基于節能技術的液壓系統設計

摘 要：節約能源已經成為當今社會的主流，對于液壓技術領域中液壓節能技術的探討顯得尤其重要。為此，文中在分析液壓元件能量損失方式的基礎上，針對性地提出了節能技術在液壓系統設計中的具體應用。

關鍵詞：機械傳動；液壓技術；節能技術；液壓系統

1引言

液壓技術憑借其突出的優點，成功用于功率偏大、 運動過程需要控制和調節的地方但一般液壓系統的實際工作效率不高，大多只有50%左右，這通常是由于設計和使用液壓系統時，只側重于系統的工作能力、可靠性和成本，而忽視了系統工作效率所致。隨著能源供應日趨緊張，開展液壓系統節能研究，對液壓系統設計過程中應注意的問題進行分析，是非常必要的。任何一個完整的液壓系統都是由動力元件、控制元件、執行元件、輔助裝置和工作介質五大部分組成，其能量轉換和傳遞情況如圖1所示。

2 液壓系統能量損失的主要方式

液壓系統的能量損失主要表現為壓力損失、流量損失和功率損失，它會使液壓能轉變為熱能，這不僅浪費了大量的能量，還會導致系統溫度升高，使工作介質急速變質老化。 相關研究表明，每溫升15℃會使礦物油介質使用壽命約降低10 倍 。過渡溫升還會導致液壓元件和系統的可靠性、 穩定性、壽命大大降低，從而誘發液壓系統故障。根據液壓系統的組成可將能量損失劃分為以下幾類。

2.1動力元件的能量轉換損失

動力元件液壓泵在將機械能轉化為液壓能的過程中所導致的能量轉換損失主要是因摩擦而產生的機械損失和因泄漏而產生的容積損失，可分別用ηm和ηv來表示，對整個系統的總效率影響很大。這不僅與液壓泵的類型有關，還受運行工況以及磨損情況等因素的影響。

2.2控制元件的能量損失

控制元件主要是各類液壓閥，它們都是液阻。當液壓油流經這些液阻時都會產生壓降，這必然會增加能量消耗，使系統總效率降低。

2.3執行元件的能量轉換損失

執行元件是指各種液壓缸和馬達，它們在液壓能轉換為機械能的過程中，同動力元件一樣存在著ηm和ηv。對于帶有可靠密封的液壓缸，其泄漏量極小，容積損失可忽略不計，其能量轉換損失可主要考慮機械效率ηm。

2.4輔助元件的能量損失

輔助元件有油箱、管件、壓力表、密封件、過濾器等，一個具體的系統中所含輔助元件的種類和數量依據系統的復雜程度和布局而定。輔助元件的能量消耗主要反映的是節流損失，對系統的工作效率也有很大的影響。

2.5系統的結構與布局造成的能量損失

為了克服管道阻力，實際液體流動時會損耗一部分能量。系統的結構與布局不同，其能量損失也不相同。通常情況下，系統結構越復雜，液壓元件越多，液體流動方向和速度變化越多，能量損失就越大。油液沿等直徑直管流動時，會產生沿程壓力損失；流經彎管、接頭等局部障礙時，會產生局部壓力損失，它們都會使系統中的功率損耗增加，造成能量損失。

2.6動力源和負載特性不匹配造成的能量損失

動力源供給系統的能量往往不能恰好和系統負載相適應，低負載工況下，就會帶來能量供過于求的匹配損失。如液壓系統的輸出壓力和流量分別大于執行元件所需的壓力、流量時，就會分別產生壓力過剩和流量過剩。過剩越多，能量損失就越大，系統效率就越低。

3節能技術在液壓系統設計中的應用

根據上述液壓系統能量損失的原因，在設計液壓系統時，我們可以采用以下措施來減少系統能量的損失，提高系統的效率，達到節能的目的。

3.1液壓泵的選擇

泵作為初次能量裝換裝置，對液壓系統的總效率影響很大。選擇合適的動力源，對提高能源利用率非常重要。常用液壓泵技術參數見表1。

可以看出，從節能的角度出發，柱塞泵運行效果最好，其次是葉片泵、齒輪泵次之。對于復雜、流量精度要求比較高的系統應盡量選擇組合泵，通過變頻調速可以使效率更高，輸出功率也可以適時調節。

不同功能的液壓回路要求不同的動力源，大體上可分為三類：對于壓力接近或相同，流量變化較大的液壓系統一般宜采用恒壓變量泵作為動力源；

2）對于功率較大、負載緩慢增大且有較長保壓時間要求的系統如泵保壓系統、蓄能器系統等可以采用恒壓恒功率變量泵；

3）對于要求具有不同壓力、不同流量的多執行元件系統可采用雙壓、雙流量恒壓變量泵或負載傳感變量泵。

3.2液壓缸和液壓馬達的設計及選擇

液壓缸和液壓馬達也是液壓系統中能量損耗較大的元件，在設計、選擇液壓缸和液壓馬達時，要注意液壓缸、液壓馬達與泵的流量、壓力相匹配，在滿足系統工況要求的前提下，盡量保持其功率匹配，以減少能量損失，提高整個系統的效率。田靈飛等人，從改進液壓缸結構以及液壓回路的設計出發，設計了一種基于柱塞缸與活塞缸的組合式新型節能高效液壓缸，其設計的新型節能液壓缸的液壓系統裝置圖。見圖2所示。實踐表明，該液壓缸既能節約液壓能，又能提高液壓系統效率。

3.3 液壓源的選擇

在選用液壓源時，應先對液壓系統進行工況分析，以查明一個循環中負載壓力、流量和功率的分布及要求，為選擇液壓源提供技術依據。為了提高系統的效率，達到節能的目的，如在現代液壓系統中出現了如壓力補償控制、負載感應控制、功率協調等高效液壓系統；在液壓挖掘機中先后提出了負流量控制、正流量控制、負載敏感系統、混合動力系統和恒壓網絡二次調節系統。液壓挖掘機混合動力系統及基于恒壓網路的二次調節系統分別見圖3和圖4。

這些技術的推廣和應用，能使液壓系統的動力源供應的壓力和流量自動與執行元件負載的變化相適應，可以使系統效率提高28% ～45%，節能效果十分明顯。

3.4 控制元件的選擇

控制元件不屬于能量轉換元件，但是所有閥類元件皆為液阻，其必然會造成壓力的損失，降低系統的效率，因此必須合理選擇控制元件。在進行系統方案設計時，應根據系統中相應位置和可能出現的最大工作壓力和流量來確定其規格、型號。如條件許可，應采用集成閥、插裝閥等新型液壓元件取代分離式單功能元件，能取得較好的節能效果。

3.5液壓輔助元件的選擇

液壓系統的輔助元件，雖被稱為輔助裝置，但對液壓系統的工作性能同樣起到了重要作用。因此在液壓系統的節能設計方面，也要注意進行合理選擇。

1）管路和管接頭 在系統的節能設計中，管路內徑選擇十分重要，管路內徑的選擇要以降低流動造成的壓力損失為前提，液壓管路中液體的流動多為紊流，壓力損失正比于液體在管道中的平均流速，因此要根據流速來確定管徑。同時在裝配液壓系統時，油管的彎曲半徑不能太小，一般應為管道半徑的3～5倍。應盡量避免小于9O0的彎管。

2）密封 液壓系統如果密封不良，可能出現不允許的內外泄漏，使液壓小童容積效率下降，設備工作效率降低，不僅浪費能源，而且對環境造成污染，所以解決密封問題不僅具有節能意義，而且可以減少環境污染。

3.6 液壓油液的選擇

在液壓油的選擇中，最重要的因素是液壓油的粘度。粘度太大，液流的壓力損失和發熱量就大，使系統效率降低；粘度太小，泄漏增大也影響系統效率。因此，必須注意合理選擇液壓油的粘度。

3.7液壓回路的設計與選擇

液壓系統節能的關鍵一方面是合理選擇液壓元件，更重要的是合理選擇與設計液壓回路。典型的節能回路主要有以下幾種：

卸荷回路 其原理見圖5。

（2）多級壓力控制回路 其原理見圖6。

（3）負載敏感閥控回路 其原理見圖7.

（4）負載敏感泵控回路 其原理見圖8.

（5）伺服電動機液壓控制系統 其原理見圖9.

4結論

液壓系統的每個組成部分在系統工作時都會產生能量損失，因此，要合理選用高效率的液壓元件，并對系統進行綜合調節以提高系統的效率，合理設置和分配元件、管路，正確選擇油液，并合理運用新技術、新材料、新工藝設計液壓回路，以達到整個液壓系統節能的目的。

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作者簡介

向大學（1964-）：男，四川安岳人，講師，本科，主要從事機械制造技術教學與科研。