[討論]液壓電機丹尼遜葉片泵樣機的性能試驗

液壓電機泵是將電動機與液壓泵一體化的新一代液壓動力單元,將電能直接轉化為液壓能輸出。近年來,美國、德國、日本和臺灣等發達國家和地區對電動機與液壓泵融合化(hybrid/integrated)都高度重視,液壓電機泵已成為液壓技術創新發展的重要方向[1~4],由于電機泵工業化價值突出,在國內外,有關電機泵的研究論文和相關試驗數據公開發表的還很少,有關資料文獻大多以專利形式出現。相對于傳統的“三段式”液壓動力單元—電機油泵組(即由獨立電動機、聯軸器和液壓泵組成),液壓電機泵具有結構緊湊、噪聲低、無外泄漏和效率較高等優點。液壓電機泵的獨特優點,使其具有重要研究價值和廣闊的應用前景。

本文針對研制出的首臺液壓電機丹尼遜葉片泵樣機,建立電機泵性能試驗系統,獲得樣機的輸入電量參數、輸出液壓能參數及內部轉子轉速和殼體內部壓力等參數,得到液壓電機丹尼遜葉片泵樣機的轉子轉速、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油泵組的測試結果進行對比。本研究為液壓電機泵優化及創新發展提供有益的參考。

1 試驗系統及方法

1·1 液壓電機丹尼遜葉片泵的性能試驗系統

電機泵作為一種新一代液壓動力單元,目前還沒有相關的測試標準,試驗中參照電動機和丹尼遜葉片泵的測試標準[8~9],設計確定了電機丹尼遜葉片泵樣機的性能試驗系統。

圖2為電機丹尼遜葉片泵樣機的試驗系統圖,手動換向閥3置于左位時,電機丹尼遜葉片泵樣機1輸出油液直接回油箱,處于空載運行狀態;手動換向閥3置于右位,且兩個節流閥5、6處于關閉狀態時,通過調節溢流閥2,改變輸出壓力,實現對電機丹尼遜葉片泵樣機1進行加載。

1·2 電機泵與電機油泵組性能對比試驗

電機丹尼遜葉片泵樣機進行空載和負載性能試驗時,油箱內油液溫度保持在(30±2)℃?？蛰d試驗測量參數包括空載輸入功率、空載轉速和空載電流,其中空載電流為電機丹尼遜葉片泵樣機空載運行時定子三相繞組中通過的電流,絕大部分的空載電流產生旋轉磁場,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丹尼遜葉片泵樣機空載運行時的各種功率損耗(如機械摩擦、鐵芯損耗和粘性負載損耗等),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。負載試驗時,在外加電壓及頻率保持不變條件下,對電機丹尼遜葉片泵樣機進行測試,研究轉子轉速n、輸出流量q、定子繞組電流i、功率因數cosφ、功率p、效率η等與輸出壓力po之間的關系,通過試驗曲線直接反映電機丹尼遜葉片泵樣機運行過程中主要性能指標與運行參數的變化規律。

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

2 試驗結果及分析

2·1 外形尺寸及體積

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

2·2 轉子轉速與輸出流量特性

轉速和流量隨著輸出壓力的變化規律如圖4所示。圖4a為轉子轉速隨輸出壓力的變化曲線,其中n為電機丹尼遜葉片泵樣機的轉子轉速變化曲線, nz為電機油泵組的轉子轉速變化曲線;圖4b為輸出流量隨輸出壓力的變化曲線,其中q為電機丹尼遜葉片泵樣機的輸出流量曲線,qt為電機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,電機丹尼遜葉片泵的轉子轉速與電機油泵組接近,隨著輸出壓力的升高,電機丹尼遜葉片泵樣機的轉子轉速明顯下降,而電機油泵組的轉子轉速稍下降,表明與標準電動機相比,電機丹尼遜葉片泵樣機內的電機負載剛性較低?？蛰d時,二者轉速和輸出流量基本相同,隨著負載壓力的增加,電機丹尼遜葉片泵樣機的輸出流量q與其理論流量qt的差值偏大,對照電機油泵組的輸出流量qz,可知電機丹尼遜葉片泵樣機的輸出流量降低的主要因素是其內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系,表明泄漏屬于層流流態;與額外的泄漏量相比,電機丹尼遜葉片泵樣機的轉子轉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

分別在距電機丹尼遜葉片泵樣機與電機油泵組軸線方向1m處放置噪聲頻譜分析儀,進行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。電機丹尼遜葉片泵樣機噪聲明顯低于電機油泵組的噪聲?？蛰d(即0mpa)時,電機丹尼遜葉片泵樣機的噪聲聲級比電機油泵組低3 db,隨著輸出壓力的升高二者聲級逐漸升高、聲級差進一步加大,當輸出壓力大于12mpa時,電機丹尼遜葉片泵樣機的噪聲聲級趨于恒定,為72 db;而電機油泵組的噪聲聲級為79·5 db(對應輸出壓力po=14mpa),且隨著壓力的升高噪聲聲級有繼續增大的趨勢。

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

在試驗過程中,采用透明有機玻璃制成的接線板對電機泵樣機殼體內液流進行了觀察,發現殼體內的油流攜帶有許多細小氣泡,這些氣泡在高壓區潰滅形成了高頻氣穴噪聲。圖7給出了樣機殼體左側腔體(圖1)內的真空度(真空表由接線板接入,見圖3)隨進口油溫的變化曲線。

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,當油溫大于41℃后,真空度迅速減小,圖7清楚證明電機泵樣機存在內部流道狹窄、吸油阻力大的問題。在樣機制造過程中,殼體鑄件的軸向尺寸偏小和內流道狹窄,使得定子線圈繞組距吸油口太近,造成電機丹尼遜葉片泵樣機內部流道存在負壓區和油液中的氣泡析出。通過增大殼體鑄件軸向尺寸、擴大內流道,避免吸油過程中的氣泡析出及其氣穴噪聲,可進一步大幅降低電機丹尼遜葉片泵樣機的噪聲。

2·4 效率

電機丹尼遜葉片泵樣機的容積效率為

總效率為

式中 pi———進油口壓力

pem———輸入電功率

效率隨輸出壓力的變化如圖8所示,其中ηvt為電機丹尼遜葉片泵的理論容積效率,ηt為理論總效率,ηv為電機丹尼遜葉片泵樣機的容積效率,ηvz為電機油泵組的容積效率。當輸出壓力達到14mpa時,電機丹尼遜葉片泵的理論總效率約為0·56;當輸出壓力po大于6mpa時,電機丹尼遜葉片泵樣機的容積效率和總效率明顯下降。電機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。電機丹尼遜葉片泵的理論效率曲線與電機油泵組的總效率曲線基本重合。

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

現對電機丹尼遜葉片泵樣機出現的額外內泄漏進行分析。圖9給出了電機丹尼遜葉片泵樣機中泵芯的裝配圖,樣機中采用了高壓子母丹尼遜葉片泵的標準泵芯,其高壓區由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,否則會產生外泄漏,試驗過程中樣機未出現任何外泄漏;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為硬質塑料,樣機裝配時此處基本無預壓縮量,泵芯座5內孔與泵芯組件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生。當輸出壓力較高時(po>6 mpa時),泵芯座在液壓力作用下將產生較大的徑向和軸向變形,徑向變形使得泵芯座5的內徑增大,泵芯組件與泵芯座之間的間隙隨之增大,泄漏相應增加。圖9中,用帶箭頭的虛線表示了電機泵樣機內的額外泄漏的路徑及其方向。

改進泵芯座與泵芯組件之間的密封,優化泵芯座的結構,可以徹底避免電機丹尼遜葉片泵樣機中出現的額外的內泄漏,保證電機丹尼遜葉片泵的容積效率和總效率均不低于傳統的電機油泵組。