液壓系統能源裝置選用時的節能分析

四川建筑職業技術學院 交通與市政工程系 四川德陽 618000

1 分析背景

當今世界,能源供應日趨緊張,節能作為一個重要的課題,引起了各行業的廣泛關注。液壓系統節能的目的是提高液壓系統能量的利用率,即提高液壓系統的效率[1]。液壓系統由能源裝置、執行裝置、控制調節裝置、輔助裝置、傳動介質等五部分組成[2]。能源裝置的合理選用對于液壓系統的節能而言非常重要。

液壓系統能源裝置由原動機和液壓泵組成,作用是為液壓系統提供壓力油。原動機一般為內燃機、電動機或其它形式的能量供應裝置,液壓泵同樣存在多種不同的結構形式。

2 原動機的選用

液壓泵通常由電動機或內燃機驅動。電動機工作時輸入的電能轉化為機械能,隨后傳遞至液壓泵。轉化過程中損失的能量較少,傳動效率較高。內燃機工作時,燃油燃燒產生的能量轉化為機械能,隨后傳遞至液壓泵。內燃機的工作特性決定了自身在工作過程中存在一定的能量損失,由于液壓系統工作時負載經常發生變化,導致內燃機的燃燒效率和功率利用率處于不穩定狀態,工作時效率較低。

綜上所述,對于液壓泵而言,電動機作為原動機使用時,其工作效率往往高于內燃機。由此可見,對于工作場所比較固定、取電方便的場合,優先使用電動機作為原動機。對于移動式液壓系統,例如行走機械所配備的液壓系統,可以使用內燃機作為原動機。此外,取電不便時,也可使用內燃機。

3 液壓泵的選用

3.1 結構形式

液壓泵按照不同的結構形式,可以分為齒輪泵、葉片泵、柱塞泵等[3]。每種泵的結構形式不同,工作效率也有一定差異。各種結構形式液壓泵的總效率見表1[4]。柱塞泵由于圓柱面運動副泄漏量極小,容積效率很高,因此總效率較高。齒輪泵由于泵體內腔內泄漏嚴重,容積效率低,因此總效率較低。

表1 液壓泵總效率

泵的總效率不同,意味著工作時液壓泵的功率損失也不同。選用液壓泵時,除考慮液壓系統的工作情況和所需要的壓力、流量、工作穩定性等因素外,還應考慮泵的總效率。例如,負載大、功率大的液壓設備,如龍門刨床、拉床、液壓壓力機等,可選用徑向柱塞泵或軸向柱塞泵,在滿足高壓力的同時,能夠提高傳動效率,節約能量;一些負載小、功率低的液壓系統,如送料裝置液壓系統、機床夾緊裝置液壓系統等,可選用齒輪泵或雙作用葉片泵等,不但能夠節省成本,而且方便維護維修。對于組合機床,需要實現空載快速進給、工作慢速進給、空載快速退回的工作循環,即小負載時快速運動,大負載時慢速運動,這一要求與限壓式變量葉片泵的壓力流量特性相匹配。限壓式變量葉片泵作為組合機床的動力源時,可使輸入功率不會出現較大起伏,在最大程度上利用原動機功率,節省能量。

3.2 定量泵與變量泵

排量可變的泵稱為變量泵,反之稱為定量泵。定量泵和變量泵在液壓系統中均有廣泛的應用。在設計液壓系統時,應根據機械設備工作裝置的特點及節能特性等因素進行定量泵和變量泵的選用。

對于工作速度比較穩定,即流量比較固定的液壓系統,可使用定量泵作為動力源。如果單純使用定量泵,而沒有調速措施,那么執行裝置的速度將不會發生變化,不適合用于工作速度經常發生變化的場合。

在定量泵供油的液壓系統中,用流量控制閥對執行元件的運動速度進行調節,所對應的回路稱為節流調速回路。節流調速回路是在工程機械、礦山機械、組合機床、壓力加工等領域應用較為廣泛的一種調速回路[5]。圖1所示為回油路節流調速回路。在節流調速回路中,由于溢流閥始終處于調壓溢流狀態,系統工作時總有一部分壓力油液通過溢流閥流回油箱,因此會造成較大的能量損失,系統效率不高。

圖1 回油路節流調速回路

當機械設備工作時的速度連續變化而需要無級調速時,可使用變量泵。變量泵與液壓馬達可組成容積調速回路。容積調速回路是利用變量泵的排量變化來實現調速的一種回路,如圖2所示。容積調速回路動力元件所輸出的油液直接進入執行元件,既沒有節流損失,也沒有溢流損失,因此回路效率較高,且調速方便,在大功率、大負載液壓控制系統中有廣泛應用[6]。當然,變量泵相對于定量泵而言,價格更高,控制更復雜,抗污染能力較弱[7]。此外,容積調速回路一般多為閉式回路,由于液壓油存在泄漏,必須配置相應的補油油路。容積調速回路應用于大功率系統中,油液的發熱比較嚴重。油液溫升過高會引發一系列問題,如油液劣化變質等,因此有時需要單獨設計置換油路,以滿足液壓油的冷卻要求。這樣會加大液壓系統的功率損耗,降低傳動效率。

近年來,隨著電動機變頻調速技術的不斷發展與進步,變頻調速電動機與定量泵的組合越來越多地出現在液壓調速系統中。

圖2 容積調速回路

電動機作為原動機時,液壓泵輸出流量與電動機轉速的關系為:

q=ηvVn/1 000

(1)

式中:q為液壓泵的流量;ηv為液壓泵的容積效率;V為液壓泵的排量;n為液壓泵的轉速,即電動機的轉速。

異步電動機輸出軸的轉速n為:

n=60f(1-s)/p

(2)

式中:f為電動機電源的頻率;s為電動機的轉差率;p為電動機定子繞組的磁極對數。

由式(1)、式(2)可得液壓泵的流量q為:

q=0.06ηvVf(1-s)/p

(3)

由式(3)可知,變頻調速技術通過改變電動機定子繞組供電頻率來改變電動機轉速,從而調節液壓泵的轉速,實現對液壓泵輸出流量的控制,使液壓泵的輸出流量滿足工藝需求,調速時既沒有節流調速的溢流損失,也沒有容積調速油液溫升過快等缺點。變頻調速范圍寬,平滑性好,具有優良的動態特性與靜態特性,是一種較為理想的高效、高性能調速手段[8]。將電動機變頻調速技術應用于液壓系統,可以簡化液壓回路,減少液壓系統的能量損失,提高系統效率。

3.3 單泵與多泵

在液壓系統中,液壓泵的數量可以是一個,也可以是多個。泵的數量取決于系統的作業要求,同時也要考慮節能。工作裝置的動作比較單一,或動作較多但沒有復合動作時,可選用單泵,如推土機液壓系統。

當液壓系統中存在多回路、多執行元件時,宜選用多泵。由于這類系統中多個執行元件往往既有獨立動作,又有復合動作,因此若采用單泵,勢必會造成發動機功率不能充分利用,從而產生較大的能量損耗,降低發動機功率的利用率。

圖3所示為液壓挖掘機的雙泵雙回路液壓系統。A泵向動臂液壓缸、斗桿液壓缸、回轉液壓馬達及左行走液壓馬達供油,組成一個回路。B泵向鏟斗液壓缸、動臂液壓缸、斗桿液壓缸、右行走液壓馬達供油,組成另一個回路。

圖3 液壓挖掘機雙泵雙回路液壓系統

兩個回路之間互不干擾,可以各自獨立進行工作,也可以保證進行復合動作。在挖掘機工作的一個周期內,動臂和斗桿都存在各自單獨動作的可能性,為提高生產效率,采用A泵與B泵雙泵合流的方式,即換向閥2與換向閥3的閥芯串聯,換向閥4與換向閥5的閥芯串聯。當動臂或斗桿單獨動作時,可以實現雙泵合流,單獨向動臂液壓缸或斗桿液壓缸供油,從而實現動臂液壓缸或斗桿液壓缸的快速伸出與縮回,進一步提高生產效率和發動機的利用率[9]。

4 結束語

隨著能源的日益緊缺,節能無疑具有十分重要的現實意義。在設計液壓系統時,設計人員一般更多注重系統的功能和可靠性。如果不考慮能耗,那么會因為液壓油溫度升高而增大泄漏量,降低密封效果,危及裝備使用的可靠性和安全性,同時也與當前建設節約型社會不相符[10-14]。在設計液壓系統時,合理選用能源裝置,可節約能量,提高效率。筆者對液壓系統能源裝置進行了節能分析,為能源裝置的選用提供參考。