功率回收HK型葉片式液壓馬達試驗臺的研制

計 帥 萬會雄

武漢理工大學物流工程學院 武漢 430063

0 引言

低速大扭矩葉片式液壓馬達的轉速一般不超過400 r/min，輸出扭矩通常都大于1 000 N·m[1,2]。該類型液壓馬達的種類和生產廠家較多，從結構類型、技術性能和市場占有率等方面來看，某公司生產的采用弧形頂桿的HL、HK、HN型三作用、HVB、HVN型四作用以及HVK、HV-LL型六作用低速大扭矩葉片式液壓馬達具有一定的優勢。

上述葉片式液壓馬達能根據負載大小自動調節其工作轉速，性能可靠且換向頻率較高，故在采用液壓絞車的起重運輸機械及錨泊機械等領域得到了廣泛應用[3]。

低速大扭矩葉片式液壓馬達是所屬機械設備的關鍵執行元件。為確保所生產的葉片式液壓馬達性能穩定、可靠性高、使用壽命長，本文僅以某公司生產的HK型中壓低速大扭矩葉片式液壓馬達為對象，采用串并聯液壓補償方式建立符合標準（JB/T 10829—2008）[4]的功率回收型低速大扭矩葉片式液壓馬達試驗臺。在液壓原理設計及靜態分析的基礎上，采用AMESim仿真軟件對被試對象的轉速、加載壓力及扭矩控制特性進行建模與仿真。其研究成果對被試對象的性能測試及相關試驗臺的研發具有一定的指導與參考作用。

1 主要技術指標

HK型中壓低速大扭矩葉片式液壓馬達的主要技術指標：最大排量VB=14.835 L/r，額定壓力pS=7.5 MPa，低速提升重物時的額定轉速nBL=47 r/min，高速下放重物時的額定轉速nBH=143 r/min，額定壓力下的輸出扭矩TS=17 345 N·m，機械效率ηBm=0.977，容積效率ηBV=0.96，轉速及壓力控制準確度不低于B級[4]。

2 試驗臺液壓系統的設計

基于上述HK型中壓低速大扭矩葉片式液壓馬達的主要技術指標，所設計的功率回收低速大扭矩葉片式液壓馬達試驗臺液壓系統原理如圖1所示[5，6]。

圖1 HK型葉片式液壓馬達試驗臺液壓系統原理圖

2.1 系統組成原理

根據功能不同，可將圖1所示液壓系統分為功率回收回路、串聯補償回路和并聯補償回路[7]。

2.1.1 功率回收回路

功率回收回路是由被試葉片式液壓馬達32、加載葉片式液壓馬達泵體30、扭矩轉速傳感器31、二通方向閥插裝件21～24及其控制蓋板25～28等元件組成。

被試葉片式液壓馬達32具有獨特的結構與工作特性，它包括葉片式液壓馬達泵體33和控制器35兩部分。泵體內裝有三作用葉片泵芯和安全閥34；控制器是由五位八通手動換向閥38、低壓切換閥37、高壓切換閥36、平衡閥42和單向閥等元件集合而成；控制器通過螺栓固定在泵體上的相應油口部位。

控制器中的五位八通手動換向閥共有5個工位，即中位，正車（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 3個起升重物工位）和倒車（Ⅳ1個下放重物工位），如圖1所示。

被試葉片式液壓馬達在實際所用的液壓絞車系統中，采用定量泵供油。中位時，液壓系統卸荷，葉片式液壓馬達停止回轉，泵芯中的A、B、C為高壓腔，D、E、F為回油腔，在平衡閥的作用下，起升的重物保持所處的位置不變。

正車時，葉片式液壓馬達起升重物。當五位八通手動換向閥處于正車Ⅰ工位時，泵芯中的A、B、C為高壓腔，D、E、F為回油腔，液壓馬達的排量為VB，所能起升的重量最大、轉速最低（為nB）。當五位八通手動換向閥處于正車Ⅱ工位，所起升重物的負載壓力未達到高壓切換閥的控制壓力時，泵芯中的A、B為高壓腔，D、C、E、F為回油腔，單向閥40起補油作用，此時，液壓馬達的排量為VB/2，所能起升貨物的質量為最大起重量的2/3倍，轉速為VB/3；當所起升重物的負載壓力達到高壓切換閥的控制壓力時，高壓切換閥換向，自動使泵芯中的A、B、C為高壓腔，D、E、F為回油腔，此時，液壓馬達的排量、所能起升貨物的重量及轉速與工位Ⅰ相同。當五位八通手動換向閥處于正車Ⅲ工位，所起升重物的負載壓力未達到低壓切換閥37的工作壓力時，泵芯中的A為高壓腔，B、D、C、E、F均為回油腔，單向閥39和40向B、C腔補油，此時，液壓馬達的排量最小（為VB/3），所能起升貨物的質量為最大起重量的1/3倍，轉速最高（為3nB）；當所起升重物的負載壓力分別達到低壓切換閥和高壓切換閥的控制壓力時，液壓馬達的排量、所能起升貨物的質量及轉速與正車Ⅱ工位中相應負載壓力時的工況相同。

倒車時，葉片式液壓馬達下放重物。此時，五位八通手動換向閥處于倒車Ⅳ工位，泵芯中的F為進油腔，D、E為回油腔，C的排油通過單向閥39與A、B高壓腔相連通，平衡閥42防止重物下放時出現失速現象。此時，液壓馬達的排量最小（為VB/3），轉速最大（為3nB）。

被試葉片式液壓馬達的上述工作特性能降低操作人員的勞動強度，其排量及轉速隨負載壓力的變化性能是功率回收低速大扭矩葉片式液壓馬達試驗臺設計的依據。

圖1中實現功率回收的加載葉片式液壓馬達泵體30與被試葉片式液壓馬達泵體33相同，即采用了對拖加載方式。被試葉片式液壓馬達32的換向由其控制器38實現；4臺二通方向閥插裝件21～24及其控制蓋板25～28組成整流部件，可自動隨被試葉片式液壓馬達的轉向變換其內部油路，保持加載葉片式液壓馬達向控制器的P9口提供壓力油，實現功率回收；此外，由于加載葉片式液壓馬達泵體與被試葉片式液壓馬達的轉向相反（從軸端來看），作為加載用的葉片式液壓馬達泵體不能裝有控制器。

被試葉片式液壓馬達通過扭矩轉速傳感器31與加載葉片式液壓馬達泵體同軸機械聯接，由扭矩轉速傳感器、電控系統及電磁比例溢流閥46等元件組成閉環，實現被試葉片式液壓馬達的加載壓力及輸出扭矩控制。

2.1.2 串聯補償回路

串聯補償回路是由電動機4、6、9，串聯補償泵（定量葉片泵5、7、8），單向閥12、13和14，二通壓力閥插裝件15、壓力閥控制蓋板16、電磁換向閥18及遙控式溢流閥19等元件組成。

圖1中，當電磁換向閥18上的電磁鐵DT1失電時，電動機4、6或9空載起動；當電磁鐵DT1得電時，串聯補償泵通過單向閥14、13或12向二通壓力閥插裝件15以及整流部件的P4口供油，使整流部件A1油口的供油壓力為p1。

如上述供油壓力p1較低，使被試葉片式液壓馬達所產生的驅動扭矩不足以克服被試葉片式液壓馬達、加載葉片式液壓馬達泵體等部件的機械摩擦扭矩時，被試葉片式液壓馬達及加載葉片式液壓馬達泵體不能回轉；調節遙控式溢流閥19，使供油壓力升高，當該壓力升高到一定值時，被試葉片式液壓馬達輸出扭矩增大，并能驅動加載葉片式液壓馬達回轉。試驗臺液壓系統工作時，遙控式溢流閥為安全閥，其設定壓力約為串聯補償泵供油壓力p1的1.2倍。加載葉片式液壓馬達泵體進出口壓差隨著供油壓力p1的變化而變化，從而改變被試葉片式液壓馬達的輸出扭矩。供油壓力p1能自動地與被試葉片式液壓馬達、加載葉片式液壓馬達泵體等部件的機械摩擦扭矩相適應，保證被試葉片式液壓馬達總能驅動加載葉片式液壓馬達泵體回轉。

由于加載葉片式液壓馬達所需的供油壓力p1較低，為降低成本，串聯補償泵采用3臺定量葉片泵組合供油，實現被試葉片式液壓馬達三級調速。

2.1.3 并聯補償回路

并聯補償回路是由電動機52、并聯補償泵（恒壓變量泵53）、單向閥47、二通壓力閥插裝件49、壓力閥控制蓋板51及電磁比例溢流閥46等元件組成。

并聯補償泵通過單向閥47向被試葉片式液壓馬達和加載葉片式液壓馬達泵體提供壓力油，以補償兩者的流量損失并提供多余的流量通過二通壓力閥插裝件。

壓力閥控制蓋板中的溢流閥和電磁比例溢流閥為二通壓力閥插裝件的先導閥。其中，壓力閥控制蓋板中的溢流閥為安全閥；調節電控系統的壓力控制輸入信號，即能通過電磁比例溢流閥46改變加載壓力p2，從而使被試葉片式液壓馬達的加載壓力和輸出扭矩滿足試驗要求。

圖1中，被試葉片式液壓馬達的輸入流量和泄漏流量分別由流量傳感器56和10檢測，試驗臺液壓系統的油溫由風冷器63控制。

2.2 串、并聯補償泵的選型及功率回收率的計算

2.2.1 串聯補償泵

被試葉片式液壓馬達的最大輸入流量為[8]

式中：ηBV為被試葉片式液壓馬達的容積效率，取0.96。

將圖1中低壓切換閥37和高壓切換閥36的控制壓力分別設定為3 MPa和5 MPa。根據上述對該被試葉片式液壓馬達工作特性的分析，當其處于高速輕載（0～3 MPa）、中速中載（3～5 MPa）和低速重載（5～7.5 MPa）工況時，被試葉片式液壓馬達的排量（記為VBK）分別為VB1=VB/3、VB2=2VB/3和VB3=VB，轉速分別為3nB、3nB/2和nB。由式（1）可計算出被試葉片式液壓馬達在上述3種工況下所需的流量均為qB=726.3L/min。

圖1中，被試葉片式液壓馬達的輸出扭矩TBO與加載葉片式液壓馬達泵體的輸入扭矩TJi相等。而

由此可得

由式（2）可得，當P2=PS，被試葉片式液壓馬達處于高速輕載、中速中載和低速重載3種工況（即VBK分別為VB/3、2VB/3、VB）時，加載葉片式液壓馬達泵體供油壓力的最大值依次為5.11 MPa、2.73 MPa和0.35 MPa。

根據上述計算與分析結果，串聯補償泵采用3臺T7B型單聯葉片泵組合使用，實現被試葉片式液壓馬達三級調速，并能檢測試驗臺對其轉速的控制性能。3臺單聯葉片泵排量分別為VC1=269 mL/r、VC2=142.2 mL/r和VC3=111 mL/r。三級調速時串聯補償泵的組合排量分別為

串聯補償泵的輸出流量為

式中：nD為驅動串聯補償泵的電動機轉速，取1 480 r/min；ηcV為串聯補償泵（包括相應閥組）的容積效率，取0.94；k為序號，k=1、2、3。

由式（4）～式（7），可計算出三級調速時串聯補償泵的輸出流量分別為qZ1=350.86 L/min、qZ2=527.26 L/min和qZ3=725.09 L/min。由此可見，串聯補償泵的最大輸出流量qZ3滿足被試葉片式液壓馬達最大輸入流量qB的要求。

當串聯補償泵的輸出流量為qZ3時，被試葉片式液壓馬達的輸入流量為

由式（8）可計算出被試葉片式液壓馬達在高速輕載、中速中載和低速重載工況時的輸入流量分別為qB1=232.03 L/min、qB2=464.06 L/min、qB3=696.09 L/min。

當串聯補償泵的輸出流量為qZ3時，其輸入功率為

式中：ΔpC為串聯補償泵排油口至加載葉片式液壓馬達進油口的壓力損失，取1 MPa；ηcm為串聯補償泵的機械效率，取0.95。

當加載葉片式液壓馬達泵體供油壓力p1依次為5.11 MPa、2.73 MPa和0.35 MPa時，由式（9）可計算出串聯補償泵的輸入功率分別為PC1=82.69 kW、PC2=50.48 kW和PC3=18.27 kW。

2.2.2 并聯補償泵

并聯補償泵的輸出流量及輸入功率分別為

式中：qf為圖1中二通壓力閥插裝件49正常調壓時所需的最小流量，取50 mL/min；ΔpF為并聯補償泵排油口至被試葉片式液壓馬達進油口的壓力損失，取0.9 MPa。ηFV、ηFM為并聯補償泵的容積效率與機械效率，取ηFV=0.96、ηFM=0.95。

根據上述計算結果，并聯補償泵采用A10VSO型恒壓變量泵，其排量設定為76.5 mL/r。

2.2.3 功率回收率

試驗臺液壓系統的回收功率為被試葉片式液壓馬達的輸出功率。當串聯補償泵的輸出流量為qZ3、且p2=pS時，該回收功率為

試驗臺液壓系統的功率回收率為

由式（11）、式（12），可計算出被試葉片式液壓馬達在高速輕載、中速中載和低速重載工況時試驗臺液壓系統的功率回收率分別為ξ1=21.39%、ξ2=46.61%和ξ3=69.62%。

按照JB/T 10829—2008[4]的規定，液壓馬達應在滿載工況下試驗。由上述計算可知，被試葉片式液壓馬達在低速重載工況時，其功率回收率高。

2.2 液壓系統的特點

1）采用串并聯液壓補償功率回收方式，能起到降低電動機的裝機功率、節約能源及減少系統發熱等作用；

2）串聯補償泵采用3臺單聯葉片泵組合使用，能實現被試葉片式液壓馬達三級調速，且試驗轉速穩定，控制方便；

3）系統中被試葉片式液壓馬達的加載壓力采用閉環控制，試驗重復性好、參數測試準確。

3 基于AMESim試驗臺液壓系統的建模與仿真

3.1 仿真模型的建立

根據圖1所示試驗臺液壓系統原理，采用AMESim仿真軟件中的機械庫和液壓庫等，所建立的仿真模型如圖2所示[9-13]。

仿真模型針對被試葉片式液壓馬達的轉速及扭矩2個最主要的試驗參數進行建模與仿真。為簡化計算，將圖1中平衡閥42的控制壓力設定為8.28 MPa，3臺單聯葉片泵5、7、8及單向閥14、13、12分別由圖2中的1臺串聯補償泵1和1臺單向閥4代替，圖1中的控制器35則由1臺等效的電磁換向閥17取代，該處理不會對仿真結果產生影響。

基于圖2中各元件的選型樣本，所得到相關子模型的參數設置如表1[14]所示。

圖2 HK型葉片式液壓馬達試驗臺仿真模型

表1 系統子模型的參數設置

3.2 調速特性的仿真分析

按照圖2所示的仿真模型及表1各子模型的參數設置，當串聯補償泵的輸出流量分別為VZ1=252.2 mL/r、VZ2=379 mL/r和VZ3=521.2 mL/r時，所得到的被試葉片式液壓馬達調速特性如圖3所示。

圖3 被試葉片式液壓馬達的調速特性

圖中的仿真時間t設定為：時間(0～5) s、(5～10)s、(10～15) s、(15～20) s 和(20～25) s 分別對應圖1中五位八通換向閥38的正車Ⅰ工位、正車Ⅱ工位、正車Ⅲ工位、中位和倒車Ⅳ工位。

由圖3可見，當串聯補償泵的排量分別為VZ1=252.2 mL/r、VZ2=379 mL/r和VZ3=521.2 mL/r時，被 試 葉 片式液壓馬達的轉速分別為47.32 r/min、34.18 r/min和22.63 r/min，且轉速穩定，其最高轉速滿足試驗臺技術指標的要求。

在正車Ⅱ工位、正車Ⅲ工位和倒車Ⅳ工位，圖1中加載葉片式液壓馬達泵體30的排量依次為被試葉片式液壓馬達32排量的1.5倍、3倍和3倍，因此，加載葉片式液壓馬達泵體分別有2/3、1/3和1/3的輸出流量進入被試葉片式液壓馬達，其余流量通過圖1中二通壓力閥插裝件49溢流，不會出現困油現象。

3.3 加載壓力及扭矩控制特性的仿真分析

按照圖2所示的仿真模型及表1各子模型的參數設置，所得出的被試葉片式液壓馬達加載壓力及扭矩控制特性分別如圖4和圖5所示。圖中仿真時間的設定與被試葉片式液壓馬達調速特性中的仿真時間t相同。

由圖4可見，在正車Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ工位和倒車Ⅳ工位的仿真時間段內，當圖2中信號源9的指令輸入電流依次為6 mA、10 mA和15 mA時，被試葉片式液壓馬達的加載壓力分別為3.01 MPa、5.02 MPa和7.52 MPa，且控制壓力穩定，滿足試驗臺技術指標的要求；當圖1中五位八通換向閥38處于中位的(15～20) s時間段內，被試葉片式液壓馬達的加載壓力為0。

圖4 被試葉片式液壓馬達加載壓力控制特性

由圖5可見，在正車Ⅰ工位的(0～5) s時間段內，由于被試葉片式液壓馬達處于最大排量（為VB）工況，當圖2中信號源9的指令輸入電流依次為6 mA、10 mA和15 mA時，被試葉片式液壓馬達的輸出扭矩分別為6 917 N·m、11 568 N·m和17 399 N·m。

圖5 被試葉片式液壓馬達扭矩控制特性

在正車Ⅱ工位的(5～10) s時間段內，當圖2中信號源9的指令輸入電流依次為6 mA和10 mA時，被試葉片式液壓馬達的排量均為2VB/3，其輸出扭矩分別為4 734 N·m和7 835 N·m；而當指令輸入電流為15 mA時，圖1中的高速切換閥36換向，被試葉片式液壓馬達的排量變換為VB，其輸出扭矩分別為17 399 N·m。

在正車Ⅲ工位的(10～15) s時間段內，當圖2中信號源9的指令輸入電流為6 mA時，被試葉片式液壓馬達的排量為VB/3，其輸出扭矩為2 369 N·m；當指令輸入電流分別為10 mA和15 mA時，圖1中低速切換閥37和高速切換閥36依次換向，被試葉片式液壓馬達的排量變換為2VB/3和VB，其輸出扭矩分別為7 835 N·m和17 399 N·m。

當圖1中五位八通換向閥38處于中位時(15～20) s時間段內，被試葉片式液壓馬達的輸出扭矩為0。

在倒車Ⅳ工位的(20～25) s時間段內，被試葉片式液壓馬達的排量為VB/3，當圖2中信號源9的指令輸入電流依次為6 mA、10 mA和15 mA時，被試葉片式液壓馬達的輸出扭矩在20.1 s趨于穩定，分別為2 418 N·m、3 968 N·m和5 912 N·m。

由圖3～圖5可知，被試葉片式液壓馬達的轉速經過0.24 s趨于穩定，在0.2 s時系統最高轉速為48.05 r/min，其最大轉速誤差為0.68%；被試葉片式液壓馬達的加載壓力經過0.2 s趨于穩定，最小壓力為3.01 MPa，其最大壓力誤差為0.33%；被試葉片式液壓馬達的輸出扭矩在0.25 s時趨于穩定，最大扭矩為17 399 N·m，其最大扭矩誤差為0.31%。測量系統的允許誤差均在B[4]級精度以內。

4 結論

本文基于HK型中壓低速大扭矩葉片式液壓馬達的主要技術指標及其工作特性分析，采用串并聯液壓補償方式完成了該類型葉片式液壓馬達試驗臺的設計、建模與仿真。其主要結論如下：

1）試驗臺液壓系統采用功率回收方式，功率回收率達69.62%，從而起到了降低電動機的裝機功率、節約能源及減少系統發熱等作用。

2）串聯補償泵采用3臺單聯葉片泵組合使用，實現了被試葉片式液壓馬達三級調速，具有轉速調節方便和降低制造成本等優點；此外，被試葉片式液壓馬達的加載壓力采用閉環控制，自動化程度高。

3）基于AMESim軟件，完成了試驗臺液壓系統的建模與仿真。仿真結果表明：在低速重載工況下，被試葉片式液壓馬達的轉速、加載壓力和輸出扭矩分別為47.32 r/min、7.52 MPa和17 399 N·m，且上述各參數調節性能好、控制準確。

4）該試驗臺已完成調試試驗。結果表明，所研制的試驗臺符合標準JB/T 10829—2008的規定，且具有功率利用合理、功能完善、測試準確、自動化程度高及安全可靠等優點，其各項性能達到了所規定的技術指標要求。