機械效率。

從式(1)—(3)可以獲得泵的實際流量、容積效率和總效率，液壓泵的實際流量大小主要是受泄漏量的影響，泄漏量的大小對液壓泵在液壓系統中的容積效率及總效率都產生很大影響。

3 壓力-流量性能測試

采集及測試的葉片泵/軸向柱塞泵的主要參數，如表1所示。

表1 泵的參數

在數據采集過程中，按一定的規律改變液壓泵的出口壓力，每改變液壓泵的出口壓力一次，記錄流量的變化數值，直到液壓泵的出口壓力及流量達到最大時停止。實驗數據如表2所示。

表2 壓力－流量數據

由于MATLAB語言提供了強大的圖形繪制功能，用戶只需指定繪圖方式，并提供充足的繪圖數據，即可以得出所需的圖形，還為繪出的圖形提供各種修飾方法，使繪出的圖形更美觀［5］。因此，用MATLAB軟件繪制出采集到的葉片泵/軸向柱塞泵的壓力－流量數據曲線，如圖3、圖4所示。

圖3 葉片泵壓力－流量曲線

圖4 軸向柱塞泵壓力－流量曲線

可以看到:流量隨著壓力變化的總趨勢是:當液壓泵的出口壓力增加時，流量隨之增大;當出口壓力達到一定值時，其流量基本保持不變。

圖5 兩種泵壓力－流量曲線對比

液壓泵剛開始工作時，由于調定的出口壓力比較低，這時泵進出口壓力差比較小，效率較高。隨著泵出口壓力的升高，曲線在0.4 MPa時出現了拐點，這是由于隨著泵出口壓力的升高，其內泄漏量加大及油路的能耗加大，影響了液壓泵在實際工作中的效率。對比葉片泵與軸向柱塞泵在相同的壓力下，其流量的變化情況如圖5所示。

可以看到:在相同的壓力下，葉片泵的實際輸出流量比軸向柱塞泵的要少，這主要是由于在相同的轉速下，軸向柱塞泵的排量比葉片泵要大，所以其流量也大。在液壓泵的實際工作中，要考慮葉片泵/軸向柱塞泵的壓力有效利用率，當液壓泵能滿足不同工作壓力要求時，應盡量選擇功率較小的液壓泵，提高液壓泵的利用效率及減小能量損耗。一般情況下，在低壓小流量時，選用葉片泵作為動力元件提供所須的壓力和流量;而在高壓大流量時，盡量選用軸向柱塞泵。

4 結論

液壓泵作為動力元件，在液壓系統中是極其重要的。在教學及科研實驗中，搭建的液壓實驗系統對液壓泵的要求各不相同，因此有必要對各類液壓泵的壓力－流量特性進行測試與分析。實驗過程中要注意以下方面的內容:

(1)在調節液壓泵的出口壓力與到油路中流量時，所選用的溢流閥、節流閥的性能要在使用前進行測試，這有利于準確地調定液壓泵的出口壓力及液壓油進入工作回路的流量。

(2)確定實驗方案，在液壓泵站中選用并搭建所需油路時，應盡量減少油路中的泄漏及能量損耗，選擇液壓泵時，其額定功率要合適，太大影響泵的有效利用率，太小則不能滿足工作需要。

［1］姜繼海，于斌，李晨光，等．液壓傳動教學實驗中的液壓泵性能實驗［J］．機床與液壓，2010，38(19):61－63．

［2］張寒蕾，王春梅．基于電液比例控制的液壓試驗臺的液壓泵性能分析［J］．機床與液壓，2009，37(3):103－104．

［3］程寒生，曹玉平，閻祥安．液壓泵輸流參數控制與節能［J］．液壓與氣動，2005(4):65－67．

［4］許福玲，陳堯明．液壓與氣壓傳動［M］．北京:機械工業出版社，2008．

［5］薛定宇，陳陽泉．基于MATLAB/Simulink的系統仿真技術與應用［M］．北京:清華大學出版社，2002．