化工液壓泵站的類型及變頻節(jié)能技術(shù)探討

莊心生，王留賀，姚軼培

(河南神馬尼龍化工公司有限責任公司，河南平頂山 467000)

0 前言

化工企業(yè)的液壓站是現(xiàn)代液壓技術(shù)中應(yīng)用較為廣泛的結(jié)構(gòu)形態(tài)。既是各類液壓系統(tǒng)設(shè)計過程的集成，又是保證主機長期可靠工作的重要裝置，正確合理地設(shè)計和使用液壓站，對于提高液壓系統(tǒng)乃至整套液壓設(shè)備的工作性能和運行經(jīng)濟指標，具有重要意義。

1 組成

化工液壓泵站是由多種元附件組合而成，作為液壓系統(tǒng)的動力源，它為一個或幾個系統(tǒng)存放清潔的工作介質(zhì)，同時輸出一定的壓力及流量的液體動力，液壓泵站是整個液壓系統(tǒng)或液壓站的重要組成部分，其設(shè)計的優(yōu)劣和使用維護的合理性，對液壓設(shè)備性能關(guān)系重大［1］。液壓泵站由液壓泵組、油箱組件、控溫組件、過濾器組件和蓄能器五個相對獨立的部分組成。盡管這五個部分相對獨立，但在液壓泵站的設(shè)計和使用中，除了機器設(shè)備的特殊工況和具體要求進行調(diào)配以外，通常需要將它們一起進行適當?shù)慕M合，構(gòu)成一個合理的整體［2-3］。

2 類型

2.1 按液壓泵組布置方式分類

上置式液壓泵站。此類液壓泵站中的泵組布置在油箱之上。特點:上置式液壓動力源泉占地面積小，結(jié)構(gòu)緊湊，液壓泵于油箱內(nèi)的立式安裝，噪聲低且便于收集漏油，油箱容量可達1 000 L，在中、小功率液壓站中被廣泛采用。其液壓泵可以使用定量型或變量型，對于臥式液壓泵站，由于液壓泵置于油箱之上，為了防止液壓泵進油口處產(chǎn)生過大的真空度，造成吸空或氣穴現(xiàn)象，應(yīng)注意各類液壓泵的吸油高度不要超出其允許值，各類液壓泵的吸油高度見表1。

表1 液壓泵的吸油高度 mm

非上置式液壓泵站。此類液壓泵站是將泵組布置在底座或地基上，非上置式液壓泵站由于液壓泵置于油箱液面以下，故能有效改善液壓泵的吸入性能，液壓泵可以是定量型或變量型，且具有高度低，便于維護的優(yōu)點，但占地面積大，泵的吸入允許高度受限制，傳動功率較大，使用空間不受限制以及開機率低，適用于使用時能很快投入運行的場合。

柜式和便攜式液壓泵站。柜式液壓泵站是將泵組和油箱整體置于封閉型柜體內(nèi)，其優(yōu)點是外形整齊美觀且可在柜體上方便地布置壓力、流量、溫度等測量登記表板和電控箱，柜體封閉泵組從而屏蔽了噪聲，同時能有效地減少外界污染，其缺點是由于需顧及操作和維護的空間及液壓系統(tǒng)的散熱，致使其外形尺寸較大，通常僅用于中、小功率及實驗室場合下。

2.2 按液壓泵組的驅(qū)動方式分類

按液壓泵組的驅(qū)動方式，可將液壓泵站分為電動型、機動型和手動型三種，以電動機作為原動機的電動型液壓泵站，適宜有穩(wěn)定電力供應(yīng)的固定式機械設(shè)備，工作時噪聲低，應(yīng)用最為普遍。以柴油機和汽油機為原動機的機動型號液壓泵站，適用于不需要電源或電力短缺的偏遠地區(qū)以及野外作業(yè)的各類施工設(shè)備使用，但工作時噪聲較大。

按液壓泵組的輸出壓力高低可將液壓泵站分為低壓、中壓和超高壓等類型;按液壓泵組輸出流量特性可將液壓泵站分為定量型號和變量型兩種;而變量型號泵站按壓力—流量的調(diào)節(jié)特性又可分為恒功率式、恒壓式、恒流量式、限壓式及壓力切斷式等。不同的輸出壓力和流量特性可以適應(yīng)不同的主機工況和工作要求。

3 液壓控制裝置

液壓控制裝置是液壓動力泵站設(shè)計的一個重點，因此合理選擇、設(shè)計液壓控制裝置對于液壓系統(tǒng)性能的好壞是非常重要的。一個液壓系統(tǒng)中有很多控制閥，這些控制閥可用不同方式來連接或集成，液壓控制裝置是液壓控制元件及其連接件的組合，故又稱為液壓閥組，通常分為有管集成和無管集成兩類集成方式。

有管集成是液壓技術(shù)中最早采用的一種集成化方式，它是用管件(管子和管接頭)將各個管式連接的液壓控制閥集成在一起。有管集成液壓控制裝置的設(shè)計、制造和安裝較為簡單，只要按照液壓系統(tǒng)原理圖的油路要求，用與閥的油口尺寸規(guī)格相對應(yīng)的管接頭和油管將選定的管式液壓控制閥連接起來即可。但當組成系統(tǒng)的控制元件較多時，要求有較多的管子和管接頭，上下交叉，縱橫交錯，占用空間加大，從而造成系統(tǒng)布置不便，安裝維護和故障診斷困難，系統(tǒng)運行時，壓力損失大，且容易產(chǎn)生泄漏，混入空氣及振動噪聲等不良現(xiàn)象。因此僅用于較簡單的液壓系統(tǒng)及有些行走機械設(shè)備中。

無管集成是將液壓控制元件固定在某種專用或通用的輔助連接件上，輔助連接件內(nèi)開有一系列通油孔道，液壓控制元件之間的油路聯(lián)系通過這些通油孔道來實現(xiàn)。按輔助連接件形式的不同，無管集成可分為板式、塊式、疊加式、插裝式及同這幾種集成方式組合而成的復合式集成等形式。它們的共同特點是:油路直接做在輔助件或液壓閥閥體上，省去了大量管件;結(jié)構(gòu)緊湊，組裝方便，外形整齊美觀;安裝位置靈活;油路通道短，壓力損失較小，不易泄漏。此種集成方式既可用于各類工業(yè)液壓設(shè)備中，也可用于機械及其他設(shè)備中，是目前應(yīng)用最多的集成方式。

塊式集成是液壓系統(tǒng)目前應(yīng)用最為普遍的一種集成方式。它是將液壓閥安裝在六面體集成塊上，集成塊一方面起安裝底板作用，另一方面起內(nèi)部油路通道作用，故集成塊又稱為油路塊或通道塊。集成塊通常是按典型液壓系統(tǒng)和各種基本回路，做成通用化的正方體或長方體，其四周除一面安裝通向液壓執(zhí)行器的管接頭外，其余三面安裝標準的板式液壓閥及少量疊加閥或插裝閥，這些液壓閥之間的油路聯(lián)系由油路塊內(nèi)部的通道孔實現(xiàn)，塊的上下兩面為塊間疊積結(jié)合面，布有由下向上貫穿通道體的公用壓力油孔、回油孔、泄漏油孔及塊間連接螺栓孔，多個回路塊疊積在一起，通過四只長螺栓固緊后，各塊之間的油路聯(lián)系通過公用油孔來實現(xiàn)。

由于在集成塊設(shè)計的過程中采用的是傳統(tǒng)的油路塊，即無管集成方式，具有以下優(yōu)點:①具有結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、布局合理。②易于實現(xiàn)標準化、系列化、維修方便。③本系統(tǒng)運行可靠、維修方便。④強制循環(huán)，自然冷卻。

無管集成中的各種集成方式，都要大量用到油路塊(閥塊)這一重要的輔助連接件。但油路塊傳統(tǒng)上都是采用整體金屬材料進行設(shè)計和制造。因此具有以下缺點:①質(zhì)量較大。②工藝流道多。③壓力損失、沖擊及噪聲等。

4 液壓泵站的變頻調(diào)速

上述液壓泵站在一定意義上能夠起到節(jié)能的作用，但其節(jié)能效果并不太理想，把變頻技術(shù)引入到液壓系統(tǒng)中，節(jié)能效果將有很大的改觀。傳統(tǒng)的節(jié)能型液壓泵站是通過對變量泵的輸出流量的控制實現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能，是通過液壓油的壓力進行反饋的，設(shè)定值為彈簧的預緊力，控制調(diào)節(jié)過程也就是彈簧力與液壓力相互平衡的過程。改變液壓泵流量的另外一種方式便是引入變頻技術(shù)，同傳統(tǒng)液壓泵站相融合，讓定量泵實現(xiàn)變量泵的功能，形成液壓泵站變頻調(diào)速控制方式。如圖1所示。

從圖1可以看出，變頻調(diào)速控制原理是利用傳感器在液壓系統(tǒng)中采集的信號經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換后，與給定的信號進行比較，通過其比較的差值來控制變頻器，從而改變電機的轉(zhuǎn)速，來實現(xiàn)定量泵輸出流量的改變。

圖1 變頻調(diào)速控制原理圖

液壓系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換過程為機械能(電機)—液壓能(液壓泵)—機械能(執(zhí)行元件)，傳統(tǒng)節(jié)能型液壓泵站只側(cè)重于液壓能—機械能這個過程，讓負載所需的壓力、流量與液壓泵輸出的壓力、流量相適應(yīng)，其優(yōu)點在于溢流或節(jié)流損失減少了，變頻調(diào)速液壓泵站則從源頭(電機)考慮，可以避免電機處與欠負載工況下運行，提高了電機的效率，整個液壓系統(tǒng)的效率也得到提高。

5 結(jié)論

為了解決無管集成存在的缺點問題，可以向液壓集成塊輕型化方向發(fā)展。輕型化油路塊與傳統(tǒng)油路塊的主要區(qū)別體現(xiàn)在降低閥塊的單位體積質(zhì)量上。傳統(tǒng)油路塊是在整體金屬進行鉆孔加工建立液體的流道，而輕型化油路塊是在中空的金屬(熱軋鋼板)框架內(nèi)通過鋼管的焊接構(gòu)建各閥件的流道，然后在框架內(nèi)壁澆鑄輕質(zhì)材料(鎂—鋁合金)以固定各液壓管路并增強油路塊的整體剛度?；ひ簤罕谜镜淖冾l控制改變了傳統(tǒng)的依靠改變變量泵排量來調(diào)節(jié)的方式，利用變頻技術(shù)原理從系統(tǒng)的驅(qū)動裝置著手，依據(jù)變轉(zhuǎn)速的方式來實現(xiàn)系統(tǒng)壓力、流量或功率的匹配，是一種新型的液壓控制方式。傳統(tǒng)液壓泵站的液壓元件被變頻控制液壓泵站的控制元件代替，可以實現(xiàn)液壓系統(tǒng)的數(shù)字化控制，能夠提高整個系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。

［1］張利平.液壓站［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2008.

［2］成大先.機械設(shè)計手冊(第4卷第5版)［M］.北京:化工工業(yè)出版社，2002

［3］黃志堅.液壓輔件［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2008.