叶片泵/轴向柱塞泵的压力与流量性能测试

2015-04-26张志森

机床与液压 2015年2期

张志森

(四川文理学院物理与机电工程学院，四川达州 635000)

在液压传动系统中，液压泵是液压系统中将机械能转变成压力能的装置。它是液压传动的“心脏”，其作用是为液压系统提供足够的压力油，其性能直接影响整个液压系统甚至整个设备的工作质量［1－2］。由于液压泵在液压系统中的重要性，根据液压实验平台液压泵站上的叶片泵/轴向柱塞泵的相关参数，测试两种液压泵的压力－流量的变化情况并获得液压泵的压力－流量的变化数据及数据曲线，对于了解液压泵出口压力与流量的变化情况非常重要。

1 液压泵站的结构及工作原理

该液压实验平台专门用于对自行搭建的液压系统进行分析优化及对液压阀的性能进行测试分析，液压实验平台中的液压泵站主要由驱动电机、叶片泵/轴向柱塞泵、溢流阀、节流阀、流量/压力传感器、过滤器等相关元器件组成，其构成如图1所示。

图1 液压泵站实物图

在实际测试中，液压泵的压力－流量数据测试的工作原理图如图2所示。

图2 液压泵测试的油路图

测试工作原理:当按下液压泵的启动电源时，液压泵开始工作，在整个液压泵测试过程中，无外接负载;液压泵出口压力通过手动调节溢流阀的弹簧预压缩量调节，改变阀口开启压力，从而达到调节泵出口压力的目的，压力表与流量表分别测量液压泵的出口压力与液压油经过节流阀流回油箱时的流量。

2 液压泵的性能参数

液压泵输出压力是由负载决定的，系统压力用压力阀调整，液压泵输出压力过剩，一是系统控制元件必需的，如调速阀、分流集流阀、压力继电器等可靠稳定工作必需的压差;二是控制系统，如节流调速系统流量过剩引发的压力过剩。大多数定量泵系统输出流量是过剩的，即使使用手动变量泵，也会存在流量过剩［3］，因此，有必要对液压泵的主要性能参数进行数学分析。

液压泵的主要性能参数［4］:

(1)实际流量q

式中:qt为理论流量(L/min);n为泵的转速(r/min);V为泵的排量(L/r);Δq为泄漏流量(L/min)。

(2)容积效率ηV

液压泵的实际流量q与理论流量qt的比值称为液压泵的容积效率，可表示为:(3)输出功率P与输入功率Pr

(4)总效率

液压泵的输出功率P与输入功率Pr之比为总效率，即:

式中:p为液压泵的出口压力(MPa)，T为输入液压泵的转矩(N·m)，ω为角速度(r/min)，ηm为机械效率。

从式(1)—(3)可以获得泵的实际流量、容积效率和总效率，液压泵的实际流量大小主要是受泄漏量的影响，泄漏量的大小对液压泵在液压系统中的容积效率及总效率都产生很大影响。

3 压力-流量性能测试

采集及测试的叶片泵/轴向柱塞泵的主要参数，如表1所示。

表1 泵的参数

在数据采集过程中，按一定的规律改变液压泵的出口压力，每改变液压泵的出口压力一次，记录流量的变化数值，直到液压泵的出口压力及流量达到最大时停止。实验数据如表2所示。

表2 压力－流量数据

由于MATLAB语言提供了强大的图形绘制功能，用户只需指定绘图方式，并提供充足的绘图数据，即可以得出所需的图形，还为绘出的图形提供各种修饰方法，使绘出的图形更美观［5］。因此，用MATLAB软件绘制出采集到的叶片泵/轴向柱塞泵的压力－流量数据曲线，如图3、图4所示。

图3 叶片泵压力－流量曲线

图4 轴向柱塞泵压力－流量曲线

可以看到:流量随着压力变化的总趋势是:当液压泵的出口压力增加时，流量随之增大;当出口压力达到一定值时，其流量基本保持不变。

图5 两种泵压力－流量曲线对比

液压泵刚开始工作时，由于调定的出口压力比较低，这时泵进出口压力差比较小，效率较高。随着泵出口压力的升高，曲线在0.4 MPa时出现了拐点，这是由于随着泵出口压力的升高，其内泄漏量加大及油路的能耗加大，影响了液压泵在实际工作中的效率。对比叶片泵与轴向柱塞泵在相同的压力下，其流量的变化情况如图5所示。

可以看到:在相同的压力下，叶片泵的实际输出流量比轴向柱塞泵的要少，这主要是由于在相同的转速下，轴向柱塞泵的排量比叶片泵要大，所以其流量也大。在液压泵的实际工作中，要考虑叶片泵/轴向柱塞泵的压力有效利用率，当液压泵能满足不同工作压力要求时，应尽量选择功率较小的液压泵，提高液压泵的利用效率及减小能量损耗。一般情况下，在低压小流量时，选用叶片泵作为动力元件提供所须的压力和流量;而在高压大流量时，尽量选用轴向柱塞泵。