液压泵加速寿命试验台中的节能设计.pdf

2 0 1 0年 2月 第 3 8卷 第 4期 机床与液压 MACHI NE TO0L HYDRAUL I CS F e b ． 2 O 1 0 Vo 1 ． 3 8 No ． 4 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 0 4 ． 0 1 4 液压泵加速寿命试验台中的节能设计 付永领 ，汪明霞 北京航 空航天大学自动化科学与电气工程学院，北京 1 0 0 1 9 1 摘要 分析加速寿命试验具有试验时间较长及功率消耗多的特点，介绍液压泵试验系统3种常用的功率回收方法原理； 提出在液压泵加速寿命试验台中，采用基于机械补偿方式的功率回收方法 ，解决流量匹配和转矩匹配的问题；并从理论推 导计算得到该类系统理论功率回收率为7 0 ％左右，具有显著的节能效果。 关键词液压泵；加速寿命试验台；节能；功率回收 中图分类号T H1 3 7 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 4 0 4 0 2 En e r g y- s a v i ng De s i g n o f Ac c e l e r a t e d Li f e Te s t - b e d o f Hy dra u l i c Pu mp FU Yo n g l i n g， W ANG Mi n g x i a B e i h a n g U n i v e r s i t y ，B e i j i n g 1 0 0 1 9 1 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e a c c e l e r a t e d l i f e t e s t h a s t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f l o n g t e s t t i me a n d h i g h p o w e r c o n s u mp t i o n ． Th e p r i n c i p l e s o f thr e e k i n d s o f g e n e r a l powe r r e c o v e r y me t h o d s f o r h y d r a u l i c p u mp t e s t i n g s y s t e m we r e i n t r o d u c e d ． A n e w me c h a n i c al c o mp e n s a t i o n powe r r e - c o v e r y me t l l o d o f a c c e l e r a t e d l i f e t e s t for h y d r a u l i c p u mp Was p r e s e n t e d ． Th e p r o b l e ms o f flu x ma t c h a n d t o r q u e ma t c h we r e s o l v e d ． Th e o ry p o we r r e c o v e ry o f t h i s s y s t e m W a S a b o u t 7 0 ％b y c o mp u t a t i o n ． T h e e n e r g y - s a v i n g e ff e c t i s r e ma r k a b l e ． Ke y wo r d s Hy dra u l i c p u mp；Ac c e l e r a t e d l i f e t e s t b e d；E n e r gy s a v i n g ；P o we r r e c o v e ry 液压元件加速寿命试验广泛应用于液压元件可 靠性分析和新产品质量、寿命评估 中⋯，因此这类 试验存在试验时间较长及功率消耗多的特点，若不 采取 回收措 施 ，驱 动 泵做 加速 寿命 试验 的 这部 分能 量最终要转化为热能耗散掉 ，不仅会导致液压油温 升高过快，而且造成能量浪费。早在 2 0世纪 9 0年代 文献 [ 2 ]中就提及试验前的能耗预测及其节能方案 的设计。为使试验正常进行，还需要专门的冷却系 统，造成能量 的进一步浪费。因此为 了将能量充分 利用必须考虑功率回收问题。 1 典型功率回收形式及其工作原理 1 功率 电回收 该系 统 被 试 泵 2出 口 与加载马达 3入 口直接相 连，马达 3 驱动发电机4产 生电能，电能 经逆变 回馈 电 网 电网，如图 l 所示。由于回 l 一电动机2 一被试泵 馈电网需要一套装置保证 3 一马达 4 一发电机 再生电和电网具有同相位， 图1 功电补偿方案 实现起来技术复杂、价格昂贵，且效果不理想。 2 机械补偿功率回收 机械式功率补偿是设计大型液压泵、马达试验 台的功率回收方案之一。 图2所示是该方案示意图，变频调速电机 3 驱动 被试泵 1 ，被试泵 1 输出压力油驱动被试马达2 旋转 ， 马达2再通过机械传动又带动被试泵 1 ，功率在电机 3 、被试泵 1 、马达 2 、被试泵 1 之间往复循环达到功 率回收 目的。 l 一被试泵2 一加载马达3 一驱动电机4 一补偿泵 5 一 溢流阀 图 2 机械补偿方案 3 液压补偿功率回收 图3 液压补偿方案 I m 被试 马达 卜 加藏 泵 卜 整 流油路 安全阀 5 - - 串联补偿泵 6 一并联补偿泵 7 -溢 流 阀 收稿 日期 2 0 0 9 0 22 4 作者简介付永领 1 9 6 6 一 ，男，教授、 博士生导师 ， 研究方向为新型液压伺服系统理论与实验研究、机电一体化系统研 究等。电话 0 1 0 8 2 3 1 7 3 0 7，Em a i l f u y o n g l i n g 1 2 6 ． c o rn。 。 ， 第4期 付永领 等液压泵加速寿命试验台中的节能设计 4 1 此方法多用于高速液压马达、低速大扭矩马达 充。系统简图如图 3 所示。 试验。泵 2 、马达 1同轴机械直接相连 ，泵 2出口与 2 加速寿命试验台功率回收原理 马达 1 人 口直接相通 ，系统不足的能量由补偿泵 5补 加 载 子系 统 图 4 液压泵加速 寿命试 验台液压系统原理 图 液压泵加速寿命试验台液压系统原理图如图4所 D ／ 2 1 T 5 示。直流调速电机与功率回收马达 同轴，经过一个 加载马达输出的转矩 齿轮增速箱 为超速加速寿命试验提供高转速 带 p v 卵 m m ／ 2 1 T 6 动被试泵运转。直流电机驱动被试泵，被试泵输 出 式中P为被试泵的出E l 油压； 和 刀 分别为被试 的压力油直接进入功率 回收马达，带动马达旋转， 泵、马达的机械效率。 马达输出转矩给直流电机 ，再驱动被试泵 ，功率在 根据排量匹配的要求 ，由式 4 可得 电机一被试泵一 马 达一 被 试泵 之 间往 复循 环 达到 功 ≥ ／ 切 ， 叼 7 率 回收的 目的。 将式 5 、 6 代入得 ≥t o ／ 柳 叩 7 ／ m7 ／ ， 由于泵、电机和 马达 同轴传 动，设 增 速 比为 可见加载马达回输的转矩不足 以驱动被试泵，相差 i 1 ，为此需要解决以下两个匹配问题H 部分 △ 一r o由驱动 电机输出机械功率来补偿， 1 流量匹配 所以称为机械补偿。 液压泵的输出流量 3 功率回收率计算 Q i n v 叩 1 马达 的输入流量 Q 聊 ／ 7 2 式中 、 分别为被试泵 的排量和容积效率； 、 分别为被试 马 达 的排 量 和容 积 效率 ；n为 电机 的 输 出转速 。 根据流量连续性原理，设溢流量为 Q ，则 Q Q i Q 3 将式 3 代入式 1 、 2 可得 ∥ v J 切 ， 7 Q ／ n 叼 4 式 3 为溢流压力下的流量平衡方程式。可以 看出泵的输出流量必须大于马达的输出流量，这就 是系统正常工作时的流量 匹配要求。同速转动时 ， 式 4 即为排量匹配要求。 2 转矩匹配 从传递的转矩大小来看被试泵要求输出的转矩 试验时驱动被试泵所需的功率为 P p i n V pp 叼 1 无功率回收时直流电机的输出功率全部用来 驱动被试泵 的运转 。 p一 一 i nV p p 防 一 7 1 一 田 7 式 中 7 1 为 电机 一增 速 箱 一被 试 泵 间 的 传 动 机 械 效率 。 2 功率回收时马达的输出功率 P p聊 3 功率回收平衡方程 P P E 0 P ／ 7 ／ ’ 7 式中P 。 为有功率回收时电机的输出功率 ； ‘ 为马达 一电机间的传动机械效率。 下转第 9页 第4期 季鹏凯 等一种新型球形缸体旋转活塞动力转换机构 9 比为 q T - - O L 8 若考虑活塞 2 、两个隔板 3和两个半 圆柱体 4所 占的体积，则容积室 A 或容积室 C 的近似容积方 程为 ， V ， ， R ， r ， l ， 2 a r c c o s C O S O LC O S O x ‘ R 一 r 2 彳一 V p R ， r ， t 一 L R ， r ， t 2 9 其中 R ， 叫 a rc c 。 s 素 一 r 7 一 盯 c - c。s素 一 号 √ r2 一 一 r 詈 一 a r c c 。 s 寺 1 0 方程 9 给出的容积计算精度一般可满足工业 设计要求 ，由方程 9 可得容积室 D和容积室 A近 似容积 比方程 竹 一 a r c c o s c o s a c o s O R 一 r 彳 一 L R ， r ， 1 一 ， r ， t 2 r， t 将方程 1 1 对 0 求导并令其等于0得当 0 2 k ,r r k 0 ， 1 ， ⋯ 时 ，得最大容积 比，即压缩 比方程 M ， R ， ， ， f 1 ， t 2 耵一 R 一 r 一 ， r ， t 。 一 R ， r ， t 2 三 _ 一 1 2 ， ．土 、 一 a 一 r 一 ， r ， t 1 一 R ， r ， t 2 图 8示 出方程 7 和 F 卜 9 0 。 的 曲 线 方 程 1 1 在 不 同 安 装 角 鬣兰 萎 下 的 言 可 知 ， 实 筏 - 25---a 6 0 蓦 由 上 述 分 析 可 知 ， 实 『 4 ⋯ 际 压缩比由 安装角O t 、 半球 h 形 缸 体1 的 内 径 R 、 半 圆 柱 }莎 体4 的半径r 、 活塞2的板 广 ～ 厚 t 。 和 隔板 3的板 厚 t 共 8 3 同确定。与忽略活塞 2 、两 个隔板 3和两个半圆柱体 4 图8 不同安装角下的 的体积时的情况相 比，考容积比比较曲线 虑上述构件体积后 ，在相 同安装角 a的条件下，容 积 比会 显著增 大 ，但会 使有 效容积减少 。 4结论 通过理论和 C A E仿真分析，增加人们对此机构 的认识 ，便于此机构向实用阶段转化。对辅助结构 进行一定的配置 ，该机构即可用于发动机设计 ，也 可用于容积式泵设计，亦 即该机构可用于流体的动 能和压力能向机械 回转能转换 ，也可以用于机械回 转能向流体的动能和压力能转换。该机构设计精巧 ， 结构紧凑 ，可直接通过回转运动 ，实现能量转换 ，具 有很高的实用价值。 参考文献 【 1 】 朱仙鼎． 特种发动机[ M] ． 北京 机械工业出版社， 1 9 9 2 ． 【 2 】林峥． 实用泵 手册 [ M] ． 上海 上 海科 学技 术 出版 社 ， 2 0 0 4 ． 【 3 】 季鹏凯． 一种旋转活塞内燃机 中国， 0 0 2 3 5 1 1 3 [ P ] ． 2 0 0 1 0 32 1 ． h t t p ／ ／ w ww． p a t e n t c n ． c o F D 1 C ／ C N2 4 2 4 2 9 7 ． s h t m1 ． 上接第 4 1页 所以此时电机的输出功率为 P P 一 P PE oP ／叩 4 功率回收率 1 PE 0 P ／ 7 口 叼巴叼 卜 一 P p ／ y 。 又由前面式 7 可得 ≤ ，代入上式可得 p 叼 ≤ ． ， 7 蛳 ． l l 在理论上 ，取 7 ／ 叼 ， 7 一 0 ． 8 5 ，， 7 0 ． 9 3 ， 叼 0 ． 9 5 ，贝 0 ≤O ． 7 0 7 。 4结论 由以上分析可知，与无功率 回收相 比有功率 回 收时电机功率大为减小，或者说，能以小功率电机驱 动大功率的被试件，减少系统的发热，同时降低整个 系统的能量损耗 ，采用机械补偿功率回收方式，不需 要向电网反馈能量 ，试验系统简单。所以在大功率试 验系统特别是寿命试验系统中采用功率回收方法显 得尤为 重要 。 参考文献 【 1 】白国长， 王 占 林 ， 祁晓野． 航空液压泵变负载加速寿命试 验台研制【 J ] ． 液压与气动 ， 2 0 0 6 3 4 7 5 0 ． 【 2 】余经洪， 陈兆能． 液压泵可靠性寿命试验的验前耗能预 测[ J ] ． 液压气动与密封， 1 9 8 8 3 3 5 3 7 ． 【 3 】刘斌 ， 姜伟 ， 裘信国． 双向变量液压泵试验台功率回收系 统分析[ J ] ． 机床与液压， 2 0 o 6 1 2 1 3 91 4 1 ． 【 4 】沙明元， 李建军 ， 李春林． 大型试验台功率回收试验系统 研究 [ J ] ． 石家庄铁道学院学报， 1 9 9 8 1 1 8 4 8 7 ．