液压油节能性能评定台架的建立及试验方法研究.pdf

Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 1 2 ． 2 0 1 5 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 8 - 0 8 1 3 ． 2 0 1 5 ． 1 2 ． 0 0 6 液压油节能性能评定 台架的建立及试验方法研究 黄胜军， 吴福丽 中国石油 大连润滑油研发中心 ， 辽宁 大连1 1 6 0 3 2 摘 要 根据液压泵效率与节能比值计算模型， 选择 K o m a t s u HP V 3 5 3 5 柱塞泵作为试验泵 ， 建立了节能测试 台架系统及试验方法。在 适当的温度和压力条件下， 通过测量泵流量 、 转速、 扭拒、 加载压力等参量 ， 计算出一种油品相对于另一种油品的节能比值。参比油测 试表明， 台架参数控制准确 ， 台架试验能够较好地评价液压油品的节能效果。 关键词 液压油； 节能； 台架； 柱塞泵； 效率 中图分类号 T H1 3 7 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 5 1 2 0 0 1 9 0 4 Es t a b l i s h me n t o f Te s t Be nc h f o r Hy d r a ul i c Oi l En e r g y ． s a v i ng Pe r for ma n c e a n d I n v e s t i ga t i o n o f t h e T e s t M e t h o d HU A NG S h e n g -j u n ， WUF u l i P e t r o C h i n a Da l i a n L u b r i c a t i n g Oi l R D I n s t i t u t e ， Da l i a n 1 1 6 0 3 2 ， C h i n a Ab s t r a c t Th e e n e r g y -- s a v i n g t e s t b e n c h a n d t e s t me t h o d we r e s e t u p a c c o r d i n g t o h y dra u l i c p u mp e f fi c i e n c y a n d c a l c u l a t i o n mo d e l o f e n e r -- g Y - s a v i n g r a t i o b y c h o o s i n g Ko ma t s u HP V3 5 3 5 p i s t o n p um p a s t h e t e s t p ump ． I n the p r o p e r t e mp e r a t u r e a n d p r e s s u r e c o n d i t i o n ， the e n e r g Y - s a v i n g r a t i o o f O i l r e l a t i v e t o a n o the r k i n d o f o i l wa s c a l c u l a t e d b y me a s u r i n g the p a r a me t e r s inc l u d i n g flo w, s p e e d ． t o r q u e a n d p r e s s ure ． Re f e r e n c e o i l t e s t r e s u l t s s h o we d tha t t e s t b e n c h p a r a me t e r s we r e c o n t r o l l e d p r e c i s e l y an d b e n c h t e s t c o u l d b e t t e r e v a l u a t e the e n e r g y s a v i n g e ffe c t o f h y dr a u l i c o i l ． K e y wo r d s h y dr a u l i c o i l ； e n e r g y s a v i n g ； b e n c h ； p i s t o n p ump ； e ff i c i e n c y 0 前言 液压油在液压系统中主要作用是传递能量， 还起 着对元件的润滑、 抗磨、 清洗、 防锈蚀等作用。此外， 使 用节能型液压油将大大提高系统的工作效率， 拓宽温 度运行范围， 这方面性能可大大降低工业及其他移动 施工机械 的能耗 。相关文献显示 ， 利用泵 台架 和建 筑 施工机械进行试验研究， 高黏指液压油对系统效率的 提高及液压技术 的发展有着重大意义n 叫。 在液压系统 中， 液压泵 和液压马达都是容积式 的， 依靠容积变化进行工作。容积效率的大小 ， 影响着液 压系统的工作效率。压力一定时， 使用油液的黏温性 能越好 ， 容积效率越高 ， 系统工作效率也越高， 功率损 失越小 。 液压系统的功率损失一方面会造成能量上的损 失， 使系统的总效率下降， 另一方面， 损失掉的这一部 分能量将会转变成热能， 使液压油的温度升高， 导致液 压设备使用工况恶化。对于节能油品的开发， 试验评 价平台不可缺少 ， 需要对液压油节能试验 系统及方法 进行试验研究。 收稿 日期 2 0 1 5 0 5 2 6 作者简介 黄胜军 1 9 7 9 一 ， 男， 山东成武人， 高级工程师， 硕士， 主要从 事润滑油台架评定研究。 1 节1 i 邑 比值 1 ． 1液压泵效率 液压泵的总效率为液压泵的实际输出功率与其输 入功率的比值 ， 即 7 ／ P Pl 式 中 P i输入功率 ； P 。_输出功率。 总效率也等于容积 体积 效率与机械效率乘积 叼 m 。图1 反映了黏度与效率的关系以及容积效 率与机械效率的关系。黏度越大， 容积效率越高， 由于 油液的黏性而引起摩擦损失 ， 影响着系统的机械效 率 。当压力一定 时 ， 油液具有一个最佳的温度操作范 围。如果使用油液的黏温性能越好 ， 容积损失越少 ， 容 积效率越高。容积效率的大小 ， 影响着液压系统的工 作效率。系统工作效率越高 ， 功率损失越小。故改善 油品黏温性能， 可适当增加系统温度操作范围。 粘度与体系效率的关 系 镁 较 珀 图1黏度与效率的关系 1 9 液 压 气 动 与 密 J d ／ 2O l 5年 第 1 2期 1 ． 2 节能比值计算 液压油效率节能比值即液压泵做 同等有效功时一 种液压油相对于另一种液压油的能量节省百分比值。 计算一种液压油品相对于另一种液压油品的节能比 值 ， 需要结合液压系统主要性能参数进行理论分析计 算， 得出油品在恒定压力和温度条件下的节能比值。 在通常情况下 ， 两种液压油 油品 1 和 2 产生 同等 的液压流体 能 W h ， 所需 的时间不 同 ， 油 品 1 和油品 2 所用时间分别标识为t 和t 。 液压 系统在恒定压力 和温度条件下 ， 液压泵所产 生的液压流体能 W h 等于该泵的液压功率 与做 功所用时间 乘积。 k Wh P k W t h 1 两种油品产生同等的功可以用下面的式子表示 WhP h ￡ 1 P h 2 t 2 2 于是得到 2／ t 1 P h 。 ／ P h 2 3 液压泵要产生一定量 的液压流体能 ， 必然有 电机 或发动机驱动液压 泵的机械 能量 ， 从而使机械能转化 液压能， 这个机械能即是通过泵轴传递的输入功 n 。 在液压 系统恒定压力和温度条件下 ， 泵 的输入功 W m 等于泵输入的机械功率 P m 乘以时问 。 Wm k Wh P m t h 4 恒定压力和温度下油 品2 对 于油 品 1 的节能 比值 ％E S 为 ％E S f 2 W m广 2 ／ Wm 1 0 0 ％ 5 方程 4 代人 5 得 ％E S z 1 一 P ， z ， P m t g t 。 1 0 0 ％ 6 方程 3 代入方程 6 得 ％E S 2 1一 t t 1 0 0 ％ 7 泵的总效率 等于泵的液压功率除以泵的输人 功率 叼 m 8 将式 8 代人式 7 得 ％ 2 - 卜7 7 2 - 1 0 0 ％ 9 由此可见， 节能比值的推算结果， 与液压泵的总效率 相关。总效率等于液压泵的实际输出功率与其输入功率 的比值， 也等于液压泵容积效率与机械效率之积 。所 以， 液压系统在恒定压力和温度条件下， 根据液压泵的 性能参数 ， 运用理论公式推导 ， 确定节能 比值计算 模型 。 为了测试油品的节能性能， 需要建立台架系统 ， 通 过台架试验 ， 测量不同油品情况下泵的转速、 转矩、 流 量、 压力、 温度等参数 ， 计算泵的总效率， 从而计算出油 2 0 品的节能比值。 2 柱塞泵台架建立 K o ma t s u H P V 3 5 3 5双联 柱塞 泵 台架 流程如 图 2 所示 。 卜变频电机2 一 转速转矩测量仪3 一 柱塞泵4 一 加载阀 5 一 换热器 6 一 过滤器7 一 视镜8 一 油箱 图2 K o ma t s u H P V 3 5 3 5柱塞泵台架流程图 柱塞泵 台架试验泵选用小松建筑机械使用的小排 量双联柱塞泵K o m a t s u H P V 3 5 3 5 ， 其陛能参数见表 1 。 表 1试验泵性能参数 K o ma t s u HP V 3 5 3 5 泵是斜盘式双联柱 塞泵 ， 两个 相同的柱塞泵 串联在一起 ， 每个泵排量为 3 5 m L ／ r ， 转速 范围6 0 0 2 1 0 0 r ／ mi n ， 出油 口最大压力可达 3 5 MP a 。 柱塞泵台架系统驱动电机与泵之间安装有转速转 矩测量仪 ， 可测试电机扭矩、 输入功率、 液压功率及试 验泵效率 ； 泵出油 口设置比例加载阀和高精度涡轮流 量计 ； 采用计算机系统控制温度、 压力 、 转速以及对数 据进行实时采集处理 ， 通过采样计算 ， 得 出试验油品的 泵效率值。柱塞泵台架如图3 所示。 图3 K o ma t s u HP V 3 5 3 5柱塞泵台架图 台架系统各参数测量精度与控制精度按照 J B ／ T 7 0 4 3 2 0 0 6 液压柱塞泵行业标准要求设计。标准中规 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 1 2 ． 2 0 1 5 定测量准确度等级分为 A、 B 、 c三级 ， 型式试验不应低 于 B级 ， 出厂试验不应低于c级 。测量系统 的允许系统 误差见表 2 规定 。 表 2 测量系统的允许系统误差 测量 参 量 量 篁 丝 A B C 表3 为建立台架所选用的测量仪表量程及精度， 满 足 J B ／ T T 0 4 3 2 0 0 6 液压柱塞泵行业标准测试装 置 A级 精度等级。 表 3 台架 系统各 参数 测试 仪表精度 进行柱塞泵台架节能试验方法研究， 需要确定试 验泵的工作性能， 使用参比油的最高试验温度， 确定合 适的泵加载压力、 人口温度和转速等试验条件， 进行参 比油考察， 计算参比油节能比值。 3 试验方法研究 3 ． 1 参比油 考虑黏度指数的差别 ， 试验参比油选择黏度指数 为 1 0 0 和2 0 0 的I S O V G 4 6 级别液压油作为参比油。参 比油理化指标如表 4 所示 。 表 4 参 比油理化指标 3 ． 2 试验泵性能及试验条件考察 1 不同温度下的流量与效率曲线 在K o m a t s u H P V 3 5 3 5 柱塞泵台架上 ， 使用I S O 4 6 V I 1 0 0 液压油 ， 考察不 同温度下 ， 试 验泵性 能和流量 的 变化。将温度分别升高至8 0 ℃、 9 0 oC 、 1 0 0 C 时， 不同温 度、 压力下泵输出流量曲线如图4 所示。 4 8 {4 4 4 0 咖i 3 6 塔 3 2 2 8 图 4 I S O 4 6 Vl l 0 0 参 比油泵输 出流 量曲线 试验泵转速 1 5 0 0 r ／ mi n ， 压力 1 0～2 5 MP a 时 ， 液压油 温度 8 0 ℃的流量 曲线 比较平稳 ， 符合产品手册给定 值。当出口压力为2 5 3 1 ． 5 M P a 时， 流量下降较快， 流 量损失表 现为泵 的内泄增 大 。温度继续上 升至 9 O ℃ 时， 泵流量平稳下降， 温度继续上升到 1 0 0 C ， 流量下降 幅度较大 ， 在 3 1 ．5 MP a 时， 泵流量降到 3 0 L ／ m i n 左右。 可见 K o m a t s u H P V 3 5 3 5 柱塞泵， 使用 I S 0 4 6 V I 1 0 0 液 压 油 ， 其 油 液 温 度 可 达 到 1 0 0 C， 压 力 可 加 载 到 31 ． 5 M P a。 柱塞泵不 同温度下效率 比较曲线如 图5 所示。压 力 从 1 0 M P a 增 大 到 1 5 M P a 时 ， 效 率略增 。在 1 5 ～ 2 5 M P a 时 ， 效率基本保持稳定 。在2 5 M P a 以上时压力 增加效率下降很快。3 1 ．5 M P a 时， 效率下降到最低点。 6 4 雎 力／ MPa 图5 I S O 4 6 Vl l 0 0 参比油不同温度下泵效率} 匕 较 2 恒压力时的效率曲线 图 6 为柱塞泵加载压力在 3 1 ． 5 MP a 时 ， 各温度下的 效率值曲线。可以看出， 随着温度的升高， 效率值在下 降。同级别油品， I S 0 4 6 V I 2 0 0 较 I S 0 4 6 V I 1 0 0 具有更 高的泵效率， 并随着温度增加 ， 效率的差距在加大。 9 0 8 5 7 O 6 5 6 0 温度／ ℃ 图 6 泵压 力3 1 ． 5 MP a 时不 同温度下 的效 率曲线 通过 K o m a t s u 柱塞泵的性能考察 ， 确定台架进行 节 能效 率测试 的初 步条 件 。使 用 I S 0 4 6 V I 1 0 0和 I S 0 4 6 V I 2 0 0 液压油作为试验参比油。通过台架试验， 确定各参数控制精度， 温度控制精度 O ．5 C ， 转速控制 精度 1 5 r ／ m i n ， 压力控制精度 O ． 2 5 MP a 。柱塞泵 台架试 2 1 液 压 气 动 与 霜P J 0 - ／2 0 1 5年 第 1 2期 验条件如表 5 所示 。 表5 K o ma t s u 柱塞泵台架试验条件 试验条件 K o m a t s u 柱塞泵试验 压 力 MP a 人 口温度 。 C 转 速 r rai n 。 。 油箱容量 L 4 试验结果及讨论 I S 0 4 6 V I I O 0和 I S 0 4 6 V I 2 0 0 两种 参 比油 ， 在温度 l O O ℃时不 同压力下泵 流量变化如 图7 所示 。可见 ， 随 着压力的升高， 流量呈现下降趋势， 但 I S 0 4 6 V I 2 0 0 相 对于I S 0 4 6 V I 1 0 0 在各个压力下， 流量都保持较好。 一 c ￡ j ＼ 删 耀 堆 力／ MP a 图7 油温1 0 0 ℃时不同压力下泵流量比较 图8 为柱塞泵人口油温 1 0 O ℃时不同压力下的效率 曲线 。随着加载 压力 的增 加 ， 参 比油 I S 0 4 6 V I 1 0 0和 I S 0 4 6 V I 2 0 0 的效率差异加大。在高压时， 泵效率衰减 很快。效率曲线与流量曲线具有良好的相关性。 摹 瓣 较 压力／ MP a 图 8 油温 1 0 0 ℃时不 同压 力下泵效率 曲线 依据节能比值计算模型， 对参比油I S 0 4 6 V I 1 0 0 和 I S 0 4 6 V I 2 0 0 的效率值 和节能 比值进行计算 比较 。通 过恒定压力、 不同温度下的节能比值计算如表 6 、 表7 所示。加载压力分别为2 5 MP a 和3 1 ． 5 M P a ， 温度分别为 8 0 ℃、 9 0 ℃、 1 o 0 q C 。随着温度 的增加 ， I S 0 4 6 V I 2 0 0 相对 于I S 0 4 6 V I 1 0 0的节能 比值也在增大。压力 3 1 ． 5 MP a 时 的节能 比值相对于 2 5 MP a 时有明显增加 ， 表 明 I S 0 4 6 V I 2 0 0 参比油在高温、 高压下可以保持较高的泵效率 ， 较 I S 0 4 6 V I 1 0 0 具有较好 的节能性能。 通过试验结果数据比较 ， 总结出两个节能比值测 试方法， 即压力恒定时， 不同温度下油品节能比值的平 均值； 在温度恒定时， 不同压力下油品的节能比值的平 均值 。综合 以上分析 ， K o ma t s u 柱塞泵 台架节能试验 ， 当加载压力大、 试验油温较 高时 ， 能充分体现 出高黏指 2 2 液压油的特性和 良好节能效果 。 表 6 2 5 MP a时参比油 I S 0 4 6 VI 2 0 0 相对于 l S O4 6 VI 1 O 0 节能 比值 温度I S 0 4 6VI 1 0 0 1 S 0 4 6VI 2 0 0 效 率 增节 能 比 平均 。 C 效率 ％ 效 率 ％ 加值 ％值 ％ 值 ％ 表7 3 1 ． 5 MP a时参比油I S 04 6 VI 2 0 0 相对于 I S 04 6 VI 1 O 0 节能比值 温度I S 0 4 6 V I 1 0 0 I S O 4 6 V I 2 0 0 效率增 节能比平均 。 C 效率 ％ 效率 ％ 加值 ％ 值 ％ 值 ％ 8 O 7 2 ． O 8 9 O 6 8 ． 1 8 1 0 0 6 3 ． 1 8 8 0 ． 3 7 76 ． 7 8 7 3 ． 4 9 8 ． 2 9 1 O ． 3 1 8 ． 6 1 1 ． 2 1 1 ． 8 5 1 0 ． 31 1 4 ． 0 3 5 结论 根据 液压泵 效率 与节能计 算模 型 ， 选择 K o m a t s u HP V3 5 3 5柱塞泵作 为实验泵 ， 建立 了节能试 验 台架 系统 。 通过参 比油试 验考察 ， K o ma t s u HP V3 5 3 5柱塞泵 台架在液压油节能性能考察方面能很好地反应油 品的 效率节能趋 势。在高温高压条件下 ， 通过测量泵流量 、 转速 、 扭拒 、 加载压力等参量 ， 计算得 出一种油 品相对 于另一种油品的节能优 势。参 比油试验得 知 ， 高黏度 指数液压油具 有较 宽的操作 温度 和较好 的节 能性能 ， 有利于节能降耗 ， 建议推广使用 。 液压油节能台架的建立为高效节能液压油的开发 提供 了试验平 台， 另一方面 ， 试验评定技术 的开发也为 油品的正确使用提供指导 ， 并为试验标准的建立进行 了探索研究 。 参考文献 【 1 】 S ． N ． H e r z o g ， C ． D ． N e v e u ， D ． G． P l a e e k ， “ I n fl u e n c e o f O i l V i s c o s i t y a n d P r e s s u r e o n t h e I n t e ma l L e a k a g e o f a Ge a r P u mp ” [ R 】 ． Ho u s t o n T h e S T L E A n n u m Me e t i n g S o c i e t y o f T r i b o l o g i s t s a n d L u b r i c a t i o n E n g i n e e r s ， 2 0 0 2 ． 『 2 1 D． G． P l a c e k a n d C ． W ． Hy n d ma n ， “ C o s t a n d P e r f o r ma n c e Ad v a n t a g e s o f M u h i g r a d e Hy d r a u l i c F l u i d s ”[ R 】 ． B a n g k o k T h e 7 t h An n u a l F u e l s＆ L u b e s As i a C o n f e r e n c e ． 2 0 01 ． [ 3 】 B ri a n K o e h l e r a n d J o h n Ma t t h e w J a c k s o n ， E v a l u a t i o n o f H y d r a u l i c E ffic i e n c y Us i n g Hi g h S h e a r V i s c o s i t y F l u i d s [ R ] ． S A E P AP ER 2 0 1 0 一 O 1 2 0 7 8． 2 0 1 0 ． 1 0 ． 2 5 ． 【 4 】 全国液压气动标准化技术委员会． 液压泵和马达标准应用 手册【 M 】 ． 北京 国防工业出版社 ， 2 0 0 7 ． 5 3 ， 5 2 ， O 0 O 2 1 ， ， 5 O l 9 O ， ， O O O 5 0 1 8 1 5