起重機液壓系統的效率和功率適應控制探討

李武　鄧玲

摘 要：近年來液壓傳動系統在我國工程機械的發展中起到了至關重要的作用，并得到了快速發展和廣泛應用，起重機液壓系統的質量可用工作性能和效率來評價，但是液壓系統仍然存在著缺點，功率損失、系統發熱、能量損耗等降低了系統的傳動效率。功率適應系統能實現壓力補償和流量補償，特別適用于負載變化大、調速范圍寬和大功率的工程機械。液壓泵的輸出功率，或原動機提供的功率總是與負載所需要的功率匹配，能量損失小，系統效率高。同時，這種系統能實現連續比例控制和遠控，是一種性能好的節能系統。該文主要討論了起重機液壓系統的效率和功率適應控制。

關鍵詞：起重機液壓系統 效率提高 功率控制

中圖分類號：TH213 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）06（b）-0053-02

在我國工程機械的發展中，液壓系統起到了非常重要的作用，且應用的范圍也十分廣泛，已經成為了工程機械、建筑尖端產品中不可缺少的重要技術，在壓力能和機械能的轉換方面也取得了很大進展，但是與此同時，液壓傳動系統也存在著許多缺點。在液壓系統中，液體能量隨著油液流動損失掉；容積損失導致系統傳動效率降低；低效率和高能耗阻礙系統的工作性能等。因此探索高效的起重機液壓傳動系統功率控制措施已經成為了液壓技術研究的重點。

1 液壓系統的功率損失

1.1 泵的功率損失

液壓系統中泵的功率損失包括機械損失和容積損失，其中機械損失主要包括兩部分：（1）泵內的相對運動件在工作過程中會出現機械摩擦，從而引起轉矩損失，并且隨著壓力的增高而變大。（2）泵內的液壓油在流動過程中會體現出內摩擦力，也就是粘性，這種粘度會引起轉矩損失，粘度越大，泵的轉速越高，這項損失也就越大[1]。容積損失是指在工作過程中，泵內高壓腔的少量壓力油會經過間隙漏到低壓腔，并且壓力油的粘度越低，壓力越高，油的泄漏量就越大。這兩部分的損失分別反映出了機械效率ηm和容積效率ηv，而泵的總效率η=ηm×ηv。

1.2 管路系統的損失

液壓系統中管路系統的損失主要包括容積損失和壓力損失這兩方面[2]。其中壓力損失主要是沿程壓力損失和局部壓力損失。在液壓系統中，管路通常由若干段管道串聯而成，其中的每一段都會形成局部阻力，包括彎頭、管接頭、控制閥等，在保證相鄰兩局部阻力處間的距離相等的情況下，所有沿程壓力損失與局部損失之和等于管道系統的總壓力損失。

1.3 油缸和馬達的損失

油缸在工作工程中存在著密封阻力、慣性阻力、摩擦阻力，還存在著泄露和外泄露的現象，而馬達的結構與泵是類似的，在工作過程中也存在著機械損失和容積損失。這些都反映了執行組件的機械效率和容積效率[3]。

整體液壓系統的總效率為η=ηp×ηc×ηl，式中ηp為泵的總效率，ηc為執行組件的總效率，ηl為回路的總效率。整個系統的能量損失都轉變為熱能，使油液的溫度升高，液壓系統的總發熱量為Pi（1-η），系統產生的熱量主要由油箱散發到空氣中，系統工作一段時間后，油溫不再升高，熱量由熱表面繼續散發。

2 有效提高系統效率，實現功率控制的途徑

2.1 選擇合理的液壓系統元件

2.1.1 動力元件

液壓泵是液壓系統中不可缺少的核心元件，也是提供一定流量和壓力的動力元件，所以應該根據適用場合合理選擇，最好是選擇變量泵。因為如果使用定量泵調速節流，那么必然在系統中裝有流量控制閥，這類元件的節流損失和溢流損失會造成整個系統的能耗極高，效率極低，而變量泵容積調速可以根據實際工況自動調節，這樣可以避免節流損失，降低系統能耗，提高系統效率，改善工作性能[4]。值得注意的是：在選擇時，盡量選擇高效的性能優良的液壓泵，也不要降低規格使用。

2.1.2 控制元件

要想有效減少系統的壓力損失、提高工作效率，降低管路系統的能量損失是一個非常有效的方法。根據液壓系統的工作原理、性能特點、實際需求合理選擇管路規格和液壓閥規格，在布置管路時盡可能縮短長度，減少彎曲和截面變化，保持管路內壁的光滑，降低流速，這些措施都能有效降低管路系統的能量損失。例如合理確定管路和閥的通徑，使閥內過流面積至少為管路面積的3/4；合理確定管路口徑，限定流速，使管道內流速盡可能保持層流狀態；采用組合液壓元件和液壓集成塊，廣泛發展低功耗電磁閥和輕量化元件；優化管路系統，在保障功能的前提下，使系統不出現多余的回路，簡單可靠等。

2.1.3 執行元件

對于馬達來說，如果電機速度過低，壓差較大，那么容積效率就會降低，系統總效率也會降低，所以在選擇執行元件時，一方面不要降低馬達的排量規格，另一方面要提高容積效率；對于液壓缸來說，應注意密封條件，盡量選擇低阻力材質的密封件，可以考慮選擇復合缸。相比于同類型的普通缸，復合缸在不同壓力下會獲得不同程度的節能效果。

2.2 改進液壓系統

要想使液壓系統獲得理想的節能效果，就需要對系統的復雜程度、成本、功率損失等方面做出綜合分析，在滿足實際需求的情況下合理改進系統，使系統能夠高效、節能、可靠地運行。例如，在大噸位起重機上采用極限載荷控制技術，根據負載變化自動調節變量泵的排量，使發動機的功率輸出與負載消耗功率匹配，節省了發動機的損耗；采用高低壓泵油源組成的回路，是系統滿足低壓大流量和高壓小流量兩種工況要求；采用溢流閥回路代替調速閥回路，使系統壓力能夠隨負載變化，進而減少功率損失等。

2.3 采用負荷傳感技術和靜液壓傳動

20世紀70年代，許多國家由于能源危機開始研究負荷傳感技術和靜液壓傳動，這種技術能夠大幅節省能量，操作靈活，效率高。到目前為止，該技術所需要的液壓元件性能優良，質量穩定，品種齊全，同時對靜液壓傳動的大量研究也使得該技術更加成熟，在挖掘機、起重機、壓路機、裝載機等機械中得到了廣泛應用。該項技術不僅能夠提高工作效率，降低成本，而且能有效提高性能，良好使用負載，改善系統的調節功能，提高傳動系統的效率。

2.4 其他節能方式

（1）蓄能器的成本低廉，可以有效減少泵的容量，降低設備功率，節能效果好，便于控制。（2）采用橡塑組合密封、橡塑復合密封等新型密封形式，這種材料的密封形式摩擦阻力小，密封性能好，應用前景廣闊。（3）在液壓傳動系統的功率控制中，電液比例控制系統能夠接收數字模擬信號，進而連續成比例地控制輸出的壓力和流量，這種控制系統的控制精度高，可以使系統的工作效率提高28%～45%，適應功率控制，且維護方便。

3 結語

起重機液壓系統的傳動效率和能量損失控制一直是液壓技術研究的重點，主要需要研究液壓泵、管路、油缸馬達這些液壓系統的重要組成部分，進而分析如何減少各部分的功率損失來提高液壓系統的綜合性能，使其發揮在現代科技中的作用。

參考文獻

[1] 高志，孔衛國，王廣岳，等.降低液壓系統能量損耗的方法探討[J].煤礦現代化，2007，8（4）：60-61.

[2] 蔡宗福.淺析液壓傳動系統中的能耗問題[J].中國科技信息，2005，4（14）：151.

[3] 易迪升，彭勇，江濤，等.起重機液壓系統結構改進與效率提高[J].液壓與氣動，2014，2（8）：73-76，79.

[4] 代平之，張作龍.液壓泵回路的節能措施[J].流體傳動與控制，2007，1（1）：51-55.