基于自动化测控平台对外啮合齿轮泵的总效率研究

田立勇，郑跃鹏，王 慧

（辽宁工程技术大学 机械工程学院，辽宁阜新 123000）

0 引言

齿轮泵由于结构紧凑、制作简单、维护方便、自吸性强、使用寿命较长、适应性强、成本较低、转速调节范围广等优点，被广泛应用各种设备的动力源［1］。在节能高效的时代背景下，围绕齿轮泵效率的问题展开研究，可以降低工业生产成本，在一定程度上缓解能源危机。在我国齿轮泵的年产量约为200万台，随着生产模式的改变，齿轮泵生产厂家都根据顾客需求生产特定应用场合的齿轮泵，从而导致齿轮泵在尺寸、排量、压力等性能方面都存在差异，因而齿轮泵在可靠性、效率性和试验测试周期等方面的研究都存在一定的困难。

许多学者都对齿轮泵进行了相关的理论分析和试验研究，如陈英，马军建立了外啮合齿轮泵的容积效率模型，并分析了齿轮泵内泄漏的影响因素［2-3］。王国志利用CFD技术仿真了工作条件对深海下内啮合齿轮泵的效率的影响［4］。孔繁余等对齿轮泵的流量特性展开研究，分析了齿轮泵结构对流量的影响［5-8］。徐平等通过对齿轮泵进行优化，减小了齿轮泵的振动和噪声和提高齿轮泵工作性能［9-11］。本文基于自动化测控平台，对齿轮泵进行多种工况下的加载试验研究。绘制出齿轮泵的总效率与转速、压力和温度之间的关系图。

1 齿轮泵自动测控平台的组成以及控制原理

1.1 加载试验台组成

加载试验台主要由手动操作面板，数据仪表显示面板，试验测试系统等3部分组成。其中，主要的控制位于控制面板上，主要包括运行指示灯，急停，变频开关，转速调节，加载压力调节等按钮。主要的测量数据位于数据仪表显示面板，主要有温度、流量、转速、扭矩和压力的显示仪。

试验测试系统如图1所示，主要包括132 kW自带变频器的电机，比例溢流阀、电磁换向阀、加热器、液压油箱、传感器以及管路等几部分组成。

图1 试验测试系统

为了保证试验结果的精确性，在试验开始前对现有的手动试验台进行了改进，改进后的液压工作原理如图2所示。右侧为2套加载回路系统（企业为了保证生产进度，通常备用一套系统）。

图2 试验台液压系统

1.2 控制原理

自动化试验平台采用某公司生产的PLC200smart和北京某公司开发的KingView软件相结合的方法来达到自动控制和采集数据的目的。对试样进行加载试验时，上位机KingView发送信号命令至交换机，PLC从交换机处接收到指令后，将信号发送至被控机构，当被控机构发生动作后，再经由交换机发送至PC端。当需要数据存储时，PC端发出存储信号标志，PLC将传感器的模拟信号转换成数据信号，然后PLC通过交换机传递给PC端。PC端数据存储完成后，再清除存储标志信号，程序继续往下运行（加载试验台的控制系统组成框图如3所示）。

图3 测试控制平台原理

PLC的“模拟量输入模块”为4～20 mA、0～10 V等输入形式。在试验设计时，采用的是4～20 mA的模拟信号输出，通过对不同加载情况下的模拟量进行数据采集，实现了数字量与模拟量的转换，保证了信息传输的精确性。由于齿轮泵在加载试验时，齿轮泵受到的轴向和径向压力的不平衡急剧上升，会产生较大的振动与噪声，为了防止齿轮泵试验时噪声和振动对模拟信号传输的干扰，PLC与传感器之间的通讯线都采用的是屏蔽线。

1.3 改进试验台控制功能

试验系统的主要功能主要包括加热系统、加载测控系统和倒油泵系统。

加热系统系统：加热系统提高温度的方法有2种：（1）通过加热器实现对液压油温度的升高；（2）通过齿轮泵的加载测控系统，增加液压油的内摩擦、液压油和齿轮泵之间的黏性摩擦，提高液压油温度上升的速度。

加载测控系统：加载测控系统可以根据模拟信号实现对加载条件的精确控制，同时可以根据状态标志量实现对传感器采集数据的临时记录或者存贮。

倒油泵系统：每次切换试验样品时，管道中的一部分液压油就会溢出到试验台下的小油箱内，通过倒油泵系统，将溢出的液压油输输送至大油箱内。

2 工况条件对齿轮泵总效率的影响

2.1 温度对齿轮泵总效率的影响

温度对齿轮泵总效率的影响主要取决于液压油的物理性质，即流体的黏度。当温度升高时，分子间吸引力减小，流体黏度下降，泄漏量上升，从而导致总效率下降。但是齿轮泵中齿顶与液压油、齿轮端面与液压油等方面的黏性摩擦损失的能量降低，会导致总效率上升。

液压油黏度与温度的关系式为［12］：

式中 u ——温度为t 时的运动黏度；

u0——温度为t0时的运动黏度；

b ——温度黏度系数。

2.2 压力对齿轮泵总效率的影响

压力对齿轮泵总效率影响主要取决于液压油的物理性质，即流体的压缩性和黏度。当压力增加时，分子间的间距减小，分子间吸引力上升，黏度增加，液体体积缩小，同时压力的增加，会导引起齿轮泵间隙两端的压差增加，加剧齿轮泵的泄漏，导致齿轮泵总效率的降低。然而工作压力的增加，齿轮泵输入的机械能和输出的液压能同时增加，齿轮泵内部的黏性摩擦损失的能量也随着液压油黏度的增加而增加。

液压油黏度与压力的关系式为：

式中 u ——压力为P时的运动黏度；

u0——标准大气压下的压力黏度；

a ——压力黏度系数。

2.3 转速对齿轮泵总效率的影响

齿轮泵在较低转速工作时，会出现液压油难以吸入或伴有吸空现象，齿轮泵可能无法实现正常工作，此时齿轮泵的工作效率很低。当转速增加时，齿轮泵进出口的流量增加，齿轮泵间隙结构导致的泄漏量基本不变，因此总效率上升。然而转速增加会使轮齿之间啮合、轴与轴承等方面的摩擦加剧，从而导致总效率的降低。

3 试验方法

3.1 试验条件设置

根据JBT7041-2006液压齿轮泵行业质检的标准，对外啮合齿轮泵进行效率试验，具体加载试验条件设置如下：

（1）转速设置。由于齿轮泵依靠自吸能力进行工作，但是转速过低时，齿轮泵无法产生自吸能力，根据齿轮泵的低速性能要求可知，当额定压力为1.0～2.5 MPa时，齿轮泵转速为800 r/min时，齿轮泵可以保持稳定的输出压力，且容积效率不低于60%。齿轮泵的试验转速初步定位800～2 000 r/min。

（2）压力设置。试验时，齿轮泵的压力设置分别为初始压力值、额定压力值、超载压力值和卸载后的额定压力值。根据齿轮泵的压力振摆要求，初始压力值为2.5 MPa，因此齿轮泵的试验压力范围为 2.5～22.5 MPa。

（3）温度。根据设备及环境的限制原因，加载试验的温度设置范围为为20～50 ℃。

3.2 试验方法

试验开始时，液压油温度默认为室温，通过调用加热程序提高液压油的温度如图4所示，同时启动齿轮泵，增加齿轮泵与液压油之间的摩擦消耗，加速液压油温度的上升。当温度达到设定温度时，加热程序自动结束。

图4 加热界面控制界面

设置齿轮泵的转速，电机启动后，当电机的转速误差小于1%时，齿轮泵进入空载状态下，空载时间为5 s。空载时间结束时，上位机发出存储信号，流量传感器将刷新的流量数据传递给上位机中特定的内存变量，当内存变量临时存储完成后，上位机清除存储信号。溢流阀按照设置好的1 MPa/s的加载速度逐步将压力提高至初始压力值，保压10 s后。溢流阀按照加载的压力和冲击次数达到额定压力值，再次保压10 s后，进入超载压力条件下，在超载压力情况下保持5 s，卸载到20 MPa，保压10 s后，上位机发出存储信号，流量传感器将刷新的流量数据传递给上位机中特定的内存变量，当内存变量临时存储完成后，上位机清除存储信号。齿轮泵进入卸载程序。按照设定好的工作状况，重复进行试验。

4 试验结果及数据分析

根据JBT7041-2006液压齿轮泵行业标准，在上位机程序中添加齿轮泵的效率计算公式。齿轮泵的容积效率η1、机械效率η2、和总效率η计算方法如下：

式中 Qs——泵的实际流量，L/min；

Q0——泵空载时的流量，L/min；

P ——泵出口压力，MPa；

n——电机转速，r/min；

Ts——电机负载时输入扭矩，N·m；

T0——电机空载时的输入扭矩。

4.1 转速对总效率的影响

在压力P=15 MPa，温度T=40 ℃的工作条件下，设置不同的转速，对外啮合齿轮泵进行加载试验，得到的部分试验数据如图5所示。

图5 不同转速下齿轮泵的效率

从图5中可以发现，当压力一定时，转速从800 r/min上升到2 000 r/min时，容积效率逐渐增加，机械效率逐渐降低，在一定范围内，总效率随着转速的增加而增加，并且存在一个nt转速使总效率到达最高，当超过nt时，总效率随转速的增加而降低。

为了进一步研究齿轮泵的总效率与工作条件的关系，分析工作压力、温度与转速对齿轮泵总效率的共同影响，将齿轮泵工作压力分别设置为2.5～22.5 MPa，温度分别设置为 20～50 ℃，转速设置为800～2 000 r/min进行加载试验，得到一系列工作条件下齿轮泵的总效率数据，将工况参数和齿轮泵总效率的数据导入matlable中绘制出外啮合齿轮泵效率与转速和压力、转速和温度的三维关系如图6，7所示。

图6 转速和压力与总效率的三维关系

图7 转速和温度与总效率的三维关系

当转速一定时，压力在2.5～22.5 MPa的范围内，总效率随压力的增加先上升后下降。同时总效率受压力影响比较明显，当转速为1 500 r/min时，压力从2.5 MPa增加到15 MPa时，总效率提高了将近40%。

从图7中可以看出，当转速一定时，温度从20 ℃升高至50 ℃时，齿轮泵的总效率随温度的升高而下降。

4.2 温度对总效率的影响

在压力P=15 MPa，转速n=1 500 r/min的工作条件下，通过加热系统升高液压油的温度，对外啮合齿轮泵进行加载试验，得到的部分试验数据如图8所示，同时将试验所得数据导入Matlable中，绘制出压力和温度与总效率的三维关系如图9所示。

图8 不同温度下齿轮泵的效率

图9 压力和温度与总效率的三维关系

从图8可知，转速和压力一定时，随着温度的升高，齿轮泵的容积效率逐渐降低；齿轮泵的机械效率逐渐上升，但增幅不大；齿轮泵的总效率降低。从图9可看出，当温度一定时，在2.5～22.5 MPa的范围内，齿轮泵的总效率随着压力的增加而增加，并且存在一个Pt压力使总效率到达最高，当压力超过Pt时，总效率随压力的增加而降低。

5 结论

（1）当工作压力为2.5 MPa时，转速从800 r/min上升至2 000 r/min时，总效率仅提高11%，而当转速为1 500 r/min时，压力从2.5 MPa增加到15 MPa时，总效率提高了将近40%。说明工作压力对齿轮泵的影响较大。

（2）随着温度的升高，齿轮泵的总效率下降，说明温度对容积效率的影响大于对机械效率的影响。

（3）当温度升高时，齿轮泵总效率下降，在2.5～15 MPa时，随着压力的增加齿轮泵总效率上升，在一定程度上说明工作压力对齿轮泵总效率的影响大于温度的影响。