基于機械功率回收式液壓泵馬達試驗臺的研制

王汝成，傅連東，彭海洋，林少龍

（1.武漢科技大學冶金裝備及其控制教育部重點實驗室機械傳動與制造工程湖北 省重點實驗室，湖北 武漢 430081；2.廣東省韶關市質量計量監督檢測所，廣東韶關 512000）

1 引言

液壓泵和液壓馬達屬于液壓傳動系統中的核心動力元件和執行元件，隨著液壓系統在工程機械中應用的更加廣泛，不少廠家對液壓泵和液壓馬達的性能也愈加重視，因而搭建一個高效率、低能耗的液壓試驗系統是至關重要的。液壓泵和液壓馬達在性能測試的時候需要試驗臺處于長期運行狀態，而目前我國對液壓泵和液壓馬達的測試標準都是通過節流閥或者溢流閥加載[1]，液壓泵輸出的壓力能全部轉化為熱能損耗，不僅加重了液壓系統的負擔，還會使液壓元件壽命減少。

為了使液壓泵和液壓馬達試驗成本降低，國內外已有諸多學者對液壓泵馬達功率回收試驗臺進行了深入研究，文獻[2]早在20世紀80年代就提出了一種液壓馬達和電機聯合驅動液壓泵的機械補償式功率回收系統，其中扭矩差由電機通過齒輪箱補充。文獻[3-4]提出的液壓功率回收試驗系統，被試馬達與加載泵同軸相連，變量泵與被試馬達并聯，被試泵輸出壓力油給被試馬達，三者之間構成一個互為負載的閉合回路。文獻[5]提出一種用電功率回收的方式，功率回收馬達帶動加載電機，經過加載變頻單元使機械能轉換為電能儲存在公共母線中，再由驅動變頻單元將電能轉換為機械能給加載泵，外部電網僅提供小部分電力給驅動電機。

根據國家行業標準JB/T10829—2008《液壓馬達》和JB/T7043-2006《液壓軸向柱塞泵》對液壓泵、液壓馬達的試驗包括出廠試驗和型式試驗。而目前國家標準中的液壓泵和液壓馬達的試驗回路存在能量消耗大，試驗成本高的特點。為了減少試驗成本，試驗臺對液壓泵、液壓馬達試驗過程中采用機械功率回收方式將耗散的能量重新回收利用。

實現對開式柱塞泵、閉式柱塞泵和柱塞馬達試驗的功率回收有兩個關鍵點：（1）實現試驗臺具有功率回收的效果；（2）實現在一個試驗臺上同時滿足三種液壓元件的試驗要求。

2 液壓試驗臺設計

機械功率回收試驗臺設計的關鍵思路是：液壓馬達將被測泵輸出的液壓能轉化成回轉的機械能，減小驅動電機的輸出功率，達到節能的目的。

2.1 機械功率回收式液壓系統原理

機械功率回收液壓泵馬達試驗系統原理，如圖1所示。雙輸出軸電機1分別連接被測泵和功率回收馬達，被測泵2輸出的流量一部分通過溢流閥4溢流回到油箱，另一部分液壓油用來驅動功率回收馬達3作回轉運動，功率回收馬達回收的機械能幫助電機輸出轉矩。

圖1 機械功率回收液壓泵馬達試驗臺原理簡圖Fig.1 Schematic Diagram of Mechanical Power Recovery Hydraulic Pump Motor Test Bench

由于雙向變量泵在試驗過程中輸出流量大小和方向都發生變化，進出油口方向會發生改變，故很難在一個閉合油路中實現功率回收。因此液壓試驗臺設置電動三通球閥將開式回路與閉式回路分開，形成一個半閉式的液壓系統，同時通過液壓橋路控制功率回收馬達的旋轉方向，即可滿足對開式泵、閉式泵和液壓馬達三種不同柱塞元件的測試要求。機械補償功率回收式液壓泵馬達試驗系統，如圖2所示。主電機功率為200kW,最高試驗壓力為50MPa。

圖2 液壓系統原理圖Fig.2 Schematic Diagram of Hydraulic System

2.2 開式泵測試工作原理

非功率回收模式下，將功率回收馬達從聯軸器上脫離，電磁換向閥閥7保持在中位，功率回收馬達不轉動。比例溢流閥8起溢流作用，加載后的油液通過熱交換器9冷卻后回到油箱。

功率回收模式下，通過電磁換向閥7和橋式回路6來控制能量馬達的正、反轉，與被測泵的旋轉方向相匹配。油液經過橋式回路6到達功率回收馬達入口，比例溢流閥8起安全閥作用。

2.3 閉式泵測試工作原理

閉式泵測試實驗時，將被試閉式泵安裝在被測泵3處，閉式泵的A、B口與PA、PB口連接。補油泵17在測試過程中補充陪試馬達和功率回收馬達的泄漏量。

非功率回收模式下，功率回收馬達從聯軸器上脫離，電磁換向閥7保持在中位，功率回收馬達14不轉動，比例溢流閥8起溢流作用。加載后的油液通過冷卻器9冷卻之后回到加載馬達的入口。

功率回收模式下，被測閉式泵3的高壓油經過流量計帶動被測馬達13轉動，被測馬達13與加載馬達12同軸連接。加載馬達12的油液經過液壓橋路到達功率回收馬達的入口，電磁溢流閥7和液壓橋路6控制功率回收馬達與被測泵旋轉方向相匹配，比例溢流閥8起安全閥作用，功率回收馬達將扭矩傳遞給電機。

2.4 試驗臺的特點

2.4.1 冷卻循環系統

高溫油通過板式冷卻器進行冷卻，冷卻水塔放置在戶外，用于控制冷卻水的溫度。循環過濾是獨立的過濾系統。系統可以同時實現回油冷卻、過濾和獨立循環冷卻、過濾。既有利用回油冷卻的熱交換溫差大的優點，又利用了獨立冷卻啟停的隨時性。

2.4.2 比例溢流閥的設置

液壓泵馬達試驗臺通過采用變量馬達與比例溢流閥組合實現系統的加載。調節功率回收馬達的排量與被測泵的排量相匹配，多余的油液通過比例溢流閥加載。通過給定壓力值與泵出口壓力對比，調節比例溢流閥的控制電流大小即可自動調節系統壓力。在非功率模式回收下可以用比例溢流閥加載。

3 試驗臺流量匹配與回收效率分析

3.1 開式泵試驗系統回收效率分析

功率回收效率等于液壓系統回收功率與液壓系統輸入功率之比，其值可用ζ來表示。由于在整個液壓系統中，僅當溢流閥有溢流量時，系統壓力才可調。被試泵與功率回收馬達之間的功率差和扭矩由電機提供，即滿足以下關系:

式中：np—被測泵轉速；

PP—被測泵兩端壓差；

VP—被測泵排量；

ηv-P—被測泵容積效率；

ηm-P—被測泵機械效率；

nM—功率回收馬達轉速；

VM—功率回收馬達排量；

ηv-M—功率回收馬達容積效率；

ηm-M—功率回收馬達機械效率；

ηT—聯軸器傳動效率。

設被測開式泵的ηv-P—0.97，ηm-P—0.87，功率回收馬達ηv-M—0.95，ηm-M—0.88，ηT—0.98，功率回收效率理論上最高可達70%。

3.2 閉式泵馬達試驗系統回收效率分析

閉式液壓系統由兩個閉式回路組成，流量匹配滿足以下條件：

被試馬達和陪試馬達同軸連接，轉速相同，故nM1=nM2，代入公式得:

式中：PM3—功率回收馬達兩端壓差；ηv-P1—被測泵容積效率；ηm-P1—被測泵機械效率；ηv-M1—被試馬達容積效率；ηv-M3—功率回收馬達容積效率；ηm-M3—功率回收馬達機械效率；ηv-M2—加載馬達容積效率；ηT—聯軸器傳動效率。

由以上公式可知，回收效率與被測閉式泵與功率回收馬達的參數匹配、加載馬達的參數以及系統泄漏量有關，與被測泵、加載馬達、功率回收馬達的效率和聯軸器的效率、電機的效率成正比；與系統的溢流量成反比。

由于被測泵和功率回收馬達同軸相連，故nP1=nM3，當泄漏量QR1、QR2很小忽略不計時，補油泵流量忽略不計。為了保證調壓穩定，當被測馬達和加載馬達功率接近時，需使兩者排量相近。故VM1=VM2，PP1=PM3。代入上述公式得：

設被測泵的容積效率和機械效率分別為0.96、0.88,被測馬達、陪試馬達和被測馬達容積效率和機械效率都分別取0.95、0.88,功率回收馬達容積效率和機械效率分別取0.95、0.88，聯軸器傳動效率取0.98。經計算回收功率可達69%。

4 液壓試驗臺測控原理

控制器采用CompactRIO高性能控制器，變頻器采用東元的F150-4300-H3變頻器，工控機采用研華工控機IPC-6606。數據采集處理及電氣控制系統由動力電控柜、試驗手動操作控制臺、上位機臺、軟件及人機界面、數字顯示屏組成[6-7]。液壓泵馬達測控原理框圖，如圖3所示。

圖3 測控系統圖Fig.3 Measurement and Control System Diagram

4.1 PLC控制系統

控制系統采用西門子PLC S7-200 smart，控制電壓為DC24V，確保安全性。NI CompactRIO 控制器同PLC 一起放置在控制柜內，實現數據采集功能和動態加載功能。所有采集到的信號都通過高速隔離變送器變化為（0～10）V信號傳至控制器的模擬量輸入模塊[8]。采用16位16通道DA模擬量輸出卡，通過采集控制軟件提供加載譜，實現正弦波，方波，梯形波，異形波等加載方式。

4.2 CAT系統

試驗臺CAT系統采用NI公司的LabVIEW軟件開發，能完成壓力、流量、泄漏量、油溫、液位等參數的自動采集和測試[9]，根據測試項目進行數據處理、存儲備份，并由計算機自動生成相應的試驗曲線及試驗報告，并能其及時予以保存和打印輸出，試驗數據以XLS等格式保存，還可以導入其他分析軟件，便于研發人員自主生成各類曲線。

測試項目由開式泵測試、閉式泵測試、液壓馬達測試三個部分組成。測試系統界面包含①數據顯示區、②報警顯示區、③曲線圖形顯示和其他項目測試操作區、④加載閥調節區、⑤主電機啟動停止操作區、⑥采集啟停和報表生成區。主要數據顯示區包括轉速、扭矩、壓力、流量、功率和油溫等參數。開式泵測試界面，如圖4所示。LabVIEW 編寫的數據采集模塊程序框圖，如圖5所示。

圖4 開式泵測試界面圖Fig.4 Test Interface Diagram of Open Pump

圖5 信號采集模塊Fig.5 Signal Acquisition Module

5 功率回收效果分析

在最大驅動功率為200kW試驗臺上，對排量為190ml/r、轉速為1000r/min的開式泵進行測試，其中，回收馬達排量為140ml/r，加載壓力按每50bar遞增到350bar，測得試驗數據，如表1所示。

由表1可看出在電機轉速一定的情況下，電機功率和泵輸入功率隨著加載壓力的增長趨勢為線性增長，回收效率隨著加載壓力變化先增大后減小。

表1 開式泵試驗臺功率回收試驗數據Tab.1 Power Recovery Data of Open Pump Test Bench

為了更深入研究開式泵試驗系統功率回收的特性，分別繪制液壓泵總效率和系統功率回收效率隨加載壓力的趨勢圖，系統功率回收效率與開式泵的總效率變化趨勢相同，如圖6所示。

圖6 開式泵功率回收系數曲線圖Fig.6 Power Recovery Coefficient Curve of Open Pump

隨著加載壓力的變化，液壓泵的總效率存在最大值[10]，故系統功率回收效率也存在最大值。

在最大驅動功率為200kW試驗臺上，對排量為90ml/r、轉速為1500r/min 的閉式泵進行測試，加載壓力按每50bar 遞增到400bar，測得試驗數據，如表2所示。

表2 閉式泵試驗臺功率回收試驗數據Tab.2 Power Recovery Data of Closed Pump Test Bench

從表2中可看出在轉速一定情況下，電機功率和閉式泵輸入功率與加載壓力為線性增長，系統功率回收效率隨加載壓力變化先增大后減小。

閉式泵功率回收效率和總效率隨加載壓力變化曲線，如圖7所示。圖中表明，當系統壓力較小時，系統回收效率較低，隨著加載壓力的不斷增大，系統功率回收效率逐漸增高。系統功率回收效率與閉式泵總效率的變化趨勢相同，且都存在最大值。

圖7 閉式泵功率回收系數曲線圖Fig.7 Power Recovery Coefficient Curve of Closed Pump

6 結論

（1）通過合理設置功率回收馬達排量，使加載馬達與回收馬達形成流量差以提升系統壓力和功率回收。選擇高效率液壓元件和高效工作區能有效提高回收效率。

（2）通過設置功率回收馬達能夠減少從比例溢流閥溢出的流量，不僅減少了能量損失同時也提高了比例溢流閥的使用壽命。

（3）對大功率液壓泵馬達測試系統而言，機械補償功率回收式液壓泵馬達試驗系統與電功率回收試驗系統相比，占地面積更小，試驗成本更低。經試驗表明，該液壓系統處于功率回收模式時，實際回收效率可達46%，功率回收效果顯著。該系統對技術人員設計和研究液壓系統節能方面具有重要的參考價值。