液壓系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展研究

姜興旺

（北京首鋼股份有限公司，河北 遷安 064404）

我們國家曾在2020年的聯(lián)合國大會上承諾于世界各國，我們國家會努力爭取在2030年實(shí)現(xiàn)碳峰值，并在2060年之前完成碳中和，這一承諾不僅塑造了我們負(fù)責(zé)任的大國形象，而且還彰顯了我們國家主動承擔(dān)全球氣候變化的國際責(zé)任、助力形成人類命運(yùn)共同體的大國擔(dān)當(dāng)，也是祖國建設(shè)的有力保障與需要。

1 液壓元件的節(jié)能技術(shù)

液壓元件的能源消耗主要體現(xiàn)在元件在運(yùn)行過程中，元件以及連接位置時常會存在泄漏、摩擦以及發(fā)熱等現(xiàn)象。就損耗多少來看，損耗最多的為液壓泵和馬達(dá)，接下來是閥門類，比如溢流閥存在的溢流損失以及安裝在液壓缸或馬達(dá)回油路上的背壓閥發(fā)生的壓力損耗等。在液壓系統(tǒng)中使用頻率最高的液壓節(jié)能元件主要有限壓變量泵、恒定功率變量泵、恒壓變量泵以及蓄能器等[1]。

1.1 負(fù)荷敏感式變量柱塞泵

此種類型的柱塞泵擁有質(zhì)量小、變量性能好、工作效率高以及脈動低、噪音小等優(yōu)點(diǎn)[2]。為了方便對負(fù)荷信號進(jìn)行采集，對該類柱塞泵進(jìn)行設(shè)計(jì)時還特地設(shè)計(jì)出了一個外控負(fù)荷敏感口。所以，在實(shí)際應(yīng)用過程中，只需要使用尺寸大小合適的管道便能夠把符合信號發(fā)射出去，直接連接到泵的負(fù)荷敏感口即可（泵排量會根據(jù)負(fù)載情況而實(shí)現(xiàn)自動調(diào)節(jié)），執(zhí)行元件速度不會受到負(fù)載的影響，但是閥芯開口大小會對其產(chǎn)生一定影響。

1.2 低功耗電磁閥和自保持型電磁閥

電磁閥在液壓控制閥門中屬于應(yīng)用比較多的一種，因此需要對總功率進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注。老式電磁閥配備的電磁鐵耗能一般不低于10W，功耗比較大。最近幾年，研制出來了功耗更低的電磁閥，在研發(fā)的過程中所使用的技術(shù)是先導(dǎo)式雙級控制以及優(yōu)化閥內(nèi)彈簧設(shè)計(jì)，達(dá)到驅(qū)動功率變小的目的。這種電磁閥具備節(jié)能效果顯著、溫升低、使用周期長、靜音效果好以及更加容易實(shí)現(xiàn)微機(jī)控制等優(yōu)點(diǎn)[3]。

自保持型電磁閥對電磁閥進(jìn)行開關(guān)只需要瞬間給電，閥芯位置在沒有電源的情況下仍舊可以維持。最大的優(yōu)勢在于能耗低，特別是在一些電池充當(dāng)電源的場所，而且溫升相對更小，以致于延長了線圈使用周期，在高低溫以及防爆等場所具有非常好的安全性。

1.3 插裝閥

二通插裝閥出現(xiàn)于上個世紀(jì)70年代后類屬于控制元件，由相關(guān)組件、閥體以及先導(dǎo)控制裝置等一同構(gòu)成。此類閥門具有以下優(yōu)點(diǎn)：①插裝閥與先導(dǎo)控制相組合，可起到多功能控制的效果，因此可以將每條流道上的串聯(lián)閥門數(shù)目減到最少，同時對大流量的主回路還能起到簡化作用。②盡管先到控制使用的還是潤閥元件，但是通流功率有所下降，流動損失相應(yīng)變小。③錐閥式插裝閥較之同通經(jīng)滑閥具有開啟度大、流動順暢、密封性好等特點(diǎn)，因此在壓力損耗與泄露損失方面也有所下降[4]。

由此可見，用插裝閥取代以前的滑閥式元件所構(gòu)成的液壓系統(tǒng)，在節(jié)能效果方面更具優(yōu)勢。

1.4 變截面液壓缸

常規(guī)活塞缸的內(nèi)部是直徑相等的圓柱表面，活塞此時會時刻與其內(nèi)部接觸。而變截面液壓缸在對內(nèi)壁進(jìn)行設(shè)計(jì)時采用的是兩個直徑不等的圓柱面，即常見的階梯型。以階梯為分界，上為空行程段，下為工作段?；谝簤焊咨隙胃左w內(nèi)壁直徑變大，當(dāng)活塞在上半段時不予內(nèi)壁發(fā)生接觸。油缸上下兩腔兩部分借助活塞與缸體內(nèi)壁空隙完成完美連接，這時油液在缸體內(nèi)實(shí)現(xiàn)“體內(nèi)循環(huán)”，此時與柱塞缸無異，柱塞直徑與活塞直徑一樣；當(dāng)活塞處于運(yùn)行到下段時與缸體內(nèi)部是接觸的，此時被稱之為活塞缸。通過應(yīng)用此種液壓缸，在上下空行速度一樣時，因受到“體內(nèi)循環(huán)”影響，油缸的進(jìn)油量與排出量會呈現(xiàn)下降趨勢。這時，液壓泵及其電機(jī)工作功率會明顯下降，繼而規(guī)避了選取大流量、大功率液壓泵造成的能量損耗。

1.5 選用液壓蓄能器

蓄能器被作為液壓系統(tǒng)高頻輔助元件之一，主要被充當(dāng)動力源、緊急動力源泄露補(bǔ)充以及維持壓力恒定、緩解液壓沖擊以及吸收脈動減弱噪音等使用。在設(shè)計(jì)過程中對蓄能器相應(yīng)參數(shù)以及液壓泵參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)置，在滿足系統(tǒng)功能不受阻礙的基礎(chǔ)上，有效降低液壓泵以及原動機(jī)的裝機(jī)容量，同時確保液壓系統(tǒng)能量得到有效利用，促使系統(tǒng)降低發(fā)熱、溫升，從而對系統(tǒng)效率實(shí)現(xiàn)有效提升。當(dāng)下，蓄能器充當(dāng)輔助動力源被大力應(yīng)用到液壓設(shè)備中，被當(dāng)成是液壓系統(tǒng)達(dá)到節(jié)能效果的關(guān)鍵技術(shù)手段之一。

2 液壓系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)

2.1 合理選擇液壓源

對液壓源進(jìn)行選擇的過程中，首先應(yīng)該對液壓系統(tǒng)的運(yùn)行狀況進(jìn)行有效分析，對負(fù)載壓力、流量及其功率的實(shí)際分布與基本要求進(jìn)行掌握，從而更好的對液壓源進(jìn)行選擇。為了讓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高效率、高節(jié)能的運(yùn)行效果，現(xiàn)代化的液壓系統(tǒng)具備壓力補(bǔ)償控制、負(fù)載感應(yīng)控制以及功率協(xié)調(diào)等特性。高效的系統(tǒng)不僅可以供給動力源壓力、流量，還能夠和執(zhí)行元件負(fù)載實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)。力士樂公司研究發(fā)明出來的泵控技術(shù)，去掉了全部控制閥，使得液壓系統(tǒng)的效率得到了顯著提高。

2.2 控制元件的選擇

控制元件不屬于能量轉(zhuǎn)換元件，而是屬于閥類元件一類，同為流阻。因此它也注定會失去一定壓力，進(jìn)而致使系統(tǒng)效率無法被保證，所以對控制元件、液壓節(jié)能元件進(jìn)行選擇時必須要慎重。對系統(tǒng)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)時，應(yīng)該結(jié)合系統(tǒng)中有關(guān)位置以及最大運(yùn)行壓力、流量選擇出最佳的規(guī)格。在條件充分的情況下，還應(yīng)該將分離式單功能元件用集成閥進(jìn)行取代，以此來達(dá)到節(jié)能的最佳效果。

2.3 充分利用復(fù)合傳動實(shí)現(xiàn)節(jié)能

有些場所利用其他傳動方式與液壓系統(tǒng)組合所形成的新的復(fù)合型傳動控制裝置，填補(bǔ)兩者之間的不足之處，以此達(dá)到節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)。

第一，機(jī)械與液壓、泵與馬達(dá)組合構(gòu)成的純液壓傳動裝置應(yīng)用在大功率主傳動的狀況中時，具有體積偏大、質(zhì)量超大以及最大傳動效率比較低等不足之處，其中機(jī)械一液壓組合成的符合傳動裝置能夠兼容液壓傳動與齒輪傳動的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)以上不足之處。它把液壓傳動裝置和行星齒輪結(jié)構(gòu)組成了一個整體結(jié)構(gòu)，促使機(jī)械部分對大部分功率的傳輸工作進(jìn)行負(fù)責(zé)，而液壓部分會將剩下的功率傳輸工作完成。由于機(jī)械部分在傳動效率方面的效率比較高，哪怕液壓部分效率無法保證它也能夠保證很好的總效率，由此可見液壓部分承擔(dān)了該裝置的調(diào)速功能。

第二，氣一液形成的傳動裝置，由于氣體與液體同屬于流體，因此更容易實(shí)現(xiàn)界面轉(zhuǎn)換，與其它傳動模式相比更具優(yōu)勢，這種復(fù)合裝置與純液壓型相比，具有節(jié)約資源、經(jīng)濟(jì)效益高、響應(yīng)速度快以及泄露途徑少等優(yōu)勢，因此其應(yīng)用范圍更廣，發(fā)展更加迅猛。

2.4 定量泵加變頻調(diào)速電機(jī)電液系統(tǒng)

異步電機(jī)在變頻調(diào)速中因?yàn)樗谡{(diào)速方面具有效率高以及性能好等優(yōu)勢，被大力應(yīng)用到液壓系統(tǒng)中；最以大功率間歇運(yùn)動調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)用最多，其中注塑機(jī)比較典型。交流變頻調(diào)速液壓系統(tǒng)較之現(xiàn)有節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)，不僅有效規(guī)避了節(jié)流、溢流損失以及卸荷損耗，而且在很大程度上還提升了原有異步電機(jī)的實(shí)際工作效率，對功率因數(shù)進(jìn)行了完善，這也正是優(yōu)于其調(diào)速模式的地方[5]。借助變頻器對泵的轉(zhuǎn)速進(jìn)行改變，促使泵在輸出流量時能夠滿足系統(tǒng)需要，減弱溢流損失，從而實(shí)現(xiàn)解決能源的目的。

2.5 定量泵加比例閥的壓力匹配系統(tǒng)

該系統(tǒng)在溢流節(jié)流調(diào)速的基礎(chǔ)上，保障系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的同時，使得液壓泵在供油時的壓力隨著負(fù)載變化而進(jìn)行變化，將功率損耗與發(fā)熱量降到最小，從而實(shí)現(xiàn)效率提升的最終目的。同樣使用變量泵加比例節(jié)流閥/比例換向閥抑或是定量泵加比例節(jié)流溢流閥，也能將效率提26%～43%。

2.6 容積調(diào)速液壓系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要通過改變液壓泵或者液壓馬達(dá)的排量進(jìn)而完成速度調(diào)控[4]。液壓泵排放出來的的壓力油完全轉(zhuǎn)至液壓馬達(dá)，有效減少了節(jié)流與溢流損耗。此種系統(tǒng)由于具有工作效率高、發(fā)熱量少并且調(diào)速區(qū)間寬等特性，通常會用于功率相對較大無級調(diào)速液壓系統(tǒng)中，如收獲機(jī)或者是拖拉機(jī)等液壓驅(qū)動系統(tǒng)。

3 液壓系統(tǒng)管理的節(jié)能措施

上文中提及的所有節(jié)能措施都有利于液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更好的節(jié)能效果，但是如果缺少好的管理，液壓系統(tǒng)的節(jié)能效果依然得不到很好的發(fā)揮。對運(yùn)用進(jìn)行管理的主要目的與意義就在于為液壓系統(tǒng)擁有極佳的工作狀態(tài)提供保證，促使系統(tǒng)性能得到更好的發(fā)揮，以實(shí)現(xiàn)最佳的節(jié)能效果。在實(shí)際生產(chǎn)過程中可以利用以下4種管理措施進(jìn)行干預(yù)。

首先，應(yīng)該對設(shè)備有關(guān)檢修、保養(yǎng)等有關(guān)人員定期開展基礎(chǔ)知識培訓(xùn)與專業(yè)訓(xùn)練，幫助其儲備一定的專業(yè)知識技能與管理經(jīng)驗(yàn)。

其次，建立健全點(diǎn)鑒定維修制度，對系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行狀況進(jìn)行詳盡掌握，對于查出的故障及時采取措施進(jìn)行消除，降低問題出現(xiàn)的幾率，從而保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

然后，對液壓控制系統(tǒng)進(jìn)行不斷優(yōu)化，如對控制速度進(jìn)行優(yōu)化以此來降低系統(tǒng)壓力的沖擊，并將油溫控制在合理范圍內(nèi)，縮短液壓系統(tǒng)在無負(fù)載狀況下的運(yùn)行時間等。

最后，促使液壓系統(tǒng)始終保持清潔干凈。鏡柜液壓專家以及元件制造廠相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：高達(dá)85%的液壓元件故障是由于油污造成的。加拿大給出的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示約有70%～80%的液壓系統(tǒng)失靈是因?yàn)橛鸵杭儍舳炔桓咴斐傻腫6]。這也就意味著液壓系統(tǒng)的清潔度對于系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)行具有非常重要的保護(hù)作用，讓系統(tǒng)擁有最佳的清潔度，能夠減輕液壓元件磨損程度，減少泄漏發(fā)生率，有效降低系統(tǒng)故障與外泄幾率，這在很大程度上對于系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗具有至關(guān)重要的作用。

4 液壓節(jié)能技術(shù)的未來發(fā)展趨勢

近年來，由于數(shù)字技術(shù)不斷向前發(fā)展以及軟件技術(shù)的飛速進(jìn)步，液壓節(jié)能系統(tǒng)的發(fā)展也趨向于高性能、易操作以及節(jié)能性號等。其發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

（1）對液壓系統(tǒng)中的動力裝置效率進(jìn)行有效提升，減少能耗，逐漸提高運(yùn)行效率。

（2）設(shè)計(jì)出全新的液壓系統(tǒng)或者對現(xiàn)有液壓系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化完善，進(jìn)而達(dá)到液壓系統(tǒng)功率提高、能耗降低的目的。

（3）利用具有節(jié)能效果的控制元件、執(zhí)行元件以及輔助元件，不斷提高基礎(chǔ)材料質(zhì)量與加工精度，對加工工藝進(jìn)行改進(jìn)創(chuàng)新等。

（4）積極研發(fā)全新的連接方式或密封材料，減少泄漏概率。

（5）做好液壓機(jī)械設(shè)備的防泄漏措施；對液壓油的純凈度進(jìn)行不斷提高，同時對用過的液壓油實(shí)行凈化處理以實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用的目的。

（6）對液壓系統(tǒng)中的能量進(jìn)行回收，經(jīng)過相應(yīng)處理后再加以利用。

（7）主動與其它新型節(jié)能技術(shù)、制造加工工藝以及新型材料進(jìn)行有機(jī)融合。

5 結(jié)語

總之，將高效率的液壓元件應(yīng)用到液壓系統(tǒng)中去，并對其進(jìn)行適時調(diào)節(jié)，有利于提高系統(tǒng)效率，有利于對相應(yīng)元件管路進(jìn)行合理設(shè)置，同時對油液進(jìn)行合理選擇，利用新型技術(shù)與材料確保液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。利用上述措施能夠幫助系統(tǒng)效率有效提高5%～15%。提升其工作效率滿足節(jié)能環(huán)保與可持續(xù)發(fā)展要求，促使其在今后發(fā)展中發(fā)揮出更主要的作用。