液壓節(jié)能技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展

孟志明，賀元成，康帥帥，鄭庭

（四川理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，四川 自貢 643000）

0 引言

近年來，隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人類對能源需求量也越來越大，石化能源匱乏、環(huán)境污染等問題也越來越受到人們的關(guān)注，因而節(jié)能成為一個(gè)焦點(diǎn)，備受各行業(yè)廣泛重視。然而液壓系統(tǒng)在工作過程中，由于存在一系列能耗問題，系統(tǒng)總效率只有70%左右。而且液壓系統(tǒng)的無功損耗會轉(zhuǎn)化成熱能，使液壓油的溫度升高，液壓元件和液壓油老化，最終使液壓系統(tǒng)的能耗穩(wěn)定性等很不理想。

1 液壓系統(tǒng)能耗分析

液壓系統(tǒng)的傳遞效率公式為

式中，ηe為液壓原動機(jī)效率，ηp為液壓泵效率，ηc為液壓回路傳遞效率，ηm為液壓馬達(dá)效率，ηy為液態(tài)油的壓縮率，ηw為紊流、層流效率，ηa為液壓執(zhí)行元件效率，pr為液壓泵提供的壓力，qr為液壓泵提供的流量，pd為執(zhí)行元件輸入的壓力，qd為執(zhí)行元件輸入的流量。

從式（1）中可知，液壓系統(tǒng)的能耗主要表現(xiàn)為液壓元件接觸表面的摩擦、回路中紊流現(xiàn)象、節(jié)流閥對液壓油的阻礙，以及液壓系統(tǒng)中元件的泄漏等。而且液壓系統(tǒng)的大部分能耗會轉(zhuǎn)化為液壓油的內(nèi)能，導(dǎo)致油溫升高，加速液壓油的老化。因此，針對液壓系統(tǒng)中各元件的摩擦和泄漏，系統(tǒng)中壓力流量的損失，以及輸出能量同所需功率不匹配等所采取的節(jié)能方法，是研究液壓系統(tǒng)節(jié)能環(huán)節(jié)的重要方向。

2 具體節(jié)能設(shè)計(jì)措施

2.1 液壓系統(tǒng)中元件的節(jié)能

液壓系統(tǒng)元件的能量損失主要包括動力元件、執(zhí)行元件和控制元件的能量損失。其中，動力元件能量損失主要是液壓泵在高壓下的溢流，執(zhí)行元件能耗主要是液壓缸與液壓馬達(dá)壓油的泄漏和液壓缸直線運(yùn)動時(shí)的摩擦，而控制元件能耗主要是液壓閥本身及液壓閥組的泄漏和液壓閥配置不合理造成的能量損失。針對以上能耗問題的措施如下：

2.1.1 節(jié)能泵

常見的液壓泵主要有齒輪泵、葉片泵、螺桿泵、柱塞泵。泵是液壓系統(tǒng)中液壓能的來源，同時(shí)也是能量損耗最大的部分，泵的效率對整個(gè)液壓系統(tǒng)效率有很大的影響。在選擇液壓泵時(shí)，應(yīng)綜合考慮泵的效率、成本和其他各項(xiàng)性能。表1 是常見液壓泵的效率。若以節(jié)能為目的，則齒輪泵最不適合選用，但近年來齒輪泵所占市場比例變化不大，相反葉片泵使用卻也來越少。所以泵的選擇不能單純以效率高低為標(biāo)準(zhǔn)，要綜合考慮工況、成本等。

表1 常見液壓泵的效率

近年來，液壓泵正向著數(shù)字化、集成化的方向發(fā)展。各廠商紛紛推出先進(jìn)控制方式的液壓泵，例如日本川崎重工的K3V140 變頻液壓泵、美國派克PV028R1K1 比例柱塞泵、德國力士樂A10VO 負(fù)載敏感式柱塞泵等。其中負(fù)載敏感式柱塞變量泵技術(shù)相對成熟且節(jié)能效果較為明顯，它能夠根據(jù)負(fù)載所需的壓力和流量實(shí)現(xiàn)液壓泵輸出的自我調(diào)節(jié)，最大限度地提高液壓泵的效率。圖1為其工作原理圖。負(fù)載敏感控制閥5 的閥芯在設(shè)定好閥芯彈簧力FT時(shí)閥處于平衡狀態(tài)，受力平衡方程為：

由式（3）和式（4）可知（以負(fù)載增大為例）：當(dāng)負(fù)載增大時(shí)負(fù)載壓力Pt增大，導(dǎo)致ΔP 減小，但節(jié)流閥2 的面積并沒有增大，所以存在PaAT＜PtAT+FT，使得控制閥5 的閥芯左移，液壓泵的輸出口與變量缸6 的無桿腔相連，進(jìn)而推動變量缸活塞左移，使變量泵排量增大，直到重新達(dá)到式（1）的平衡狀態(tài)，控制閥5 的閥芯回到平衡位置調(diào)節(jié)才會停止。這樣就能保證系統(tǒng)所需壓力與泵提供壓力相同，消除了泵的溢流損失。同時(shí)節(jié)流閥2 兩端的壓力差小節(jié)流損失的功率非常少，從而解決了液壓泵溢流損失和節(jié)流損失這兩個(gè)主要的能耗問題。

圖1 負(fù)載敏感變量泵工作原理圖

2.1.2 液壓缸的節(jié)能

液壓缸主要是將液壓能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。由于液壓缸結(jié)構(gòu)和工況相對比較簡單，發(fā)展時(shí)間較長，近年來針對其本身結(jié)構(gòu)改進(jìn)方面的節(jié)能技術(shù)并沒有很大的突破，節(jié)能方案主要集中在降低摩擦減少液壓油的泄漏上。近年來出現(xiàn)的新式液壓缸主要有變截面液壓缸、復(fù)合增速缸等。

改進(jìn)液壓缸本身結(jié)構(gòu)的節(jié)能效果不是很明顯，但將液壓缸放到能量回收系統(tǒng)里則節(jié)能效果非常的明顯。如圖2 所示，將此裝置添加到液壓挖掘機(jī)動臂系統(tǒng)中，液壓缸3 作為動臂的驅(qū)動缸。液壓缸2 上加有配重塊，當(dāng)挖掘機(jī)動臂下放時(shí)，液壓缸3 中的液壓油經(jīng)過單向閥4、1 流入液壓缸2 推動配重塊上升，相當(dāng)于把工作臺的勢能傳遞給配重塊，這樣就把動臂的重力勢能儲存起來。當(dāng)動臂抬升時(shí)配重塊釋放能量，將其勢能又傳遞給動臂。單向閥1、4 解決了液壓缸2、3 負(fù)載匹配不合理導(dǎo)致動臂超速下滑的問題。

2.1.3 閥的節(jié)能

閥是液壓控制系統(tǒng)中重要的組成部分，液壓系統(tǒng)的每個(gè)工作過程基本上都有液壓閥的參與，因此它的能耗在整個(gè)液壓系統(tǒng)中不可忽視。目前傳遞效率較高的閥有：多路閥、插裝閥、疊加閥等。

圖2

多路閥由兩個(gè)及兩個(gè)以上閥塊組成，它將不同種類的閥組合在一起以滿足液壓回路實(shí)現(xiàn)各種控制的需求，能夠滿足不同的工作狀況。而且由于多路閥的集成度較高，其結(jié)構(gòu)較為緊湊，油路相對簡單，壓力和流量損失較小，所以廣泛地應(yīng)用于工程機(jī)械。國內(nèi)多路閥的應(yīng)用始于1994 年，但技術(shù)方面一直受美德日等國家控制，直到2009 年三一重工、柳工、常林等廠商才開始生產(chǎn)。2003 年四川長江液壓元件有限公司推出了專門針對起重機(jī)的QF28 型多路換向閥，該多路閥采用全負(fù)載反饋，其控制精度較高，具有高效節(jié)能、抗干擾能力強(qiáng)、控制形式多樣的特點(diǎn)，極大地提高了起重機(jī)的能量利用率。

國外多路閥的發(fā)展相對先進(jìn)，如德國力士樂的M9-25 高效多路閥，使每個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)都有獨(dú)立的回路，可達(dá)到不同負(fù)載下控制多個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的目的。M9 閥采用正向控制，且在管道設(shè)計(jì)方面采用中位優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證了系統(tǒng)的高效性能，是控制閥中高效的典范。新型控制閥是液壓閥不可或缺的一部分，比較有代表性的是德國的可編程多功能組合閥、日本TOKIMEC 的新型電磁換向閥、美國MOOG 的電液比例伺服控制閥。這些新式控制閥從不同的方向考慮節(jié)能，使液壓閥的節(jié)能技術(shù)有了重大的突破。

2.2 液壓回路系統(tǒng)的節(jié)能

液壓回路的主要組成：液壓動力源、液壓管道及液壓缸。它根據(jù)不同要求可實(shí)現(xiàn)速度、壓力、方向等控制，是液壓系統(tǒng)中必不可少的部分。雖然液壓回路在技術(shù)層面上都能達(dá)到要求，但在節(jié)能方面還存在很大的不足。本文針對動力源與負(fù)載功率匹配，速度的調(diào)節(jié)，壓力、流量的調(diào)節(jié)等，介紹幾種典型的節(jié)能液壓回路系統(tǒng)。

2.2.1 定量泵加變頻調(diào)速電動機(jī)電液系統(tǒng)

由于異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子繞組不需與其他電源相連，其定子電流直接取自交流電力系統(tǒng)，異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠性高，成本低，因此大多數(shù)液壓系統(tǒng)都以異步電動機(jī)作為動力。而異步電動機(jī)變頻系統(tǒng)變速效率高且性能較好，目前被廣泛地應(yīng)用于液壓系統(tǒng)。變頻調(diào)速技術(shù)與其他液壓調(diào)速技術(shù)相比，改善了功率因數(shù)，大幅提高了原動機(jī)的效率。變頻調(diào)速系統(tǒng)利用變頻器改變泵的輸出功率，使之與系統(tǒng)合理匹配，降低了溢流損失。與傳統(tǒng)的節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)相比，交流變頻調(diào)速系統(tǒng)避免了溢流損失、節(jié)流損失和卸載能耗，有效地節(jié)約了能源。

2.2.2 負(fù)載敏感控制系統(tǒng)

負(fù)載敏感控制系統(tǒng)主要由比例換向閥、負(fù)載敏感閥、變量泵、液壓馬達(dá)和液壓缸組成。圖3為負(fù)載敏感系統(tǒng)的原理圖，該系統(tǒng)是一種閉環(huán)控制，它以壓力作為反饋信號，可實(shí)現(xiàn)泵輸出的流量、壓力與負(fù)載的需求相匹配。負(fù)載敏感控制系統(tǒng)可根據(jù)不同工況，不同負(fù)載的要求及操作者的控制需求調(diào)節(jié)泵輸出的壓力及流量，當(dāng)工況穩(wěn)定泵輸出功率可與負(fù)載需求完全匹配。這樣就不存在溢流損失，使原動機(jī)的功率得到充分利用。由于負(fù)載敏感控制系統(tǒng)節(jié)能效果明顯，現(xiàn)已被廣泛地應(yīng)用于工程機(jī)械及礦山機(jī)械等行業(yè)。

圖3 負(fù)載敏感系統(tǒng)的原理圖

2.2.3 二次調(diào)節(jié)靜液傳動系統(tǒng)

圖4 二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作原理圖

圖5

從二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作原理圖圖4 可知，該系統(tǒng)主要包括：恒壓源2、4、5，二次元件7，工作機(jī)構(gòu)和調(diào)控機(jī)構(gòu)。該系統(tǒng)為壓力耦聯(lián)系統(tǒng)，將二次元件7 直接與恒壓源相連，通過控制二次元件7 的排量與負(fù)載功率進(jìn)行匹配，自身閉環(huán)反饋基本上可以維持一次元件在恒壓點(diǎn)工作，理論上不存在節(jié)流損失。二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)可通過改變二次元件7 斜盤擺角控制排量輸出，加上負(fù)載的影響使二次元件7 可以在兩個(gè)方向運(yùn)動，這樣就使得二次元件7 在四象限內(nèi)工作，如圖5 所示，再結(jié)合蓄能器可對制動消耗的能量和勢能進(jìn)行回收，同時(shí)也滿足間歇性大功率的需求。系統(tǒng)中的儲能器5 能夠吸收壓力峰值時(shí)的高壓，減少了系統(tǒng)中限壓元件的發(fā)熱，節(jié)約了冷卻費(fèi)用。由于系統(tǒng)中無節(jié)流元件，理論上二次元件可從系統(tǒng)中無損耗地獲取能源，極大地提高了系統(tǒng)的效率。

2.3 其他節(jié)能措施

1）加裝能量回收裝置。在液壓系統(tǒng)中存在著壓力和流量的節(jié)流損失、溢流損失，以及制動時(shí)造成的能量損失，這部分能量可采用飛輪或者蓄能器等進(jìn)行回收，其中蓄能器可在大流量液壓系統(tǒng)中短暫地回收流量，大大地節(jié)約了能量，同時(shí)蓄能器還可以緩和液壓最大沖擊，減少系統(tǒng)發(fā)熱，延長液壓油和液壓元件的使用壽命，另外降低油溫在控制液壓油泄漏方面也起到一定的作用。

2）采用新動力系統(tǒng)。前電動與混合動力液壓機(jī)械逐漸出現(xiàn)在市場上。其中純電力驅(qū)動技術(shù)在工程液壓機(jī)械中的應(yīng)用相對成熟，日本日立、歐洲利勃海爾、美國卡特彼勒、國內(nèi)的三一重工等很多廠商都推出了電液挖掘機(jī)，電力驅(qū)動技術(shù)降低了機(jī)器工作噪聲，減少了機(jī)體振動，延長了設(shè)備的使用壽命，也避免了大型柴油機(jī)排放的廢氣污染。然而混合動力技術(shù)發(fā)展相對緩慢，僅在汽車工業(yè)得到廣泛應(yīng)用，混合動力的汽車可將能源的利用率提高15%～25%，節(jié)能效果明顯，在工程機(jī)械上仍處于試用階段。目前大型快速充電電池的性能不是很理想，而且造價(jià)特別高，這些都限制了混合動力技術(shù)在大型工程機(jī)械上推廣應(yīng)用。但混合動力可充分發(fā)揮不同動力源的優(yōu)勢，使內(nèi)燃機(jī)始終處于高效工作狀態(tài)，節(jié)能效果十分明顯，而且混合動力系統(tǒng)可提供較大的輸出功率，所以混合動力有很大的研究價(jià)值。

3）采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)改善控制系統(tǒng)。近幾年越來越多的計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于液壓的控制系統(tǒng)，形成了一系列的電液控制方式，例如PID 控制、NNC 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。這些先進(jìn)的控制技術(shù)大多利用傳感器檢測系統(tǒng)的壓力變化，然后經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號反饋到計(jì)算機(jī)，通過處理由計(jì)算機(jī)發(fā)出指令調(diào)節(jié)液壓元件的動作，以實(shí)現(xiàn)精確控制，最大限度地減少了調(diào)控過程中的能耗。

3 液壓節(jié)能技術(shù)的發(fā)展趨勢

隨著科技的發(fā)展，越來越多的數(shù)字技術(shù)和軟件技術(shù)整合到液壓節(jié)能技術(shù)中，液壓節(jié)能技術(shù)正在向著智能化、高性能、穩(wěn)定高效的方向發(fā)展，從目前國內(nèi)外液壓節(jié)能技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r來看，主要有以下特點(diǎn)：1）開發(fā)新動力系統(tǒng)，國內(nèi)外越來越多的以電力驅(qū)動和混合動力系統(tǒng)的液壓機(jī)械出現(xiàn)。2）采用高精度新型液壓元件，減少液壓元件中液壓油的泄漏，提高元件的使用壽命。3）結(jié)合電控技術(shù)改進(jìn)傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)，以減少節(jié)流損失、溢流損失和沿程壓力損失。4）采用更佳的控制方式，提高了控制的準(zhǔn)確性。5）動力源輸出功率控制更加智能化，采用電子控制系統(tǒng)對動力源的輸出功率與工作狀況進(jìn)行綜合控制，使兩者達(dá)到最佳匹配。6）提高液壓油的凈化處理能力，控制液壓油的泄漏。7）對液壓系統(tǒng)中可回收的能量進(jìn)行回收再利用。

4 結(jié)論

文章對液壓系統(tǒng)可能存在的能耗進(jìn)行了分析，針對能耗問題分別從液壓元件和液壓系統(tǒng)介紹了國內(nèi)外先進(jìn)的節(jié)能技術(shù)，并根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)推測了液壓節(jié)能技術(shù)的發(fā)展方向。隨著大量的計(jì)算機(jī)元素融入到液壓節(jié)能技術(shù)中，現(xiàn)在液壓節(jié)能技術(shù)已不只是單純地達(dá)到節(jié)能的目的，人們正把更多的精力放在提高液壓系統(tǒng)的綜合指標(biāo)上。

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