起重機(jī)液壓系統(tǒng)的效率和功率適應(yīng)控制探討

李武　鄧玲

摘 要：近年來液壓傳動系統(tǒng)在我國工程機(jī)械的發(fā)展中起到了至關(guān)重要的作用，并得到了快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，起重機(jī)液壓系統(tǒng)的質(zhì)量可用工作性能和效率來評價，但是液壓系統(tǒng)仍然存在著缺點，功率損失、系統(tǒng)發(fā)熱、能量損耗等降低了系統(tǒng)的傳動效率。功率適應(yīng)系統(tǒng)能實現(xiàn)壓力補償和流量補償，特別適用于負(fù)載變化大、調(diào)速范圍寬和大功率的工程機(jī)械。液壓泵的輸出功率，或原動機(jī)提供的功率總是與負(fù)載所需要的功率匹配，能量損失小，系統(tǒng)效率高。同時，這種系統(tǒng)能實現(xiàn)連續(xù)比例控制和遠(yuǎn)控，是一種性能好的節(jié)能系統(tǒng)。該文主要討論了起重機(jī)液壓系統(tǒng)的效率和功率適應(yīng)控制。

關(guān)鍵詞：起重機(jī)液壓系統(tǒng) 效率提高 功率控制

中圖分類號：TH213 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）06（b）-0053-02

在我國工程機(jī)械的發(fā)展中，液壓系統(tǒng)起到了非常重要的作用，且應(yīng)用的范圍也十分廣泛，已經(jīng)成為了工程機(jī)械、建筑尖端產(chǎn)品中不可缺少的重要技術(shù)，在壓力能和機(jī)械能的轉(zhuǎn)換方面也取得了很大進(jìn)展，但是與此同時，液壓傳動系統(tǒng)也存在著許多缺點。在液壓系統(tǒng)中，液體能量隨著油液流動損失掉；容積損失導(dǎo)致系統(tǒng)傳動效率降低；低效率和高能耗阻礙系統(tǒng)的工作性能等。因此探索高效的起重機(jī)液壓傳動系統(tǒng)功率控制措施已經(jīng)成為了液壓技術(shù)研究的重點。

1 液壓系統(tǒng)的功率損失

1.1 泵的功率損失

液壓系統(tǒng)中泵的功率損失包括機(jī)械損失和容積損失，其中機(jī)械損失主要包括兩部分：（1）泵內(nèi)的相對運動件在工作過程中會出現(xiàn)機(jī)械摩擦，從而引起轉(zhuǎn)矩?fù)p失，并且隨著壓力的增高而變大。（2）泵內(nèi)的液壓油在流動過程中會體現(xiàn)出內(nèi)摩擦力，也就是粘性，這種粘度會引起轉(zhuǎn)矩?fù)p失，粘度越大，泵的轉(zhuǎn)速越高，這項損失也就越大[1]。容積損失是指在工作過程中，泵內(nèi)高壓腔的少量壓力油會經(jīng)過間隙漏到低壓腔，并且壓力油的粘度越低，壓力越高，油的泄漏量就越大。這兩部分的損失分別反映出了機(jī)械效率ηm和容積效率ηv，而泵的總效率η=ηm×ηv。

1.2 管路系統(tǒng)的損失

液壓系統(tǒng)中管路系統(tǒng)的損失主要包括容積損失和壓力損失這兩方面[2]。其中壓力損失主要是沿程壓力損失和局部壓力損失。在液壓系統(tǒng)中，管路通常由若干段管道串聯(lián)而成，其中的每一段都會形成局部阻力，包括彎頭、管接頭、控制閥等，在保證相鄰兩局部阻力處間的距離相等的情況下，所有沿程壓力損失與局部損失之和等于管道系統(tǒng)的總壓力損失。

1.3 油缸和馬達(dá)的損失

油缸在工作工程中存在著密封阻力、慣性阻力、摩擦阻力，還存在著泄露和外泄露的現(xiàn)象，而馬達(dá)的結(jié)構(gòu)與泵是類似的，在工作過程中也存在著機(jī)械損失和容積損失。這些都反映了執(zhí)行組件的機(jī)械效率和容積效率[3]。

整體液壓系統(tǒng)的總效率為η=ηp×ηc×ηl，式中ηp為泵的總效率，ηc為執(zhí)行組件的總效率，ηl為回路的總效率。整個系統(tǒng)的能量損失都轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽褂鸵旱臏囟壬?，液壓系統(tǒng)的總發(fā)熱量為Pi（1-η），系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量主要由油箱散發(fā)到空氣中，系統(tǒng)工作一段時間后，油溫不再升高，熱量由熱表面繼續(xù)散發(fā)。

2 有效提高系統(tǒng)效率，實現(xiàn)功率控制的途徑

2.1 選擇合理的液壓系統(tǒng)元件

2.1.1 動力元件

液壓泵是液壓系統(tǒng)中不可缺少的核心元件，也是提供一定流量和壓力的動力元件，所以應(yīng)該根據(jù)適用場合合理選擇，最好是選擇變量泵。因為如果使用定量泵調(diào)速節(jié)流，那么必然在系統(tǒng)中裝有流量控制閥，這類元件的節(jié)流損失和溢流損失會造成整個系統(tǒng)的能耗極高，效率極低，而變量泵容積調(diào)速可以根據(jù)實際工況自動調(diào)節(jié)，這樣可以避免節(jié)流損失，降低系統(tǒng)能耗，提高系統(tǒng)效率，改善工作性能[4]。值得注意的是：在選擇時，盡量選擇高效的性能優(yōu)良的液壓泵，也不要降低規(guī)格使用。

2.1.2 控制元件

要想有效減少系統(tǒng)的壓力損失、提高工作效率，降低管路系統(tǒng)的能量損失是一個非常有效的方法。根據(jù)液壓系統(tǒng)的工作原理、性能特點、實際需求合理選擇管路規(guī)格和液壓閥規(guī)格，在布置管路時盡可能縮短長度，減少彎曲和截面變化，保持管路內(nèi)壁的光滑，降低流速，這些措施都能有效降低管路系統(tǒng)的能量損失。例如合理確定管路和閥的通徑，使閥內(nèi)過流面積至少為管路面積的3/4；合理確定管路口徑，限定流速，使管道內(nèi)流速盡可能保持層流狀態(tài)；采用組合液壓元件和液壓集成塊，廣泛發(fā)展低功耗電磁閥和輕量化元件；優(yōu)化管路系統(tǒng)，在保障功能的前提下，使系統(tǒng)不出現(xiàn)多余的回路，簡單可靠等。

2.1.3 執(zhí)行元件

對于馬達(dá)來說，如果電機(jī)速度過低，壓差較大，那么容積效率就會降低，系統(tǒng)總效率也會降低，所以在選擇執(zhí)行元件時，一方面不要降低馬達(dá)的排量規(guī)格，另一方面要提高容積效率；對于液壓缸來說，應(yīng)注意密封條件，盡量選擇低阻力材質(zhì)的密封件，可以考慮選擇復(fù)合缸。相比于同類型的普通缸，復(fù)合缸在不同壓力下會獲得不同程度的節(jié)能效果。

2.2 改進(jìn)液壓系統(tǒng)

要想使液壓系統(tǒng)獲得理想的節(jié)能效果，就需要對系統(tǒng)的復(fù)雜程度、成本、功率損失等方面做出綜合分析，在滿足實際需求的情況下合理改進(jìn)系統(tǒng)，使系統(tǒng)能夠高效、節(jié)能、可靠地運行。例如，在大噸位起重機(jī)上采用極限載荷控制技術(shù)，根據(jù)負(fù)載變化自動調(diào)節(jié)變量泵的排量，使發(fā)動機(jī)的功率輸出與負(fù)載消耗功率匹配，節(jié)省了發(fā)動機(jī)的損耗；采用高低壓泵油源組成的回路，是系統(tǒng)滿足低壓大流量和高壓小流量兩種工況要求；采用溢流閥回路代替調(diào)速閥回路，使系統(tǒng)壓力能夠隨負(fù)載變化，進(jìn)而減少功率損失等。

2.3 采用負(fù)荷傳感技術(shù)和靜液壓傳動

20世紀(jì)70年代，許多國家由于能源危機(jī)開始研究負(fù)荷傳感技術(shù)和靜液壓傳動，這種技術(shù)能夠大幅節(jié)省能量，操作靈活，效率高。到目前為止，該技術(shù)所需要的液壓元件性能優(yōu)良，質(zhì)量穩(wěn)定，品種齊全，同時對靜液壓傳動的大量研究也使得該技術(shù)更加成熟，在挖掘機(jī)、起重機(jī)、壓路機(jī)、裝載機(jī)等機(jī)械中得到了廣泛應(yīng)用。該項技術(shù)不僅能夠提高工作效率，降低成本，而且能有效提高性能，良好使用負(fù)載，改善系統(tǒng)的調(diào)節(jié)功能，提高傳動系統(tǒng)的效率。

2.4 其他節(jié)能方式

（1）蓄能器的成本低廉，可以有效減少泵的容量，降低設(shè)備功率，節(jié)能效果好，便于控制。（2）采用橡塑組合密封、橡塑復(fù)合密封等新型密封形式，這種材料的密封形式摩擦阻力小，密封性能好，應(yīng)用前景廣闊。（3）在液壓傳動系統(tǒng)的功率控制中，電液比例控制系統(tǒng)能夠接收數(shù)字模擬信號，進(jìn)而連續(xù)成比例地控制輸出的壓力和流量，這種控制系統(tǒng)的控制精度高，可以使系統(tǒng)的工作效率提高28%～45%，適應(yīng)功率控制，且維護(hù)方便。

3 結(jié)語

起重機(jī)液壓系統(tǒng)的傳動效率和能量損失控制一直是液壓技術(shù)研究的重點，主要需要研究液壓泵、管路、油缸馬達(dá)這些液壓系統(tǒng)的重要組成部分，進(jìn)而分析如何減少各部分的功率損失來提高液壓系統(tǒng)的綜合性能，使其發(fā)揮在現(xiàn)代科技中的作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 高志，孔衛(wèi)國，王廣岳，等.降低液壓系統(tǒng)能量損耗的方法探討[J].煤礦現(xiàn)代化，2007，8（4）：60-61.

[2] 蔡宗福.淺析液壓傳動系統(tǒng)中的能耗問題[J].中國科技信息，2005，4（14）：151.

[3] 易迪升，彭勇，江濤，等.起重機(jī)液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改進(jìn)與效率提高[J].液壓與氣動，2014，2（8）：73-76，79.

[4] 代平之，張作龍.液壓泵回路的節(jié)能措施[J].流體傳動與控制，2007，1（1）：51-55.