節(jié)能技術在液壓系統(tǒng)中的應用

高源

本鋼浦項冷軋薄板有限責任公司，遼寧本溪，117000

0 引言

在各種能源資源都日趨緊缺的背景下，節(jié)能成為新時代的發(fā)展主題。根據(jù)相關的調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，在設計液壓系統(tǒng)時，相關設計人員的主要研究重點為系統(tǒng)功能的實現(xiàn)以及安全性與可靠性的提高，這樣節(jié)能的重要性往往會被忽略，從而導致了一系列問題的發(fā)生。針對這一情況，就需要在液壓系統(tǒng)中合理應用節(jié)能技術，以助于各項能量損失的減少、裝備使用壽命的延長，從而確保系統(tǒng)工作的可靠性。

1 液壓系統(tǒng)的能量損失

根據(jù)相關的調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段導致液壓系統(tǒng)能量損失的原因主要包括以下幾個方面。①能量轉(zhuǎn)換損失。這主要是由于能量轉(zhuǎn)換元件在進行能量轉(zhuǎn)換時受到機械摩擦以及壓力等影響而導致的；②匹配損失。這主要是由于動力源與負載特性難以相互適應所引起的；③傳輸損失。這主要是由結(jié)構布局所決定的；④由于設計方面存在問題造成了能量損失情況的發(fā)生；⑤能量損失情況的發(fā)生可能是由于工作介質(zhì)的選擇不合理[1]。

2 恒功率控制型變量柱塞泵在液壓系統(tǒng)中的應用

為了能夠有效減少功率損失，就需要將恒功率控制型變泵量柱塞泵合理應用于液壓系統(tǒng)中，此類泵的主要特點是在低壓情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)較大流量的輸出，并且會隨著泵出口壓力而不斷增高，這樣泵的輸出流量也會隨之而不斷減小，恒功率控制型適泵的工作原理則是將功率調(diào)節(jié)模塊增加于恒壓泵上，這一功率調(diào)節(jié)模塊一定是能夠讓泵輸出流量不斷變小的，而功率閥則能夠發(fā)揮這一效用。泵輸出的特性主要可分為以下幾個狀態(tài)：①如果泵出口壓力處于較低狀態(tài)時，那么變量活塞就能夠明顯縮回，而斜盤的傾角則是最大的，那么輸出流量也是最大的。②如果泵出口壓力不斷升高，并且能夠?qū)β书y的彈簧設定壓力有效克服，那么斜盤傾角則能夠在變量活塞的驅(qū)動下逐漸變小，這樣與之對應的輸出流量則會隨之而不斷下降。倘若變量活塞以及功率閥均有機械反饋作用存在，那么壓力上升以及流量下降時，就會保持在一定的范圍之內(nèi)，這樣壓力與流量的關系則為反比關系，從而能夠使壓力與流量的乘積，也就是液壓功率無限接近于常數(shù)，從而稱之為恒功率。③如果泵出口壓力上升到恒壓閥的設定壓力，那么斜盤傾角則會在變量活塞的驅(qū)動下無限接近于零，此時泵只能在系統(tǒng)壓力下對泄漏量予以維持。除此之外，還可以在液壓系統(tǒng)中應用負載敏感泵，這是容積調(diào)速回路的主要構成部分。壓力補償（恒壓）控制型柱塞泵的功率特性主要是利用泵出口的恒壓閥手輪進行調(diào)節(jié)，倘若泵出口壓力不能與恒壓閥設定的壓力值相符，這樣的泵就可以作為定量泵；倘若泵出口壓力能夠與恒壓閥設定的相應壓力值相符，并略微超過，那么泵所輸出的流量就會逐漸變小，一直到截流方可通知，實際上就是在維持系統(tǒng)壓力時，系統(tǒng)不會接收到相應的流量，當然在這樣的情況之下，也不會出現(xiàn)溢流損失情況。而負載敏感控制型柱塞泵的功率特性則是將流量調(diào)節(jié)模塊增加于恒壓泵上，這一流量調(diào)節(jié)模塊則能夠讓泵變量機構動作。

3 液壓系統(tǒng)的節(jié)能措施

壓力損失與旁路損失是導致液壓系統(tǒng)能耗損失的兩個主要原因，為了能夠?qū)⑦@兩種損失大大減少，以促進整個系統(tǒng)效率的提高，就需要優(yōu)化利用節(jié)能技術。以下為液壓系統(tǒng)的主要節(jié)能措施。

3.1 液壓泵選用高效率、低能耗產(chǎn)品

作為初次能量轉(zhuǎn)換的裝置，泵會極大地影響液壓系統(tǒng)的總效率。要想促進能源利用率的提高，就需要對動力源進行合理選擇，這是非常重要的一個環(huán)節(jié)。根據(jù)相關的調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，栓塞泵在實際運行過程中中，不僅能夠達到良好的節(jié)能目的，而且運行效率相對最高；螺旋泵雖然也具有良好的節(jié)能效果，不過運行效率相比于栓塞泵要略低一些；葉片泵雖然運行效率與螺旋泵不相上下，不過節(jié)能效果與預期目標有著一定差距；齒輪泵相比于其他三種類型的泵，不管是節(jié)能效果，還是運行效率都是相對較低的，但不管是哪種泵，都有著各自的優(yōu)勢與不足。在選擇這些泵時，需要根據(jù)液壓系統(tǒng)的復雜程度、流量精度要求等實際需求，進行泵源的優(yōu)化組合，而且為了能夠不斷提高其運行效率，就要適當進行變頻調(diào)速，并適時調(diào)節(jié)輸出功率[2]。

不同功能的液壓回路對于動力源有著不同的要求，通常情況下，可將其分為三大類。第一類，壓力接近或者是壓力相同的壓夜系統(tǒng)，其流量變化是相對較大的，那么動力源則需要使用恒壓變量泵；第二類，如果是泵保壓系統(tǒng)、蓄能器系統(tǒng)等液壓系統(tǒng)，其功率都相對較大，且負載逐漸緩慢性地增大、有較長保壓時間要求的，那么就需要選擇恒壓恒功率變量泵；第三類，如果是多執(zhí)行元件系統(tǒng)，那么其壓力不同、流量也不同，在這種情況下，就可以采用雙壓、雙流量恒壓變量泵或者是負載傳感變量泵。

3.2 合理設計液壓回路

液壓系統(tǒng)功率損失對于系統(tǒng)總功率會帶來不同程度上的影響，而且還極有可能引起油液變質(zhì)、油溫升高等其他現(xiàn)象的發(fā)生，從而會導致液壓設備在實際運行中會發(fā)生一系列故障問題。所以，在進行液壓系統(tǒng)的液壓設備進行設計時，一定要始終貫徹落實節(jié)能這一原則，并且在不會對系統(tǒng)各項功能指標帶來影響的情況下，要高效、經(jīng)濟地利用各種能量?？偠灾雽⒁簤合到y(tǒng)的功率損失有效降低，就一定要綜合對各種措施進行利用，一定要選用高效且節(jié)能的動力源系統(tǒng)。根據(jù)相關試驗探究發(fā)現(xiàn)，在不同工況下液壓設備的能量消耗會呈現(xiàn)出極大差異性。導致液壓設備能量消耗比較大的原因主要為壓力過大，而動力源的輸出流量比具體的系統(tǒng)需求明顯大很多。所以，為了能夠達到動力源的節(jié)能效果，就需要采取具有針對性的措施將匹配效率逐漸提高。以下為節(jié)能型的動力源系統(tǒng)簡介。①采用兩臺油泵組成供油回路。組成供油回路的兩臺油泵不管是壓力方面與流量方面，還是類型方面，都有著極大的不同，多數(shù)情況下，油泵的工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換則是利用電磁閥來實現(xiàn)的，以助于實現(xiàn)能源的節(jié)約，并且能夠?qū)⒁簤合到y(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率提高。液壓泵是一種高壓小流量變量泵，使其流量遠遠比具體需求更大，所以，就應該通過安全閥對其工作壓力來進行合理調(diào)定。而另一個液壓泵則屬于低壓大流量定量泵，為了能夠滿足整個液壓系統(tǒng)快速運動需求，就需要將兩個液壓泵流量相加，這樣該液壓泵的工作壓力則明顯更小于液控順序閥的調(diào)定壓力。根據(jù)相關的實踐研究表明[3]，這種快速回路是十分復雜的，而且成本相對較高，不過其功率利用率也非常高。②供油回路采用二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)。二次元件、恒壓源以及控制調(diào)節(jié)裝置等都屬于二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)的重要組成部分。在恒壓回路中，為了能夠使二次元件排量得到有效改善，僅僅將二次元件的斜盤傾角進行合理改變就行。不過為了能夠有效調(diào)整變量泵排量，就需要對系統(tǒng)壓力進行充分利用。倘若是在液壓泵工況下工作的二次元件，就需要將相應的能量回饋給系統(tǒng)，這樣這些回收的能量就能夠儲存在蓄能器中。所以，二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)的壓力則會處于一個恒定狀態(tài)中，這樣在系統(tǒng)運行過程中就不會存在節(jié)流損失情況發(fā)生，以極大地提高液壓系統(tǒng)的效率。所以，供油回路所應用的二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)則能夠?qū)⒐?jié)能效果充分發(fā)揮出來。

3.3 合理配置油箱

為了能夠使節(jié)能技術在液壓系統(tǒng)中的應用效果更加顯著，就需要合理配置油箱。首先，要合理對油箱容量進行配置。眾所周知，貯油以及散熱是油箱的主要功能，另外，還能夠把空氣以及雜物等都從油中分離出去。要想能夠使油料資源被有效節(jié)約，就需要在進行油箱設計時確保其能夠與液壓系統(tǒng)的容量要求相適應[4]。倘若在實際設計過程中，油箱容量過大，那么設備容量與設備占地范圍也會隨之而不斷增大。倘若在實際設計過程中，油箱容量過小，又與預期散熱效果不相符，那么就極為容易導致油溫大大升高，這會嚴重影響液壓油的使用壽命。根據(jù)相關的實踐研究發(fā)現(xiàn)，倘若油溫超過550攝氏度，那么每升高90攝氏度，液壓油一半左右的壽命就會縮短，所以，對于油箱的有效容量一定要合理設計與確定。其次，對于液壓油的使用管理也要進一步加強。為了能夠使油液的使用壽命有效延長，就需要合理使用液壓油，與此同時，還需要將液壓油的現(xiàn)場管理工作做到位。具體而言，主要包括以下幾個方面的工作內(nèi)容：①要優(yōu)化并改善油箱的周邊環(huán)境；②定期檢查油液質(zhì)量以及油面高度；③要將油液溫度的相應監(jiān)控工作做好，并及時進行記錄，以確保油溫能夠始終在規(guī)定的指標值范圍內(nèi)；④對于液壓油的污染要進行嚴格控制。

3.4 基于功率匹配的節(jié)能手段

在設計液壓系統(tǒng)時，主要是將各種功能作為基礎。功率匹配的液壓系統(tǒng)，其負載特性曲線與輸出功率通常都是相適應的，這樣所產(chǎn)生的流量或者是壓力并不會過度，更不會通過溢流閥溢出。簡單來理解，也就是在沒有負載的情況下，發(fā)動機會保持低速轉(zhuǎn)動，從而能夠使泵的輸出功率變得最小；如果是在有負載的情況下，那么發(fā)動機的轉(zhuǎn)速則需要由不同工況的實際需要所決定，并且要對泵的工作方式進行控制。這樣泵不管是在什么情況下（空載或滿載）都不會實現(xiàn)高速運轉(zhuǎn)，這樣不僅會導致燃油大大浪費，使液壓泵的磨損大大增加，而且又會導致系統(tǒng)生熱過多，密封圈損壞，從而增加了泄漏的概率以及裝備的不安全性，比如采用的是變量柱塞泵的功率匹配液壓系統(tǒng)。首先，要將執(zhí)行機構的負載逐漸轉(zhuǎn)換為脈沖信號，而對發(fā)動機的油門開口度進行控制時，就需要利用微機控制步進電機的旋轉(zhuǎn)運動來實現(xiàn)，這樣還有助于控制發(fā)動機的轉(zhuǎn)速，從而能夠?qū)α鞒鲆簤罕糜鸵旱牧髁颗c壓力進行優(yōu)化控制，再對油門位置以及發(fā)動機轉(zhuǎn)速進行實時檢測，這樣就能夠?qū)⑴c負載相匹配的功率自動輸出出來。這樣更有利于控制流量，而隨著負載的變化，泵的壓力也能夠隨之自動變化，所以能夠?qū)崿F(xiàn)更理想的節(jié)能效果。現(xiàn)階段的節(jié)能控制技術主要是對自動控制技術與比例控制技術進行綜合利用，其價格相對高昂，只在自動化程度較高的系統(tǒng)中相適應，而PID控制器的形式則主要是離散形式[5]。

3.5 采用能量回收措施節(jié)能

在液壓系統(tǒng)中應用節(jié)能技術，還可以使用能量回收措施，也就是將蓄能器安裝在液壓系統(tǒng)中。這樣能量就能夠被有效地貯存或者回收，在系統(tǒng)運行中就能夠成為其中的輔助動力源，系統(tǒng)所需的油則是與液壓泵一起來完成。要想在不影響系統(tǒng)功能實現(xiàn)的基礎上將液壓泵以及原動機的容量大幅度減少，就需要合理匹配蓄能器參數(shù)與液壓泵參數(shù)，這樣更有利于合理應用系統(tǒng)能量，并使系統(tǒng)發(fā)熱與升溫情況大大減少，從而促進系統(tǒng)效率的大幅度提升?，F(xiàn)階段，在各類液壓設備中基本上都將蓄能器作為輔助動力源進行廣泛應用，這是當前液壓系統(tǒng)實現(xiàn)節(jié)能的一個重要手段。不同的執(zhí)行器，在能量回收時其油路也具有較大差異。如果是液壓缸執(zhí)行器，則能夠有效回收負載機械能，而定量泵或者是馬達則具有4個象限功能，分別為正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、泵、馬達等，此時所選用的結(jié)構則是柱塞式結(jié)構。倘若變量泵或者馬達處于工況時，就需要由液壓缸驅(qū)動外負載做功；如果是將變量泵作為泵時，就可以在進行能量回收時，把負載的機械能轉(zhuǎn)化為液體的壓力能，這樣蓄能器中就能夠儲存系統(tǒng)多余的壓力油液。在進行能量回收時，需要對變量泵的排量進行適當調(diào)節(jié)，這樣就能夠產(chǎn)生一定的阻力，以平衡外負載，從而能夠避免超速運行的情況發(fā)生。如果是液壓馬達執(zhí)行器，那么負載落下時的能量則能夠在壓力油箱中儲存，再利用起重機也就是液壓馬達空載向上返回，同時將制動作用充分發(fā)揮出來。而泵則能夠使負載提升得更加緩慢，在將二通換向閥后就能夠接通，這樣負載下落之后，就能夠使液壓馬達作為相應的泵，在壓力油箱中輸入油箱中的油，隨著液面的逐漸升高以及壓力的逐漸上升，連續(xù)制動效果就能夠逐漸產(chǎn)生[6]。

4 結(jié)語

綜上所述，隨著經(jīng)濟增長速度的日益加快，各種能源資源都變得比較緊缺，為了能夠有效緩解這一問題，就需要注重節(jié)能技術的發(fā)展。在液壓系統(tǒng)中，應用節(jié)能技術的主要目的是在確保不會對系統(tǒng)功能產(chǎn)生影響的情況下，將溢流損失盡可能減少，并且能夠讓泵的流量與負載所要求的流量保持一致性。以往只追求功能的設計思想與現(xiàn)代化液壓系統(tǒng)的實際需求并不相符，所以要積極轉(zhuǎn)變這一思想，緊隨時代發(fā)展步伐，注重功率匹配以及初始能量轉(zhuǎn)換效率的提高，這樣既有利于能源的有效節(jié)約，又能夠在確保運行效率與安全性和可靠性的前提下節(jié)約運行成本。