多泵多馬達調壓系統理論分析與實驗

聞德生 隋廣東 劉小雪 田山恒 王少朋 馮佩坤

(燕山大學機械工程學院， 秦皇島 066004)

0 引言

隨著液壓傳動技術的廣泛應用，對元件的噪聲控制、抗沖擊性、比功率等方面的研究越來越深入，而在泵和馬達工作原理上的研究有限[1-2]。基于雙定子理論，成功研制了雙定子泵和雙定子馬達[3]。對于傳統液壓系統來說，由于傳統泵和馬達的局限性，當需要系統多輸出時，就需要控制多個定量泵工作。而雙定子泵和雙定子馬達利用其自身結構的特殊性，可以實現一個泵多輸出的功能，滿足傳統液壓元件無法實現的需求[4]。當這種液壓元件用到傳統液壓系統中時，構成了一種新的液壓系統，即多泵多馬達液壓傳動系統[5]，該液壓系統可以簡化很多不必要的液壓控制閥，使得整個系統的功率損失大大降低[6-7]。典型液壓回路中的調壓回路在液壓系統中必不可少，所以多泵多馬達調壓系統的研究就變得很重要[8]。本文對多泵多馬達調壓系統進行分析與實驗。

1 多泵多馬達原理

以單作用雙滾柱連桿型等寬曲線雙定子泵為例，結構原理如圖1所示[9]。其工作原理和傳統葉片泵工作原理相似，都是容積式泵，其雙定子泵由內泵和外泵組成。由外定子內表面、轉子外表面、外滾柱和連桿及兩側板形成了雙定子泵的外泵；同理，由內定子外表面、轉子內表面、內滾柱、連桿及兩側板組成了內泵。這樣單作用雙滾柱連桿型等寬曲線雙定子泵就形成了由一個內泵和一個外泵組成的兩個互不相干的比例雙泵[10]。

圖1 單作用雙滾柱連桿型等寬曲線雙定子泵結構原理簡圖Fig.1 Schematic diagram of single-acting double-roller connecting rod type equal-width curve double stator pump1.內定子 2.轉子 3.外定子 4.外泵變化容積 5.內泵變化容積 6.內滾柱 7.連桿 8.外滾柱

同理，雙作用可實現4個泵，如果是n個作用數即可實現2n個泵[11]。圖2所示為雙作用雙滾柱連桿型等寬曲線雙定子泵結構原理簡圖。

圖2 雙作用雙滾柱連桿型等寬曲線雙定子泵結構原理簡圖Fig.2 Schematic diagram of double-acting double-roller connecting rod type equal-width curve double stator pump1.內定子 2.轉子 3.外定子 4.外泵變化容積 5.內泵變化容積 6.內滾柱 7.連桿 8.外滾柱

2 雙定子雙作用泵的調壓回路原理分析

調壓回路是使系統整體或部分的壓力保持恒定或不超過某一數值[12]。傳統的多級調壓回路為了實現其功能，通常需要多個換向閥和溢流閥作用[13]。然而在使用這些元件的過程中，不但會產生功率損失，還會提高整個系統的故障率。根據傳統多級調壓回路和雙定子雙作用泵的特點，設計了雙定子雙作用泵調壓回路，其原理如圖3所示。

圖3 雙定子雙作用泵的調壓回路原理圖Fig.3 Schematic diagram of regulator circuit of double stator double acting pump1、2、3、4.溢流閥 5、6、7、8.換向閥 9、10、11、12.液壓缸 13.新型雙定子泵

由圖3可知，只需改變相應支路換向閥不同的工作狀態即可實現雙定子泵的不同工作形式，而且每個支路只要一個溢流閥就可實現雙定子泵的多種壓力輸出。由于雙定子雙作用泵的結構原因，使得內泵和外泵的排量不同，設內泵流量為q，外泵流量為kq(k是泵的設計參數)，閥1、2、3、4分別調定壓力p1、p2、p3、p4。雙定子雙作用泵調壓回路工作情況如表1所示。

表1的工作情況是只有單個工作缸工作，但是通過控制換向閥的工況，可以實現多個工作缸同時運動，這就實現了傳統的液壓泵所不能實現的單個泵同時供應不同負載的要求，結合各個支路的溢流閥，即可實現一個回路實現多功能、多功率的輸出。

3 多泵多速馬達二級調壓回路理論分析

3.1 原理分析

傳統二級調壓回路原理圖如圖4所示。主溢流閥調定壓力為p3，遠程調壓閥調定壓力為p4，定量泵流量為kq。由圖4可知，主溢流閥的控制管路與遠程調壓閥連接，此時可實現一個系統輸出2種壓力[14-15]。在多泵多速馬達二級調壓回路中采用的是雙定子泵和雙定子馬達。其中雙定子泵(馬達)有多種作用數。為了簡要說明新型二級調壓回路的特點，該液壓回路采用單作用泵和單作用馬達，多泵多速馬達二級調壓回路原理圖如圖5所示。

表1 雙定子雙作用泵調壓回路工作情況Tab.1 Double stator double action pump pressure regulation circuit operation

圖4 傳統二級調壓回路原理圖Fig.4 Schematic diagram of traditional two-stage regulator circuit1.液壓泵 2.主溢流閥 3.遠程調壓閥 4.換向閥 5.液壓馬達

對比傳統回路和新型回路可知，該新型回路的調壓范圍是傳統回路的2倍。設溢流閥2、遠程調壓閥3、溢流閥4、遠程調壓閥5調定的壓力分別為

圖5 多泵多速馬達二級調壓回路原理圖Fig.5 Multi-pump multi-speed motor secondary regulator circuit schematic1.雙定子單作用泵 2、4.先導式溢流閥 3、5.遠程調壓閥 6、7.方向控制閥 8.雙定子單作用馬達 9、10、11、12、13、14.兩位換向閥

p1、p2、p3、p4，且要求p1>p2>p3>p4。通過控制換向閥工作，系統可實現多輸出。該新型調壓回路不同工作方式如表2～4所示。

表2 內泵單獨工作時回路的工作情況Tab.2 Working condition of circuit when inner pump worked alone

表2～4中轉速、轉矩的第1位下標的1、2、3分別代表內泵、外泵和內、外泵同時工作的情況，第2位下標的1和2分別代表內馬達和外馬達工作。通過改變雙定子泵的3種輸出方式可調節系統工作不同速度。另外該雙定子多速馬達有普通工作方式和差動工作方式，共可輸出4種不同的工作方式。因此，根據工況要求，可通過改變換向閥的工作方式來滿足所需轉矩。

表3 外泵單獨工作時回路的工作情況Tab.3 Working condition of circuit when external pump worked alone

表4 內、外泵聯合工作時回路的工作情況Tab.4 Working condition of circuit when internal and external pumps worked together

3.2 恒負載工況的靜態特性分析

在傳統二級調壓回路中，當溢流閥有溢流時[16]，液壓泵的輸出功率Pp為

Pp=P0+ΔPi

(1)

其中

(2)

式中P0——液壓馬達輸出功率，W

ΔPi——溢流閥功率損失，W

qp——泵輸出流量，L/min

q1——溢流閥溢出流量，L/min

圖6 傳統回路恒負載工況下的特征曲線Fig.6 Characteristic curve of traditional circuit under constant load conditions

前文假設主溢流閥調定壓力為p3，遠程調壓閥調定壓力為p4。當i=1時，此時ΔP1=p3(qp-q1)，其中ΔP1表示溢流閥的功率損失；當i=2時，此時ΔP2=p4(qp-q1)，其中ΔP2表示遠程調壓閥的功率損失。傳統調壓回路在恒負載工況下的功率特性如圖6所示。

當新型回路的溢流閥有溢流時，新型二級調壓回路在恒負載工況下的特征曲線圖如7所示。

圖7 新型回路恒負載工況下的特征曲線Fig.7 Characteristic curve of new circuit under constant load conditions

圖中，ΔP1=p1(qp-q1)，其中ΔP1表示溢流閥2功率損失；ΔP2=p2(qp-q1)，其中ΔP2表示溢流閥3功率損失；ΔP3=p3(qp-q1)，其中ΔP3表示溢流閥4功率損失；ΔP4=p4(qp-q1)，其中ΔP4表示溢流閥5的功率損失。由于傳統二級調壓回路中溢流閥2和3的調定壓力和新型回路中的溢流閥4和5的調定壓力相同，所以圖6的2、3直線和圖7的4、5直線分別相同，并且溢流閥調定壓力越高，系統的功率曲線較高，也就越節能。

恒負載工況下系統效率為

(3)

式中pp、qp、p1是常數，當負載較大，ΔP1=p1，q1=qp時，回路效率為

(4)

式中 Δp——液壓馬達進出口壓力，Pa

由此可見，恒負載工況時，所受負載越大，工作效率越高。

3.3 恒功率工況的靜態特性分析

在恒功率工況時，設傳統回路的液壓馬達輸入功率與輸出功率相等，馬達輸出功率表達式為

Pm=qmΔp=Tmn

(5)

其中

式中qm——進入馬達的流量，L/min

Tm——馬達轉矩，N·m

n——馬達轉速，r/min

V——馬達排量，L/r

由于傳統采用定量馬達，所以排量為常數，在驅動一個負載情況下，其液壓馬達進出口壓力也為常數，故液壓馬達轉矩為定值，轉速也不能調節[17-18]。但由于新型二級調壓回路中采用雙定子馬達，可調節馬達排量，使馬達可輸出不同轉矩。對于該雙定子單作用馬達來說，可輸出4種轉速和轉矩。恒功率下不同工作方式的輸出轉矩和轉速如表5所示。

表5 恒功率工況下不同工作方式的輸出轉矩和轉速Tab.5 Output torque and speed for different working modes under constant power conditions

4 實驗

為了驗證新型多泵多速馬達二級調壓回路的可行性，建立的實驗系統原理圖如圖8所示。

圖8 新型壓力控制回路的實驗系統原理圖Fig.8 Schematic diagram of test system for new pressure control circuit1.溫度計 2.濾油器 3.截止閥 4、11.溢流閥 5.雙定子泵 6.原動機 7、12.電磁換向閥 8.壓力表 9.單向閥 10.液壓馬達

在連接實驗設備時，需注意[19]：①檢查管路安裝是否正確。②嚴格按照液壓元件產品說明書要求進行安裝。③工作介質推薦使用46號液壓油或其他運動粘度(2.5～3.0)×10-5m2/s(50℃)的中性礦物油，連續運轉的溫度為15～60℃。④新機開始運轉時，在無負載狀態下反復啟動原動機，為確保系統內空氣排除，連續運轉10 min左右。圖9為液壓元件連接圖，圖10為新型壓力控制回路連接圖。

圖9 液壓元件連接圖Fig.9 Diagram of hydraulic components connection

圖10 新型壓力控制回路連接圖Fig.10 Diagram of new pressure control circuit connection

選擇的實驗樣機結構尺寸參數如表6所示。

表6 實驗樣機結構參數Tab.6 Experimental prototype structure parameters

在該壓力控制系統實驗中，通過轉矩測量儀和轉速測量儀分別測出馬達轉矩和系統流量，分析雙定子泵的總效率。采集到的數據如表7～9，分別表

表7 不同工作方式的容積效率Tab.7 Volumetric efficiency of different working methods

表8 不同工作方式的機械效率Tab.8 Mechanical efficiency of different working methods

表9 不同工作方式的總效率Tab.9 Total efficiency of different working methods

示該回路在不同工作方式下的容積效率、機械效率和總效率。

在不同工作方式下不同壓力的雙定子泵實際流量、容積效率、機械效率和總效率分別如圖11～14所示。

圖11 不同工作方式下雙定子壓力與泵實際流量關系Fig.11 Actual flow of double stator pump under different pressures and working modes

圖12 不同工作方式下雙定子壓力與泵容積效率關系Fig.12 Volumetric efficiency curves of dual stator pump under different pressures and working modes

圖13 不同工作方式下雙定子泵壓力與機械效率關系Fig.13 Mechanical efficiency curves of double stator pump under different working modes and pressures

由圖11～14可知，雙定子泵的容積效率隨著壓力的增大而減小，其機械效率和總效率隨之增大而增大。造成壓力、容積效率和總效率較低的主要原因有[20]：①樣機加工過程中存在加工誤差，影響零部件尺寸精度。②在連接液壓系統時，由于管路沿程損失和控制閥等原因會影響實驗效率。③在讀取實驗表結果時，存在人為的讀取誤差，即人工操作誤差。④在元件工作時，內部存在摩擦損失，導致實驗結果和理論分析存在一定誤差。⑤隨著壓力的增加使元件工作過程中泄漏量變大，導致雙定子泵的實測流量有稍微的下降趨勢。但通過以上數據分析，證明了該新型壓力控制回路的可行性。但是由于零件的加工存在精度和測得數據的誤差等因素，導致該回路效率相對較低，但其結果和理論分析的結果基本一致，這也同時證明了理論分析的正確性。

圖14 不同工作方式下雙定子泵壓力與總效率關系Fig.14 Total efficiency curves of double stator pump under different pressures and working modes

5 結束語

多泵(馬達)可以使一個泵(馬達)體起到多個傳統的泵(馬達)的作用，多泵多速馬達調壓回路相對于傳統的調壓回路更節能，且可實現多種輸出。通過實驗，驗證了該回路可行性，故可根據雙定子泵雙定子馬達的理論，可結合傳統液壓回路創新設計出更多具有多功能的液壓系統。