液压泵效率与排量特性试验研究

叶 敏，易小刚，蒲东亮，焦生杰

(1.长安大学公路养护装备国家工程实验室，陕西西安 710064;2.三一重工股份有限公司，湖南长沙 410100)

工程机械广泛应用于国家基础设施及军工国防建设，现有工程机械作业效率低、能源消耗大，其节能技术研究具有重要意义.液压泵作为工程机械的动力执行机构，对于工程机械动力系统匹配节能来说，液压泵的效率和控制特性直接影响动力系统参数匹配的好坏、能量的利用率、系统的发热、振动、冲击以及作业质量，对整机动力性能和经济性能有着重大的影响，是动力节能参数匹配中应着重考虑的关键问题之一［1－3］.目前国内外对液压泵大多进行理论建模研究［4－6］，试验研究较少.本文对液压泵的效率特性和排量电比例控制特性进行试验研究，分析液压泵在不同工况下的效率和排量控制比例电流的死区、饱和区、工作段的线性度和响应时间，为工程机械动力匹配提供参考依据.

1 电比例变量泵特性分析

针对目前工程机械，尤其是各种型号混凝土泵车中常用的力士乐公司生产的A11VO系列液压泵进行试验研究，液压泵的型号为A11VL90LRDU2，排量V=190cm3，排量为Vmax时最高转速为2100r·min－1，排量小于Vmax时最大转速为 2300r·min－1，流量为 265L·min－1，在Vmax时的功率为 159kW［7］.A11VO 系列液压泵主要功能包括压力切断、恒功率和变量控制.三种功能按优先顺序进行控制，优先级为:压力切断最高，之后是恒功率，最后是变量控制.恒功率控制的压力临界值可以通过液压泵上的旋钮进行调节，具体值需在实际工况下进行调定，当系统压力进入恒功率调节时，变量控制已经不起作用，排量会自动根据压力的增加而减少，目的是避免液压泵超负荷工作.

1.1 压力切断控制

压力切断即恒压控制，当达到预先设定的压力值时，它使泵的排量向最小排量Vmin摆回，特性曲线如图1所示.压力切断功能优先于恒功率控制，即恒功率控制在低于预设压力时起作用.

图1 压力切断原理图Fig.1 Schematic of pressure cut-off

1.2 恒功率控制原理

恒功率控制调节系统工作压力及液压泵的输出流量，控制液压泵在恒定的驱动转速下不超过预定的驱动功率.图2是变量泵的恒功率特性曲线，左边ABCD表示压力与排量的变化关系，其中AB段是定量段，相应的功率变化是图中右边的OE段，此时，其特性与定量泵一样.BC段是变量段，此段内压力p与排量V乘积近似为常数，相应的功率变化为右边的EF，当进入此段后，排量与压力的乘积保持不变，随着压力的增加，排量自动减少，接近双曲线.图2中恒功率实际上也是在变量泵转速恒定的情况下计算出来的，所以，实际上是pV为定值，也即变量泵的吸收转矩为恒定值.当转速变化时，变量泵的吸收功率将不再恒定.

图2 恒功率控制原理Fig.2 Principle of constant power

1.3 变量控制

变量机构使得泵的排量在其整个范围内可无级调节，并与比例电磁铁的控制电流或控制口的压力成比例，电流直接去控制比例电磁铁，恒定功率控制优先于变量控制，即低于功率曲线时排量受控制电流的调整.如果设定流量或工作压力使功率曲线被超过，则恒功率控制取代变量控制并按照恒功率曲线减小排量.从Vmax到Vmin，随着控制电流减小，泵摆向较小的排量.控制电流范围为200～600mA，对应于泵的零排量到满排量，特性曲线如图3所示.

图3 电比例排量控制原理Fig.3 Principle of electric-proportional control

2 试验台组成及试验流程

2.1 试验内容

以A11VO190液压泵为研究对象，利用泵－马达液压试验台进行试验研究，内容主要包括:①液压泵效率试验;②液压泵排量动态响应试验;③液压泵排量静态响应试验.

2.2试验平台的组成

泵－马达液压试验台主要由交流电机、液压泵、液压马达、阀路、智能控制平台及相关信号检测元件组成，如图4所示.在交流电机与液压泵的传动轴上安装有转速传感器和扭矩传感器用以检测电机的输出扭矩和转速值，在液压泵、液压马达、电磁溢流阀的泄油路和回油路安装4个流量传感器SF00—SF03:SF00检测主回路流量，SF01检测电磁溢流阀的溢流量，SF02检测液压泵的泄漏量，SF03检测液压马达的泄漏量.压力传感器检测液压泵出口处的压力.交流电机选用Y355M2－2三相交流异步电动机，额定输出功率为250kW，额定转速为3000r·min－1，智能控制平台比例电流调节精度为 ±10mA，转速控制精度为 ±5r·min－1，流量传感器 SF00量程为 500L·min－1，SF01量程为250L·min－1，SF02，SF03 量程为 50L·min－1，压力传感器量程为50MPa.

图4 泵－马达液压试验平台组成原理图Fig.4 Distribution schematic of pump-motor hydraulic testbench

3 试验研究

3.1 液压泵效率试验

液压泵的效率分为容积效率和机械效率，容积效率是由于存在间隙的泄漏而引起的流量损失.机械效率是由于摩擦而引起的扭矩损失，其中一部分是油液间的黏性摩擦，另一部分是滚动轴承、柱塞与缸体孔、各运动副的固体摩擦.在理论上，影响液压泵效率的因素有很多，但主要有油液的工作黏度、工作压力、转速及变量泵的控制电流.

液压泵的容积效率为

式中:ηV为容积效率;Q为理论流量;ΔQ为泄流量;h为泄漏间隙;Δp为间隙两端压差;μ为油液运动黏度;n为转速;β为控制电流;Vmax为最大排量.

液压泵的机械效率为

式中:Ne为泵理论输出功率;ΔN为机械损失功率.

液压泵的总效率为

工作压力对容积效率的影响由式(1)分析可知，工作压力越大容积效率越小.对机械效率来说，在液压泵转速、控制电流、油液运动黏度不变的情况下，工作压力的变化对扭矩损失的影响很小，但对液压泵的有效输出功率影响很大，由式(2)可知，随着工作压力的增大，液压泵的有效输出功率增加，机械效率也随之增大.

转速对容积效率的影响由式(1)分析可知，转速越大容积效率越大.对机械效率来说，随着转速的增加，液压泵的流量将增大，随之油液的黏性摩擦也将增大，同时泵的轴承及其各个运动副的固体摩擦也将增大，扭矩损失增加，由式(2)可知，液压泵的机械效率将降低.

控制电流对容积效率的影响由式(1)分析可知，控制电流越大，容积效率越大.对机械效率来说，控制电流增大，液压泵流量增大，油液的黏性摩擦也将增大，扭矩损失增大，但同时液压泵的有效输出功率也随之增大，且其增大幅度比扭矩损失ΔN的要大，由式(2)分析可知，机械效率将增大.

从理论上，初步分析了影响液压泵效率的各种因素，但是在实际的工作过程中各个因素的影响权重不一样，不同工况下有的因素起着主要的作用，有的则影响不大，而且不同型号的液压泵的效率特性也存在差别，所以为了实际应用，需要对试验测试的数据进行分析.

通过智能控制平台控制交流电机的转速、液压泵出口的负载压力及液压泵的排量，测试液压泵在恒转速和恒控制电流下的效率变化情况.起始负载压力为8MPa，每次递增2MPa，直到24MPa;起始控制电流为 200mA，每次递增 40mA，直到600mA;起 始 转 速 800r· min－1，每 次 递 增200r·min－1，直到 1800r·min－1，部分试验数据如图5所示.

图5 液压泵效率测试曲线Fig.5 Efficiency curve of pump

对试验数据进行整理，绘制液压泵的效率等值线图，如图6所示，可以分析出液压泵效率特点:

图6 液压泵效率二维等值分布图Fig.6 Contour distribution of pump efficiency

(1)泵的总效率随着转速的增加而降低，1300～1800r·min－1为稳定区间，其范围内效率波动较小.

(2)泵的总效率随着压力的增加先增后减，最优压力范围为13～24MPa.

(3)泵控制电流在400mA以上效率较高，400mA以下效率较低;控制电流越大，泵效率受压力和转速变化影响的波动量越小，泵的大排量工况为高效区.

(4)液压泵总效率随控制电流增大而增大，因此泵的排量控制电流最好控制在400～600mA范围内，以使泵的总效率高于75%.

从试验的结果来看，液压泵的排量对效率的影响最大，其次是压力，液压泵的转速对效率的影响最小.

3.2 液压泵排量响应时间试验

将液压泵负载压力设为恒定，控制台输入满排量电流控制信号，记录液压泵由零排量到满排量的上升时间.之后输入零排量电流控制信号，记录液压泵由满排量到零排量的下降时间.试验动态响应测试数据如表1.试验结果表明泵从零排量到满排量的响应时间为0.5s左右，而从满排量到零排量的响应时间为0.25s左右，且响应时间随着负载的增加而延长.

表1 液压泵响应时间Tab.1 Respond time of hydraulic pump

3.3 液压泵静态电流控制特性

通过智能控制平台控制液压泵的输入比例电流值，测量液压泵在不同电流下的稳态排量输出，得到液压泵排量控制静态电比例特性.恒定电流值从200～600mA，改变负载压力p，记录液压泵的转速n和输出流量Q.

如图7所示，从测试数据统计分析可以看出，液压泵在恒控制电流下，不同压力转速情况，排量变化不大，波动量较小.液压泵的控制电流死区为0～200mA，饱和截止电流为 550mA，在 200～550mA范围内液压泵排量线性变化.液压泵的排量控制受负载压力影响较大，空载下排量与控制电流近似成线性，随着载荷的增加，排量随控制电流的增加，速度变慢，要实现排量的精确控制需对控制电流进行校正.

之后对新旧液压泵的电比例控制特性进行研究，测试泵的排量与控制电流的曲线关系，试验结果如图8所示.从图8可以得出新旧液压泵的排量控制特性基本相同，泵的排量控制特性受使用时间影响不大.泵的死区控制电流为200mA，饱和控制电流大致为550mA，在区间内泵的排量与控制电流基本成线性关系，但与样本手册稍有偏差.

图7 不同转速下泵排量控制特性Fig.7 Control characteristics of pump displacement with load

图8 新旧液压泵控制特性对比图Fig.8 Contrast of control characteristics between new and old pump

4 结论

本文分析了工程机械液压系统常用液压泵的工作特性，并对动、静电比例特性及效率特性进行试验研究，结论如下:

(1)泵的总效率随着转速的增加而降低，1300～1800r·min－1为稳定区间，其范围内效率波动较小.

(2)泵的总效率随着压力的增加先增后减，最优压力范围为13～24MPa.

(3)泵控制电流400mA以上效率较高，400mA以下效率较低;控制电流越大，泵效率受压力和转速变化影响的波动量越小，泵的大排量工况为高效区.

(4)液压泵的排量控制受负载压力影响较大，空载下排量与控制电流近似成线性，随着载荷的增加，排量随控制电流的增加速度变慢，要实现排量的精确控制需对控制电流进行校正.

(5)液压泵的控制特性受使用时间影响不大.

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