液压马达的试验油路及方法

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(1)液压马达的主要性能表达式

液压马达的排量V_M

V_M=(q／n)×10³(mL／r)

如果是在空载条件下测出的流量和转速，即认为是液压马达的空载排量V_Mk。

容积效率η_MV

η_Mv=(V_Mk／V_M)×100%

1－供油泵；2－被试马达；3－加载器

因为液压马达输出转矩T_M和进出口压力差△_p=p_h－p_r也是直接测出的，故机械效率为

1－供油泵；2－被试马达；3－加载器；4、4′－液控单向阀；5、5′－单向阀；6－换向阀

B．液压马达特殊性能的试验油路及方法

液压马达的特殊性能要求是根据液压马达的不同使用场合而提出的。它们包括有：

(A)空载条件下的启动、运转和加速特性

在被试马达轴空载的工况下，使供油压力由零慢慢升高，直至被试马达开始转动，此时对应的压力即为空载启动压力，它表征著液压马达内部静摩擦阻力的大小。此压力值应该在马达轴的不同位置下进行测量。

同样在空载工况下，被试马达以不同的转速运转时，测量对应的进出口压力差、流量和油温，这些参数表征著液压马达在恒速运转时的动摩擦阻力等的大小。

测定空载加速特性是为求取液压马达的时间常数。当给被试马达供给一阶跃变化的流量输入时，记录入口压力和轴转速对信号的响应曲线。当曲线上升到转速稳态值的0．63时的时间即为时间常数。它反映液压马达快速响应的能力。当然输入阶跃流量信号的质量和试验管路参数对试验的结果都有著很重要的影响，应予以充分注意。

(B)液压马达启动转矩T_s的测定

由于液压马达内部的摩擦等阻力的存在，使其轴上的实际输出转矩T_M要比它的应输出的理论转矩(“液压转矩”)T_Mth小一个摩擦损失转矩Tf，即

T_M=T_Mth－T_f

因为T_Mth和T_f都随轴的角位移而脉动，故输出转矩T_M也是脉动的。这种脉动对液压马达的低速性能和启动特性产生不利的影响，所以需要测定启动时的输出转矩(简称启动转矩)T_s随轴转角的变化规律。一般测定的方法有五种。图36．2－28所示为这些方法的综合试验装置原理图。

1－被试马达；2－摆杆；3－千分表；4－蜗轮－蜗杆；5－减速器；6－力臂杆；7－限位装置；8－加载泵；9－加载油源；10－油源；11－蜗杆驱动液压马达；12－测角电位计；13－被试马达油源；14－压力传感器

蜗轮蜗杆法(又称每分钟一转法) 用此法测定启动特性时，要将上述装置中的千分表3、力臂杆6去掉。油源13给被试马达1供给压力p1保持常数的油液，此时其输出转矩大部分由加载泵8吸收，小部分由蜗轮-蜗杆4吸收。由于蜗轮蜗杆自锁的缘故，轴不转。为了在加载泵系统中建立压力，必须由油源9向泵出口供油，此时它相当于液压马达的状态。另外由油源10给液压马达11供油，通过减速装置5带动蜗杆以很低的速度旋转，一般为1r／min。其旋转方向是保证蜗轮与被试马达旋转方向相同。由于它的放松，被试马达相当于启动时的状态。在马达轴以极低速转动时，由电位计12输出角位移信号；压力传感器14输出压力信号，转矩传感器输出转矩信号，即代表著启动转矩T_s，把它们同时输往X－Y记录仪，即可得到p₁、T_s与马达轴位置角θ的关系曲线。

试验中必须注意油源压力p₁自身波动的影响，要求p₁保持常数。此法实际上是属于恒压力法。

恒压力法(又称负载压力降低法) 采用此法时，在上述装置中取消蜗轮－蜗杆4，并拆除妨碍被试马达旋转方向上的限位装置7中的一个挡块。若马达轴顺时针转动(从液压马达尾部看)，则去掉上挡块，保留下挡块。试验时，使油源13压力p₁保持为某常数，保证加载泵能平衡此输出转矩。若加载泵压力较高时，负载转矩将大于被试马达的输出转矩。此时，加载泵处于马达工作状况，带动被试马达反转，由下挡块限制其位置，轴不转动。逐渐减小加载泵压力，当负载转矩略小于被试马达输出转矩时，马达处于启动状态。记录此时的输出转矩与轴角位移的关系曲线，曲线中最低转矩值即为启动转矩T_s，如图36．2－29所示。

恒转矩法(又称油源压力升高法) 采用的试验装置与恒压力法相同。先调节加载泵油源9，使加载系统压力为某常数，以建立恒定的负载转矩值。同样此时加载泵处于马达工况，其轴由于下挡块限位而不转。然后逐渐提高油源13供给被试马达的压力p₁，直至被试马达启动为止。记录启动特性曲线，如图36．2－30所示。

此方法的缺点是负载转矩值与加载泵轴的位置有关，重复试验时，调节不方便。

悬臂梁法 实际上它也是恒转矩法。采用此法时，去掉液压加载系统。在力臂杆端加一定重量的砝码以获得恒定的负载转矩。此时力臂杆另一端由限位块限位。逐渐升高被试马达入口压力p₁，使其输出转矩增加，直至马达启动为止。力臂杆离开限位块时的输出转矩即为起动转矩T_s。

固定轴法(又称回线法) 采用此法时，液压加载系统，蜗轮、蜗杆和砝码均不要，只将力臂杆6和限位块之间夹上一块硬橡胶，以使轴只能运动一个微小的角度，如图36．2－31所示。若使被试马达入口压力p₁逐渐升高到试验规定压力，然后再逐渐降到零，在压力变化一个循环的过程中，记录不同的马达轴起始位置，不同规定压力的情况下的输出转矩T与入口压力p_i的关系曲线，如图36．2－32所示。上升曲线上每点都代表著－对启动转矩T_s和启动压力p₁值。改变轴的初始位置角可得到一系列启动特性曲线，由这些曲线可得出当压力p₁为常数时，启动转矩T_s与轴初始位置角Φ的关系曲线，如图36．2－33所示。

综上所述，此五种方法实践证明都是可行的。若只测一点的数据不能代表液压马达的启动特性。需要测不同被试马达轴初始位置角(在360°范围内)的特性，要花费很长时间。比较起来每分钟一转法较好，效率高；但试验装置较复杂，费用昂贵。工厂一般采用固定轴法。在试验过程中必须尽量减小被试马达入口压力p₁的波动、轴的初始位置和马达带载停留时间长短等因素带来的影响。

除了上述液压马达的性能试验外，还需要测定在启动状态时低速范围内，马达内部摩擦阻力矩Tf随速度的变化，泄漏量随轴转角的变化等。因为这些低速特性直接影响液压马达在低速时的应用可能性。

(3)液压马达和液压泵试验中的功率回收油路及方法

由于在试验过程中，要求对被试对象施加一定的负载，尽量模拟实际工况，因而这就要求试验用动力源提供足够的能量。这部分能量都将被加载器所吸收或通过不同的途径消耗掉，例如转换成热能由冷却水带走；由散热器表面、元件外壳及管道壁散发掉等。对于大功率液压元件及系统试验、长时间的寿命试验、超载试验以及大批量产品的性能试验等来说，势必造成能量的大量浪费，显然是极不合理的。为了节约能源和降低成本起见，必须采取措施将这部分能量充分利用起来。因而在实践中就提出了试验功率回收的问题。在液压试验中，功率回收的试验系统主要用于液压泵、液压马达试验中。常用的功率回收方法有：

A．机械补偿功率回收的液压泵和液压马达试验系统

图36．2－34所示为泵或马达机械补偿功率回收试验系统油路简图。驱动电机为一台双出轴直流可调速电动机，其轴一端与被试件相连，另一端与加载器相连。三者同轴传动，在运转时必然为同一转速，这是此系统的一个特点。被试件1若为液压泵，则加载器2就是加载用液压马达，反之亦然。泵的出口与液压马达入口直接相连通。所以管道中的压力p是系统负载大小的反映，泵和马达互为负载，此为第二个特点。以液压泵试验为例，被试泵所需能量有两部分来源，一是由驱动电动机3供给；另外由加载马达2回输。其所以叫回输，是因为这部分能量是由被试泵以液压能的形式输给加载马达，再由液压马达转成机械能回输给被试泵的。可见此系统中的泵和马达是相互加载的。

1－被试泵或被试马达；2－加载用液压马达或泵；3－驱动电机

在实际应用这样的系统时，对系统的参数匹配应注意的问题有：

(A)液压泵和马达的排量匹配

若被试泵与加载马达两者排量相等，即V_P=V_M，由于加载运转过程中的容积漏损，必然造成两者的转速不一致。而此系统中转速相同为其正常工作的一个前提条件。

被试泵的输出流量q_PO=nV_Pη_PV

加载马达输入流量q_Mi=nV_M／η_MV

式中：η_PV、η_MV分别为泵和马达的容积效率。

根据流量连续性原理q_PO=q_Mi，可得

V_P=V_M／(η_PVη_MV)

此式为在某一压力下的平衡方程式。为了改变试验系统中的压力值，以满足不同的加载要求，必须要求

V_P≥V_M／(η_PVη_MV)

当泵、马达同轴驱动时，泵才可能提供比马达所需的流量更多一些的油液。迫使系统中压力升高，才能使此部分多余油液从活动缝隙处全部漏掉。故改变加载马达的V_M可以调节试验系统中的压力，达到改变负载大小的目的。

(B)转矩匹配

因为加载马达回输的功率是通过它们的轴直接驱动被试泵的。也就是说，被试泵是它的负载。从传递的转矩大小来看

因为电机功率大为减小，试验系统向外要求的能量也大为减少，节约了能源，系统本身的发热量也降低了。所以此试验系统适合于较大功率的试验场合和时间较长的寿命试验。但其压力调节是通过改变泵或液压马达的排量来实现的。一般情况下泵和马达的容积效率都较高，故压力调节不方便，且压力稳定性也差。为了改善试验系统的可操作性，实际应用中采用的油路为并联补偿泵和调压溢流阀的机械补偿功率回收试验油路，如图36．2－36所示。为了使系统压力p调节方便，并联了溢流阀5；为了不受泵的排量V_P必须大于V_M的限制，增设了并联补偿泵4。此系统的特点是：

1－被试泵；2－加载马达；3－驱动电机；4－补偿泵；5－溢流阀

·同轴相连的泵和马达都可以是被试对象，且都可以是定量式的。没有V_P＞V_M的条件限制。因为并联的补偿泵可提供足够的流量补偿。

·液压马达所需流量是由液压泵1和补偿泵4同时供给的。补偿泵4为变量泵，调节其排量可改变系统的转速。驱动电机也是可调速直流电动机。

·调节并联溢流阀或节流阀可方便地改变系统压力。

这样，试验系统的调节性能增强了。但由于增加了补偿泵系统及调压阀使系统元件增加了，成本提高；另外因为有油液通过调压溢流阀或节流阀将有部分能量损耗；向外要求的能量输入增加了，功率回收系数有所降低。以此代价换取了试验系统的可操作性的改善。

B．液压补偿功率回收的液压马达试验系统

由前述可知，在泵和马达同轴驱动并互相加载的试验系统中，要求外部提供一定的能量来补偿。除前述机械补偿外，还有液压补偿。通过设置补偿泵来提供一定流量的压力油，以液压能的形式来进行补偿。常见的液压补偿试验系统的油路有：

(A)串联液压补偿功率回收液压马达试验系统

如图36．2－37所示为其试验油路图。被试马达1与加载泵2同轴机械连接；加载泵出口与被试马达入口直接相通；补偿泵4与加载泵是串联的。当启动补偿泵后，通过由四个单向阀组成的“整流”油路3先给被试马达1供油，马达启动后带动加载泵，此时通过整流油路3自动使补偿泵向加载泵供油，供油压力p₁。被试马达则转为由加载泵供油。由于预先使加载泵的排量V_P调到大于被试马达的排量V_M，由于同轴驱动和二者互相加载，在系统中形成压力p₂。

1－被试马达；2－加载泵；3－“整流油路”；4－串联补偿泵；5－安全阀；6－换向阀

根据流量连续性原理，被试马达输入的流量等于加载泵的输出流量：

q_M／η_MV=q_Pη_PV，q_P=q_M／(η_PVη_MV)

所以V_P=V_M／(η_PVη_Mv)

而补偿泵的理论流量q_c

q_c=q_P／η_CV=q_M／η_PVη_MVη_CV

式中：η_cv为补偿泵的容积效率；q_P、q_M分别为加载泵和被试马达的理论流量。

因为补偿泵是串联供油，所以改变其排量V_C，可得到不同的供油流量，对应不同的被试马达转速。

根据被试马达的输出转矩T_MO要与加载泵输入转矩T_Pi相匹配，即T_MO=T_Pi。而

1－被试马达；2－加载泵；3－并联补偿泵；4－节流阀

根据被试马达输出转矩要与加载泵输入转矩相匹配的条件，即

1－被试马达；2－加载泵；3－“整流”油路；4－安全阀；5－串联补偿泵；6－并联补偿泵；7－溢流阀；8－换向阀

此试验系统虽然使用元件较多，但调节比较方便。它适宜于功率较大的液压马达和低速大转矩马达试验。

比较上述各功率回收试验系统的方案，可得出以下几点意见：

·非功率回收的试验系统适用于中、小功率的泵、马达试验或科研单位短期研究性试验等。从节约能源的经济角度和从减少系统发热方面来看，采用功率回收的试验系统效果显著。特别是对较大功率的试验对象和长时间的寿命试验，优越性更为突出。

·对于生产厂作批量较大的、功率超过30kW液压泵和液压马达的性能试验时；功率超过10到20kW的寿命试验时，建议尽可能采用一些功率回收的措施。

·机械补偿功率回收试验系统采用的元件比液压补偿功率回收系统少；它采用直流电动机调速较方便，特别是对液压泵和高速马达性能试验较适宜。当然直流电动机及其调速系统的价格还是比较高的，占地面积也大。液压补偿功率回收系统多用于高速液压马达、低速大转矩马达试验。