中小型液壓系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)略談

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(北京航天發(fā)射技術(shù)研究所, 北京　100076)

引言

液壓系統(tǒng)工作效率理論計(jì)算較為成熟，但許多液壓產(chǎn)品在設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有給予足夠重視，使用中也沒(méi)引起關(guān)注，從而造成能源浪費(fèi)。本研究通過(guò)舉例說(shuō)明，希望大家關(guān)注液壓能耗問(wèn)題，重視點(diǎn)滴能源的節(jié)約，提高工作效率。

1　概述

我國(guó)能源供應(yīng)緊張，節(jié)能降耗在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)中應(yīng)給予足夠重視。這里主要針對(duì)中小型液壓設(shè)備，因其功率相對(duì)較小，能耗未引起大家的足夠重視，設(shè)計(jì)時(shí)只關(guān)注功能的實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致某些產(chǎn)品生產(chǎn)效率低，積少成多，造成很大的能源浪費(fèi)。為此，需要從設(shè)計(jì)源頭抓起，能源合理、充分利用，重視中小型液壓設(shè)備效率的提高，累積將產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

2　典型高能耗液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)組成復(fù)雜，造成能量損耗的原因較多。如果設(shè)計(jì)、使用不當(dāng)，會(huì)造成系統(tǒng)效率低、能耗大。一些液壓系統(tǒng)，應(yīng)用場(chǎng)合不同，其能源利用率也會(huì)有很大差異。這里列舉一些造成能量損失的原因，與大家交流。

2.1　節(jié)流調(diào)速造成能量損耗

節(jié)流調(diào)速?gòu)V泛應(yīng)用于液壓缸或液壓馬達(dá)速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可以有效控制執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)速度，但同時(shí)也造成一定的能量損失。節(jié)流調(diào)速可能會(huì)使液壓泵輸出流量一部分經(jīng)溢流閥直接流回油箱，同時(shí)油液流經(jīng)節(jié)流閥產(chǎn)生壓力損失，使得系統(tǒng)工作效率大大降低。如果液壓泵輸出流量為Q，壓力為p；經(jīng)節(jié)流后供給液壓缸的有效流量為0.8Q，壓力為0.8p，則液壓泵輸出能量利用率不足64%。

2.2　定量泵、恒壓系統(tǒng)，非有效工作時(shí)間段造成能量浪費(fèi)

圖1所示，采用定量泵供油，油源壓力恒定。如果執(zhí)行元件斷續(xù)工作，假設(shè)液壓缸工作10 s、停止30 s，單個(gè)工作循環(huán)能量利用率僅為25%，在停止工作的30 s 時(shí)間內(nèi)造成能量浪費(fèi)。

1.液壓泵　2.低壓濾油器　3.單向閥　4.高壓過(guò)濾器 5.溢流閥　6.壓力表　7.節(jié)流閥　8.換向閥　9.液壓缸圖1　節(jié)流調(diào)速典型回路

2.3　定量泵、恒壓系統(tǒng)在多缸動(dòng)作系統(tǒng)的能量浪費(fèi)

在多個(gè)液壓缸交替工作的場(chǎng)合，如果液壓缸直徑或工作速度不同，導(dǎo)致各液壓缸工作時(shí)流量需求差異較大，而油源流量恒定，則在小缸動(dòng)作時(shí)，系統(tǒng)效率較低。

參照?qǐng)D2，2個(gè)液壓缸缸筒內(nèi)徑分別為140 mm、63 mm，工作時(shí)交替連續(xù)動(dòng)作，速度均為60 mm/s。經(jīng)計(jì)算，大液壓缸工作時(shí)，所需流量為55 L/min，設(shè)計(jì)時(shí)可選定油源流量63 L/min。但當(dāng)小液壓缸工作時(shí)，流量?jī)H需要11 L/min，只占液壓泵供油流量的17%，液壓泵輸出流量83%經(jīng)溢流閥直接流回油箱，造成了很大能源浪費(fèi)。

1.液壓泵　2.低壓濾油器　3.單向閥　4.高壓過(guò)濾器 5.溢流閥　6.壓力表　7.換向閥　8.單向節(jié)流閥　9.液壓缸圖2　定量泵、恒壓多缸動(dòng)作回路

2.4　蓄能器供油系統(tǒng)應(yīng)用不當(dāng)造成的能量浪費(fèi)

油源中選用蓄能器供油，設(shè)計(jì)不當(dāng)同樣會(huì)造成能源浪費(fèi)。如某液壓設(shè)備，系統(tǒng)原理圖如圖3所示。液壓缸工作時(shí)僅在行程末端對(duì)負(fù)載加載，其余工作行程均為空載，且對(duì)工作速度無(wú)特別要求。因油源中有蓄能器，則供油壓力基本恒定為高壓，而液壓缸空載行程段所需壓力很小，系統(tǒng)必然有很大的壓力損失，導(dǎo)致系統(tǒng)效率很低?？梢?jiàn)，蓄能器需合理應(yīng)用，應(yīng)用不當(dāng)可能適得其反，增加了系統(tǒng)能耗。

1.液壓泵　2.低壓濾油器　3.高壓過(guò)濾器　4.單向閥 5.溢流閥　6.壓力表　7.節(jié)流閥　8.換向閥　9.液壓缸 10.蓄能器圖3　蓄能器供油系統(tǒng)

由于設(shè)計(jì)不夠完善，造成能源浪費(fèi)的原因很多，這里不再列舉。

3　幾種液壓系統(tǒng)節(jié)能措施

要提高液壓系統(tǒng)工作效率，設(shè)計(jì)時(shí)需從多方面綜合考慮。以下提供一些基本設(shè)計(jì)思路。

3.1　選定適當(dāng)系統(tǒng)流量

在滿足執(zhí)行元件工作速度的前提下，從節(jié)能角度講應(yīng)盡量選用較小流量的液壓泵。如2.1所述節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)，液壓油缸工作速度恒定，如果系統(tǒng)流量63 L/min 即可滿足要求，但實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)按80 L/min設(shè)計(jì)。如工作壓力為10 MPa，每天工作8 h，設(shè)液壓泵總效率為0.8，則造成的功率損失為P：

P=p·ΔQ/η=3.5 kW

式中，P為功率損失；p為工作壓力；ΔQ為流量損失；η為液壓泵總效率。

年能量損失：

W=P·t=10220 kW·h

式中，W為能量損失；t為時(shí)間。

可見(jiàn)，每臺(tái)設(shè)備將造成約1萬(wàn)度/年的電能浪費(fèi)。

3.2　選定適當(dāng)系統(tǒng)工作壓力

工作壓力設(shè)定不當(dāng)，當(dāng)然也會(huì)造成能量損失。有些系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)可能對(duì)阻力無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算，選定工作壓力偏高，可經(jīng)試驗(yàn)進(jìn)行糾正。

如某系統(tǒng)工作壓力由10 MPa下調(diào)至8 MPa仍可正常工作，則可減少大約20%的用電。如功率為15 kW，每天工作兩班共16 h，年節(jié)約用電約17520 kW·h。

3.3　正確應(yīng)用卸荷回路

2.2所述液壓系統(tǒng)如增加卸荷回路，將系統(tǒng)非工作時(shí)間段工作壓力降至最低，是降低系統(tǒng)能耗的有效措施。

如系統(tǒng)功率為15 kW，工作時(shí)75%時(shí)間處于卸荷狀態(tài)，卸荷時(shí)功率2 kW，每天工作8 h，年節(jié)約用電：P為28470 kW·h。

3.4　采用雙泵供油

2.3所述液壓系統(tǒng)，可采用雙泵供油。大流量工作時(shí)，雙泵同時(shí)工作，小流量工作時(shí)，一臺(tái)液壓泵工作、一臺(tái)液壓泵卸荷。

3.5　合理應(yīng)用蓄能器

如2.4所述蓄能器應(yīng)用不當(dāng)，會(huì)造成一定能量浪費(fèi)。但在某些系統(tǒng)，采用定量泵加蓄能器供油系統(tǒng)，可取得良好的節(jié)能效果。

例1：如某系統(tǒng)執(zhí)行元件工作速度如圖4所示，負(fù)載力恒定，如采用類(lèi)似2.1所述定量泵供油，液壓泵流量需按速度0.02 m/s選取，經(jīng)計(jì)算油源功率15 kW。如油源中增加蓄能器，油源功率則可降至10 kW。

圖4　工作速度曲線

如果系統(tǒng)每天工作8 h，年節(jié)約用電：P為14600 kW·h。

例2：再如某試驗(yàn)回路，工作時(shí)瞬間流量300 L/min， 持續(xù)10 s時(shí)間，工作壓力21 MPa，2 h動(dòng)作一次即可滿足試驗(yàn)要求。

如按照?qǐng)D1所示回路設(shè)計(jì)，裝機(jī)功率需130 kW。采用圖3所示油路，工作前用多組蓄能器儲(chǔ)油，工作時(shí)瞬間釋放。液壓泵流量可選10 L/min，裝機(jī)功率僅需4.5 kW。工作前開(kāi)機(jī)運(yùn)行5 min，系統(tǒng)壓力達(dá)到設(shè)定壓力時(shí)，進(jìn)行試驗(yàn)動(dòng)作。

可見(jiàn)采用合理蓄能器液壓回路，可減小產(chǎn)品運(yùn)行功率，某些場(chǎng)合可大大降低裝機(jī)功率，從而使產(chǎn)品的生產(chǎn)、運(yùn)行成本大大降低，節(jié)能降耗效果明顯。

3.6　集中供油系統(tǒng)

采用集中供油系統(tǒng)，某些場(chǎng)合不僅減少裝機(jī)元件，節(jié)約成本，通過(guò)合理設(shè)計(jì)，還可大大減少系統(tǒng)功耗。

如圖1所示系統(tǒng)共10臺(tái)，每臺(tái)工作5 s、停止50 s， 單臺(tái)功率15 kW，總裝機(jī)功率150 kW。如果采用一臺(tái)油源同時(shí)為這10臺(tái)設(shè)備供油，各設(shè)備依次動(dòng)作，則總裝機(jī)功率約15 kW即可，節(jié)能效果明顯。

3.7　其他

當(dāng)然，設(shè)計(jì)時(shí)需認(rèn)真考慮系統(tǒng)每個(gè)細(xì)節(jié)，如采用效率高的液壓泵，合理選擇管路直徑，合理進(jìn)行管路布置等，不再一一細(xì)述。

實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，提高液壓系統(tǒng)工作效率需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行綜合考慮，對(duì)各種可選方案進(jìn)行優(yōu)化選取，力爭(zhēng)減小每個(gè)系統(tǒng)的無(wú)用功耗。

4　節(jié)能型液壓系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

節(jié)能型液壓系統(tǒng)，主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1) 能耗低，運(yùn)行成本低；

(2) 某些系統(tǒng)可減小裝機(jī)功率，減小系統(tǒng)供電總功率，降低供電要求，減小相應(yīng)電路元?dú)饧?guī)格；

(3) 某些系統(tǒng)流量減小，選用較小規(guī)格液壓閥件，降低裝機(jī)元件成本。

(4) 系統(tǒng)無(wú)用功減小，降低液壓油發(fā)熱，降低油液工作溫度，同時(shí)減小泄漏，延長(zhǎng)液壓油使用壽命；

(5) 減小管路、閥件通徑，減小郵箱容積，從而減小油源外形尺寸。

5　結(jié)論

液壓系統(tǒng)能耗較為隱蔽，不太引起關(guān)注。液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，不應(yīng)只注重功能實(shí)現(xiàn)。要對(duì)節(jié)能降耗給予重視，減小系統(tǒng)無(wú)用能耗，通過(guò)節(jié)能措施降低生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)成本。

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