液压电机泵是将电动机与液压泵一体化的新一代液压动力单元,将电能直接转化为液压能输出。近年来,美国、德国、日本和闽台等发达国家和地区对电动机与液压泵融合化(hybrid/integrated)都高度重视,液压电机泵已成为液压技术创新发展的重要方向[1~4],由于电机泵工业化价值**,在国内外,有关电机泵的研究论文和相关试验数据公开发表的还很少,有关资料文献大多以**形式出现。相对于传统的“三段式”液压动力单元—电机油泵组(即由独立电动机、联轴器和液压泵组成),液压电机泵具有结构紧凑、噪声低、无外泄漏和效率较高等优点。液压电机泵的*特优点,使其具有重要研究价值和广阔的应用前景。本文针对研制出的首台液压电机丹尼逊叶片泵样机,建立电机泵性能试验系统,获得样机的输入电量参数、输出液压能参数及内部转子转速和壳体内部压力等参数,得到液压电机丹尼逊叶片泵样机的转子转速、噪声和效率等随输出压力变化的特性,并与同等功率液压电机油泵组的测试结果进行对比。本研究为液压电机泵优化及创新发展提供有益的参考。
1 试验系统及方法
1·1 液压电机丹尼逊叶片泵的性能试验系统
电机泵作为一种新一代液压动力单元,目前还没有相关的测试标准,试验中参照电动机和丹尼逊叶片泵的测试标准[8~9],设计确定了电机丹尼逊叶片泵样机的性能试验系统。
图2为电机丹尼逊叶片泵样机的试验系统图,手动换向阀3置于左位时,电机丹尼逊叶片泵样机1输出油液直接回油箱,处于空载运行状态;手动换向阀3置于右位,且两个节流阀5、6处于关闭状态时,通过调节溢流阀2,改变输出压力,实现对电机丹尼逊叶片泵样机1进行加载。
1·2 电机泵与电机油泵组性能对比试验
电机丹尼逊叶片泵样机进行空载和负载性能试验时,油箱内油液温度保持在(30±2)℃。空载试验测量参数包括空载输入功率、空载转速和空载电流,其中空载电流为电机丹尼逊叶片泵样机空载运行时定子三相绕组中通过的电流,绝大部分的空载电流产生旋转磁场,称为空载励磁电流,是空载电流的无功分量;小部分用于克服电机丹尼逊叶片泵样机空载运行时的各种功率损耗(如机械摩擦、铁芯损耗和粘性负载损耗等),这一部分是空载电流的有功分量,因所占比例很小,可忽略不计。负载试验时,在外加电压及频率保持不变条件下,对电机丹尼逊叶片泵样机进行测试,研究转子转速n、输出流量q、定子绕组电流i、功率因数cosφ、功率p、效率η等与输出压力po之间的关系,通过试验曲线直接反映电机丹尼逊叶片泵样机运行过程中主要性能指标与运行参数的变化规律。
将电机丹尼逊叶片泵更换为电机油泵组(图2),选用11 kw标准y2系列电动机和pc20v-5型子母丹尼逊叶片泵,在相同试验条件下,对电机油泵组进行性能测试,测量出电机油泵组转速nz、流量qz、定子电流iz、功率因数cosφz、功率pz、效率ηz、噪声等参数,并确定与输出压力po之间的关系。
2 试验结果及分析
2·1 外形尺寸及体积
电机丹尼逊叶片泵样机与同等功率电机油泵组实物比较如图3所示。由图可见,电机丹尼逊叶片泵样机(图3左侧)在轴向尺寸上比同等功率电机油泵组(图3右侧)缩短61%,体积减小约50%。
2·2 转子转速与输出流量特性
转速和流量随着输出压力的变化规律如图4所示。图4a为转子转速随输出压力的变化曲线,其中n为电机丹尼逊叶片泵样机的转子转速变化曲线, nz为电机油泵组的转子转速变化曲线;图4b为输出流量随输出压力的变化曲线,其中q为电机丹尼逊叶片泵样机的输出流量曲线,qt为电机丹尼逊叶片泵的理论流量(即无泄漏的输出流量)曲线,qz为电机油泵组输出流量曲线。
输出流量为
q=nd-δq (1)
式中 d———泵的几何排量 δq———泄漏量
由图可见,空载时,电机丹尼逊叶片泵的转子转速与电机油泵组接近,随着输出压力的升高,电机丹尼逊叶片泵样机的转子转速明显下降,而电机油泵组的转子转速稍下降,表明与标准电动机相比,电机丹尼逊叶片泵样机内的电机负载刚性较低。空载时,二者转速和输出流量基本相同,随着负载压力的增加,电机丹尼逊叶片泵样机的输出流量q与其理论流量qt的差值偏大,对照电机油泵组的输出流量qz,可知电机丹尼逊叶片泵样机的输出流量降低的主要因素是其内部存在着额外的泄漏量,且此泄漏量与输出压力近似成线性关系,表明泄漏属于层流流态;与额外的泄漏量相比,电机丹尼逊叶片泵样机的转子转速随输出压力增大而下降只是其输出流量减小的一个次要因素。
2·3 噪声
分别在距电机丹尼逊叶片泵样机与电机油泵组轴线方向1m处放置噪声频谱分析仪,进行a声级噪声测量,其噪声声级随输出压力的变化曲线如图5所示。电机丹尼逊叶片泵样机噪声明显低于电机油泵组的噪声。空载(即0mpa)时,电机丹尼逊叶片泵样机的噪声声级比电机油泵组低3 db,随着输出压力的升高二者声级逐渐升高、声级差进一步加大,当输出压力大于12mpa时,电机丹尼逊叶片泵样机的噪声声级趋于恒定,为72 db;而电机油泵组的噪声声级为79·5 db(对应输出压力po=14mpa),且随着压力的升高噪声声级有继续增大的趋势。
采用1/3倍频对电机丹尼逊叶片泵样机和电机油泵组的噪声频谱进行分析,图6给出了二者在输出压力为12mpa时的噪声频谱图,横坐标为1/3倍频程中心频率,纵坐标为声压级。从图中可以看出电机丹尼逊叶片泵样机的噪声主频为4 000hz,它决定了声级大小;电机油泵组的噪声主频为300、3 150hz;二者比较发现,电机丹尼逊叶片泵样机属于高频噪声,其噪声源主要是气穴噪声,而电机油泵组的噪声主频相对较低,其主要噪声源还包含着机械噪声成分。
在试验过程中,采用透明**玻璃制成的接线板对电机泵样机壳体内液流进行了观察,发现壳体内的油流携带有许多细小气泡,这些气泡在高压区溃灭形成了高频气穴噪声。图7给出了样机壳体左侧腔体(图1)内的真空度(真空表由接线板接入,见图3)随进口油温的变化曲线。
在油温较低时真空度较大,随着油温升高、油液粘度减小,流动阻力减小,真空度逐渐减小,当油温大于41℃后,真空度*减小,图7清楚证明电机泵样机存在内部流道狭窄、吸油阻力大的问题。在样机制造过程中,壳体铸件的轴向尺寸偏小和内流道狭窄,使得定子线圈绕组距吸油口太近,造成电机丹尼逊叶片泵样机内部流道存在负压区和油液中的气泡析出。通过增大壳体铸件轴向尺寸、扩大内流道,避免吸油过程中的气泡析出及其气穴噪声,可进一步大幅降低电机丹尼逊叶片泵样机的噪声。
2·4 效率
电机丹尼逊叶片泵样机的容积效率为
总效率为
式中 pi———进油口压力
pem———输入电功率
效率随输出压力的变化如图8所示,其中ηvt为电机丹尼逊叶片泵的理论容积效率,ηt为理论总效率,ηv为电机丹尼逊叶片泵样机的容积效率,ηvz为电机油泵组的容积效率。当输出压力达到14mpa时,电机丹尼逊叶片泵的理论总效率约为0·56;当输出压力po大于6mpa时,电机丹尼逊叶片泵样机的容积效率和总效率明显下降。电机油泵组中的丹尼逊叶片泵容积效率随着压力的升高逐渐降低、变化平缓。电机丹尼逊叶片泵的理论效率曲线与电机油泵组的总效率曲线基本重合。
电机丹尼逊叶片泵样机存在额外的内泄漏,致使电机丹尼逊叶片泵样机的容积效率随其输出压力的升高而下降较快,其总效率也相应降低。
现对电机丹尼逊叶片泵样机出现的额外内泄漏进行分析。图9给出了电机丹尼逊叶片泵样机中泵芯的装配图,样机中采用了高压子母丹尼逊叶片泵的标准泵芯,其高压区由o形密封圈1、聚四氟乙烯密封圈3和组合密封2来保证与低压区隔离。首先,可以断定o形密封圈1处的密封是可靠的,否则会产生外泄漏,试验过程中样机未出现任何外泄漏;其次,组合密封圈2是o形密封圈与聚四氟乙烯挡圈的组合,其密封是依靠橡胶圈的压缩量来保证的,此处泄漏也可以排除;聚四氟乙烯密封圈3为硬质塑料,样机装配时此处基本无预压缩量,泵芯座5内孔与泵芯组件4外圆柱面之间为间隙配合,因此密封圈3位置处的泄漏很*发生。当输出压力较高时(po>6 mpa时),泵芯座在液压力作用下将产生较大的径向和轴向变形,径向变形使得泵芯座5的内径增大,泵芯组件与泵芯座之间的间隙随之增大,泄漏相应增加。图9中,用带箭头的虚线表示了电机泵样机内的额外泄漏的路径及其方向。
改进泵芯座与泵芯组件之间的密封,优化泵芯座的结构,可以彻底避免电机丹尼逊叶片泵样机中出现的额外的内泄漏,保证电机丹尼逊叶片泵的容积效率和总效率均不低于传统的电机油泵组。
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