乳化液泵节能试验技术研究

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乳化液泵是煤矿综采工作面支架液压系统的动力元件 .其性能和可靠性对整个液压系统会产生重要影响[1].因此乳化液泵在使用之前须进行工业性试验检测。

目前.乳化液泵的综合性能测试设备.主要是采用溢流阀加载方式.即通过-台电机带动乳化液泵将乳化液箱中的乳化液泵出.然后经连接在乳化液箱回路上的溢流阀调控完成试验.这种试验装置虽然能够完成乳化泵的试验工作.但存在着能耗高的问题 ，特别是对高压、大流量乳化液泵进行试验时耗能巨大，不仅严重影响其他设备的正常运行 .而且因所耗能量几乎全部转化为热能 .还须配置大功率的冷却设备才能保证基本的热平衡要求 .这样更进-步增加了能耗，而且设备庞大。造价高2-5。为此 ，作者集中多家单位力量、经过收稿 日期：2013-01-10作者简介：陈国安(1963-)，男，湖南安化人 ，教授，博士，主要从事工程摩擦学、液压技术、工程机械等的教学和科研工作。

多年的研究.研发了基于容积调压加载原理的功率回收试验技术和节能效果极佳的新型乳化液泵试验系统.并已获得了 1项国家发明专利和 1项实用新型专利授权1 节能型乳化液泵试验技术方案本文研发的节能型乳化液泵试验系统原理如图 1所示[41。它包括电控系统、变速箱 l8、与被试泵 1相连的乳化液循环系统和驱动变速箱 18的液压油循环系统乳化液循环系统主要包括被试乳化液泵 1、乳化液箱2O、换向阀3和乳化液加载缸 4等，被试乳化液泵 1的入口管路上设有乳化液过滤器 19.被试乳化液泵 1的出口管路上连有压力表 2.并连有与乳化液箱 20相通的二位四通换向阀 3和由换向阀3控制的乳化液加载缸 4。

液压油循环系统包括油泵工作站、驱动变速箱 18的液压马达 17、通过活塞杆连接器 5与乳化液加载缸4相联接的加载油缸 7等：加载油缸 7的两油口油路上液 压 气动 与密 封/2013年 第 06期连接有由4个单向阀构成的桥式整流阀组 8.整流阀组8的另两个油 口经管路和节流阀9分别与液压马达 17和油泵工作站相连通；油泵工作站包括油泵 12、二位四通换向阀 10、安全阀 11、回油背压阀 13和油箱 14等。

油泵 12和马达 l7均为变排量型液压元件：乳化液加载缸 4与加载油缸 7之间的端部设有控制左右行程的接近传感器 643220l9 l l 7 l6 I5 l41-被试乳化液泵 2-压力表 3-换向阀 4-乳化液加载缸5-活塞杆连接器 6～接近传感器 7-加载油缸 8-整流阀组9-节流阀 1O-换向阀 11-安全阀 l2-油泵 13-背压阀l4-油箱 15-油过滤器 16-冷却器 l7-液压马达18-变速箱 19-乳化液过滤器 20-乳化液箱图 1 试验系统原理图该系统工作原理如下：试验前先将被试乳化液泵 1安装在变速箱 18的输出轴上.通过油管将其与乳化液箱 20和二位四通换向阀2相连接：并将节流阀9完全打开，将液压马达 17的排量调至最大。通过电控系统启动油泵 12旋转时，液压油经二位四通换向阀 10、回油背压阀 l3流回至油箱 14：当电控系统使二位四通换向阀 10得电时。其上4个油口的连通关系发生改变。

油泵 12输出的液压油进入液压马达 17.驱动被试乳化液泵 1旋转 ：被试乳化液泵 1输出的乳化液经二位四通换向阀 3进入乳化液加载缸 4的右腔.其左腔中的乳化液则经二位四通换向阀3流回乳化液箱 20：乳化液加载缸 4的活塞杆通过连接器 5驱动加载油缸 7的活塞向左移动，这时其左腔中的液压油经整流阀组 8、节流阀 9补偿给液压马达 17：而从液压马达 l7流出的液压油经冷却器 16冷却后.大部分经整流阀组 8补入加载油缸 7的右腔.多余的油液则经背压阀 13流回油箱 l4。当活塞连接器运动至接近传感器 6的位置时.该传感器发出换向信号 。电控系统使二位四通换向阀 3得电，其上 4个油 口的连通关系发生改变.乳化液加载缸 4和加载油缸 7的活塞、连接器5向右运动，直至连32接器 5运动至另-个接近传感器的位置 .电控系统又控制其换向当需要改变被试乳化液泵 1的旋转速度时.可通过调节油泵 12的排量来实现；即增大其排量时，被试泵转速增加。相反则其旋转速度减校当需要改变被试乳化液泵 1的工作负荷时.可通过调节液压马达 17的排量来实现.即减小其排量时，被试乳化液泵的工作压力则增大.反之则使压力减小；若因各种因素导致压力不稳定时.可适当调节节流阀 9以提供-定的稳定负载整个系统的最大负荷由安全阀 11进行调定 .即当系统负荷增大到-定程度时.安全阀 11开启溢流.对系统起安全保护作用2 理论分析与计算[6-712.1 容积调压加载机理被试乳化液泵、液压马达和油泵的有关参数如表 1所示 ，同时假设：被试乳化液泵出口的油液压力为pl(MPa)，液压马达进液口的油压力为p2(MPa)，被试乳化液泵出口至乳化液加载缸高压腔的沿程压力损失为△p (MPa)，因乳化液加载缸和加载油缸的摩擦阻力和憋劲而引起的压力损失为 ：(MPa)，乳化液的回流背压为 △p (MPa)，加载油缸高压腔至马达人 口的沿程压力损失为△p (MPa)。显然，要使加载油缸能运行起来，则被试乳化液泵出口处的油液压力 pl与液压马达进液口处的油压力P 之间至少应满足如下关系：△p 1P2 ·却2 3△p (1)对于被试乳化液泵，其所输入的功率为：Nl p lXq l 60x逝r/(kw) (2) 6O× m1×叼 1 -或 Na2"rMlax告(kW) (3)表 1 参数表综上两式可得被试乳化液泵的输入扭矩为：： (N.m) (4) 2'f't/mtHydraulics Pneumatics＆ Seals/No.06.2013对于液压马达 。若不计其回油IS1处的压力.则其输出给被试乳化液泵的功率为：Ⅳ2 (kw) (5)或 N22rM2n2xTMx告(kw) (6)其中叼 为与乳化液泵相联接变速器的机械效率；综上两式可得液压马达的输扭矩(输给变速器)为：3世 (N.m) (7)由NIN2得，即由式(2)和式(5)可得：60x T/ 蚍 60 (8)m1P2Xq2Xn2Xm1× r 叼 pl×g1X/l，1p qxl77 xTJp (9)g2× ×叼m1) 式中i为变速器的传动比，即ilZpfl"t ～式(9)代人式(1)可得 ：plp2Ap q1xl， 77 -Xp-△pg2××77m ，， 77 p1j 弛～×△pq2xtxmlXr/.axr/-q 1 × (10) ×叼m1×叼r × -ql/q2由式(10)可知 ，在 △lp和被试乳化液泵排量 口 等- 定的情况下 ，只要调节液压马达的排量 q：，即可调节被试乳化液泵出口的工作压力P 。

2.2 约束条件分析与参数计算由式(10)可知 ，被试乳化液泵排量 q 与液压马达的排量 q 之间首先须满足如下约束条件：q2>--丑--- (11)txr l×77，位×叼坷假设 ：对排量为 q 的乳化液泵进行可靠性考核试验时所需的最低压力和最高压力分别为pl 和p ～，且在整个压力范围[pln，p 咄]内，各压力损失 △ 不变 ，则由式(10)可得所要求的液压马达的最大排量 q 和最小排量 口 分别为：9 丽 q)1×X咖pl n - - L---- (12) (1- 卸/pln/n)xixr/mXr/mzXr/，jq Il (p1 -△P)xix'r/mlXm2X'/"]q×l (13)如果两加载缸无动作 ，即不实施功率补偿 ，且不考虑系统泄漏.则油泵实际输出的液压油全部进入液压马达，即 Q2Q ；但两加载缸实施功率补偿时，则实际进入液压马达的液压油还包括补偿的液压油。为便于分析.现把从开始进行补偿至达到平衡状态的瞬间连续过程看成-个离散过程.且不考虑乳化液回路和液压油回路中的泄漏 .乳化液加载缸和加载油缸结构相同(不考虑其结构尺寸误差)，则实际进入液压马达的流量可计算如下：当实际输入给液压马达的流量仅为油泵的实际输出流量 Q 时，被试乳化液泵的转速为：凡0 (14)qzxt由此而补偿给液压马达的流量.即第-次补偿的流量为：1： q1XTvl-- ×q1 lQ3× (15)令： 口.qXrb，txr/v-z (16)g2)(z则： Q补1Q3xq (17)由于 Q补。的输入，使液压马达和被试乳化液泵的转速增加.其中被试乳化液泵增加的转速为 xq xXxxq2t q2Xt 2×，2Q3x[嚣 J×q - (18)由此而补偿给液压马达的流量.即第二次补偿的流量为：，2Q 1×qtxr/Q3× j×q1XTvlXq1 -Q3×[ ]：Q3x[g] (19)依此类推▲行第 n次补偿的流量为：nnoXql Qs×[ ] [g In(20)因此，实际输入给液压马达的流量 Q：为： ；Q，biQQzQ3lim ，xlim[1qg .q l： 3 .r ∞ - 1 ∞ -Q3xl im -芋] n-∞l-门 l (21)由式(11)可知，式(16)所示的q满足：0业 地 生 (27)比较式(11)和式(27)不难看出：液压马达的排量满足式(11)所示的要求即可。

2.3 节能效果分析计算若不考虑油泵出口至液压马达入口之间的沿程压力损失，则所要求的油泵的输入功率为：Ⅳ3 丽p 2xQ×3 (28) 6O× 曲 '7v3 6O×叼 × 60×叼∞ 、-将式(9)所示的P：和式(24)所示的 g，代入式(28)可得 ：/'/' 3 × qlx×p叼1。

. . × × - 卫 翌 × 翌 垡 丑 - 罂 堡 ×OU×叼m1 g2× ×叼 ×叼12× d×77v3× OUx mI(29)0×77n × ，71J2×叩rIl3×叩 ×叼将式(2)代人式(29)可得：Ⅳ Ⅳ× 纽- ：Ⅳ×K (30)×J，7n口×叼 ×叼no×'7v3× 面其中 K： L (31)×77 ×J，7 叼帕x ，7谄×叼要达到节能目的，则须使O