功率回馈式液压泵耐久性试验系统设计

收稿日期： 2011 － 10 － 02 作者简介： 王华兵 （ 1976—） ，男，工学博士，讲师，研究方向为机电液一体化技术、数字化设计与制造技术。E － mail：
w_huabing@ 163. com。
第 18 期
王华兵 等： 功率回馈式液压泵耐久性试验系统设计
·77·
流电回馈至电网； 后两种补偿式的功率回收方式利用 系统中 构 建 的 部 分 功 率 循 环 回 路，能 够 回 收 大 约 60% 以 上 的 液 压 泵 输 出 功 率，使 得 仅 需 提 供 不 到 40% 的液压泵输出功率到系统中即可保证系统的连续 运转，故与电力回收方式相比其降低了驱动被试液压 泵的电机的所需功率要求，因而得到众多学者的关 注 。 ［4 － 13］
Keywords： Hydraulic pump； Durability； Power recycle
在液压泵的耐久性试验中，要求液压泵在其额定 压力和额定转速下长时间连续运转，如 GB / T 138532009 船用液压泵液压马达技术条件中，规定的液压 泵的耐 久 性 试 验 要 求 泵 在 其 额 定 工 况 下 连 续 运 转 3 000 h［1 －3］。故对于液压泵的耐久性试验系统而言， 效率和运行的经济性就显得尤其重要。
于液压泵的排量。又因为两者的容积效率随油液压力
和温度的变化而改变，同时在耐久性试验中，经过长
时间的运转和磨合液压泵和液压马达中的某些配合间
隙的大小发生变化，也会导致各自容积效率的改变，
容积效率的这种改变将导致排量匹配点的变化。 （ 2） 扭矩平衡条件［5 － 6］
液压泵的输入轴匀速转动时，则液压泵的输入扭
若在液压泵的出口管路上连接液压马达，则可通 过液压马达将液压泵输出的压力能转化为机械能由液 压马达的转轴输出，在液压马达上连接某种加载装置 控制液压马达输出机械能的大小，就能够调节液压泵 的输出压力。常见的加载装置有非功率回收式和功率 回收式两种类型。前者包括如水力测功器、电磁加载 器和发电机加电阻片等类型，其特点是将马达输出的 机械能最终转化为热能耗散掉，系统中的动力元件如 驱动液压泵的电机功率比液压泵的输出功率还要大， 系统结构复杂、效率低下，但不存在节流或溢流加载 的油液严重发热问题［4］。后者包括功 率 电 力 回 收 方 式、机械补偿回收方式和液压补偿回收方式［4 －6］。其 中电力回收方式利用发电机将液压马达输出的机械能 转化为电能，再利用一套变换装置将其转化成工频交
WANG Huabing1 ，HU Junke2 （ 1. School of Mechanical Engineering，Huaihai Institue of Technology，Lianyungang Jiangsu 222005，China；
2. School of Mechanical and Electronical Engineering，Central South University， Changsha Hunan 410083，China）
排量不变时，液压马达和液压泵的机械效率和容积效
率越高则所需电机提供的扭矩越小，若各项效率值都
为 1，则不需要电机提供扭矩。但由于液压泵和液压
马达实际的效率值都小于 1，故需要电机提供一定扭
矩才能保证系统正常运转。电机所提供的扭矩大约占 到泵所需输入扭矩的 20% ～ 40%［4 － 。 7，11］
首先启动电机 M2，则控制油液压泵 3 输出压力
文献 ［6］ 分析了机械补偿和液压补偿式功率回 收式液压泵试验台的流量匹配、转矩匹配和回收效果 等，给出了系统的示意图，但未说明机械补偿式系统 的具体加载方法。文献 ［11］ 利用减速箱实现了高 速液压泵和低速液压马达的转速匹配，采用电液比例 溢流阀调定系统的工作压力并释放部分多余的高压 油。文献 ［4］ 则采用了定量马达来转化液压泵输出 的压力能，并要求泵的输出流量大于马达所需的流 量。文献 ［7］ 利用远程调整马达排量和远程调整比 例溢流阀两种方法来实现压力调节，并加装了蓄能器 以稳定系统压力。文献 ［9］ 针对大功率泵试验台， 提出通过改变马达排量改变系统压力的试验方案，但 需要传感器实时测量系统压力，利用控制系统调节马 达排量。文献 ［8］ 提出采用恒压变量泵作为功率回 收变量马达的补偿泵，并利用其功能调定系统压力。 文献 ［14］ 提 出 利 用 串 联 补 偿 变 量 泵 来 补 偿 压 力， 利用并联补偿变量泵来补偿流量，而采用电液比例溢 流阀来调定系统工作压力的试验方案。这些研究成果 加深了人们对于补偿式功率回收液压泵试验技术的认 识，解决了所针对的工程问题。
油，输出油压由调压阀 5 设定为 3. 5 MPa，向变量液
压马达控制阀的压力油口和电液比例减压阀的压力油
口提供恒定压力的油液。给电液比例减压阀的比例电
磁铁通入较大电流，使得其输出高压，令变量马达工
作于最小拐点压力特性曲线上。
启动电机 M1，并缓慢升速至被试泵的额定转速。
对于定量泵来说，其排量和转速以及泵出口的压力无
2012 年 9 月 第 40 卷 第 18 期
机床与液压
MACHINE TOOL ＆ HYDRAULICS
Sep． 2012 Vol. 40 No. 18
DOI： 10． 3969 / j. issn. 1001 － 3881. 2012. 18. 023
功率回馈式液压泵耐久性试验系统设计
王华兵1 ，胡军科2
可得：
( ) TM1
= pp 2π
Vp ηpm
－
Vm ηmm
=
ppVp （ 1 2πηpm
－
ηpv ηmv ηmm ηpm ）
（ 9）
故电机 M1 所需提供的扭矩与液压马达的输出扭
矩之和等于液压泵所需输入的扭矩。电机所需提供的
扭矩与液压泵的工作压力、排量、液压泵和液压马达
的机械效率和容积效率有关。当液压泵的工作压力和
关键词： 液压泵； 耐久性； 功率回馈 中图分类号： TH137 文献标识码： B 文章编号： 1001 － 3881 （ 2012） 18 － 076 － 3
Design of Testing System with Power Recycle for Hydraulic Pumps' Durability
矩等于电机的输出扭矩和液压马达输出扭矩的和，即
有：
Tp = TM1 + Tm
（ 5）
由液压传动的相关知识知：
Tp
=
ppVp 2πηpm
（ 6）
Tm
=
Δpm Vm ηmm 2π
（ 7）
若忽略管道阻力和冷却器的压力损失则有：
pp = Δpm
（ 8）
联立式 （ 5） — （ 8） ，并将式 （ 4） 代入并整理
图 2 液压马达的 变量特性
2 系统工作原理
系统正常工作时所需满足的条件： （ 1） 排量匹配条件［5 － 6］
电机 M1 将被试泵和加载液压马达同轴相连，则
其转速相等。若忽略管路的泄漏和少量的控制油路的
分流，液压泵实际输出的流量等于实际输入液压马达
的液体流量。于是有：
np = nm
（ 1）
Qp = np Vp ηpv
Abstract： A testing system with power recycle for hydraulic pumps durability was designed，which was based on a hydraulic motor with hydraulicly overridden pressure compensation． The displacement of the hydraulic motor can be adaptively adjusted to meet the displacement match condition for the power feedback in the system． And the system pressure can be set by adjusting the starting control pressure of the motor．
液压泵将外部输入的机械能转化为传动介质油液 的压力能，其输出功率由液压泵的出油口处油液的压 力和流量的乘积决定。对于工作于某一排量下的变量 泵或者定量泵，在其额定转速下的输出流量与泵的容 积效率有关，而容积效率随着泵的出油口压力的升高 而略有降低，故在此情况下控制泵出油口处的压力即 可决定泵的输出功率。
图 1 试验系统原理图
加载液压马达 8 为 Rexroth 公司 A6VM-HA1. T 类
型的斜轴式变量液压马达，其具有高压相关的自动控
制变量特性，在其设定压力处，压力升高 1. 0 MPa，
则马达排量从最小增大到最大。而且马达特性曲线上
的变 量 起 始 控 制 压 力 液 控
可调，即 通过改变其控制
线上与满足式 （ 4） 的排量的工作点所对应的压力。
逐步减小电液比例减压阀的控制电流，其输出控 制油液的 压 力 随 之 降 低，马 达 变 量 特 性 曲 线 逐 渐 上 移，而工作 点 随 着 向 上 移 动， 液 压 泵 的 出 口 压 力 升 高，直至到液压泵的额定工作压力。同时泵和马达的 排量关系自动保持满足匹配条件。为了防止长时间的 连续运行后，电液比例减压阀输出压力的偏移引起工 作点的漂移，可以利用闭环的方法实时测量系统主回 路的工作压力并调整电液比例减压阀的输入电流使得 系统工作点满足试验规范的要求。 3 总结
（ 1. 淮海工学院机械工程学院，江苏连云港 222005； 2. 中南大学机电工程学院，湖南长沙 410083）
摘要： 设计一种基于先导压力设定的自动控制变量液压马达的液压泵功率回馈试验系统。系统的特点为液压马达能够 适应性地自动调整其排量，以满足试验系统功率回馈的排量匹配要求。同时通过调节液压马达的起始控制压力，可以控制 系统的工作压力，从而保证被试液压泵的测试压力要求。
液压泵出油口处的压力取决于其所接管路以及管 路上所连接元件对于通过的液流的阻碍程度，通过调 节管路上的某些特定元件可以控制液压泵出油口处的 压力。若这些特定元件为节流阀或者溢流阀，则可以 改变节流阀的阀口开度或者调节溢流阀的设定压力来 控制泵出口处的压力，这种方式是大多数液压元件性
能测试标准或者规范给出的系统加载方法，其简单、 灵活、调节方便，但通过节流阀或者溢流阀将油液的 压力能转化成了热能，造成油液温度上升，这种方式 适用于大部分的不需要长时间高压大流量运转的液压 元件测试项目。
在前人研究的基础上，作者提出一种基于设定压 力可调的高压相关自动控制变量马达的功率回馈式液 压泵耐久性试验系统，该系统能够实现流量的自动匹 配和工作压力的方便调节，并且正常工作时主回路上 无溢流损失。 1 系统的组成
如图 1 所示，双轴伸电机 M1 两轴端分别连接加 载液压马达 1 和被试液压泵 2，安全阀 4 用于限制主 油路的最高工作压力，过滤器 9 用作主油路的吸油过 滤，风冷式冷却器 12 安装在液压马达的回油路上用 于保证规定的试验油温。电机 M2 驱动小流量的控制 油液压泵 3，为系统提供稳定的低压控制油液，调压 阀 5 用于保证控制油的压力恒定，过滤器 10 和 11 保 证控制油液的清洁度符合规定的要求，单向阀 6 用于 当主回路压力低于控制油路压力时向变量马达的控制 阀的压力油口提供足够高的控制油压，电液比例减压 阀 8 用于调节进入变量液压马达的控制油口的油压， 背压阀 7 为电液比例减压阀的正常工作提供合理的背 压。
（ 2）
Qm = nm Vm / ηmv
（ 3）
联立式 （ 1） 、（ 2） 和 （ 3） 可得：
Vm = Vp ηpv ηmv
（ 4）
即液压马达的排量等于液压泵排量、液压泵容积
效率和液压马达容积效率三者的乘积。由于液压泵和
液压马达的容积效率都小于 1，故液压马达的排量小
·78·
机床与液压
第 40 卷
关，则在电机开始启动时，系统压力接近于零压，马
达工作于最小排量状态，此时泵的排量与泵的容积效
率以及马达容积效率的乘积大于马达的排量，于是泵
输出油液在其出口和马达入口的管路中受到压缩，其
压力上升，而马达的排量随压力的上升按照其变量特
性曲线的规律逐渐增大，当马达排量满足式 （ 4） 时，
达到平衡状态，此时泵的出口压力为马达变量特性曲
油口 的 压 力 可 以 重 新 设 定
变Leabharlann Baidu 特 性 曲 线 上 的 拐 点 压
力。对于规格大于 25 MPa
的 A6VM-HA1. T 变 量 液 压
马达， 其 控 制 油 口 的 每 增
大 0. 1 MPa，则其特性曲线
上的 拐 点 压 力 降 低 约 0. 8 MPa。液压马达的变量特性 如图 2 所示。