龔光全　，朱　鈺

(集美大學輪機工程學院，福建 廈門 361021)

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變量泵功率回收試驗臺系統(tǒng)設計

龔光全，朱鈺

(集美大學輪機工程學院，福建 廈門 361021)

[摘要]為了解決傳統(tǒng)的液壓泵試驗臺消耗能量較多的問題，從節(jié)能的角度出發(fā)，提出了一種功率回收的試驗回路,并推導出試驗回路中主要元件參數(shù)的計算公式.針對某型液壓泵，利用AMESim仿真軟件平臺，建立了試驗回路模型，進行仿真計算.結(jié)果表明：該功率回收型液壓泵試驗臺能滿足試驗需要，能完成液壓泵各項性能指標測試，功率節(jié)約40%以上.

[關鍵詞]液壓泵試驗臺；節(jié)能；功率回收；仿真

0引言

液壓泵性能測試是新泵和維修完成后的泵必須進行的一項工作，所需要的功率隨被試泵功率的變化而變化，而且試驗的時間比較長.傳統(tǒng)試驗基本上都是采用溢流節(jié)流加載方式進行，我國現(xiàn)有的液壓泵試驗標準中提到的試驗回路，幾乎都是這種方式[1-2].試驗時液壓泵輸出的能量全部轉(zhuǎn)化為熱能，使系統(tǒng)發(fā)熱，油溫升高，造成了大量的浪費.用較小的電機功率完成較大功率泵的試驗是一個值得深入探討的問題.

國內(nèi)外研究集中在如何利用被試泵的功率，減小泵試驗臺電機功率方面[3-11].文獻[3]提出了一種液壓馬達能量回收系統(tǒng)，通過能量回收馬達驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電，該電能被儲存在電容或者電池中，需要時給電動機供電，與原動機共同驅(qū)動負載，從而達到節(jié)能的目的.但是對大批量的新泵測試來說，由于新泵測試采用的是用被試泵驅(qū)動加載馬達，馬達帶動發(fā)電機發(fā)電，再將電能回饋到電網(wǎng)中的方法.因此回饋電網(wǎng)需要一套裝置保證再生電和電網(wǎng)具有相同相位，這樣實現(xiàn)起來技術復雜，價格昂貴，且效果不理想.文獻[4-6]提出機械補償功率回收方式，被試泵、加載馬達和電動機同軸機械相連，由電動機對被試泵的輸入功率進行補償，被試泵輸出的高壓油驅(qū)動加載馬達轉(zhuǎn)動，馬達又將這部分能量回饋給被試泵，與電機共同驅(qū)動被試泵，但被試泵、電動機和加載馬達三者機械連接，結(jié)構(gòu)較復雜，且對馬達的變量控制要求較高.文獻[7-9]提出液壓補償功率回收方式，被試泵與加載馬達機械同軸相連，被試泵的出口與加載馬達入口直接相通，補償泵串聯(lián)或并聯(lián)在液壓油路中，用于驅(qū)動加載馬達，補償系統(tǒng)不足的能量，通過改變加載馬達排量來提高系統(tǒng)壓力.

本文根據(jù)某企業(yè)提出的額定排量為110 mL/r,工作壓力27 MPa的變量泵進行試驗臺設計的需求，自主設計了功率回收變量泵試驗系統(tǒng)回路，并建立試驗臺系統(tǒng)模型，仿真驗證了節(jié)能效果.

1功率回收試驗臺系統(tǒng)設計

該功率回收試驗臺設計的主要思想是：利用與被試泵同軸的液壓馬達回收部分被試泵的輸出功率，減小試驗臺驅(qū)動電機的功率，達到節(jié)能的目的.功率回收試驗臺液壓系統(tǒng)的原理圖如圖1所示.

其工作過程為：首先，將補償泵2的排量調(diào)到較小值，將能量回收馬達5的變量調(diào)至最大，節(jié)流閥7處于最大開度；其次，啟動電機帶動補償泵2轉(zhuǎn)動，補償泵2輸出的液壓油直接驅(qū)動能量回收馬達5轉(zhuǎn)動，同軸帶動被試泵8轉(zhuǎn)動，被試泵8輸出的液壓油流經(jīng)單向閥6后，與補償泵2的輸出合并，共同驅(qū)動能量回收馬達5，實現(xiàn)功率回收.

為了實現(xiàn)泵性能測試時所要求的不同工況，如需要提高被試泵8的測試轉(zhuǎn)速等級，可以通過適當減小能量回收馬達5的排量或者適當增加補償泵2的排量來實現(xiàn)；如需要增加被試泵的出口壓力，可以通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥7來實現(xiàn)，由于泄漏存在，試驗過程中轉(zhuǎn)速的恒定控制，是通過補償泵2的排量的實時調(diào)整實現(xiàn)的.

2系統(tǒng)主要元件參數(shù)的匹配計算

為了使設計試驗臺能正常工作并達到節(jié)能效果，試驗系統(tǒng)中的各元件參數(shù)需與被試泵的參數(shù)相匹配，最主要的是能量回收馬達和補償泵的參數(shù)選擇.表1為被試泵、能量回收馬達和補償泵的參數(shù)代碼表.

表1　參數(shù)代碼表

在系統(tǒng)穩(wěn)定后，能量回收馬達與被試泵的轉(zhuǎn)速相等.

則能量回收馬達的排量為：Vm5=(Δp8/Δp5)×Vp8/(ηm5×ηm8×ηm9),或：

(1)

其中：Δp5為能量回收馬達進出口壓差；Δp8為被試泵進出口壓差，且Δp8>Δp5；ηm9為能量回收馬達與被試泵之間聯(lián)軸器的機械效率.

在系統(tǒng)達到平衡且不產(chǎn)生溢流時，q5=q2+q8，即Vm5×n5/ηv5=Vp2×n2×ηv2+Vp8×n8×ηv8. 則被試泵轉(zhuǎn)速為：

(2)

或要達到某被試泵的測試轉(zhuǎn)速，補償泵的排量應為：

(3)

將式(1)帶入式(3)中得：Vp2>Vp8×(1-ηm5×ηm8×ηm9×ηv8×ηv5)/(ηm5×ηm8×ηm9×ηv2×ηv5)×(n8/n2)

3仿真分析

3.1　建立仿真模型

企業(yè)需求的被試泵的最大排量為110 mL/r的變量泵，實驗轉(zhuǎn)速為1000 r/min.根據(jù)式(1)、式(3)計算可得到能量回收馬達排量可為140 mL/r，補償泵排量為71 mL/r.節(jié)流閥的開度減小時，被試泵工作壓力增加，從而得到不同工作壓力下的被試泵的實際輸出流量.但由于被試泵的工作壓力變化時，系統(tǒng)泄漏會發(fā)生變化，導致被試泵的轉(zhuǎn)速偏離1000 r/min，需要實時調(diào)整補償泵的流量，使轉(zhuǎn)速穩(wěn)定.圖2為轉(zhuǎn)速控制原理框圖.

在AMESim軟件平臺上，建立試驗系統(tǒng)仿真模型如圖3所示.

3.2　仿真結(jié)果分析

通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥對被試泵進行加載，采用PID控制器閉環(huán)控制被試泵的測試轉(zhuǎn)速，仿真曲線見圖4—圖6.

在圖6中，前30 s被試泵轉(zhuǎn)速逐漸升高至1000 r/min，然后維持該值不變，進行泵在該轉(zhuǎn)速下的壓力流量特性試驗.圖4顯示節(jié)流閥在0-70 s，100-170 s，200-270 s，300-370 s,400-470 s分別處于某一開度，用于調(diào)整被試泵的出口壓力(見圖5).圖6右側(cè)放大圖顯示了被試泵的速度調(diào)整過程.利用仿真得出來的被試泵與補償泵的進出口壓差Δp、出口流量q，可以計算出該試驗臺的功率消耗，得到功率節(jié)約率.

取補償泵進出口壓差Δp2，有：

補償泵功率為：

被試泵功率為：

則可計算功率節(jié)約率

取100~170 s，200~270 s，300~370 s,400~470 s的仿真結(jié)果，如表2所示.

表2　仿真結(jié)果

4結(jié)語

本文提出了一種功率回收液壓泵試驗臺的系統(tǒng)設計方案，并根據(jù)企業(yè)需求，為排量為110 mL/r的液壓泵進行了主要元件的匹配計算，并對試驗系統(tǒng)進行了仿真.仿真結(jié)果表明：與傳統(tǒng)的非功率回收試驗的方法相比，所設計的液壓泵功率回收試驗臺，更加經(jīng)濟合理，試驗臺配置功率可減小40%以上，達到了預期目標.

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(責任編輯陳敏英文審校鄭春榕)

Design of Power Recovery System ofVariable Displacement Pump Test BenchGONG Guang-quan,ZHU Yu

(Marine Engineering Institute,Jimei University,Xiamen 361021,China)

Abstract:The power recovery system of variable displacement pump test bench has been proposed from energy-saving point of view,for the traditional test bench run out more power；the calculation formulas for the main elements’ parameters of the test circuit are deduced.A simulation model of the test circuit is built up on AMEsim software platform for the particula pump,and simulation calculations are carried out.The simulation results show that the power recovery pump test bench can meet the requirement of the pump test;all tests of the pump performances can be done on the bench;the power saving can reach 40% at least.

Key words:pump test bench;energy saving;power recovery;simulation

[中圖分類號]TH 137.7

[文獻標志碼]A

[文章編號]1007-7405(2015)02-0140-05

[作者簡介]龔光全(1989—)，男，碩士生，從事液壓傳動與控制研究.通訊作者：朱鈺(1964—)，女，教授，碩士生導師，從事輪機工程及液壓傳動與控制研究.

[基金項目]福建省自然科學基金資助項目(2012J01230)

[收稿日期]2014-11-04[修回日期]2014-11-05