淺析液壓傳動系統(tǒng)的能耗問題

(廣東韶鋼松山股份有限公司設(shè)備備件部，廣東 韶 關(guān) 5 12123)

由于液壓系統(tǒng)的機構(gòu)最大能耗來源是功率損失，轉(zhuǎn)化過程中的能量消耗和系統(tǒng)發(fā)熱散熱引起的能量流失這三個方式，按能量的先后順序來看，功率損失無疑走在最前面。

本文針對液壓傳動系統(tǒng)在原有功率損失和能量損耗等方面的問題，闡發(fā)其技術(shù)原理，并提出相應(yīng)的能耗控制方法。

1 功率損失的關(guān)鍵點及計算方法

1.1 泵的功率損失

由于液壓傳動大量運用泵作為能量轉(zhuǎn)化工具，所以，泵在功率上的損失首當(dāng)其沖，按不同的運行原理，主要分為容積損失和機械損失兩種方式。

（1）容積損失

所謂容積損失是指油的泄露，在工作過程中，泵的兩頭按壓力不同分為高壓腔和低壓腔，巨大的壓力差必然不間斷地使高壓腔的壓力油，經(jīng)過很小的間隙持續(xù)泄漏至低壓腔位置。而且兩邊的壓力差越大，油的粘度則越低，泄漏量也越大。檢驗損失的方法正是基于該原理，用泵的理論流量減去實際輸出流量，即為容積損失油量。

（2）機械損失

所謂機械損失是指轉(zhuǎn)矩引起的摩擦力耗損，也包含兩種形式：一種是在工作過程中，泵內(nèi)存在多組相對運動件，這些運動件之間必然發(fā)生機械摩擦，并引起一定量的轉(zhuǎn)矩?fù)p失，按能量守恒定律，壓力越高，則轉(zhuǎn)矩?fù)p失越大；另一種則是因泵內(nèi)油液的粘度而引發(fā)的轉(zhuǎn)矩?fù)p失，液壓油在流動過程中產(chǎn)生強烈的內(nèi)摩擦力，即其粘性，粘性越大，泵的轉(zhuǎn)速越高，而這項損失就越大。

衡量這兩項損失指標(biāo)，可使用泵的容積效率和機械效率兩項指標(biāo)，實際上就和上述兩者分別構(gòu)成反比關(guān)系。

1.2 液壓系統(tǒng)沿途管道的能量損失

這種損失形式主要體現(xiàn)為包括壓力損失和容積損失。

（1）壓力損失

壓力損失，主要源于管道結(jié)構(gòu)，由于管道一般由若干段構(gòu)造相異的管道串聯(lián)而成，在每一節(jié)點像段彎頭、控制閥、管接頭等部位都容易形成局部阻力，一方面是沿途的壓力損失，一方面是局部阻力損失，兩者相加即構(gòu)成了所有的能量損耗，也就是說系統(tǒng)的總壓力損失約等于所有沿途的壓力損失加上所有串聯(lián)起來的局部損失。

（2）容積損失

容積損失，主要是指管路系統(tǒng)運行過程中各組件的油漏損量，再加上溢流閥、順序閥等關(guān)鍵設(shè)備正常工作時所產(chǎn)生的溢流油量。管道系統(tǒng)受泵的壓力差影響，使油從高壓腔持續(xù)泄漏至低壓腔位置，而且兩邊的壓力差越大，油的粘度則越低，泄漏量也越大，但其漏損量集合起來也非常驚人，溢流閥、順序閥一旦控制不當(dāng)，所形成的溢流量也會造成極大的能量浪費。

1.3 馬達或油缸組件的油量損失

馬達的結(jié)構(gòu)與泵非常相像，因此，在工作過程中同樣伴隨著容積損失、機械損失這兩種方式，而油缸的整個工作過程持續(xù)存在摩擦阻力、密封阻力和慣性阻力，有些控制不良的地方甚至還存在內(nèi)泄漏和外泄漏等重大問題。這兩者集中反映了關(guān)鍵執(zhí)行組件的容積效率和機械效率。

經(jīng)過對上述各關(guān)鍵部分的闡述，液壓系統(tǒng)的總效率實際上等于泵的總效率加上管道回路的總效率再加上關(guān)鍵執(zhí)行組件的總效率。

2 液壓傳統(tǒng)系統(tǒng)的發(fā)熱散熱原理及影響

在液壓系統(tǒng)中泵、管道、馬達或油缸等重要部件的能量損失最終會轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽詿崃總鲗?dǎo)的方式提高油液溫度。按公式計算，該系統(tǒng)的總發(fā)熱量為輸入功率和總效率的乘積。除去加高油溫的發(fā)熱途徑，系統(tǒng)還會把產(chǎn)生的熱量大部分通過油箱散發(fā)到空氣之中。這是因為系統(tǒng)運行較長時間后，當(dāng)恢復(fù)到熱平衡狀態(tài)，油溫就不會繼續(xù)升高，保持恒定，這樣一來，各關(guān)鍵部件繼續(xù)工作所產(chǎn)生的熱量就會滲透到熱表面進行散發(fā)。散熱量的計算方式等于散熱系數(shù)乘以散熱面積再乘以變化的系統(tǒng)溫度。其中，散熱系數(shù)主要取決于外部通風(fēng)情況和系統(tǒng)所采用的冷卻方法，散發(fā)面積則主要指郵箱外表面，而系統(tǒng)溫度是不斷變化的，只有達到熱平衡狀態(tài)后才能維持不變。

從發(fā)熱散熱的副作用看，油液溫度的升高，引發(fā)了液壓系統(tǒng)的絕大部分機械故障。油溫持續(xù)升高會明顯降低油液粘度，油量漏損持續(xù)下去，加劇油泵、液壓閥、執(zhí)行機構(gòu)（液壓馬達或油缸）的內(nèi)泄及外泄，進一步降低系統(tǒng)的容積效率，使系統(tǒng)工作陷入不穩(wěn)定狀態(tài)。具體說來，油溫升高，會使機械部件之間的縫隙發(fā)生不當(dāng)變化，特別是劇烈的溫度升高容易引起油質(zhì)改變，在嚴(yán)重時，甚至使機器發(fā)生熱變形。尤其是高溫炎熱的夏天，機器往往運作短短兩小時就可能因熱量傳導(dǎo)及散發(fā)不暢變得燙手，導(dǎo)致工作被動暫停，大幅度降低了設(shè)備的利用率，對企業(yè)的勞動生產(chǎn)率造成嚴(yán)重影響。

從這個意義上來說，液壓系統(tǒng)的發(fā)熱問題極為重大，絕對不容忽視，必須進行有效控制。

3 液壓系統(tǒng)能耗控制的主要方法

根據(jù)液壓系統(tǒng)的運作原理，能耗控制主要包括提高原動機效率，液壓泵和液動機效率，降低系統(tǒng)能耗率這三個方面，對應(yīng)地，可從以下幾個方面進行：

（1）充分利用電機容量。對于電機容量結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計，應(yīng)立足于功率消耗均衡，提高原動機的運行功率，盡可能使電機處于高效率狀態(tài)。由于液壓設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換過程通常是先從電能變成機械能，然后變成液壓能，再變成機械能，經(jīng)過三次能量轉(zhuǎn)換，結(jié)果導(dǎo)致原動機的功率問題不受到重視，原動機功率過大，或因不同工作階段上存在不均衡，電機經(jīng)常在低功率狀態(tài)下工作，造成嚴(yán)重浪費，從這個意義上來說，電機容量必須加以合理選擇，充分利用。

（2）提高液壓泵和馬達等重要組件的運行效率。由于這些組件的效率主要體現(xiàn)為容積效率和機械效率兩個部分，而國內(nèi)一般只研究容積效率損失，很少關(guān)注泵結(jié)構(gòu)或減少關(guān)鍵組件之間摩擦方面的研究，反倒是國外近年來非常重視并投入研發(fā)泵和關(guān)鍵組件的機械效率損失問題，并研究開發(fā)各種變量泵和低摩擦密封材料，取得了一定成效。

（3）降低沿線管道系統(tǒng)的能量損失。提高原動機、液壓泵和關(guān)鍵組件的效率雖然可行，但可操作空間極為有限，最根本的辦法仍然在于降低沿線管道系統(tǒng)的能量損耗。首先必須明確設(shè)計的要求，經(jīng)過深入的調(diào)查研究后，了解到系統(tǒng)運行的真實情況，并與需要達到的技術(shù)參數(shù)進行綜合比較，制定合理的新管路系統(tǒng)方案，方案的關(guān)鍵點在于調(diào)速，這是整個液壓系統(tǒng)的核心。設(shè)計人員應(yīng)深入了解各種調(diào)速回路方法的工作原理、性能特點和適應(yīng)范圍，從系統(tǒng)化的高度，靈活運用，在滿足需求的前提下，盡量做到回路簡單、元件少及管路短這三個重點要求。同時，慎重選擇泵和關(guān)鍵組件的規(guī)格，在安裝初期就考慮到流量過剩的可能性，合理設(shè)計相關(guān)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，以保證原動機的使用效率，盡量把問題扼殺在一開始。

（4）針對液壓系統(tǒng)的冷卻操作。除了上述三個重要環(huán)節(jié)，仍然存在其它的一些發(fā)熱量太大，導(dǎo)致溫度上升的因素，可能會對生產(chǎn)產(chǎn)生影響，必須綜合考慮，安裝使用冷卻系統(tǒng)或冷卻設(shè)備。機械設(shè)備在夏天工作通常都會迅速升溫到45°以上，使粘度降低，增加內(nèi)泄漏速度，延長機器加壓時間，導(dǎo)致停機，嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)。業(yè)內(nèi)對冷卻的概括是空氣冷卻不如水冷，水冷不如油冷。常見的冷卻方式有循環(huán)水冷，例如壓鑄機采用在油箱中安裝蛇型冷卻管的方法就是循環(huán)水冷，溢流閥和卸荷閥這兩者產(chǎn)生的熱量占系統(tǒng)總發(fā)熱量的70%以上。所以，通過改進其冷卻系統(tǒng)可以大量節(jié)省能源。

4 結(jié)束語

總的說來，要解決液壓傳統(tǒng)系統(tǒng)的能耗問題，必須根據(jù)這個系統(tǒng)的技術(shù)特點，從源頭抓起，抓住原動力功率損失，轉(zhuǎn)化過程能量損耗以及系統(tǒng)發(fā)熱散熱損耗等幾個要點，一方面對泵、控制閥、執(zhí)行機構(gòu)等關(guān)鍵組件進行合理改進，另一方面深入研究沿路管道的路線及結(jié)構(gòu)設(shè)計等問題，配以合理有效的冷卻方法，以各種有效方法，盡可能把各種能量損耗控制到最小，以達到在生產(chǎn)過程中大量節(jié)能的目標(biāo)。

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

[2]桑 勇，王占林，祁曉野，白國長.液壓傳動系統(tǒng)中節(jié)能技術(shù)的探討[J].2007，（3）:83-86.

[3]李永義，李 朔.液壓傳動系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計[J].鑄造技術(shù)，2009，（8）:1090-1092.