实验二  液 压 泵 性 能 实 验

§1  实 验 目 的

1．深入理解液压泵的静态特性。着重测试液压泵静态特性中：

①实际流量q与工作压力p之间的关系即q—p曲线；

②容积效率ην、总效率η与工作压力p之间的关系即ην—p和η--p曲线；

③输入功率Ni与工作压力p之间的关系即Ni--p曲线。

    2．了解液压泵的动态特性。液压泵输出流量的瞬时变化会引起其输出压力的瞬时变化，动态特性就是表示这两种瞬时变化之间的关系。

    3．掌握液压泵工作特性测试的原理和方法，学会使用本实验所用的仪器和设备。

§2  实 验 原 理

一、液压泵的空载流量与理论流量

液压泵的出口压力为最低时所测到的输出流量叫空载（零压）流量，即在测试回路中，节流阀开口为最大时的流量计中的读数值。

泵的理论流量是不考虑泄漏时，单位时间内输出油液的体积，它等于泵的排量与其转速的乘积。泵在额定转速下的理论流量常以额定转速下的空载流量代替，因空载时泵的泄漏可以忽略。

额定流量是指泵在额定压力和额定转速下输出的实际流量，它总是小于泵的理论流量。

二、液压泵的流量----压力特性

液压泵的额定压力是指液压泵可长期连续使用的最大工作压力，它反映了泵的能力。超过此值就是过载。但不超过规定的最高压力（泵能力的极限），还可短期运行。

液压泵的工作压力是指液压泵在实际工作时输出油液的压力，即油液克服负载而建立起来的压力，它随负载的增加而增高。在实验中我们以节流阀作为负载，使节流阀具有不同的开口，则泵出口压力就有对应的不同值，在一系列的压力值下，测量出对应不同的流量值，就得出油泵的流量—压力特性：q = f1（p）。

实验油温越高、压力越大，其实测流量值就越小。

三、液压泵的容积效率、总效率----压力特性

1．容积效率ηv：液压油泵的实际流量与理论流量的比值称为容积效率，它表示液压泵容积损失大小的程度。

ην＝q／qt＝1-q泄/qt＝1-（k泄·p/V·n）= f2（p）。

式中：实际流量q＝60·Δν／Δt，单位为L/min。其中，Δν--油液体积（L），Δt--时间（s）。理论流量qt＝0.001V·n＝q空，单位为L/min。其中，V--油泵排量（mL/r），n—转速（r/min）。

液压油泵的容积效率随着输出油压力的升高而降低。

2．.总效率η：液压油泵的输出功率与输入功率的比值称为液压油泵的总效率。

η＝Nt／Ni＝ην·ηm= f3（p）。

式中：油泵的输出功率Nt＝（q·p）/60= f4（p），单位为KW。其中，p为实际工作压力（MPa）。

油泵的输入功率Ni＝P·ηd= f5（p），单位为KW。其中，P为电机输入功率（功率表的读数），ηd为电机效率，两者之间的联系可查电动机效率曲线（略）。实验计算时，ηd一般取80％。

油泵的机械效率ηm，反映油液在泵内流动时液体粘性引起的摩擦转矩损失和泵内机件相对运动时机械摩擦引起的摩擦损失之和。若摩擦转矩损失越大，则泵的机械效率越低。要直接测定ηm比较困难，一般是测出ην和η，然后算出ηm。

液压泵的主要性能指：额定压力、额定流量、容积效率、总效率、压力脉动、噪声、温升、振动和寿命等。

§3  实 验 装 置

实验装置的液压系统原理图，如图3-1所示。该实验系统是秦川QCS003B型教学实验台中的一部分（括号内序号所指），也可由温州巨林液压传动综合教学实验装置拼装组成。主要包含：被试油泵1（8）、安全阀2（9）、节流阀3（10）、流量计4（20）和压力表（p6）。

图2-1液压泵性能实验液压系统原理图

§4  实 验 方 案

一、液压泵静态特性实验

    实验内容为实际流量--工作压力（q—p）特性、容积效率--工作压力（ην—p）特性、总效率--工作压力（η—p）特性和输入功率--工作压力（Ni—p）特性。上述四项特性是反映不同工作压力下的q、ην、η和Ni的变化规律。

    设定参数：

    1．被试液压泵1（8）的工作压力p（MPa）。在定量叶片泵0～6.5MPa（齿轮泵0～6MPa）范围内p的设定点不应少于8点，一般可设为0、1、2、3、4、5、6、6.5等8点。工作压力p应通过节流阀3（10）改变其通流截面积获得。压力值的大小由压力表（p6）显示。试验时避免长期超载工作，且每一设定压力调好后需运行1分钟左右再测有关参数。

2．油温。在静态特性测试中，建议温升控制在±5℃以内。

待测参数：

1．液压泵输出油液流过一定体积Δν（L）所需要的时间Δt（s）。

2．电动机的输入功率P（Kw）和查出对应P的电动机效率ηd。

建议在同一设定条件下，测试次数不少于2次。

调定参数：调定安全阀2（9）的压力为7.5Mpa。方法：先拧松安全阀2（9）至全开，接着拧紧节流阀3（10）至关闭，然后调节安全阀至7.5Mpa，再迅速打开节流阀至全开。

计算项目：

1． 泵的实际流量q＝60·Δν／Δt，单位为L/min。

2． 泵的输出功率Nt＝（q·p）/60，单位为KW。

3． 泵的输入功率Ni＝P·ηd，单位为KW。

4． 泵的容积效率ην＝q／qt。

5． 泵的总效率η＝Nt／Ni。

6． 泵的机械效率ηm＝η／ηv。

二、液压泵动态特性实验（暂不做）

§5  成 果 和 计 算

一、实验条件

液压泵型号：            ；额定压力：        Mpa；额定排量：        mL/r；

额定转速：        （r/min）；液压油牌号：        。

二、原始数据和计算结果

表2-1  液压泵静态特性实验的原始数据和计算结果见

三、液压泵的性能测试报告

1.根据测试数据、查找数据和计算数据，在算术坐标纸上画出各特性曲线，即

q = f1（p）、N t = f2（p）、N i = f3（p）、ην= f 4（p）、η= f5（p）

2.了解实验中所用液压元件的作用。

    3.从画出的各种曲线中得到什么？在选择和使用液压泵时应注意什么？

第二篇：实验二 超级电容器的组装及性能测试实验指导书

实验二  超级电容器的组装及性能测试

实验名称：超级电容器的组装及性能测试

所涉及课程：工程化学

计划学时：4学时

一、实验目的

1．掌握超级电容器的基本原理及特点；

2．掌握电极片的制备及电容器的组装；

3．掌握电容器的测试方法及充放电过程特点。

二、实验原理

1．电容器的分类

电容器是一种电荷存储器件，按其储存电荷的原理可分为三种：传统静电电容器，双电层电容器和法拉第准电容器。

传统静电电容器主要是通过电介质的极化来储存电荷，它的载流子为电子。

双电层电容器和法拉第准电容储存电荷主要是通过电解质离子在电极/溶液界面的聚集或发生氧化还原反应，它们具有比传统静电电容器大得多的比电容量，载流子为电子和离子，因此它们两者都被称为超级电容器，也称为电化学电容器。

2．双电层电容器

双电层理论由19世纪末Helmhotz等提出。Helmhotz模型认为金属表面上的净电荷将从溶液中吸收部分不规则的分配离子，使它们在电极/溶液界面的溶液一侧，离电极一定距离排成一排，形成一个电荷数量与电极表面剩余电荷数量相等而符号相反的界面层。于是，在电极上和溶液中就形成了两个电荷层，即双电层。   

双电层电容器的基本构成如图1，它是由一对可极化电极和电解液组成。

双电层由一对理想极化电极组成，即在所施加的电位范围内并不产生法拉第反应，所有聚集的电荷均用来在电极的溶液界面建立双电层。

这里极化过程包括两种:

（1）电荷传递极化（2）欧姆电阻极化。

当在两个电极上施加电场后，溶液中的阴、阳离子分别向正、负电极迁移，在电极表面形成双电层；撤消电场后，电极上的正负电荷与溶液中的相反电荷离子相吸引而使双电层稳定，在正负极间产生相对稳定的电位差。当将两极与外电路连通时，电极上的电荷迁移而在外电路中产生电流，溶液中的离子迁移到溶液中成电中性，这便是双电层电容的充放电原理。

（a）非充电状态下的电位   （b）充电状态下的电位    （c）超级电容器的内部结构

图1 双电层电容器工作原理及结构示意图

3．法拉第准电容器

    对于法拉第准电容器而言，其储存电荷的过程不仅包括双电层上的存储，还包括电解液中离子在电极活性物质中由于氧化还原反应而将电荷储存于电极中。对于其双电层电容器中的电荷存储与上述类似，对于化学吸脱附机理来说，一般过程为：电解液中的离子(一般为H+或OH-)在外加电场的作用下由溶液中扩散到电极/溶液界面，而后通过界面的电化学反应：

     MOx+H+(OH-)+(-)e-→MO(OH)                (1)

进入到电极表面活性氧化物的体相中，由于电极材料采用的是具有较大比表面积的氧化物，这样就会有相当多的这样的电化学反应发生，大量的电荷就被存储在电极中。根据(1)式，放电时这些进入氧化物中的离子又会重新返回到电解液中，同时所存储的电荷通过外电路而释放出来，这就是法拉第准电容器的充放电机理。

    在电活性物质中，随着存在法拉第电荷传递化学变化的电化学过程的进行，

极化电极上发生欠电位沉积或发生氧化还原反应，充放电行为类似于电容器，而不同于二次电池，不同之处为：

 （1）极化电极上的电压与电量几乎呈线性关系；

（2）当电压与时间呈线性关系时，电容器的充放电电流为恒定值。

                          (2)

4．电容量及等效串连内阻的计算

对于超级电容器的双电层电容可以用平板电容器模型进行理想等效处理。根据平板电容模型，电容量计算公式为：

                           (3)

其中C为电容（F）；为介电常数；S为电极板正对面积，等效双电层有效面积（m2）；d为电容器两极板之间的距离，等效双电层厚度（m）。

利用公式和得

                        (4)

式中，为电流（A）；是电量微分（C）；是时间微分（s）；为电位的微分（V）。

采用恒流充放电测试方法时，对于超级电容，根据公式(4)可知，如果电容量C为恒定值，那么将会是一个常数，即电位随时间是线性变化的关系。也就是说，理想电容器的恒流充放电曲线是一个直线，如图2.3(a)所示。我们可以利用恒流充放电曲线来计算电极活性物质的比容量：

                          (5)

其中为充/放电时间(s)；为充/放电电压升高/降低平均值，可以利用充放电曲线进行积分计算而得到：

                       (6)

在实际求比电容量时，为了方便计算，常采用和时的电压差值，即：

                          (7)

    对于单电极比容量，式(5)中的m为单电极上活性物质的质量。若计算的是电容器的比容量，m则为两个电极上活性物质质量的总和。

    在实际情况中，由于电容器存在一定的内阻，充放电转换的瞬间会有一个电位的突变，如图2 (b)所示。

利用这一突变可计算电极或者电容器的等效串联电阻：

                          (8)

其中R为等效串联电阻（）, 为充放电电流（A），为电位突变的值（V）。

等效串联电阻是影响电容器功率特性最直接的因素之一，也是评价电容器大电流充放电性能的一个直接指标。

（a）理想充放电曲线                    （b）实际充放电曲线

图2 恒流充放电曲线

四、实验（设计）仪器设备和药品清单

仪器设备：电子天平、真空干燥箱、Land电池测试系统、压片机、扣式电池封装机、扣式电池钢壳等

药品：MnO2、KOH、泡沫镍、乙炔黑、粘结剂（HPMC）、隔膜、去离子水等。

五、实验内容与实验步骤

1．超级电容器电极片的制备

（1）    按75:15:10（wt%）称取活性物质MnO2、导电剂乙炔黑和粘结剂HPMC，加入适量去离子水，调成浆状。

（2）    将浆料均匀涂敷于Φ=10mm的泡沫镍上（已称重）。

（3）    真空120°C干燥1h、压片、称重，备用。

制备工艺流程如图1所示。

图3 电化学电容器极片的制备流程

2．扣式超级电容器的组装

（1）    将1中制备好的电极片作为电容器的正负极；

（2）    正负极之间用隔膜隔离；

（3）    电解液为3mol·L-1的KOH；

（4）    在电极片与电容外壳之间垫一层泡沫镍，使得电极片与电容外壳接触良好。

（5）    用封装机把扣式壳封好；

（6）    具体组装方法如图2、图3所示。

3．电化学性能检测

（1）    把组装好的扣式超级电容器连接到Land电池测试仪上；

（2）    测试在室温下进行；

（3）    采用恒电流充放电的方式，设定充放电流均为5mA，充放电截止电压为

   0-0.8V；

（4）    计算电容器的比电容量及内阻。

图2  组装扣式电化学电容器的层次图

图3 组装扣式电化学电容器的实物图

六、注意事项

1．必须严格按照操作规程进行实验；

2．遵守实验室的规章制度，保持实验室及实验台清洁。

七、实验报告要求

1．实验目的；

2．实验内容；

3．实验基本原理；

4．实验设备和材料；

5．实验结果分析；

6．实验中存在的问题和建议。

八、考核型式

书面实验报告及实际操作相结合。

思考题

1．超级电容器与传统电容器的区别；

2．影响超级电容器性能的因素；

3．如何降低超级电容器的内阻。