液壓電機(jī)泵是將電動機(jī)與液壓泵一體化的新一代液壓動力單元,將電能直接轉(zhuǎn)化為液壓能輸出。近年來,美國、德國、日本和臺灣等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)對電動機(jī)與液壓泵融合化(hybrid/integrated)都高度重視,液壓電機(jī)泵已成為液壓技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展的重要方向[1~4],由于電機(jī)泵工業(yè)化價值突出,在國內(nèi)外,有關(guān)電機(jī)泵的研究論文和相關(guān)試驗數(shù)據(jù)公開發(fā)表的還很少,有關(guān)資料文獻(xiàn)大多以專利形式出現(xiàn)。相對于傳統(tǒng)的“三段式”液壓動力單元—電機(jī)油泵組(即由獨(dú)立電動機(jī)、聯(lián)軸器和液壓泵組成),液壓電機(jī)泵具有結(jié)構(gòu)緊湊、噪聲低、無外泄漏和效率較高等優(yōu)點。液壓電機(jī)泵的獨(dú)特優(yōu)點,使其具有重要研究價值和廣闊的應(yīng)用前景。

本文針對研制出的首臺液壓電機(jī)丹尼遜葉片泵樣機(jī),建立電機(jī)泵性能試驗系統(tǒng),獲得樣機(jī)的輸入電量參數(shù)、輸出液壓能參數(shù)及內(nèi)部轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和殼體內(nèi)部壓力等參數(shù),得到液壓電機(jī)丹尼遜葉片泵樣機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、噪聲和效率等隨輸出壓力變化的特性,并與同等功率液壓電機(jī)油泵組的測試結(jié)果進(jìn)行對比。本研究為液壓電機(jī)泵優(yōu)化及創(chuàng)新發(fā)展提供有益的參考。

1 試驗系統(tǒng)及方法

1·1 液壓電機(jī)丹尼遜葉片泵的性能試驗系統(tǒng)

電機(jī)泵作為一種新一代液壓動力單元,目前還沒有相關(guān)的測試標(biāo)準(zhǔn),試驗中參照電動機(jī)和丹尼遜葉片泵的測試標(biāo)準(zhǔn)[8~9],設(shè)計確定了電機(jī)丹尼遜葉片泵樣機(jī)的性能試驗系統(tǒng)。

圖2為電機(jī)丹尼遜葉片泵樣機(jī)的試驗系統(tǒng)圖,手動換向閥3置于左位時,電機(jī)丹尼遜葉片泵樣機(jī)1輸出油液直接回油箱,處于空載運(yùn)行狀態(tài);手動換向閥3置于右位,且兩個節(jié)流閥5、6處于關(guān)閉狀態(tài)時,通過調(diào)節(jié)溢流閥2,改變輸出壓力,實現(xiàn)對電機(jī)丹尼遜葉片泵樣機(jī)1進(jìn)行加載。

1·2 電機(jī)泵與電機(jī)油泵組性能對比試驗

電機(jī)丹尼遜葉片泵樣機(jī)進(jìn)行空載和負(fù)載性能試驗時,油箱內(nèi)油液溫度保持在(30±2)℃?？蛰d試驗測量參數(shù)包括空載輸入功率、空載轉(zhuǎn)速和空載電流,其中空載電流為電機(jī)丹尼遜葉片泵樣機(jī)空載運(yùn)行時定子三相繞組中通過的電流,絕大部分的空載電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場,稱為空載勵磁電流,是空載電流的無功分量;小部分用于克服電機(jī)丹尼遜葉片泵樣機(jī)空載運(yùn)行時的各種功率損耗(如機(jī)械摩擦、鐵芯損耗和粘性負(fù)載損耗等),這一部分是空載電流的有功分量,因所占比例很小,可忽略不計。負(fù)載試驗時,在外加電壓及頻率保持不變條件下,對電機(jī)丹尼遜葉片泵樣機(jī)進(jìn)行測試,研究轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n、輸出流量q、定子繞組電流i、功率因數(shù)cosφ、功率p、效率η等與輸出壓力po之間的關(guān)系,通過試驗曲線直接反映電機(jī)丹尼遜葉片泵樣機(jī)運(yùn)行過程中主要性能指標(biāo)與運(yùn)行參數(shù)的變化規(guī)律。

將電機(jī)丹尼遜葉片泵更換為電機(jī)油泵組(圖2),選用11 kw標(biāo)準(zhǔn)y2系列電動機(jī)和pc20v-5型子母丹尼遜葉片泵,在相同試驗條件下,對電機(jī)油泵組進(jìn)行性能測試,測量出電機(jī)油泵組轉(zhuǎn)速nz、流量qz、定子電流iz、功率因數(shù)cosφz、功率pz、效率ηz、噪聲等參數(shù),并確定與輸出壓力po之間的關(guān)系。

2 試驗結(jié)果及分析

2·1 外形尺寸及體積

電機(jī)丹尼遜葉片泵樣機(jī)與同等功率電機(jī)油泵組實物比較如圖3所示。由圖可見,電機(jī)丹尼遜葉片泵樣機(jī)(圖3左側(cè))在軸向尺寸上比同等功率電機(jī)油泵組(圖3右側(cè))縮短61%,體積減小約50%。

2·2 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與輸出流量特性

轉(zhuǎn)速和流量隨著輸出壓力的變化規(guī)律如圖4所示。圖4a為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速隨輸出壓力的變化曲線,其中n為電機(jī)丹尼遜葉片泵樣機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化曲線, nz為電機(jī)油泵組的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化曲線;圖4b為輸出流量隨輸出壓力的變化曲線,其中q為電機(jī)丹尼遜葉片泵樣機(jī)的輸出流量曲線,qt為電機(jī)丹尼遜葉片泵的理論流量(即無泄漏的輸出流量)曲線,qz為電機(jī)油泵組輸出流量曲線。

輸出流量為

q=nd-δq (1)

式中 d———泵的幾何排量 δq———泄漏量

由圖可見,空載時,電機(jī)丹尼遜葉片泵的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與電機(jī)油泵組接近,隨著輸出壓力的升高,電機(jī)丹尼遜葉片泵樣機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速明顯下降,而電機(jī)油泵組的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速稍下降,表明與標(biāo)準(zhǔn)電動機(jī)相比,電機(jī)丹尼遜葉片泵樣機(jī)內(nèi)的電機(jī)負(fù)載剛性較低?？蛰d時,二者轉(zhuǎn)速和輸出流量基本相同,隨著負(fù)載壓力的增加,電機(jī)丹尼遜葉片泵樣機(jī)的輸出流量q與其理論流量qt的差值偏大,對照電機(jī)油泵組的輸出流量qz,可知電機(jī)丹尼遜葉片泵樣機(jī)的輸出流量降低的主要因素是其內(nèi)部存在著額外的泄漏量,且此泄漏量與輸出壓力近似成線性關(guān)系,表明泄漏屬于層流流態(tài);與額外的泄漏量相比,電機(jī)丹尼遜葉片泵樣機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速隨輸出壓力增大而下降只是其輸出流量減小的一個次要因素。

2·3 噪聲

分別在距電機(jī)丹尼遜葉片泵樣機(jī)與電機(jī)油泵組軸線方向1m處放置噪聲頻譜分析儀,進(jìn)行a聲級噪聲測量,其噪聲聲級隨輸出壓力的變化曲線如圖5所示。電機(jī)丹尼遜葉片泵樣機(jī)噪聲明顯低于電機(jī)油泵組的噪聲?？蛰d(即0mpa)時,電機(jī)丹尼遜葉片泵樣機(jī)的噪聲聲級比電機(jī)油泵組低3 db,隨著輸出壓力的升高二者聲級逐漸升高、聲級差進(jìn)一步加大,當(dāng)輸出壓力大于12mpa時,電機(jī)丹尼遜葉片泵樣機(jī)的噪聲聲級趨于恒定,為72 db;而電機(jī)油泵組的噪聲聲級為79·5 db(對應(yīng)輸出壓力po=14mpa),且隨著壓力的升高噪聲聲級有繼續(xù)增大的趨勢。

采用1/3倍頻對電機(jī)丹尼遜葉片泵樣機(jī)和電機(jī)油泵組的噪聲頻譜進(jìn)行分析,圖6給出了二者在輸出壓力為12mpa時的噪聲頻譜圖,橫坐標(biāo)為1/3倍頻程中心頻率,縱坐標(biāo)為聲壓級。從圖中可以看出電機(jī)丹尼遜葉片泵樣機(jī)的噪聲主頻為4 000hz,它決定了聲級大小;電機(jī)油泵組的噪聲主頻為300、3 150hz;二者比較發(fā)現(xiàn),電機(jī)丹尼遜葉片泵樣機(jī)屬于高頻噪聲,其噪聲源主要是氣穴噪聲,而電機(jī)油泵組的噪聲主頻相對較低,其主要噪聲源還包含著機(jī)械噪聲成分。

在試驗過程中,采用透明有機(jī)玻璃制成的接線板對電機(jī)泵樣機(jī)殼體內(nèi)液流進(jìn)行了觀察,發(fā)現(xiàn)殼體內(nèi)的油流攜帶有許多細(xì)小氣泡,這些氣泡在高壓區(qū)潰滅形成了高頻氣穴噪聲。圖7給出了樣機(jī)殼體左側(cè)腔體(圖1)內(nèi)的真空度(真空表由接線板接入,見圖3)隨進(jìn)口油溫的變化曲線。

在油溫較低時真空度較大,隨著油溫升高、油液粘度減小,流動阻力減小,真空度逐漸減小,當(dāng)油溫大于41℃后,真空度迅速減小,圖7清楚證明電機(jī)泵樣機(jī)存在內(nèi)部流道狹窄、吸油阻力大的問題。在樣機(jī)制造過程中,殼體鑄件的軸向尺寸偏小和內(nèi)流道狹窄,使得定子線圈繞組距吸油口太近,造成電機(jī)丹尼遜葉片泵樣機(jī)內(nèi)部流道存在負(fù)壓區(qū)和油液中的氣泡析出。通過增大殼體鑄件軸向尺寸、擴(kuò)大內(nèi)流道,避免吸油過程中的氣泡析出及其氣穴噪聲,可進(jìn)一步大幅降低電機(jī)丹尼遜葉片泵樣機(jī)的噪聲。

2·4 效率

電機(jī)丹尼遜葉片泵樣機(jī)的容積效率為

總效率為

式中 pi———進(jìn)油口壓力

pem———輸入電功率

效率隨輸出壓力的變化如圖8所示,其中ηvt為電機(jī)丹尼遜葉片泵的理論容積效率,ηt為理論總效率,ηv為電機(jī)丹尼遜葉片泵樣機(jī)的容積效率,ηvz為電機(jī)油泵組的容積效率。當(dāng)輸出壓力達(dá)到14mpa時,電機(jī)丹尼遜葉片泵的理論總效率約為0·56;當(dāng)輸出壓力po大于6mpa時,電機(jī)丹尼遜葉片泵樣機(jī)的容積效率和總效率明顯下降。電機(jī)油泵組中的丹尼遜葉片泵容積效率隨著壓力的升高逐漸降低、變化平緩。電機(jī)丹尼遜葉片泵的理論效率曲線與電機(jī)油泵組的總效率曲線基本重合。

電機(jī)丹尼遜葉片泵樣機(jī)存在額外的內(nèi)泄漏,致使電機(jī)丹尼遜葉片泵樣機(jī)的容積效率隨其輸出壓力的升高而下降較快,其總效率也相應(yīng)降低。

現(xiàn)對電機(jī)丹尼遜葉片泵樣機(jī)出現(xiàn)的額外內(nèi)泄漏進(jìn)行分析。圖9給出了電機(jī)丹尼遜葉片泵樣機(jī)中泵芯的裝配圖,樣機(jī)中采用了高壓子母丹尼遜葉片泵的標(biāo)準(zhǔn)泵芯,其高壓區(qū)由o形密封圈1、聚四氟乙烯密封圈3和組合密封2來保證與低壓區(qū)隔離。首先,可以斷定o形密封圈1處的密封是可靠的,否則會產(chǎn)生外泄漏,試驗過程中樣機(jī)未出現(xiàn)任何外泄漏;其次,組合密封圈2是o形密封圈與聚四氟乙烯擋圈的組合,其密封是依靠橡膠圈的壓縮量來保證的,此處泄漏也可以排除;聚四氟乙烯密封圈3為硬質(zhì)塑料,樣機(jī)裝配時此處基本無預(yù)壓縮量,泵芯座5內(nèi)孔與泵芯組件4外圓柱面之間為間隙配合,因此密封圈3位置處的泄漏很容易發(fā)生。當(dāng)輸出壓力較高時(po>6 mpa時),泵芯座在液壓力作用下將產(chǎn)生較大的徑向和軸向變形,徑向變形使得泵芯座5的內(nèi)徑增大,泵芯組件與泵芯座之間的間隙隨之增大,泄漏相應(yīng)增加。圖9中,用帶箭頭的虛線表示了電機(jī)泵樣機(jī)內(nèi)的額外泄漏的路徑及其方向。

改進(jìn)泵芯座與泵芯組件之間的密封,優(yōu)化泵芯座的結(jié)構(gòu),可以徹底避免電機(jī)丹尼遜葉片泵樣機(jī)中出現(xiàn)的額外的內(nèi)泄漏,保證電機(jī)丹尼遜葉片泵的容積效率和總效率均不低于傳統(tǒng)的電機(jī)油泵組。