并行式可靠性试验台节能研究
张春辉1,2, 赵静一1,2, 荣晓瑜1,2, 郭锐1,2, 张明星1,2
1. 燕山大学 河北省重型机械流体动力传输与控制重点实验室, 河北 秦皇岛 066004
2. 燕山大学 先进锻压成形技术与科学教育部重点实验室, 河北 秦皇岛 066004

作者简介:张春辉(1985—),男,河北秦皇岛人,博士研究生,主要从事电液控制系统方面的研究。

摘要

对液压泵可靠性试验台常用功率回收方式及其特点进行分析;结合并行式节能理念设计搭建新型可靠性试验台。利用采集到的数据经计算分别得到35 MPa和45 MPa下系统输入总功率、回收功率和损耗功率的情况,并将系统实际功率回收率与理论计算得到的功率回收率进行对比。结果表明与常规试验台比较,并行式可靠性试验台节能效果显著。

关键词: 可靠性试验; 功率回收; 并行式; 节能
中图分类号:TH137 文献标志码:B 文章编号:1000-4858(2015)04-0083-05
Energy-saving Research on Parallel Type Reliability Test Bench
ZHANG Chun-hui1,2, ZHAO Jing-yi1,2, RONG Xiao-yu1,2, GUO Rui1,2, ZHANG Ming-xing1,2
1. Hebei Provincial Key Laboratory of Heavy Machinery Fluid Power Transmission and Control,Yanshan University, Qinhuangdao, Hebei 066004
2. Key Laboratory of Advanced Forging & Stamping Technology and Science,Yanshan University, Qinhuangdao, Hebei 066004
Abstract

Through analysis of the commonly-used power recovery methods and characteristics, a new kind of reliability test bench has been designed combined with parallel power-saving design concept. Total input power, recovery power and loss power of the system under 35 MPa and 45 MPa are calculated by the collected data, and comparison of the system factual power recovery rate with the one obtained by theoretical calculation is done. Results show that the energy saving effect of parallel test bench is significant compared with conventional ones.

Key words: reliability test; power recovery; parallel mode; energy conservation
引言

液压系统处于控制和动力传输的核心地位, 广泛应用于冶金工业、工程机械、航空航天、船舶等诸多重要领域, 因此, 液压元件与系统的可靠性成为保障产品品质的核心因素。可靠性试验作为可靠性研究中重要的一环, 其目的是为了发现产品在设计、材料和工艺方面的各种缺陷, 确定其失效模式和失效机理, 针对薄弱环节提出改进性措施, 从而进一步提高产品的可靠性水平[1、2]。本研究以节能为目标, 采用功率回收方式搭建多机并行可靠性试验台对轴向柱塞泵进行试验, 并对节能效果进行分析研究。

1 液压补偿功率回收
1.1 串联液压泵补偿功率回收方案

串联液压泵补偿功率回收系统原理简图如图1所示。加载液压泵3(或为被试液压泵)与被试液压马达4(或为加载液压马达)通过机械结构连接起来, 转速相同。通过调节补油泵2的输出流量或节流阀5开度大小, 可以完成系统压力以及加载液压泵3和被试液压马达4转速的调节。在节流阀口开度一定的情况下, 改变补油液压泵的排量可以改变补入加载泵3的流量, 从而可以改变加载泵3和被试马达4的转速以及系统压力。

图1 串联液压泵补偿功率回收系统原理简图
1.电动机 2.低压补油泵 3.加载液压泵4.被试液压马达 5.节流阀

例如, 在电动机输入转速、加载泵3排量和被试马达4排量一定的情况下, 增大补油泵2的排量, 可以提高加载泵3和被试马达4的转速, 同时由于经过节流阀的流量增大, 节流阀前后压差必然增大, 也就使系统压力升高。同样, 在补油泵2排量和转速不变的情况下, 改变节流阀5阀口大小同样可以在一定程度上改变系统压力、加载泵3和被试马达4的转速。考虑液压泵与马达的泄漏, 为了保证被试液压马达4的转速, 加载液压泵3的排量需要适当大于被试液压马达4(1.3倍以上)。

这种功率回收系统所用元件较少, 操作方便, 针对不同液压泵(马达)不同的机械与容积效率, 功率回收率略有起伏, 但整体功率回收率较高。在系统建立起合适压力的情况下通过节流阀5的流量越小则额外的能量损耗越少, 此类系统调节过程中, 为了保证经过节流阀的流量最小, 减少能量损失, 需要对加载液压泵与被试液压马达进行排量的匹配[3]

1.2 并联液压泵补偿功率回收方案

并联液压泵补偿功率回收系统原理简图如图2所示。电动机1驱动主泵2输出压力油带动被试马达3旋转, 被试马达3通过输出轴拖动加载泵4运行, 加载泵4输出的压力油与主泵2输出的压力油合流共同驱动被试马达3运转。通过调节节流阀5阀口开度大小可以对系统压力进行调节, 系统压力的大小也就反应了加载泵4轴端输入扭矩大小, 从而调节了被试马达3的负载。

图2 并联液压泵补偿功率回收系统原理简图
1.电动机 2.主泵 3.被试液压马达 4.加载液压泵 5.节流阀

该方案中, 被试马达3和加载泵4转速的改变是通过调节二者排量实现的, 为了使被试马达3拖动加载泵4运转, 要做好二者排量的匹配。主泵2输入系统的压力油, 是为了补偿系统因液压泵(马达)容积损失和机械损失, 以及管路的沿程损失和节流阀的局部能量损失。并联液压泵补偿功率回收方案与串联液压泵补偿功率回收方案中功率回收率大小差不多。

2 机械补偿功率回收与功率电回收
2.1 机械补偿功率回收

机械补偿功率回收系统原理简图如图3所示。

图3 机械补偿功率回收系统原理简图
1.电动机 2.被试液压泵 3.功率回收马达 4.溢流阀

机械补偿功率回收是大型液压泵、马达试验台常用的功率回收方案, 系统主要由双轴伸电动机、被试液压泵、功率回收马达(被试液压马达)、加载装置、机械传动装置及其他液压辅件组成。系统中因液压泵(马达)容积损失与机械损失、传动装置的机械损失、油液经过管路的沿程损失及经过阀口的局部损失, 由电动机进行补偿[4]

图3中可以看到, 双轴伸电动机1的一个轴伸拖动被试泵2旋转, 被试泵2打出来的压力油驱动功率回收马达3运行, 功率回收马达3再通过机械传动装置与双轴伸电机1的另一轴伸进行连接, 帮助电动机1一起带动被试泵2运转。功率回收马达3通过联轴器直接与电动机1相连接, 二者也可以通过减速箱或者皮带连接, 从而达到不同传动比的要求。溢流阀4与功率回收马达3配合调节, 完成功率回收马达3转速与系统最高压力的设定。系统的能量流动如图2中箭头所示, 能量在电动机1、被试泵2、功率回收马达3之间往复循环实现功率回收的目的。

2.2 功率电回收

功率电回收是将压力能转化为电能进行功率回收的一种方式, 其系统原理简图如图4所示。图中被试泵2带动电动机1运转, 被试泵2输出压力油驱动马达4, 马达4带动发电机5旋转, 发电机运转过程中产生的电磁阻力矩给功率回收马达提供负载, 从而使系统建立起压力从而实现压力能与电能的转换。系统的最高压力由溢流阀3设定。

图4 功率电回收系统原理简图
1.电动机 2.被试液压泵 3.溢流阀 4.功率回收马达 5.发电机

此功率回收方式中被试液压泵和功率回收马达之间排量关系无严格限制, 试验范围较宽, 低速加载性能好。但是马达驱动发电机产生的电能回馈电网时存在困难, 因为电能回馈时需要一套装置来保证再生电和电网具有同相位, 实现起来技术复杂, 价格昂贵, 而且效果不理想。因此, 实际运用中往往利用电阻或电涡流将这部分能量耗散掉, 这样做虽然减少了油液的发热, 但能量并未回收, 故应用较少。

3 并行式轴向柱塞泵可靠性试验台分析

针对高可靠性长寿命的液压元件, 采用常规可靠性试验装置存在单次试验对象少、能量消耗严重、投入成本高等缺点, 严重阻碍了可靠性试验的发展。采用多机并行可靠性节能试验装置, 能够增加单次试验对象, 提高试验效率, 最大程度的减少能量浪费。

3.1 被试泵介绍

该试验台节能研究的对象为某公司生产的分别用于开式回路的A4VSO系列和闭式回路的A4VSG系列轴向柱塞泵, 如图5所示。

A4VSO与A4VSG系列液压泵, 为斜盘式轴向柱塞变量泵, 采用球面配流, 从而使缸体与配流盘有良好的自位性; 缸体柱塞孔呈锥形分布, 使柱塞在旋转时产生有利于自吸的径向离心力, 使配流盘的配流窗口节圆直径减小, 降低吸油流速, 增强吸油能力; 采用空心柱塞利于减轻重量降低噪音; 同时, 具有变量方式多等特点。因此, A4VSO与A4VSG系列液压泵额定工作压力达35 MPa, 容积效率高, 运行噪音低, 使用寿命长, 可靠性高。

图5 试验用轴向柱塞泵

3.2 试验原理分析

通过液压泵试验台节能方式的分析可知, 液压补偿和机械补偿功率回收方案均能起到很好的节能效果, 而对于本次轴向柱塞泵可靠性试验, 机械补偿功率回收方案更加有利于充分利用已有试验设备与基础, 可以实现灵活增加被试泵数量的目的, 并且实现简单, 功率回收效果好, 因此确定在采用机械补偿功率回收的基础上搭建并行式轴向柱塞泵可靠性试验台[5]

该试验平台通过1台功率为132 kW的双轴伸电机同时建立4个被试液压泵样本, 采取的功率回收技术, 将回收的功率用于拖动电动机旋转, 一方面可以减少电动机的功率输入, 另一方面减少了加载系统的节流能量损失, 减少了系统发热量。试验过程中, 4台被试泵均为液压轴向柱塞泵, 由于液压轴向柱塞泵与液压轴向柱塞马达在结构上是可逆的, 因此, 排量为125 mL/r和250 mL/r的闭式回路液压泵作为液压马达使用, 这样可以增加被试对象, 增加液压泵可靠性试验的样本容量。其原理如图6所示, 主要包括试验台架主体、冷却系统、过滤系统、补油系统、状态监测与控制系统等组成部分。

4 新型试验方案节能效果分析
4.1 功率回收效果对比

利用轴向柱塞泵可靠性试验过程中采集到的1号泵输入转矩和转速, 可计算出系统的输入总功率, 通过采集到的4号泵输出流量和压力可以计算出回收功率, 系统损耗功率可以通过系统输入总功率减去回收功率得到。利用MATLAB软件绘制出计算得到的系统输入总功率、回收功率和损耗功率的曲线图。

系统压力为35 MPa时, 一段时间内系统输入总功率、回收功率和损耗功率情况如图7所示。

图6 并行式轴向柱塞泵可靠性试验原理图
1-1.1号液压泵 1-2.2号液压泵 1-3.3号液压泵 1-4.4号液压泵 2-1、2-2.扭矩转速仪 3.电动机4-1、4-2、4-3、4-4、4-5、5-1、5-2.流量计 6.补油泵电机组 T1、T2、T3、T4、T5、T6.温度传感器 P1、P2、P3、P4.压力传感器7.系统加载装置 8.远程调压阀 9.溢流阀 10.1号试验台架 11.2号试验台架 12.过滤系统 13.冷却系统

图7 35 MPa时系统输入总功率、回收功率和损耗功率

经计算得到:35 MPa时系统输入总功率平均值为133.4 kW, 回收功率平均值为88.6 kW, 损耗功率平均值为44.8 kW。

系统功率回收率为:

η1=88.6133.4×100%=66.4%(1)

根据试验采集到的数据, 做出35 MPa下系统实际功率回收率与理论计算得到的功率回收率对比情况如图8所示。

图8 35 MPa时系统功率回收率对比情况

系统压力为41 MPa时, 系统输入总功率、回收功率和损耗功率情况如图9所示。

图9 41 MPa时系统输入总功率、回收功率和损耗功率

经计算得到:41 MPa时系统输入总功率平均值为159.7 kW, 回收功率平均96.2 kW, 损耗功率平均值63.5 kW。

系统功率回收率为:

η2=96.2159.7×100%=60.2%(2)

根据试验采集到的数据, 做出35 MPa下系统实际功率回收率与理论计算得到的功率回收率对比情况如图10所示。

图10 41 MPa时系统功率回收率对比情况

通过以上分析可知, 35 MPa时系统功率回收率平均为66.4%, 41 MPa时系统功率回收率平均为60.2%, 可见机械式功率回收在并行式轴向柱塞泵可靠性试验中起到了非常好的节能作用。

4.2 试验过程中电能节省量计算

利用试验过程中采集的数据及计算得到的功率回收效果, 可以计算出新型试验方案下, 完成整个轴向柱塞泵可靠性试验实际消耗电量为:

Q=44.8×1030+63.5×846=99865kW·h(3)

而假若采用单台泵试验方法, 4台泵完成试验所

需消耗总电量为:

Q=4×(1030×133.4+846×159.7)=1090032.8kW·h(4)

因此可以得到电能的节约率为:

η=1090032.8-998651090032.8×100%=90.8%(5)

由上述计算数据可以看出, 与传统单台泵试验方法比较, 并行式轴向柱塞泵节能型可靠性试验所采用的试验方案电能节约率高达90.8%, 节能效果相当显著。

5 结论

本研究对液压补偿和机械补偿功率回收以及功率电回收方式原理及其特点进行了分析。为使轴向柱塞泵可靠性试验更加节能且耗时更短, 通过并行设计思想提出了节能型轴向柱塞泵可靠性试验方案。根据已确立的新型试验方案, 完成了四台轴向柱塞泵的可靠性试验, 利用试验所采集数据得到了功率回收率实际值, 并与理论计算值进行了比较, 表明并行式轴向柱塞泵可靠性试验具有显著的节能效果。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
[1] 赵静一, 姚成玉. 液压系统的可靠性研究进展[J]. 液压气动与密封, 2006, (3): 50-52. [本文引用:1]
[2] 赵静一, 姚成玉. 我国液压可靠性技术概述[J]. 液压与气动, 2013, (10): 1-7. [本文引用:1]
[3] 陈国安, 范天锦, 曹斌祥. 一种液压泵功率回收试验台设计[J]. 流体传动与控制, 2013, (3): 30-33. [本文引用:1]
[4] 谢光辉, 喇凯英, 王留运. 液压机械补偿功率回收模型参考模糊神经网络控制[J]. 机床与液压, 2009, 37(2): 114-116. [本文引用:1]
[5] 马纪明, 詹晓燕. 具有随机退化特性的柱塞泵性能可靠性分析[J]. 机械工程学报, 2010(14): 189-193. [本文引用:1]