基于晃蕩平臺液壓系統節能優化設計

劉 笑,吳文鋒,孫 強,程如朋(浙江海洋學院 海運與港航建筑工程學院，浙江 舟山 316022)

基于晃蕩平臺液壓系統節能優化設計

劉 笑,吳文鋒,孫 強,程如朋
(浙江海洋學院 海運與港航建筑工程學院，浙江 舟山 316022)

針對晃蕩模擬平臺的液壓驅動系統在工作中存在大量能量損耗，導致實驗資源浪費、成本增加問題，對液壓系統的節能問題進行了具體的分析和實驗的論證，并提出采取的基礎性措施、方法,例如減少管道彎曲、選擇合適的液壓元件等。將該優化方法應用于多功能晃蕩模擬平臺試驗中，減少了能量損耗，提高了液壓系統的工作效率，對液壓系統節能領域有一定的指導意義。

晃蕩平臺；液壓系統；節能；優化

1 液壓系統分析

1.1液壓系統的選用

晃蕩平臺是用來模擬船舶在海上航行時的真實晃蕩，以研究油船液貨艙熱質傳遞規律，并進行實驗、理論分析，來指導液貨狀態優化控制操作，實現安全存儲和運輸，其包括機械結構、液壓驅動系統、信號輸出與反饋系統。其中選用的開式閉環液壓驅動控制系統，包括了電氣和液壓控制2部分，以達到電能—機械能—液壓能—機械能的相互轉化，來實現模擬平臺的正常運行。但是考慮到模擬平臺運行過程中存在可能的能量損失與泄漏，對液壓系統進行了定量的分析。

1.2能耗損失

晃蕩平臺的液壓系統包括4部分：動力元件液壓馬達、液壓泵、控制元件液壓控制閥以及執行元件，如圖1所示[1]。其能量轉換的基本過程是：電機驅動液壓馬達(動力元件)做功把電能轉換成液壓能；液壓泵通過液壓控制閥(控制元件)將液壓能傳遞給執行元件；通過功能轉化使執行元件做功將液壓能轉換成機械能。在整個過程中，有如下幾種能耗損失。

1)能量轉換時的能耗。在電能-液壓能-機械能的能量轉換中，主要能耗是由液壓油的泄漏產生的，造成容積損失消耗一部分能量，特別是在惡劣工作環境中，產生的泄漏更為嚴重。

2)能量傳遞過程中的能耗。液壓能傳遞過程中，液壓油與機械設備或管路產生相對運動且由于液壓油的黏度存在會產生摩擦，并有熱量產生，損耗液壓能，降低轉化效率。同時機械元件運行時，仍存在機械磨損，也會有能耗存在。

3)液壓源與負載不適應產生的匹配損失。即液壓系統的輸出能量與執行元件所需能量不匹配，低載時，會出現能量供大于求，造成能源浪費。

4)管理因素。包括液壓系統整體結構、布局設計、運行中人員使用、維修等因素對系統工作效率造成的影響。

以上這些因素大大降低了液壓系統的工作效率，尤其是熱能的產生使油液變質，不僅易產生故障還會降低系統使用壽命和工作可靠性。

圖1 液壓系統能量的轉換與傳遞示意圖

1.3能效分析

根據液壓系統能量的轉換和傳遞的過程圖，可粗略列出其總效率η的表達式[2-3]：

η=η1×η2×η3，

(1)

式中：η1為液壓能量轉換效率，η1=ηa×ηb×ηc，ηa為電機的總效率，ηb為液壓泵的總效率，ηc為執行元件的總效率；η2為液壓能量傳輸效率，η2=ηp×ηq，ηp為壓力利用率，ηq為流量利用率；η3為匹配效率。

從公式(1)可知，液壓系統的節能，最根本的是提高能量轉換效率、減少流量壓力損耗。

2 節能優化措施

根據上述能耗損失與效率分析，現可采取2方面措施進行節能優化：一方面，可選擇合適的高效元件，進而改善和提高能量轉換效率；另一方面，在液壓系統設計和技術層面減少節流、溢流損失。

2.1選擇液壓設備

1)選擇液壓泵。液壓泵類型有很多，如：齒輪泵、螺桿泵、葉片泵、柱塞泵等。由泵的工作特性可知，高壓泵在低壓區內工作，其總效率較低；同樣低壓泵在高壓區內工作，其總效率也較低。如果僅僅從節能的角度著想，應依次選擇柱塞泵、葉片泵、齒輪泵，考慮到與負載的匹配情況和不同類型的液壓泵的工作特點，一般壓力在2.5 MPa以下時選用齒輪泵，壓力在2.5～6.3 MPa選用葉片泵，壓力在6.3 MPa以上選用柱塞泵[4-5]。這些液壓泵通常情況下效率最高可達到90%，而許多廠家也正在開發新機型，以提高總效率。

2)選擇液壓控制元件。液壓控制元件是指液壓系統中的液壓閥。液壓油在液壓閥內有流動阻力，不可避免的產生泄漏，造成壓力損失，降低系統效率。液壓閥的內泄漏在一定程度上是允許存在的，它能夠改善液壓閥的工作性能，但又不能夠過度泄漏，因此可從加工工藝、手段和材質等方面考慮，選擇滿足具體工作要求的液壓閥。提高閥的容積效率是減少外泄漏的有效手段：液壓閥的滑動表面間隙影響著泄漏量，當間隙較大時，閥內部流阻小，但易造成泄漏；而當間隙較小時，可以有效地減少泄漏量，卻又使黏性摩擦阻力增大。保持液壓油連續、平穩的輸送，減少能量沖擊，也能夠保證能量的穩定傳輸和轉化，減少能量損失。

3)選擇執行元件。大多數液壓系統的執行元件都是液壓缸或液壓馬達，它們都是將液壓能轉換成機械能的機械元件，區別在于液壓缸是將液壓能轉換成直線運動的機械能，而液壓馬達則是轉換成曲線運動的機械能。對于整個系統而言，執行元件的能耗主要體現在泄漏和摩擦。這是機械元件均要面對的難題，因此我們應該在機械元件制造的開始就要考慮到從加工技術方面竭盡全力的改善元件的泄漏和摩擦，當然更重要的是，應該選擇與泵流量相匹配的執行元件，使之能滿足系統的工作需要，且能做到減少能量損耗，提高利用率。

2.2設計液壓系統

1)減少管道內的壓力損失。管道實現了各個環節的功能聯系，但是液體存在黏性，與管壁間有流阻，造成了壓力損失，能耗增加。在設計液壓系統布局時，我們應該考慮盡量減少管道的長度，減少彎曲的管道和截面的突出變化，同時也要保證管道內部的光滑，減小黏性摩擦。經常被運用的鋼管也可以換成無縫鋼管或軟管，在我們的設計中管道內徑十分重要，內徑的大小關系著內部流動的液體的流速大小，影響著壓力損失的多少，必須根據實際流速來選擇適合的管道應用于液壓系統。

2)液壓回路設計是液壓系統節能一大主題，液壓回路利用了蓄能器、回生(二次調節)回路對能量進行二次利用[6]。蓄能器是儲能元件，能夠控制在壓力、存儲或回收能量，同時也可以作為輔助動力源與液壓泵一起為系統供油。在晃蕩平臺的液壓系統僅僅是簡單地液壓系統，考慮的要點是設計回路，選擇回生回路如圖2。

圖2 液壓系統回生回路圖

2.3管理因素

液壓系統的維護和保養關系著其工作效率和使用壽命，其保養工作在人的管理工作范疇之內。液壓系統工作頻繁，我們要保證液壓設備保持在良好的功能狀態，實現工作的準確度和工作效率。

液壓油是此環節的重中之重，液壓系統中的液壓能是利用液壓油傳遞的，同時還起著潤滑、冷卻的作用。液壓油的黏度和溫度相互影響，當黏度過大會使壓力損失和發熱量變大，而油溫的升高會使黏度降低而造成泄漏量增多，并加速密封件的破損和液壓元件的工作性能降低，系統效率下降；而黏度過低會使泄漏量增大；油溫過低則會使黏度提高，流阻增加。所以工作人員應注意保證液壓油工作狀態的油溫、黏度保持良好的水平，有效地較少能量的損失。液壓油的清潔度也是關鍵，它間接地影響著液壓油的黏度，低質的液壓油會使元件和管路遭到破壞，磨損加劇，泄漏增加，能耗加劇。平時做好液壓油的過濾、處理，防止變質[7]。

實驗過程中的密封工作也十分重要。密封是實現高壓要求的保證，同時密封也能避免液壓油泄漏造成工作不力或者液壓油變質而使工作失效，甚至會造成環境污染。及時檢查設備的密封性能，做好預防工作，并根據說明書正規、準確的操作設備，竭力保證液壓系統良好的密封性能，為系統良好運行，減少能量損失、達到節能目標提供保障。

3 優化設計

在晃蕩平臺的液壓系統中選擇使用電液比例閥，其閥芯是直流電磁鐵，通過給定的電流大小調整吸合力或閥芯位移，可按比例控制流量和壓力[8]，保證液壓油的平穩輸送。比例閥部分相比于普通閥又可以提高自動化程度，減少油路設計。同時閥芯吸合時有氣隙存在，能有效地達到最佳間隙，減少能量損耗。在滿足系統需要的同時，選用較高質量的液壓缸，盡量減少液壓油泄漏，降低液壓能損失。而在系統管理方面，注意對液壓油的管理：合適的存放環境、合適的保存溫度。運行前保證機械元件、油管間連接處的良好密封性。再次運行晃蕩平臺，發現控制端發出指令后搖擺的幅度略有增加，調節并到達指定位置的時間減少了1～2 s，而且在運行的過程中噪聲有明顯的減弱。

4 結束語

晃蕩平臺采用相對簡單的液壓系統，節能措施也比較簡單，卻給予了晃蕩平臺優化和提升的空間。同時為廣泛應用大型液壓系統提供更多科學、有效的措施，不僅減少能量損失，提高利用率，還節約能源，保護環境。但是面對液壓節能技術不足的現實，必須不斷提高液壓系統和液壓元件使用性能，努力研發高效液壓系統，改進液壓傳動不足，提高節能效率，以保護環境和節約能源。

[1]韓長儀.液壓系統節能方法基礎研究[D].沈陽:東北大學,2010.

[2]譚海林.液壓系統節能問題的探討和分析[J].機床與液壓,2005(12)99-101，103.

[3]張忠獅.液壓系統能耗分析與降耗措施研究[J].液壓與氣動,2008(1)：38-40.

[4]楊爾莊.日本工業的液壓系統節能化動向[J].液壓氣動與密封,2004(4)：1-4.

[5]Steafan Heitzig,Sebastian Sgro,Heinrich Theissen. Energy Efficiency of Hydraulic Systems with Shared Digital Pumps[J].International Journal of Fluid Power, 2012, 13 (3):49-57.

[6]Arup K.Nandi.Regenerative Hydraulic Power Transmission System[J].Recent Patents on Mechanical Engineering, 2011,4(3)：243-253.

[7]胡黃卿.液壓系統的節能設計探討[J].液壓與氣動,2001(5)：1-5.

[8]王劍楠.船舶液艙晃蕩模擬系統研發[D].浙江:浙江海洋學院,2014.

A lot of energy losses exist in work in hydraulic driving system for flap about simulation platform,leading to the waste of experimental resources and cost increase.The energy saving of hydraulic system is carried on the concrete analysis and experimental demonstration,and some baseic measures and methods are put forward such as reducing pipe-bending and choosing appropriate hydraulic components.These methods are applied to flap about simulation experiment platform,which reduce the energyloss,improve the efficiency of the hydraulic system and make guiding significance to the field of energy saving of hydraulic system.

flap about simulation platform;hydraulic system;energy-saving;optimization

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2015.06.010

國家大學生創新創業訓練計劃(201410340008)；浙江省自然科學基金項目(LQ16E090003)

劉笑(1993-)，男,安徽宿州人,在讀本科生。

2015-07-08