葉片泵/軸向柱塞泵的壓力與流量性能測試

張志森

(四川文理學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院，四川達(dá)州 635000)

在液壓傳動系統(tǒng)中，液壓泵是液壓系統(tǒng)中將機(jī)械能轉(zhuǎn)變成壓力能的裝置。它是液壓傳動的“心臟”，其作用是為液壓系統(tǒng)提供足夠的壓力油，其性能直接影響整個(gè)液壓系統(tǒng)甚至整個(gè)設(shè)備的工作質(zhì)量［1－2］。由于液壓泵在液壓系統(tǒng)中的重要性，根據(jù)液壓實(shí)驗(yàn)平臺液壓泵站上的葉片泵/軸向柱塞泵的相關(guān)參數(shù)，測試兩種液壓泵的壓力－流量的變化情況并獲得液壓泵的壓力－流量的變化數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)曲線，對于了解液壓泵出口壓力與流量的變化情況非常重要。

1 液壓泵站的結(jié)構(gòu)及工作原理

該液壓實(shí)驗(yàn)平臺專門用于對自行搭建的液壓系統(tǒng)進(jìn)行分析優(yōu)化及對液壓閥的性能進(jìn)行測試分析，液壓實(shí)驗(yàn)平臺中的液壓泵站主要由驅(qū)動電機(jī)、葉片泵/軸向柱塞泵、溢流閥、節(jié)流閥、流量/壓力傳感器、過濾器等相關(guān)元器件組成，其構(gòu)成如圖1所示。

圖1 液壓泵站實(shí)物圖

在實(shí)際測試中，液壓泵的壓力－流量數(shù)據(jù)測試的工作原理圖如圖2所示。

圖2 液壓泵測試的油路圖

測試工作原理:當(dāng)按下液壓泵的啟動電源時(shí)，液壓泵開始工作，在整個(gè)液壓泵測試過程中，無外接負(fù)載;液壓泵出口壓力通過手動調(diào)節(jié)溢流閥的彈簧預(yù)壓縮量調(diào)節(jié)，改變閥口開啟壓力，從而達(dá)到調(diào)節(jié)泵出口壓力的目的，壓力表與流量表分別測量液壓泵的出口壓力與液壓油經(jīng)過節(jié)流閥流回油箱時(shí)的流量。

2 液壓泵的性能參數(shù)

液壓泵輸出壓力是由負(fù)載決定的，系統(tǒng)壓力用壓力閥調(diào)整，液壓泵輸出壓力過剩，一是系統(tǒng)控制元件必需的，如調(diào)速閥、分流集流閥、壓力繼電器等可靠穩(wěn)定工作必需的壓差;二是控制系統(tǒng)，如節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)流量過剩引發(fā)的壓力過剩。大多數(shù)定量泵系統(tǒng)輸出流量是過剩的，即使使用手動變量泵，也會存在流量過剩［3］，因此，有必要對液壓泵的主要性能參數(shù)進(jìn)行數(shù)學(xué)分析。

液壓泵的主要性能參數(shù)［4］:

(1)實(shí)際流量q

式中:qt為理論流量(L/min);n為泵的轉(zhuǎn)速(r/min);V為泵的排量(L/r);Δq為泄漏流量(L/min)。

(2)容積效率ηV

液壓泵的實(shí)際流量q與理論流量qt的比值稱為液壓泵的容積效率，可表示為:(3)輸出功率P與輸入功率Pr

(4)總效率

液壓泵的輸出功率P與輸入功率Pr之比為總效率，即:

式中:p為液壓泵的出口壓力(MPa)，T為輸入液壓泵的轉(zhuǎn)矩(N·m)，ω為角速度(r/min)，ηm為機(jī)械效率。

從式(1)—(3)可以獲得泵的實(shí)際流量、容積效率和總效率，液壓泵的實(shí)際流量大小主要是受泄漏量的影響，泄漏量的大小對液壓泵在液壓系統(tǒng)中的容積效率及總效率都產(chǎn)生很大影響。

3 壓力-流量性能測試

采集及測試的葉片泵/軸向柱塞泵的主要參數(shù)，如表1所示。

表1 泵的參數(shù)

在數(shù)據(jù)采集過程中，按一定的規(guī)律改變液壓泵的出口壓力，每改變液壓泵的出口壓力一次，記錄流量的變化數(shù)值，直到液壓泵的出口壓力及流量達(dá)到最大時(shí)停止。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 壓力－流量數(shù)據(jù)

由于MATLAB語言提供了強(qiáng)大的圖形繪制功能，用戶只需指定繪圖方式，并提供充足的繪圖數(shù)據(jù)，即可以得出所需的圖形，還為繪出的圖形提供各種修飾方法，使繪出的圖形更美觀［5］。因此，用MATLAB軟件繪制出采集到的葉片泵/軸向柱塞泵的壓力－流量數(shù)據(jù)曲線，如圖3、圖4所示。

圖3 葉片泵壓力－流量曲線

圖4 軸向柱塞泵壓力－流量曲線

可以看到:流量隨著壓力變化的總趨勢是:當(dāng)液壓泵的出口壓力增加時(shí)，流量隨之增大;當(dāng)出口壓力達(dá)到一定值時(shí)，其流量基本保持不變。

圖5 兩種泵壓力－流量曲線對比

液壓泵剛開始工作時(shí)，由于調(diào)定的出口壓力比較低，這時(shí)泵進(jìn)出口壓力差比較小，效率較高。隨著泵出口壓力的升高，曲線在0.4 MPa時(shí)出現(xiàn)了拐點(diǎn)，這是由于隨著泵出口壓力的升高，其內(nèi)泄漏量加大及油路的能耗加大，影響了液壓泵在實(shí)際工作中的效率。對比葉片泵與軸向柱塞泵在相同的壓力下，其流量的變化情況如圖5所示。

可以看到:在相同的壓力下，葉片泵的實(shí)際輸出流量比軸向柱塞泵的要少，這主要是由于在相同的轉(zhuǎn)速下，軸向柱塞泵的排量比葉片泵要大，所以其流量也大。在液壓泵的實(shí)際工作中，要考慮葉片泵/軸向柱塞泵的壓力有效利用率，當(dāng)液壓泵能滿足不同工作壓力要求時(shí)，應(yīng)盡量選擇功率較小的液壓泵，提高液壓泵的利用效率及減小能量損耗。一般情況下，在低壓小流量時(shí)，選用葉片泵作為動力元件提供所須的壓力和流量;而在高壓大流量時(shí)，盡量選用軸向柱塞泵。

4 結(jié)論

液壓泵作為動力元件，在液壓系統(tǒng)中是極其重要的。在教學(xué)及科研實(shí)驗(yàn)中，搭建的液壓實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對液壓泵的要求各不相同，因此有必要對各類液壓泵的壓力－流量特性進(jìn)行測試與分析。實(shí)驗(yàn)過程中要注意以下方面的內(nèi)容:

(1)在調(diào)節(jié)液壓泵的出口壓力與到油路中流量時(shí)，所選用的溢流閥、節(jié)流閥的性能要在使用前進(jìn)行測試，這有利于準(zhǔn)確地調(diào)定液壓泵的出口壓力及液壓油進(jìn)入工作回路的流量。

(2)確定實(shí)驗(yàn)方案，在液壓泵站中選用并搭建所需油路時(shí)，應(yīng)盡量減少油路中的泄漏及能量損耗，選擇液壓泵時(shí)，其額定功率要合適，太大影響泵的有效利用率，太小則不能滿足工作需要。

［1］姜繼海，于斌，李晨光，等．液壓傳動教學(xué)實(shí)驗(yàn)中的液壓泵性能實(shí)驗(yàn)［J］．機(jī)床與液壓，2010，38(19):61－63．

［2］張寒蕾，王春梅．基于電液比例控制的液壓試驗(yàn)臺的液壓泵性能分析［J］．機(jī)床與液壓，2009，37(3):103－104．

［3］程寒生，曹玉平，閻祥安．液壓泵輸流參數(shù)控制與節(jié)能［J］．液壓與氣動，2005(4):65－67．

［4］許福玲，陳堯明．液壓與氣壓傳動［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008．

［5］薛定宇，陳陽泉．基于MATLAB/Simulink的系統(tǒng)仿真技術(shù)與應(yīng)用［M］．北京:清華大學(xué)出版社，2002．