并行式可靠性試驗臺節能研究

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(1. 燕山大學 河北省重型機械流體動力傳輸與控制重點實驗室， 河北 秦皇島 066004；2. 燕山大學 先進鍛壓成形技術與科學教育部重點實驗室， 河北 秦皇島 066004)

引言

液壓系統處于控制和動力傳輸的核心地位，廣泛應用于冶金工業、工程機械、航空航天、船舶等諸多重要領域，因此，液壓元件與系統的可靠性成為保障產品品質的核心因素。可靠性試驗作為可靠性研究中重要的一環，其目的是為了發現產品在設計、材料和工藝方面的各種缺陷，確定其失效模式和失效機理，針對薄弱環節提出改進性措施，從而進一步提高產品的可靠性水平[1、2]。本研究以節能為目標，采用功率回收方式搭建多機并行可靠性試驗臺對軸向柱塞泵進行試驗，并對節能效果進行分析研究。

1 液壓補償功率回收

1.1 串聯液壓泵補償功率回收方案

串聯液壓泵補償功率回收系統原理簡圖如圖1所示。加載液壓泵3(或為被試液壓泵)與被試液壓馬達4(或為加載液壓馬達)通過機械結構連接起來，轉速相同。通過調節補油泵2的輸出流量或節流閥5開度大小，可以完成系統壓力以及加載液壓泵3和被試液壓馬達4轉速的調節。在節流閥口開度一定的情況下，改變補油液壓泵的排量可以改變補入加載泵3的流量，從而可以改變加載泵3和被試馬達4的轉速以及系統壓力。

1.電動機 2.低壓補油泵 3.加載液壓泵4.被試液壓馬達 5.節流閥圖1 串聯液壓泵補償功率回收系統原理簡圖

例如，在電動機輸入轉速、加載泵3排量和被試馬達4排量一定的情況下，增大補油泵2的排量，可以提高加載泵3和被試馬達4的轉速，同時由于經過節流閥的流量增大，節流閥前后壓差必然增大，也就使系統壓力升高。同樣，在補油泵2排量和轉速不變的情況下，改變節流閥5閥口大小同樣可以在一定程度上改變系統壓力、加載泵3和被試馬達4的轉速。考慮液壓泵與馬達的泄漏，為了保證被試液壓馬達4的轉速，加載液壓泵3的排量需要適當大于被試液壓馬達4(1.3倍以上)。

這種功率回收系統所用元件較少，操作方便，針對不同液壓泵(馬達)不同的機械與容積效率，功率回收率略有起伏，但整體功率回收率較高。在系統建立起合適壓力的情況下通過節流閥5的流量越小則額外的能量損耗越少，此類系統調節過程中，為了保證經過節流閥的流量最小，減少能量損失，需要對加載液壓泵與被試液壓馬達進行排量的匹配[3]。

1.2 并聯液壓泵補償功率回收方案

并聯液壓泵補償功率回收系統原理簡圖如圖2所示。電動機1驅動主泵2輸出壓力油帶動被試馬達3旋轉，被試馬達3通過輸出軸拖動加載泵4運行，加載泵4輸出的壓力油與主泵2輸出的壓力油合流共同驅動被試馬達3運轉。通過調節節流閥5閥口開度大小可以對系統壓力進行調節，系統壓力的大小也就反應了加載泵4軸端輸入扭矩大小，從而調節了被試馬達3的負載。

1.電動機 2.主泵 3.被試液壓馬達 4.加載液壓泵 5.節流閥圖2 并聯液壓泵補償功率回收系統原理簡圖

該方案中，被試馬達3和加載泵4轉速的改變是通過調節二者排量實現的，為了使被試馬達3拖動加載泵4運轉，要做好二者排量的匹配。主泵2輸入系統的壓力油，是為了補償系統因液壓泵(馬達)容積損失和機械損失，以及管路的沿程損失和節流閥的局部能量損失。并聯液壓泵補償功率回收方案與串聯液壓泵補償功率回收方案中功率回收率大小差不多。

2 機械補償功率回收與功率電回收

2.1 機械補償功率回收

機械補償功率回收系統原理簡圖如圖3所示。

1.電動機 2.被試液壓泵 3.功率回收馬達 4.溢流閥圖3 機械補償功率回收系統原理簡圖

機械補償功率回收是大型液壓泵、馬達試驗臺常用的功率回收方案，系統主要由雙軸伸電動機、被試液壓泵、功率回收馬達(被試液壓馬達)、加載裝置、機械傳動裝置及其他液壓輔件組成。系統中因液壓泵(馬達)容積損失與機械損失、傳動裝置的機械損失、油液經過管路的沿程損失及經過閥口的局部損失，由電動機進行補償[4]。

從圖3中可以看到，雙軸伸電動機1的一個軸伸拖動被試泵2旋轉，被試泵2打出來的壓力油驅動功率回收馬達3運行，功率回收馬達3再通過機械傳動裝置與雙軸伸電機1的另一軸伸進行連接，幫助電動機1一起帶動被試泵2運轉。功率回收馬達3通過聯軸器直接與電動機1相連接，二者也可以通過減速箱或者皮帶連接，從而達到不同傳動比的要求。溢流閥4與功率回收馬達3配合調節，完成功率回收馬達3轉速與系統最高壓力的設定。系統的能量流動如圖2中箭頭所示，能量在電動機1、被試泵2、功率回收馬達3之間往復循環實現功率回收的目的。

2.2 功率電回收

功率電回收是將壓力能轉化為電能進行功率回收的一種方式，其系統原理簡圖如圖4所示。圖中被試泵2帶動電動機1運轉，被試泵2輸出壓力油驅動馬達4，馬達4帶動發電機5旋轉，發電機運轉過程中產生的電磁阻力矩給功率回收馬達提供負載，從而使系統建立起壓力從而實現壓力能與電能的轉換。系統的最高壓力由溢流閥3設定。

1.電動機 2.被試液壓泵 3.溢流閥 4.功率回收馬達 5.發電機圖4 功率電回收系統原理簡圖

此功率回收方式中被試液壓泵和功率回收馬達之間排量關系無嚴格限制，試驗范圍較寬，低速加載性能好。但是馬達驅動發電機產生的電能回饋電網時存在困難，因為電能回饋時需要一套裝置來保證再生電和電網具有同相位，實現起來技術復雜，價格昂貴，而且效果不理想。因此，實際運用中往往利用電阻或電渦流將這部分能量耗散掉，這樣做雖然減少了油液的發熱，但能量并未回收，故應用較少。

3 并行式軸向柱塞泵可靠性試驗臺分析

針對高可靠性長壽命的液壓元件，采用常規可靠性試驗裝置存在單次試驗對象少、能量消耗嚴重、投入成本高等缺點，嚴重阻礙了可靠性試驗的發展。采用多機并行可靠性節能試驗裝置，能夠增加單次試驗對象，提高試驗效率，最大程度的減少能量浪費。

3.1 被試泵介紹

該試驗臺節能研究的對象為某公司生產的分別用于開式回路的A4VSO系列和閉式回路的A4VSG系列軸向柱塞泵，如圖5所示。

A4VSO與A4VSG系列液壓泵，為斜盤式軸向柱塞變量泵，采用球面配流，從而使缸體與配流盤有良好的自位性；缸體柱塞孔呈錐形分布，使柱塞在旋轉時產生有利于自吸的徑向離心力，使配流盤的配流窗口節圓直徑減小，降低吸油流速，增強吸油能力；采用空心柱塞利于減輕重量降低噪音；同時，具有變量方式多等特點。因此，A4VSO與A4VSG系列液壓泵額定工作壓力達35 MPa，容積效率高，運行噪音低，使用壽命長，可靠性高。

圖5 試驗用軸向柱塞泵

3.2 試驗原理分析

通過液壓泵試驗臺節能方式的分析可知，液壓補償和機械補償功率回收方案均能起到很好的節能效果，而對于本次軸向柱塞泵可靠性試驗，機械補償功率回收方案更加有利于充分利用已有試驗設備與基礎，可以實現靈活增加被試泵數量的目的，并且實現簡單，功率回收效果好，因此確定在采用機械補償功率回收的基礎上搭建并行式軸向柱塞泵可靠性試驗臺[5]。

該試驗平臺通過1臺功率為132 kW的雙軸伸電機同時建立4個被試液壓泵樣本，采取的功率回收技術，將回收的功率用于拖動電動機旋轉，一方面可以減少電動機的功率輸入，另一方面減少了加載系統的節流能量損失，減少了系統發熱量。試驗過程中，4臺被試泵均為液壓軸向柱塞泵，由于液壓軸向柱塞泵與液壓軸向柱塞馬達在結構上是可逆的，因此，排量為125 mL/r和250 mL/r的閉式回路液壓泵作為液壓馬達使用，這樣可以增加被試對象，增加液壓泵可靠性試驗的樣本容量。其原理如圖6所示，主要包括試驗臺架主體、冷卻系統、過濾系統、補油系統、狀態監測與控制系統等組成部分。

4 新型試驗方案節能效果分析

4.1 功率回收效果對比

利用軸向柱塞泵可靠性試驗過程中采集到的1號泵輸入轉矩和轉速，可計算出系統的輸入總功率，通過采集到的4號泵輸出流量和壓力可以計算出回收功率，系統損耗功率可以通過系統輸入總功率減去回收功率得到。利用MATLAB軟件繪制出計算得到的系統輸入總功率、回收功率和損耗功率的曲線圖。

1-1.1號液壓泵 1-2.2號液壓泵 1-3.3號液壓泵 1-4.4號液壓泵 2-1、2-2.扭矩轉速儀 3.電動機 4-1、4-2、4-3、4-4、4-5、5-1、5-2.流量計 6.補油泵電機組 T1、T2、T3、T4、T5、T6.溫度傳感器 P1、P2、P3、P4.壓力傳感器 7.系統加載裝置 8.遠程調壓閥 9.溢流閥 10.1號試驗臺架 11.2號試驗臺架 12.過濾系統 13.冷卻系統圖6 并行式軸向柱塞泵可靠性試驗原理圖

系統壓力為35 MPa時，一段時間內系統輸入總功率、回收功率和損耗功率情況如圖7所示。

圖7 35 MPa時系統輸入總功率、回收功率和損耗功率

經計算得到：35 MPa時系統輸入總功率平均值為133.4 kW，回收功率平均值為88.6 kW，損耗功率平均值為44.8 kW。

系統功率回收率為：

(1)

根據試驗采集到的數據，做出35 MPa下系統實際功率回收率與理論計算得到的功率回收率對比情況如圖8所示。

圖8 35 MPa時系統功率回收率對比情況

系統壓力為41 MPa時，系統輸入總功率、回收功率和損耗功率情況如圖9所示。

圖9 41 MPa時系統輸入總功率、回收功率和損耗功率

經計算得到：41 MPa時系統輸入總功率平均值為159.7 kW，回收功率平均96.2 kW，損耗功率平均值63.5 kW。

系統功率回收率為:

(2)

根據試驗采集到的數據，做出35 MPa下系統實際功率回收率與理論計算得到的功率回收率對比情況如圖10所示。

圖10 41 MPa時系統功率回收率對比情況

通過以上分析可知，35 MPa時系統功率回收率平均為66.4%，41 MPa時系統功率回收率平均為60.2%，可見機械式功率回收在并行式軸向柱塞泵可靠性試驗中起到了非常好的節能作用。

4.2 試驗過程中電能節省量計算

利用試驗過程中采集的數據及計算得到的功率回收效果，可以計算出新型試驗方案下，完成整個軸向柱塞泵可靠性試驗實際消耗電量為:

Q=44.8×1030+63.5×846

=99865 kW·h

(3)

而假若采用單臺泵試驗方法， 4臺泵完成試驗所需消耗總電量為:

Q=4×(1030×133.4+846×159.7)

=1090032.8 kW·h

(4)

因此可以得到電能的節約率為:

(5)

由上述計算數據可以看出，與傳統單臺泵試驗方法比較，并行式軸向柱塞泵節能型可靠性試驗所采用的試驗方案電能節約率高達90.8%，節能效果相當顯著。

5 結論

本研究對液壓補償和機械補償功率回收以及功率電回收方式原理及其特點進行了分析。為使軸向柱塞泵可靠性試驗更加節能且耗時更短，通過并行設計思想提出了節能型軸向柱塞泵可靠性試驗方案。根據已確立的新型試驗方案，完成了四臺軸向柱塞泵的可靠性試驗，利用試驗所采集數據得到了功率回收率實際值，并與理論計算值進行了比較，表明并行式軸向柱塞泵可靠性試驗具有顯著的節能效果。

參考文獻：

[1] 趙靜一，姚成玉.液壓系統的可靠性研究進展[J].液壓氣動與密封，2006,(3)：50-52.

[2] 趙靜一，姚成玉.我國液壓可靠性技術概述[J].液壓與氣動，2013，(10)：1-7.

[3] 陳國安，范天錦，曹斌祥.一種液壓泵功率回收試驗臺設計[J].流體傳動與控制，2013，(3)：30-33.

[4] 謝光輝，喇凱英，王留運.液壓機械補償功率回收模型參考模糊神經網絡控制[J].機床與液壓，2009，37(2)：114-116.

[5] 馬紀明，詹曉燕.具有隨機退化特性的柱塞泵性能可靠性分析[J].機械工程學報，2010(14)：189-193.