基于節(jié)能技術(shù)的液壓系統(tǒng)設(shè)計

摘 要：節(jié)約能源已經(jīng)成為當(dāng)今社會的主流，對于液壓技術(shù)領(lǐng)域中液壓節(jié)能技術(shù)的探討顯得尤其重要。為此，文中在分析液壓元件能量損失方式的基礎(chǔ)上，針對性地提出了節(jié)能技術(shù)在液壓系統(tǒng)設(shè)計中的具體應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：機(jī)械傳動；液壓技術(shù)；節(jié)能技術(shù)；液壓系統(tǒng)

1引言

液壓技術(shù)憑借其突出的優(yōu)點(diǎn)，成功用于功率偏大、 運(yùn)動過程需要控制和調(diào)節(jié)的地方但一般液壓系統(tǒng)的實(shí)際工作效率不高，大多只有50%左右，這通常是由于設(shè)計和使用液壓系統(tǒng)時，只側(cè)重于系統(tǒng)的工作能力、可靠性和成本，而忽視了系統(tǒng)工作效率所致。隨著能源供應(yīng)日趨緊張，開展液壓系統(tǒng)節(jié)能研究，對液壓系統(tǒng)設(shè)計過程中應(yīng)注意的問題進(jìn)行分析，是非常必要的。任何一個完整的液壓系統(tǒng)都是由動力元件、控制元件、執(zhí)行元件、輔助裝置和工作介質(zhì)五大部分組成，其能量轉(zhuǎn)換和傳遞情況如圖1所示。

2 液壓系統(tǒng)能量損失的主要方式

液壓系統(tǒng)的能量損失主要表現(xiàn)為壓力損失、流量損失和功率損失，它會使液壓能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，這不僅浪費(fèi)了大量的能量，還會導(dǎo)致系統(tǒng)溫度升高，使工作介質(zhì)急速變質(zhì)老化。 相關(guān)研究表明，每溫升15℃會使礦物油介質(zhì)使用壽命約降低10 倍 。過渡溫升還會導(dǎo)致液壓元件和系統(tǒng)的可靠性、 穩(wěn)定性、壽命大大降低，從而誘發(fā)液壓系統(tǒng)故障。根據(jù)液壓系統(tǒng)的組成可將能量損失劃分為以下幾類。

2.1動力元件的能量轉(zhuǎn)換損失

動力元件液壓泵在將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液壓能的過程中所導(dǎo)致的能量轉(zhuǎn)換損失主要是因摩擦而產(chǎn)生的機(jī)械損失和因泄漏而產(chǎn)生的容積損失，可分別用ηm和ηv來表示，對整個系統(tǒng)的總效率影響很大。這不僅與液壓泵的類型有關(guān)，還受運(yùn)行工況以及磨損情況等因素的影響。

2.2控制元件的能量損失

控制元件主要是各類液壓閥，它們都是液阻。當(dāng)液壓油流經(jīng)這些液阻時都會產(chǎn)生壓降，這必然會增加能量消耗，使系統(tǒng)總效率降低。

2.3執(zhí)行元件的能量轉(zhuǎn)換損失

執(zhí)行元件是指各種液壓缸和馬達(dá)，它們在液壓能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的過程中，同動力元件一樣存在著ηm和ηv。對于帶有可靠密封的液壓缸，其泄漏量極小，容積損失可忽略不計，其能量轉(zhuǎn)換損失可主要考慮機(jī)械效率ηm。

2.4輔助元件的能量損失

輔助元件有油箱、管件、壓力表、密封件、過濾器等，一個具體的系統(tǒng)中所含輔助元件的種類和數(shù)量依據(jù)系統(tǒng)的復(fù)雜程度和布局而定。輔助元件的能量消耗主要反映的是節(jié)流損失，對系統(tǒng)的工作效率也有很大的影響。

2.5系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與布局造成的能量損失

為了克服管道阻力，實(shí)際液體流動時會損耗一部分能量。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與布局不同，其能量損失也不相同。通常情況下，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，液壓元件越多，液體流動方向和速度變化越多，能量損失就越大。油液沿等直徑直管流動時，會產(chǎn)生沿程壓力損失；流經(jīng)彎管、接頭等局部障礙時，會產(chǎn)生局部壓力損失，它們都會使系統(tǒng)中的功率損耗增加，造成能量損失。

2.6動力源和負(fù)載特性不匹配造成的能量損失

動力源供給系統(tǒng)的能量往往不能恰好和系統(tǒng)負(fù)載相適應(yīng)，低負(fù)載工況下，就會帶來能量供過于求的匹配損失。如液壓系統(tǒng)的輸出壓力和流量分別大于執(zhí)行元件所需的壓力、流量時，就會分別產(chǎn)生壓力過剩和流量過剩。過剩越多，能量損失就越大，系統(tǒng)效率就越低。

3節(jié)能技術(shù)在液壓系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用

根據(jù)上述液壓系統(tǒng)能量損失的原因，在設(shè)計液壓系統(tǒng)時，我們可以采用以下措施來減少系統(tǒng)能量的損失，提高系統(tǒng)的效率，達(dá)到節(jié)能的目的。

3.1液壓泵的選擇

泵作為初次能量裝換裝置，對液壓系統(tǒng)的總效率影響很大。選擇合適的動力源，對提高能源利用率非常重要。常用液壓泵技術(shù)參數(shù)見表1。

可以看出，從節(jié)能的角度出發(fā)，柱塞泵運(yùn)行效果最好，其次是葉片泵、齒輪泵次之。對于復(fù)雜、流量精度要求比較高的系統(tǒng)應(yīng)盡量選擇組合泵，通過變頻調(diào)速可以使效率更高，輸出功率也可以適時調(diào)節(jié)。

不同功能的液壓回路要求不同的動力源，大體上可分為三類：對于壓力接近或相同，流量變化較大的液壓系統(tǒng)一般宜采用恒壓變量泵作為動力源；

2）對于功率較大、負(fù)載緩慢增大且有較長保壓時間要求的系統(tǒng)如泵保壓系統(tǒng)、蓄能器系統(tǒng)等可以采用恒壓恒功率變量泵；

3）對于要求具有不同壓力、不同流量的多執(zhí)行元件系統(tǒng)可采用雙壓、雙流量恒壓變量泵或負(fù)載傳感變量泵。

3.2液壓缸和液壓馬達(dá)的設(shè)計及選擇

液壓缸和液壓馬達(dá)也是液壓系統(tǒng)中能量損耗較大的元件，在設(shè)計、選擇液壓缸和液壓馬達(dá)時，要注意液壓缸、液壓馬達(dá)與泵的流量、壓力相匹配，在滿足系統(tǒng)工況要求的前提下，盡量保持其功率匹配，以減少能量損失，提高整個系統(tǒng)的效率。田靈飛等人，從改進(jìn)液壓缸結(jié)構(gòu)以及液壓回路的設(shè)計出發(fā)，設(shè)計了一種基于柱塞缸與活塞缸的組合式新型節(jié)能高效液壓缸，其設(shè)計的新型節(jié)能液壓缸的液壓系統(tǒng)裝置圖。見圖2所示。實(shí)踐表明，該液壓缸既能節(jié)約液壓能，又能提高液壓系統(tǒng)效率。

3.3 液壓源的選擇

在選用液壓源時，應(yīng)先對液壓系統(tǒng)進(jìn)行工況分析，以查明一個循環(huán)中負(fù)載壓力、流量和功率的分布及要求，為選擇液壓源提供技術(shù)依據(jù)。為了提高系統(tǒng)的效率，達(dá)到節(jié)能的目的，如在現(xiàn)代液壓系統(tǒng)中出現(xiàn)了如壓力補(bǔ)償控制、負(fù)載感應(yīng)控制、功率協(xié)調(diào)等高效液壓系統(tǒng)；在液壓挖掘機(jī)中先后提出了負(fù)流量控制、正流量控制、負(fù)載敏感系統(tǒng)、混合動力系統(tǒng)和恒壓網(wǎng)絡(luò)二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)。液壓挖掘機(jī)混合動力系統(tǒng)及基于恒壓網(wǎng)路的二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)分別見圖3和圖4。

這些技術(shù)的推廣和應(yīng)用，能使液壓系統(tǒng)的動力源供應(yīng)的壓力和流量自動與執(zhí)行元件負(fù)載的變化相適應(yīng)，可以使系統(tǒng)效率提高28% ～45%，節(jié)能效果十分明顯。

3.4 控制元件的選擇

控制元件不屬于能量轉(zhuǎn)換元件，但是所有閥類元件皆為液阻，其必然會造成壓力的損失，降低系統(tǒng)的效率，因此必須合理選擇控制元件。在進(jìn)行系統(tǒng)方案設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)中相應(yīng)位置和可能出現(xiàn)的最大工作壓力和流量來確定其規(guī)格、型號。如條件許可，應(yīng)采用集成閥、插裝閥等新型液壓元件取代分離式單功能元件，能取得較好的節(jié)能效果。

3.5液壓輔助元件的選擇

液壓系統(tǒng)的輔助元件，雖被稱為輔助裝置，但對液壓系統(tǒng)的工作性能同樣起到了重要作用。因此在液壓系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計方面，也要注意進(jìn)行合理選擇。

1）管路和管接頭 在系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計中，管路內(nèi)徑選擇十分重要，管路內(nèi)徑的選擇要以降低流動造成的壓力損失為前提，液壓管路中液體的流動多為紊流，壓力損失正比于液體在管道中的平均流速，因此要根據(jù)流速來確定管徑。同時在裝配液壓系統(tǒng)時，油管的彎曲半徑不能太小，一般應(yīng)為管道半徑的3～5倍。應(yīng)盡量避免小于9O0的彎管。

2）密封 液壓系統(tǒng)如果密封不良，可能出現(xiàn)不允許的內(nèi)外泄漏，使液壓小童容積效率下降，設(shè)備工作效率降低，不僅浪費(fèi)能源，而且對環(huán)境造成污染，所以解決密封問題不僅具有節(jié)能意義，而且可以減少環(huán)境污染。

3.6 液壓油液的選擇

在液壓油的選擇中，最重要的因素是液壓油的粘度。粘度太大，液流的壓力損失和發(fā)熱量就大，使系統(tǒng)效率降低；粘度太小，泄漏增大也影響系統(tǒng)效率。因此，必須注意合理選擇液壓油的粘度。

3.7液壓回路的設(shè)計與選擇

液壓系統(tǒng)節(jié)能的關(guān)鍵一方面是合理選擇液壓元件，更重要的是合理選擇與設(shè)計液壓回路。典型的節(jié)能回路主要有以下幾種：

卸荷回路 其原理見圖5。

（2）多級壓力控制回路 其原理見圖6。

（3）負(fù)載敏感閥控回路 其原理見圖7.

（4）負(fù)載敏感泵控回路 其原理見圖8.

（5）伺服電動機(jī)液壓控制系統(tǒng) 其原理見圖9.

4結(jié)論

液壓系統(tǒng)的每個組成部分在系統(tǒng)工作時都會產(chǎn)生能量損失，因此，要合理選用高效率的液壓元件，并對系統(tǒng)進(jìn)行綜合調(diào)節(jié)以提高系統(tǒng)的效率，合理設(shè)置和分配元件、管路，正確選擇油液，并合理運(yùn)用新技術(shù)、新材料、新工藝設(shè)計液壓回路，以達(dá)到整個液壓系統(tǒng)節(jié)能的目的。

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作者簡介

向大學(xué)（1964-）：男，四川安岳人，講師，本科，主要從事機(jī)械制造技術(shù)教學(xué)與科研。