機械液壓系統(tǒng)能耗分析及節(jié)能設(shè)計

張磊

摘要：液壓系統(tǒng)在冶金行業(yè)、船舶飛機行業(yè)、工程機械行業(yè)均有較為廣泛的應(yīng)用，但是在實際的應(yīng)用過程中，液壓傳動伴隨著連續(xù)的能量損耗，使得傳動系統(tǒng)的效率降低、散熱量大，這對液壓技術(shù)的市場競爭力和使用環(huán)境有特定的限制，同時能源的損耗必然伴隨著資源的浪費以及環(huán)境污染，這不符合節(jié)能環(huán)保的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，因此對液壓系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計研究無論對液壓技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用空間，還是對節(jié)約型社會的建設(shè)都有重要的研究價值。

Abstract： Hydraulic system has a wide range of applications in the metallurgical industry， ship aircraft industry and engineering machinery industry， but in the actual application process， the hydraulic transmission is accompanied by continuous energy loss， which makes the efficiency of the transmission system lower and the heat dissipation large. This has certain limitations on the market competitiveness and use environment of hydraulic technology， and the loss of energy is inevitably accompanied by waste of resources and environmental pollution. This is not in line with the sustainable development strategy of energy conservation and environmental protection， so the research on energy saving design of hydraulic systems has important research value for the development and application of hydraulic technology and the construction of a conservation-oriented society.

關(guān)鍵詞：液壓系統(tǒng);節(jié)能;可持續(xù)發(fā)展

Key words： hydraulic system;energy saving;sustainable development

中圖分類號：TH137 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）20-0151-03

0 ?引言

現(xiàn)階段，在機械裝置和相關(guān)設(shè)備中普遍使用液壓系統(tǒng)，但是由于其在傳動中能量轉(zhuǎn)換的次數(shù)較多，這種情況下，系統(tǒng)的溫度會持續(xù)升高，對工作效率和設(shè)備都會產(chǎn)生相應(yīng)的影響。鑒于此，在選擇液壓系統(tǒng)的過程中，要注意合理科學(xué)的選擇高效率的元件，對元件和管路進行科學(xué)的設(shè)置，對系統(tǒng)的能耗進行詳細的分析，以最大程度的提高系統(tǒng)工作效率為目的。在設(shè)計液壓系統(tǒng)時，應(yīng)該將節(jié)能技術(shù)應(yīng)用到液壓系統(tǒng)的每個環(huán)節(jié)。在能源日益緊缺的今天，要合理的利用有效的資源，發(fā)揮其最大的優(yōu)勢，最終提高液壓系統(tǒng)的工作效率。

1 ?機械液壓系統(tǒng)能耗分析

液壓傳動系統(tǒng)伴隨著能量的轉(zhuǎn)換，其大致能量轉(zhuǎn)換次序如下：電能—機械能—液壓能—機械能，如圖1所示。

液壓系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計的本質(zhì)就在于降低這些能量損耗，提高液壓傳動的整體效率。效率是輸出功率與輸入功率的比值，它可以作為整個系統(tǒng)能源整合利用優(yōu)異的主要指標。液壓系統(tǒng)的總體效率，不僅要考慮圖1中的能源流轉(zhuǎn)狀況，還應(yīng)該將能源提供階段的損耗算入其中，因此，整個液壓傳動系統(tǒng)的完整效率表達時如下：

在上述表達式中，ηE為原動機的總效率;ηP為液壓泵的總效率;ηC為液壓回路效率;ηM為液壓執(zhí)行元件效率;pL、qL為負載輸入壓力和流量;pP、qP為液壓泵輸出的壓力和流量;Δp、Δq為過剩損失壓力和流量。從上述表達式中可以總結(jié)出，液壓傳動系統(tǒng)的能量損耗分布在四個方面，原動機的能量損耗帶來的ηE降低，液壓泵的能量損耗所帶來的ηP降低，液壓馬達的能量損耗所帶來的ηM降低，系統(tǒng)回路的流量、壓力損耗所帶來的ηC降低。

另外液壓系統(tǒng)的能量損失還包括容積損耗和磨擦損耗，容積損耗主要是由于系統(tǒng)密封性不好所造成的系統(tǒng)泄漏所引起的能量損失，它取決于系統(tǒng)內(nèi)部構(gòu)成以及各個執(zhí)行元件，磨擦損耗是指液壓系統(tǒng)中各機械部件之間的機械磨擦所造成的能量損失，磨擦損耗與系統(tǒng)內(nèi)部零部件的加工精度有關(guān)。

以上是對液壓系統(tǒng)內(nèi)部損耗的分析，在液壓系統(tǒng)的實際操作中，它的工作狀態(tài)分為三種：啟動初始狀態(tài)，實際操作狀態(tài)，保壓狀態(tài)。在這三種不同狀態(tài)下會體現(xiàn)出不同的效率狀態(tài)，工作狀態(tài)下的效率損耗取決于執(zhí)行元件與液壓元件輸出流量和壓力的匹配，而在另外兩種狀態(tài)下能量損耗所占比例較大。從節(jié)能的角度講，整個液壓系統(tǒng)的節(jié)能不僅僅取決于液壓元件的構(gòu)成，還需要關(guān)注負載以及工作時段的整體性契合。

綜合以上分析，可以總結(jié)出液壓系統(tǒng)的效率損耗或者能源損耗主要集中于以下幾點：

①由能量轉(zhuǎn)換元件所帶來的損耗。這其中包含內(nèi)部機械零件的磨損、壓力損失和容積損失。這些能量損耗主要轉(zhuǎn)換成為不可逆的熱能，這些熱能難以加以利用回收。

②液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)所帶來的傳輸損失。液壓回路能耗是由過剩壓力和過剩流量造成的，在液壓傳動系統(tǒng)的工作狀態(tài)下，節(jié)流控制是實現(xiàn)各種操作功能的基本方法，而液阻必然會帶來壓降，壓降是一種合理損耗，它與控制元件、蓄能器以及諸多輔助元件有關(guān)。

負載與液壓源的契合損耗。以往液壓系統(tǒng)的設(shè)計是以最大負載為為依據(jù)，這就造成了液壓源與負載需求不能完整匹配，從而造成大量能量的浪費。

2 ?機械液壓系統(tǒng)的基本節(jié)能途徑

2.1 節(jié)能液壓元件的選用

對于機械液壓系統(tǒng)的節(jié)能元件選擇上，保證其節(jié)能是首要的基礎(chǔ)，這就要找出主要的能耗，即連接部位能耗和元件能耗。只有準確分析能耗所產(chǎn)生的原因，并避開產(chǎn)生的問題來選擇合適的元件，以此達到液壓系統(tǒng)的節(jié)能目的。在能耗問題上，產(chǎn)生能耗的主要有液壓泵、馬達和各種閥類等。目前節(jié)能液壓元件的種類很多，在繁多的元件中，找到與液壓系統(tǒng)相匹配的，并確保其在系統(tǒng)工作的過程中能耗較小，從而達到節(jié)能目的，這就要求對其進行準確的分析，有針對性的使用各元件，以最大程度的符合系統(tǒng)的需要。一般常用的節(jié)能液壓元件有：負荷敏感式變量泵、變截面液壓缸、自保持型電磁閥、插裝式錐閥等等，其中負荷變量泵是根據(jù)負荷大小對流量進行自動的調(diào)節(jié);自保持型電磁閥是通過瞬間通電來開啟和關(guān)閉閥門，無需持續(xù)通電等。

2.2 提高液壓泵總效率

如何提高液壓泵的總效率，除了要選用合適的液壓油和液壓泵的轉(zhuǎn)速以外，對液壓泵的形式也有一定的要求，如齒輪泵、葉片泵、柱塞泵、螺桿泵等，是在不同壓力值的情況下選用的不同液壓泵，液壓泵效率具體見表1。

2.3 提高液壓元件總效率

管路壓力損失對液壓元件的影響非常大，所以要想提高液壓元件效率，要找出管路壓力損失的原因，其中管道結(jié)構(gòu)、液體流速、管道大小等，是造成損失的主要部分，只有從根本上提高了元件的工作效率，才可以從根本上達到節(jié)能目的?；诠苈穳毫p失的幾個方面，提出有針對性的對策：其一，對于管道的大小，即內(nèi)徑尺寸，在選擇上要能夠合理和準確，依據(jù)相關(guān)標準來選擇，避免壓力的過大而產(chǎn)生的損失;其二，對于管路長度，在管路長度的彎曲中，要避免彎曲的次數(shù)，對于總長度而言，要盡量縮短;其三，液體流速，要盡量減少管內(nèi)的液體流速。

2.4 控制泄漏

對于油液的泄露問題要從兩個方面著手，即內(nèi)泄露和外泄露，顧名思義，內(nèi)泄露是在系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的泄露，在系統(tǒng)內(nèi)部壓力差所導(dǎo)致的液壓油從壓力高側(cè)向低側(cè)泄露，外泄露是系統(tǒng)外部的液體泄露。在兩方面的泄露中，內(nèi)泄露不容易察覺，而外泄露人們可以直接觀察到，并能夠采取有效的措施，所以控制泄露要格外重視內(nèi)泄露，具體措施是要采用各方面性能較高的密封材料，最終將泄露控制在最小的范圍。與此同時，在選擇元件前，要對各個環(huán)節(jié)進行檢查，從元件的加工開始，要嚴格把關(guān)，無論是從材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、裝配等方面都要一一檢查，對于一些細小的零件還要保護起外觀的整潔度，防止摩擦和破損等。

2.4.2 重視元件的制造和裝配 ?要在裝配之前，對各零件進行相關(guān)的檢查，之后再按照相關(guān)的工藝來進行裝配，在裝配的過程中要能夠最大程度的減少泄漏。

2.4.3 合理選擇液壓油 ?選擇液壓油時，要考慮其會隨著溫度、壓力等外界因素而產(chǎn)生的粘度變化。

2.4.4 正確的密封 ?在控制泄漏問題上，還要注意其密封性，密封防漏做得好，正確的選擇密封材料和密封方法，可以有效的控制泄漏現(xiàn)象。如何做到真確的密封，考慮材料的腐蝕性、耐磨性、壽命等，在形式的選擇上，要考慮密封部位的結(jié)構(gòu)、尺寸、性能等，與此同時，正確的密封還要考慮到各因素的成本，如：安裝成本、材料成本、工藝成本等。

3 ?液壓系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計方法

在進行液壓系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計時，第一步應(yīng)該進行液壓系統(tǒng)工作時段狀況的分析和技術(shù)經(jīng)濟分析，進行工況分析是為了明確在一個使用循環(huán)中每個工作階段的負載壓力、流量和功率的分布及要求，為后期設(shè)計提供基本的數(shù)據(jù)支持，技術(shù)經(jīng)濟分析在于對各個節(jié)能設(shè)計方案進行對比，確保有經(jīng)濟又節(jié)能的方案。液壓系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計的主要途徑可以分為以下幾點：

3.1 增加液壓系統(tǒng)內(nèi)部元件本身的效率，減少控制元件的能量損失。

3.1.1 液壓泵的節(jié)能設(shè)計

在液壓泵的節(jié)能設(shè)計中，最主要的設(shè)計點在于對各摩擦副的設(shè)計，高壓泵和中低壓泵的節(jié)能設(shè)計中，要采用不同的設(shè)計方法，對于中低壓泵而言，要采用固定間隙法和剩余壓緊力法，對于高壓泵而言，要采用靜壓或動壓支承法。（圖2）

3.1.2 液壓閥的節(jié)能設(shè)計

液壓閥的節(jié)能設(shè)計在于減少壓力損失和泄漏損失，需要合理設(shè)計流道，用來降低局部的壓力損耗，采用相對合理的密封結(jié)構(gòu)和材料來減少泄漏損失?，F(xiàn)在運用最多的是電磁閥，因此降低電磁閥的能耗也是一方面，經(jīng)過節(jié)能化的電磁閥由于普通交、直流閥，功耗可降至其1/6到1/15。在對電磁閥進行設(shè)計中，要盡量降低其阻力，減小吸力，這樣才能達到節(jié)能的設(shè)計。

3.1.3 液壓馬達及液壓缸的選擇

在系統(tǒng)能量的消耗中，液壓缸和馬達是主要的能量消耗元件，所以在選擇上也應(yīng)該更加謹慎，在遵循系統(tǒng)的相關(guān)要求下，同時也要保證液壓缸和馬達與泵的流量一致，之后再選擇合適的液壓缸和馬達，最終達到節(jié)能的目的。

3.1.4 液壓源的選擇

對液壓源的選擇，要首先分析液壓系統(tǒng)的實際情況，分析循環(huán)中的流量、功率等，明確上述幾方面的要求后，再根據(jù)相關(guān)的標準選擇合適的液壓源。在現(xiàn)階段的液壓系統(tǒng)中，高效的液壓系統(tǒng)比比皆是，都是為了一個最終目的，即提高系統(tǒng)的工作效率，從而達到節(jié)能的目的，根據(jù)實踐證明，高效的液壓系統(tǒng)可以提高40%左右的工作效率，節(jié)能效果顯而易見。

3.1.5 合理選用控制元件及系統(tǒng)管路

在元件和系統(tǒng)管路的選擇上要根據(jù)不同的情況來確定，比如選擇元件，要判斷不同位置的壓力和流量大小，選擇合適的規(guī)格;而在選擇系統(tǒng)管路時，管長和彎頭都要盡量的減短，對于管路中的流速，也要根據(jù)管道類型來決定，與此同時，在進行管路設(shè)計過程中，要盡可能的減少多余的元件，優(yōu)化管理系統(tǒng)，保證系統(tǒng)設(shè)計的簡單性和功能性，從而達到節(jié)能的目的，避免冗雜的設(shè)計。

3.2 選用傳動效率較高的液壓回路和適當(dāng)?shù)恼{(diào)速方式

定量泵節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)在工作過程中，功率損失大，再加上節(jié)流調(diào)速，功率損失在50%以上，假如不進行流量控制，也有四分之一以上的損失，與此同時，還有壓力和容積的損失，這些功率損失嚴重影響著系統(tǒng)的能耗，這種情況下，就要考慮更換調(diào)速系統(tǒng)，以最大限度的降低能耗，提高系統(tǒng)的工作效率，達到節(jié)能的目的。同時，提高液壓系統(tǒng)的效率還有一個重要的影響因素，即：負載。在相同的節(jié)能回路中，負載流量和泵的最大流量比值越大，其工作效率就越高。

3.3 定量泵節(jié)流調(diào)速回路應(yīng)減少溢流損失

3.3.1 采用二位二通閥的卸荷回路

圖3為采用二位二通閥的卸荷回路，圖示位置為泵的卸荷狀態(tài)。圖3回路，要求其規(guī)格要與泵的規(guī)定流量保持一致，在小流量的液壓系統(tǒng)中可以使用這種回路。

3.3.2 用先導(dǎo)式溢滾閥的卸荷回路

如圖4所示，在先導(dǎo)式溢流閥1的遙控口接一小規(guī)格的二位二通電磁閥2。溢流閥主閥彈簧的強弱會直接影響卸荷壓力。由于閥2只須通過先導(dǎo)式溢流閥1控制油路中的油液，所以選擇規(guī)格小的閥即可，在小流量的液壓系統(tǒng)中可以選擇應(yīng)用圖4所示的回路。

由于系統(tǒng)工作的情況各不相同，卸荷回路也有多種，在進行選擇時，要根據(jù)各自流量系統(tǒng)的特性選擇與之相適應(yīng)的卸荷回路，以最大程度的降低能耗，最終實現(xiàn)節(jié)能的目的。

3.3.3 采用雙泵雙壓供油回路

見圖5，液壓泵1為高壓小流量泵，其工作壓力由溢流閥5調(diào)定。泵2為低壓大流量泵，其工作壓力應(yīng)低于液控順序閥3的調(diào)定壓力。圖5回路雖然提高了系統(tǒng)的工作效率，但是從圖中可以看出系統(tǒng)的繁瑣程度，所以會加大成本，在選擇上應(yīng)該根據(jù)實際的情況慎重考慮。

4 ?結(jié)束語

綜上所述，對機械的液壓系統(tǒng)進行科學(xué)的設(shè)計，可以從一定程度上減少能量的損失。在節(jié)能設(shè)計的過程中，首先要在符合相關(guān)要求的基礎(chǔ)上，科學(xué)合理的選擇液壓元件，進行合理的布局，以最大化的減少能量的損失，提高系統(tǒng)工作的效率性，最終實現(xiàn)節(jié)能設(shè)計的目標。

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