提高液壓傳動系統工作效率的有效途徑探討

孫 婧 (北方工業學校，遼寧 盤錦 124021)

提高液壓傳動系統工作效率的有效途徑探討

孫 婧 (北方工業學校，遼寧 盤錦 124021)

針對液壓傳動系統能量消耗大、對整個系統工作的可靠性和液壓系統工作元件的使用壽命造成不良影響等問題，從設計和維護方面對提高液壓傳動系統工作效率的有效途徑進行了探討。提高液壓傳動系統工作效率的有效途徑，可以從正確選取液壓元件的類型、提高液壓元件的工作效率、盡量減少壓力損失、采用減少能量消耗的液壓控制回路、科學地布置液壓集成閥中所有管網構成的連通管路等方面入手，盡力減少系統工作時造成的能量損失，以期達到有效提高工作效率的目的。

液壓系統；工作效率； 能量消耗；液壓元件；回路；液壓集成閥

液壓傳動由于其傳動功率大、體積小、重量輕、傳動平穩、又可實現無級調速和自我保護等優點，使其廣泛應用于交通運輸、礦山機械、機械加工與制造、航空航天等領域。液壓傳動技術對于機電一體化的建設和發展起著舉足輕重的作用，目前已經逐步發展成為諸多領域中的關鍵技術[1]。但能量損耗(如泄漏損耗、功率損耗等)大是不可忽視的問題，即在液壓傳動系統處于正常工作狀態時，伴隨著液壓油的不斷循環，會有比較多的能量隨之發生消耗。而這些消耗的能量會轉化為熱能，不斷提高整個系統的溫度。長期處于較高溫狀態又會對整個系統工作的可靠性以及液壓系統工作元件的使用壽命造成不良的影響。因此，必須尋求一些提高液壓傳動系統工作效率的有效途徑。

1 采取效率高、性能優的動力元件

動力元件是整個液壓系統正常工作的保障，是將機械能向液體壓力能轉換的裝置。科學的配備和選取高效率、性能優的動力元件，是提高液壓傳動系統工作效率的最有效途徑之一[2]。

1.1正確選取動力元件

應根據工作環境采用合適的液壓泵。一般優先考慮選取變量泵作為動力元件[3]。如果液壓傳動系統是選取定量泵來節流調速，那么會有若干個流量控制閥配置在整個油路中。這種油路工作元件的微速與低速狀態是通過旁路大的溢流損耗與流量控制閥大的節流損耗才得以實現，顯然整個液壓系統將會耗費很大能量，工作效率自然降低[4]。采用變量泵容積節流調速來替代定量泵的節流調速(并且采用調速閥代替節流閥)，整個系統的工作效率便可以得到明顯的改善。究其原因，變量泵可以針對工作狀態的改變同步進行自我調整，它是參照載荷的大小以及速度的快慢來自動調節輸出流量的，這樣就不會產生能量損耗。

1.2提高液壓泵的工作效率

如果工作時不計系統內部的壓力損耗，則液壓泵總的工作效率[4]為：

η總=η機·η容

式中，η總為液壓泵總的工作效率；η機為液壓泵的機械效率；η容為液壓泵的容積效率。由上式可知，欲提高液壓泵總的工作效率，則需要通過提高其機械效率與容積效率來實現。因此，除了根據使用場合正確選擇液壓泵的種類(柱塞泵效率最高)以外，在選擇液壓泵的參數時，還需要考慮盡量使實際工作要求的壓力、流量與額定壓力、額定流量、轉速大小相匹配，即不可擴大或縮小規格使用。

1)液壓泵的結構型式以及內部壓力大小對其工作效率的影響 圖1為液壓系統中柱塞泵與齒輪泵總的工作效率隨壓力變化的關系特性曲線。由圖1曲線可知，在低壓區范圍內齒輪泵的效率優于柱塞泵；而在高壓區范圍內柱塞泵工作效率明顯高于齒輪泵。因此，需要按照實際的荷載狀態合理的選取液壓泵的結構類型，進而可以使其發揮較高的工作效率。內部壓力在不超過2.6MPa時可以優先使用低壓齒輪泵；壓力在2.6～6.2MPa之間時可以優先采用能產生中壓的葉片泵；當壓力超過了16MPa的時候可以優先考慮使用高壓、大流量的柱塞泵[5]。

圖1 柱塞泵與齒輪泵總的工作效率示意圖

2)液壓泵轉速大小對其工作效率的影響 大量的工程實踐以及試驗結果表明，液壓泵自身轉動的速度對其總的工作效率同樣有著重要的影響，當轉速1100～1900r/min之間時，其工作效率會比較高[4]。

2 提高執行元件的工作效率

執行元件主要是指液壓缸與液壓馬達。影響液壓缸或馬達工作效率的主要因素是泄漏。選取液壓缸時，需要充分考慮它的密封性。最好采用諸如橡膠混合材料的低阻力類型材料制作的密封件。如果液壓系統工作狀態比較復雜，速度變化范圍比較大，采用復合液壓缸(有關試驗研究顯示)，比相同種類普通液壓缸最高可以節能約80%，即便是在建筑工程機械以及機床等工作環境中，同樣可以達到令人滿意的效果。選用液壓馬達時不可以隨意降低其容量規格使用，以提高馬達的效率。

3 提高液壓控制閥的工作效率

油液在系統中循環，由于壓力損失而消耗了大量的能量，尤其以消耗在主控閥上為最。大量的工程實踐和室內外試驗均表明，液壓閥內部的壓力損耗與其額定流量存在比較密切的關系，在其實際工作流量低于額定流量的情況下，內部的壓力損耗會得到有效的控制，進而其壓力效率便能夠得到有效的提高。

4 降低液壓系統內部的壓力損耗

油液在管路和液壓元件中流動時會產生壓力損失。而這種壓力損失表現為沿程壓力損失和局部壓力損失。沿程壓力損失是指油液流經長直管道時產生的壓力損失。這種壓損較小。而局部壓力損失則是油液流經閥體、彎管、管接頭時產生的壓力損失，該壓力損失較大[6]。它與油液的流動速度有關。流動速度越大，產生的壓損也越大。減少系統的壓力損耗也是有效提高液壓系統工作效率的有效途徑之一。

4.1降低液壓管路內部液體的流動速度

如果對液壓管路內部液體的流動速度有一定的控制，使其在某一個范圍內變化，便能夠降低液壓管路內部的壓力損耗。一般認為，壓油管路內部液體流動速度在2.8～6.2m/s之間、吸油管路內部液體流動速度在0.8～1.3m/s之間變化是比較合理的。若液體粘度較高、管路距離較長以及內部壓力較低時，則需要取小的值，反之取大值。

4.2減少局部阻力與控制閥的數量

當油液流經閥體、彎管、管接頭或截面積突然變化時會產生沖擊，因而導致局部壓力損失。在進行液壓管路的初步設計時應盡可能減少彎管、變徑和閥體的數量，并使管路內壁盡可能加工得光滑，以減少摩擦損耗[7]。而閥體在工作時，在進、出油口都會存在前、后壓差。壓差越大，局部損失則越大；因此，要盡量減小壓差以及閥體的數目。同時采用正確的管路直徑，以使管內液體處于較低的流速，進而能夠降低整個系統工作時的壓力損耗。

4.3選擇合適液壓油粘度

作為工作介質的液壓油不僅是能量的載體，是液壓系統中不可或缺的重要組成部分，它還可在整個系統工作過程中有效緩沖各個部件之間的碰撞、摩擦，保證系統順暢的運行。由此，液壓油會受到許多諸如摩擦、剪切、沖擊等復雜力的作用。如果其粘度過小或者過大都會影響整個系統的工作效率。所以，根據系統壓力和環境溫度選用合適粘度、高性能的液壓油也是提高整個液壓傳動系統工作效率有效途徑之一。

5 采用減少功率消耗的回路

5.1采用快速運動回路以減少功率損耗

圖2 液壓缸差動連接快速運動回路

圖3 雙泵供油回路

圖4 卸荷回路

圖5 帶自動補油的保壓、卸荷回路

當系統中執行元件需要快速運動時，可對液壓缸實行差動連接(見圖2)、或采用雙泵供油回路(見圖3)。當執行元件快速運動時，可以利用換向閥對液壓缸實行差動連接。2個換向閥均處于左位，即液壓缸2腔同時進油?；钊蜁?腔因存在有效面積差而產生的推力差的作用下向右運動。這樣，右腔流出的油液也同時進入液壓缸的左腔，實現了活塞向右的快速運動?？焖龠\動時，泵1和泵2同時供油可以滿足快速運動時所需流量。工作進給時，采用泵2單獨供油。泵1可以停轉或卸荷，節省能量消耗。滿足活塞快速運動所需流量。還可以通過采用蓄能器配合小流量液壓泵來實現[8]。

5.2采用卸荷回路以減少功率消耗

容積調速回路是液壓傳動系統中必不可少的組成部分，主要用來控制執行工作元件的運行速率。當液壓缸、馬達停止工作或系統處于高壓、低速運行時，由于容積調速回路的原因，液壓泵仍在旋轉，這時靠溢流閥的溢流來使多余的油液流回油箱，則會使液壓泵消耗大量的能量。如果采用保壓和卸荷回路(見圖4和圖5)，則會大大降低功率的消耗。

6 其他簡單有效的措施

除了以上措施可以有效降低系統功率消耗，還可以選取液壓集成閥[9]?？茖W地布置液壓集成閥中所有管網構成的連通管路，盡量降低壓力損失而引起的能量損失，也可以有效提高系統工作效率。

液壓傳動系統還需要有專業人員定期對其進行清理保養與檢修。如果系統遭受過度污染，那么它的工作可靠性與使用壽命都會受到極大的影響，一旦發現問題應進行處理。

[1]唐萃微.淺談如何有效提高液壓系統的效率[J]. 科技信息，2007(30):28.

[2]譚麗霞，李桂范. 怎樣提高液壓傳動中的工作效率[J]. 黑龍江交通科技，2007，30(4)：87-88.

[3]張傳福. 起重機液壓系統的效率和功率適應控制[J]. 重慶建筑大學學報， 1983(1):45-53.

[4]劉文明. 如何提高液壓系統的效率[J]. 同煤科技，2007(1)： 18-19.

[5]徐永生. 液壓與氣壓傳動[M]. 北京：高等教育出版社，1998.

[6]張宏燦. 液壓系統運行中常見的故障排除與維修[J]. 職業，2010(3)：86.

[7]李艷峰，曹飛，李文丁，等. 液壓傳動系統故障預防與排除[J]. 甘肅冶金，2011(1)：108-109.

[8]張宏. 基于管網液流特性仿真的液壓集成塊優化設計[D]. 大連：大連理工大學，2007.

[9]張彥廷. 基于混合動力與能量回收的液壓挖掘機節能研究[D]. 杭州：浙江大學，2006.

[編輯] 洪云飛

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.04.045

TH137

A

1673-1409(2012)04-N129-03

2012-01-26

孫婧(1966-)，女，1990年大學畢業，高級講師，現主要從事機電設備的傳動與控制方面的教學與研究工作。