工程机械液压系统性能试验台中的液压泵动态性能试验研究.pdf

2 0 1 1 年 2月 第 3 9卷 第 3期 机床与液压 MACHI NE T0OL HYDRAUL I C S F e b ． 2 0l 1 V0 l _ 3 9 No ． 3 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 0 3 ． 0 1 3 工程机械液压系统性能试验台中的液压泵动态性能试验研究 朱发新 ，林少芬 ，龚雅萍 ，王伟军 ，张志斌 1 ．浙江海洋学院海运学院，浙江舟山 3 1 6 0 0 0 ； 2 ．集美大学轮机 工程学院，福建厦门 3 6 1 0 2 1 摘要 以工程机 械液压系统性 能试 验台的转 向系统为物理模 型 ，通过试验研究 液压泵 的动态性能 。根 据试验结果 ，得 出油箱位置、变频电机转速、加载电压等系统工况对液压泵动态性能的影响，同时得出液压泵压力、流量的动态变化对液 压系统的影 响。 关键词 液 压泵 ；动 态性 能；性能试验 中图分类号T H1 3 7 ． 5 1 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 30 4 73 Ex p e r i me n t a l S t ud y o n Dy na mi c Pe r f o r ma n c e o f Hy dr a u l i c Pump o f Co ns t r u c t i o n M a c hi ne r y Hy dr a ul i c S y s t e m Pe r f o r ma nc e Te s t i ng Pl a t f o r m Z H U F a x i n ，L I N S h a o f e n ，G O N G Y a p i n g ，WAN G We i j u n ，Z H A N G Z h i b i n 1 ． Ma ri t i me C o l l e g e ，Z h i a n g O c e a n U n i v e r s i t y ，Z h o u s h a n Z h e j i a n g 3 1 6 0 0 0 ，C h i n a ； 2 ． Ma ri n e E n g i n e e r i n g I n s t i t u t e ，J i m e i U n i v e r s i t y ，X i a m e n F u j i a n 3 6 1 0 2 1 ，C h i n a Ab s t r a c t T a k i n g t h e s t e e ri n g s y s t e m o f t h e c o n s t r u c t i o n ma c h i n e r y h y d r a u l i c s y s t e m p e r f o r ma n c e t e s t i n g p l a t f o rm a s p h y s i c a l mo d e l ， t h e d y n a mi c p e r f o rm a n c e s o f t h e h y d r a u l i c p u mp we r e s t u d i e d b y l o c a l e x p e ri me n t s ． Ac c o r d i n g t o t h e t e s t r e s u l t s ， t h e i n fl u e n c e s o f mo t o r s p e e d，f u e l t a n k p o s i t i o n，l o a d v o l t a g e o n t h e h y d r a u l i c p u mp p e rf o r ma n c e a s we l l a s t h e e f f e c t o f h y d r a u l i c p u mp p r e s s ur e an d flo w c h an g e t o t h e hy dr a ul i c s y s t e m we r e o b t a i ne d ． Ke y wo r d s Hy d r a u l i c p u mp； Dy n a mi c p e rf o rm a n c e；P e rf o rm a n c e e x p e r i me n t s 液压泵是液压系统中将 机械能转换 为液 压能的能 量转换元件 ，它 由原 动机驱 动 ，把输入 的机械能转 换成液 压 能 ，再 以压 力 和 流 量 的形 式 输 送 到 系 统 中 。液压泵 作 为 液 压 系 统 的动 力 源 或 动 力 元 件 ，是整个液压 系统的心脏 ，它 的性能好 坏对整 个 液压系统有重要 的影 响，并将直接影响到系统的稳定 性 。随着液 压技 术 和计算 机 控制 技术 的进一 步 发 展 ，船舶工程与各类机械工程对高性能、高品质液压 泵 的需求量越来越大 。因此 ，对液压泵进 行性能测 试研究有重要的实际意义 。 液压泵性能试验有静态和动态之分。从液压泵静 、 动态性能试验 的涵义 ，试验 目的，试验项 目，试验结 果 ，应用场合 以及液压泵实 际工作情 况等 6个方面 比 较 ，可知液压泵动态性能研究更具有研究价值与意义。 1 工程机械液压系统试验台简介 厦工 液压 系统性能试验 台是一个用于工程机械液 压系统的开发研究试验 的综合液压测试 系统 ，它 由试 验系统油源 、供油加载测量装置 、试验 台架系统 、操 纵台以及试验通用管路 5大部分组成。 作者以该系统的转向回路作为具体研究对象进行 液压泵动态性能试验 ，该系统主要 由计算机软硬件测 试 系统 和液压泵性 能测试 系统组成 。计算机测试系统 由采集板 卡 以及 L a b V I E W 等组 成 ，完成 试验 状态 控 制 、数据采集 、处理 、输 出等功能 ；液压泵性能测试 系统采用变频器驱动异 步电动机拖动被试泵 ，控制被 试泵的转速；用数字扭矩仪来观测输入转速、转矩 值 ，用 比例溢流 阀控制被试泵 出口加载 ，并且 配备优 先卸荷阀，各类压力、流量、温度等传感器。 2 液压泵动态性能试验研究 液压泵的型式主要有 3 种 齿轮泵、叶片泵以及柱 塞泵。泵的型式不 同，试验内容也各不相同。如行业标 准中的 J B ／ T 7 0 3 9 9 3至 J B ／ T 7 0 4 4 9 3叙述了液压 叶片泵 、 齿轮泵 以及轴向柱塞泵的技术条件 、试验方法 。 即使是同一类 型、不 同额定压力 的液 压泵的测试 方法也不完全相 同。文 中的被试泵为生产 实践 中常用 的 C B G j 2型齿轮泵 额定压力 为 2 0 M P a ，它具 有价 格低、体积小、污染敏感度小及允许转速最高等优点。 试验 时严格参照液压齿轮泵试验 的国家标准 ，进 行 的液压泵动态性能试验 内容有 1 空载动态性能试验 使液压泵空载，测量变频电机 的转速从 5 0 0 r ／ m i n 升到2 0 0 0 r ／ m i n的情况下液压泵的压力、流量 、扭 矩、 收稿 日期 2 0 1 0 9 0 9 1 8 基金项目福建省重大专项 2 0 0 6 H Z 0 0 0 2 作者简介朱发新 1 9 8 2 一 ，男，硕士研究生，助教，研究方向为载运工具及机电一体化。电话1 5 8 5 8 0 5 0 2 4 5 ，E ma i l z h u f a x 77 58 1 63 ．c orn。 4 8 机床与液压 第 3 9卷 转速随时间变化的数据 ， 并得到液压泵各性能参数的动 态变化曲线图，从中分析系统环境对液压泵动态性能的 影响因素及液压泵性能的动态变化对液压系统的影响。 2 加载动态性能试验 使液压泵加载 ，在加 载电压为 2 、3 、4 、5 V时 ， 分别测量变频电机 的转速从 5 0 0 r ／ m i n到 2 0 0 0 r ／ m i n 的情况下液压泵 的压力 、流量 、扭矩 、转速 随时间变 化 的关系 ，并得到液压泵各性能参数的动态变化 曲线 图，从 中分 析出系统环境对液压泵动态性能的影响 因 素以及液压泵性能 的动态变化对液压系统的影响。 3 试 验结果分 析 3 ． 1 系统工况条件对液压泵动态性能的影响分析 3 ． 1 ． 1 油箱位置 的影响 为适应不同系统性能试验要求，油箱分高位油箱 和低位油箱，并通过调节液位高度来模拟油箱容积。 低位油箱 的结构做成耐压密封油箱 ，并在油箱 内 配置充气压力调节 阀组 ，充气压力为 0 ． 2 M P a 。关 闭 低位油箱充 气阀、打开低位油箱空气滤清器前 的排气 阀，低位油箱便组成开式低位油箱 。如果 系统使用高 位油箱 ，则不需要考虑油箱 的位置高低 ，这时油箱里 的液压油可以在大气压力的作用下 自行流人 液压泵 的 入 口 。 图 1 为空载和加载时 液压泵吸 高数 据 的曲线 图 ， 可知 ，在转 速 为5 0 0 r ／ m i n时 液压 泵 吸 高数 据最 大 ， 且随着电机转速升高 ，液压泵 的吸高数据变小 。综合 空载动态和加载动态吸高数据可知 ，油箱低 于液压泵 吸油 口距离不能大于 4 ． 9 9 4 m，否则将造成液压泵 吸 不上油而空转。当然，油箱也不能安装得太高。油箱 的安装高度太高会造成泵吸油阻力太大而使液压泵不 能充分吸满 ，甚至会在低压区产生气穴或气蚀 。 0 ． 5 0 ．6 5 0 ． 8 0 ．9 5 1 ． 1 1 ．2 5 1 ．4 l _5 5 1 ． 7 1 ．8 5 2 转 速／ 1 0 r mi n 一 图 1 空载和加载时液压泵吸高数据的曲线图 3 ． 1 ． 2 变频电机转速 的影响 图2 为空载时液压泵转速、转矩等参数随变频电 机转速的变化曲线 图，可以看 出 随着电机转速逐渐 升高 ，泵转速 、转矩升高 ，泵 出油 口压力 、流量逐渐 升高 ，泵进 油 口压力逐渐降低 ，而泵出油 口、进油 口 压差逐渐增 大。 一2 ． 鞋 0． 0 ． 0 5 0 ． 0 4 0 ． 0 3 0 ． 0 2 0． 01 0 日 1 ．2 1 0‘ 时 间， s c 泵进 油 口压力 80 菖 8 主7 6 交7 4 姆 7 2 70 _ I ． 2 l 0 ‘ l70 15 0 壹1 3 0 1 10 巴9 0 删7 0 避5 O 30 时 间， s d 泵 出油 13压力 时 间， s 时间， s e 泵 出、进 油 13压差 f 泵 出油 口流量 图2 空载时液压泵转速、转矩等参数 随变频电机转速 的变化曲线图 3． 至 出 2 ． 时间， s f c 泵进 油 口压力 时 间／ s d 泵 出油 口压 力 时间／ s 时间／ s e 泵 出 、进油 口压 差 f 泵 出油 13流量 图3 加载电压为 2 V时液压泵转速、转矩等 参数随变频电机转速的变化曲线图 第 3期 朱发新 等工程机械液压系统性能试验台中的液压泵动态性能试验研究 4 9 同样的 ，在加载 电压 为 3 、4和 5 V时 ，也 可 以 得到相似的结论 ，这里不再列举 。 3 ． 1 ． 3 加载 电压的影响 图 4为加载 电压对泵 的容积效率 、机械效 率 、总 效率 的影 响变化 曲线 图，可 以看 出，随着加载 电压的 升高 ，泵 的容积效率逐渐下降 ，泵的机械效率 、总效 率逐渐升高 。 l 瓣0 8 凝 0 ． 6 豫 0 1 -- 加载 电压为2v 2 ～加 载 电压为3v 3 一加 载电压为4 v 1 0． 8 0． 6 0． 4 0 ． 2 0 l 一 加 载 电压 为2 v 2 一 加载 电压 为3 v 卜加载 电压 为4v 4 一 加载电压 为5 v l 一加 载电压为2v 2 一加 载电压为3 v 3 一加载 电压为4v 4 一 加 载 电 压 为5v 图4 加载电压对泵的容积效率、机械 效率、总效率的影响变化曲线图 3 ． 2液压 泵性 能的 动 态变化 对 系统 的影 响分析 液压泵作为液压系统 的动力元件 ，是液压系统 中 重要 的能量转换装置之一 。它 由电动机带动将液压油 从油箱吸上来并 以一定的压力 、流量输送 出去 ，使执 行元件推动负载做功。液压泵作为液压系统的心脏 ， 它 的性能好坏对整个 液压系统有着 重要影 响。 3 ． 2 ． 1 压力变化的影响 l 一容积效率2 一机械效率 l 一容积效率2 一机械效率 3 一总效率 3 一总效率 1 0． 8 瓣 0 6 0． 4 0 2 o o ． 7 o． 9 1 ． 1 泵 出油 口压 力[ MPa a 空载 1 0． 8 褂 0 6 较 0 ． 4 0 2 0 泵 出油 口压力／ MP a b 加 载 电压为2V 图 5 空载 、加载 电压 为 2 V时泵效率 随泵 出油 口压力 的变化 曲线 图 图5为空载、加载电压为2 V时泵效率随泵出油 口压力 的变化 曲线 图，可知 ，空 载 时 ，泵 的容 积效 率、机械效率及总效率随着泵出油 1 I 压力增大而升 高 ，泵的容 积效率 接近于 1 ，机械效 率与总效 率基本 相等且数值 都较低 ；加载 电压为 2 V时 ，泵的容积效 率 、机械效 率及 总效 率 随着 泵 出油 口压力 增 大而 升 高，且容积效率大于机械效率 ，而机械效率又大于总 效率。当加载电压为 3 、 4、 5 V时，也可以得出类似 于电压为 2 V时结论 ，这里不再 赘述。 3 ． 2 ． 2 流量变化 的影 响 图 6为加载 电压为 2、3 V泵的进 、出 口压 力及 压差随泵出油 口流量的动态变化 曲线 ，可以看 出，随 着泵 出油 口流量逐渐升高 ，液压泵 的出油 口压力 、进 出口压差逐渐升高，且加载电压越高 ，泵的出油口压 力 、泵 的出油 口进 油 口压差越大 ；而泵 的进油 口压力 始终 变化不 大 ，接 近于 0 。因此通 常情况下 ，可 以假 定液压泵进 口压力近似为 0 ，且在很 多情况下 ，泵 的 出油 口进油 口压差用其 出油 口压力来代替。 1 一 泵进 油 口压力 1 一 泵进 油 口压 力 a 加 载 电压 为2V b 加 载 电压 为3V 图 6 加载电压为 2 、3 V泵的进 、出 口压力 及压差随泵出油 口流量的动态变化曲线 液压泵出油口流量越大，泵的工作压力就越高， 泵的总效率就越高，液压系统得到的功率就越大，最 终执行元件推动 负载做功就越多 。 4结论 以厦工工程机械液压系统性能试验台的转向系统 为物理模型进行液压泵动态性能试验测试 ，根据试验 数据得出 了油箱位置 、变频 电机转 速 、加载 电压等系 统工况对液压泵动态性能的影响 ；也得 出了液压泵的 压力 、排量变化对液压 系统 的影 响情况 。 后续研究 内容 有 2 5 M P a及 以上 高压 泵 的性 能 和生产研究 ，高压泵 的研究对于提高我 国工程机械产 品品质具有重要 的意义 ；扩展到含有液压马达或液压 缸等执行机构在 内的液压系统研究 ，能更好地分析泵 的动态性能对系统的影响。 参考文献 【 1 】 李壮云． 液压元件与系统[ M ] ． 北京 机械出版社， 2 0 0 5 1 5． 【 2 】姜佩东， 张雅琴， 李军． 液压与气动技术[ M] ． 北京 高等 教育 出版社 ， 2 0 0 3 1 2 ． 【 3 】沈培辉， 陈淑梅， 胡步发， 等． 液压泵性能测试的计算机 智能控制方法研究 [ J ] ． 福州大学学报 自然科学版， 2 0 0 4， 3 2 5 5 7 85 8 1 ． 【 4 】沈培辉． 数字式控制方法在液压泵性能测试中的应用研 究[ D ] ． 福州 福州大学， 2 0 0 4 ． 【 5 】雷天觉， 杨尔庄， 李寿刚． 新编液压工程手册[ M] ． 北京 北京理工 大学 出版社 ， 1 9 9 8 2 0 5 2 2 0 ．