液壓系統節能技術的應用與發展研究

姜興旺

（北京首鋼股份有限公司，河北 遷安 064404）

我們國家曾在2020年的聯合國大會上承諾于世界各國，我們國家會努力爭取在2030年實現碳峰值，并在2060年之前完成碳中和，這一承諾不僅塑造了我們負責任的大國形象，而且還彰顯了我們國家主動承擔全球氣候變化的國際責任、助力形成人類命運共同體的大國擔當，也是祖國建設的有力保障與需要。

1 液壓元件的節能技術

液壓元件的能源消耗主要體現在元件在運行過程中，元件以及連接位置時常會存在泄漏、摩擦以及發熱等現象。就損耗多少來看，損耗最多的為液壓泵和馬達，接下來是閥門類，比如溢流閥存在的溢流損失以及安裝在液壓缸或馬達回油路上的背壓閥發生的壓力損耗等。在液壓系統中使用頻率最高的液壓節能元件主要有限壓變量泵、恒定功率變量泵、恒壓變量泵以及蓄能器等[1]。

1.1 負荷敏感式變量柱塞泵

此種類型的柱塞泵擁有質量小、變量性能好、工作效率高以及脈動低、噪音小等優點[2]。為了方便對負荷信號進行采集，對該類柱塞泵進行設計時還特地設計出了一個外控負荷敏感口。所以，在實際應用過程中，只需要使用尺寸大小合適的管道便能夠把符合信號發射出去，直接連接到泵的負荷敏感口即可（泵排量會根據負載情況而實現自動調節），執行元件速度不會受到負載的影響，但是閥芯開口大小會對其產生一定影響。

1.2 低功耗電磁閥和自保持型電磁閥

電磁閥在液壓控制閥門中屬于應用比較多的一種，因此需要對總功率進行重點關注。老式電磁閥配備的電磁鐵耗能一般不低于10W，功耗比較大。最近幾年，研制出來了功耗更低的電磁閥，在研發的過程中所使用的技術是先導式雙級控制以及優化閥內彈簧設計，達到驅動功率變小的目的。這種電磁閥具備節能效果顯著、溫升低、使用周期長、靜音效果好以及更加容易實現微機控制等優點[3]。

自保持型電磁閥對電磁閥進行開關只需要瞬間給電，閥芯位置在沒有電源的情況下仍舊可以維持。最大的優勢在于能耗低，特別是在一些電池充當電源的場所，而且溫升相對更小，以致于延長了線圈使用周期，在高低溫以及防爆等場所具有非常好的安全性。

1.3 插裝閥

二通插裝閥出現于上個世紀70年代后類屬于控制元件，由相關組件、閥體以及先導控制裝置等一同構成。此類閥門具有以下優點：①插裝閥與先導控制相組合，可起到多功能控制的效果，因此可以將每條流道上的串聯閥門數目減到最少，同時對大流量的主回路還能起到簡化作用。②盡管先到控制使用的還是潤閥元件，但是通流功率有所下降，流動損失相應變小。③錐閥式插裝閥較之同通經滑閥具有開啟度大、流動順暢、密封性好等特點，因此在壓力損耗與泄露損失方面也有所下降[4]。

由此可見，用插裝閥取代以前的滑閥式元件所構成的液壓系統，在節能效果方面更具優勢。

1.4 變截面液壓缸

常規活塞缸的內部是直徑相等的圓柱表面，活塞此時會時刻與其內部接觸。而變截面液壓缸在對內壁進行設計時采用的是兩個直徑不等的圓柱面，即常見的階梯型。以階梯為分界，上為空行程段，下為工作段。基于液壓缸上段缸體內壁直徑變大，當活塞在上半段時不予內壁發生接觸。油缸上下兩腔兩部分借助活塞與缸體內壁空隙完成完美連接，這時油液在缸體內實現“體內循環”，此時與柱塞缸無異，柱塞直徑與活塞直徑一樣；當活塞處于運行到下段時與缸體內部是接觸的，此時被稱之為活塞缸。通過應用此種液壓缸，在上下空行速度一樣時，因受到“體內循環”影響，油缸的進油量與排出量會呈現下降趨勢。這時，液壓泵及其電機工作功率會明顯下降，繼而規避了選取大流量、大功率液壓泵造成的能量損耗。

1.5 選用液壓蓄能器

蓄能器被作為液壓系統高頻輔助元件之一，主要被充當動力源、緊急動力源泄露補充以及維持壓力恒定、緩解液壓沖擊以及吸收脈動減弱噪音等使用。在設計過程中對蓄能器相應參數以及液壓泵參數進行合理設置，在滿足系統功能不受阻礙的基礎上，有效降低液壓泵以及原動機的裝機容量，同時確保液壓系統能量得到有效利用，促使系統降低發熱、溫升，從而對系統效率實現有效提升。當下，蓄能器充當輔助動力源被大力應用到液壓設備中，被當成是液壓系統達到節能效果的關鍵技術手段之一。

2 液壓系統的節能技術

2.1 合理選擇液壓源

對液壓源進行選擇的過程中，首先應該對液壓系統的運行狀況進行有效分析，對負載壓力、流量及其功率的實際分布與基本要求進行掌握，從而更好的對液壓源進行選擇。為了讓系統實現高效率、高節能的運行效果，現代化的液壓系統具備壓力補償控制、負載感應控制以及功率協調等特性。高效的系統不僅可以供給動力源壓力、流量，還能夠和執行元件負載實現協調。力士樂公司研究發明出來的泵控技術，去掉了全部控制閥，使得液壓系統的效率得到了顯著提高。

2.2 控制元件的選擇

控制元件不屬于能量轉換元件，而是屬于閥類元件一類，同為流阻。因此它也注定會失去一定壓力，進而致使系統效率無法被保證，所以對控制元件、液壓節能元件進行選擇時必須要慎重。對系統方案進行設計時，應該結合系統中有關位置以及最大運行壓力、流量選擇出最佳的規格。在條件充分的情況下，還應該將分離式單功能元件用集成閥進行取代，以此來達到節能的最佳效果。

2.3 充分利用復合傳動實現節能

有些場所利用其他傳動方式與液壓系統組合所形成的新的復合型傳動控制裝置，填補兩者之間的不足之處，以此達到節能標準。

第一，機械與液壓、泵與馬達組合構成的純液壓傳動裝置應用在大功率主傳動的狀況中時，具有體積偏大、質量超大以及最大傳動效率比較低等不足之處，其中機械一液壓組合成的符合傳動裝置能夠兼容液壓傳動與齒輪傳動的優點，彌補以上不足之處。它把液壓傳動裝置和行星齒輪結構組成了一個整體結構，促使機械部分對大部分功率的傳輸工作進行負責，而液壓部分會將剩下的功率傳輸工作完成。由于機械部分在傳動效率方面的效率比較高，哪怕液壓部分效率無法保證它也能夠保證很好的總效率，由此可見液壓部分承擔了該裝置的調速功能。

第二，氣一液形成的傳動裝置，由于氣體與液體同屬于流體，因此更容易實現界面轉換，與其它傳動模式相比更具優勢，這種復合裝置與純液壓型相比，具有節約資源、經濟效益高、響應速度快以及泄露途徑少等優勢，因此其應用范圍更廣，發展更加迅猛。

2.4 定量泵加變頻調速電機電液系統

異步電機在變頻調速中因為它在調速方面具有效率高以及性能好等優勢，被大力應用到液壓系統中；最以大功率間歇運動調速系統運用最多，其中注塑機比較典型。交流變頻調速液壓系統較之現有節流調速系統，不僅有效規避了節流、溢流損失以及卸荷損耗，而且在很大程度上還提升了原有異步電機的實際工作效率，對功率因數進行了完善，這也正是優于其調速模式的地方[5]。借助變頻器對泵的轉速進行改變，促使泵在輸出流量時能夠滿足系統需要，減弱溢流損失，從而實現解決能源的目的。

2.5 定量泵加比例閥的壓力匹配系統

該系統在溢流節流調速的基礎上，保障系統穩定運行的同時，使得液壓泵在供油時的壓力隨著負載變化而進行變化，將功率損耗與發熱量降到最小，從而實現效率提升的最終目的。同樣使用變量泵加比例節流閥/比例換向閥抑或是定量泵加比例節流溢流閥，也能將效率提26%～43%。

2.6 容積調速液壓系統

該系統主要通過改變液壓泵或者液壓馬達的排量進而完成速度調控[4]。液壓泵排放出來的的壓力油完全轉至液壓馬達，有效減少了節流與溢流損耗。此種系統由于具有工作效率高、發熱量少并且調速區間寬等特性，通常會用于功率相對較大無級調速液壓系統中，如收獲機或者是拖拉機等液壓驅動系統。

3 液壓系統管理的節能措施

上文中提及的所有節能措施都有利于液壓系統實現更好的節能效果，但是如果缺少好的管理，液壓系統的節能效果依然得不到很好的發揮。對運用進行管理的主要目的與意義就在于為液壓系統擁有極佳的工作狀態提供保證，促使系統性能得到更好的發揮，以實現最佳的節能效果。在實際生產過程中可以利用以下4種管理措施進行干預。

首先，應該對設備有關檢修、保養等有關人員定期開展基礎知識培訓與專業訓練，幫助其儲備一定的專業知識技能與管理經驗。

其次，建立健全點鑒定維修制度，對系統的實際運行狀況進行詳盡掌握，對于查出的故障及時采取措施進行消除，降低問題出現的幾率，從而保證系統穩定運行。

然后，對液壓控制系統進行不斷優化，如對控制速度進行優化以此來降低系統壓力的沖擊，并將油溫控制在合理范圍內，縮短液壓系統在無負載狀況下的運行時間等。

最后，促使液壓系統始終保持清潔干凈。鏡柜液壓專家以及元件制造廠相關統計數據發現：高達85%的液壓元件故障是由于油污造成的。加拿大給出的統計數據顯示約有70%～80%的液壓系統失靈是因為油液純凈度不高造成的[6]。這也就意味著液壓系統的清潔度對于系統實現正常運行具有非常重要的保護作用，讓系統擁有最佳的清潔度，能夠減輕液壓元件磨損程度，減少泄漏發生率，有效降低系統故障與外泄幾率，這在很大程度上對于系統實現節能降耗具有至關重要的作用。

4 液壓節能技術的未來發展趨勢

近年來，由于數字技術不斷向前發展以及軟件技術的飛速進步，液壓節能系統的發展也趨向于高性能、易操作以及節能性號等。其發展趨勢主要體現在以下幾個方面。

（1）對液壓系統中的動力裝置效率進行有效提升，減少能耗，逐漸提高運行效率。

（2）設計出全新的液壓系統或者對現有液壓系統進行優化完善，進而達到液壓系統功率提高、能耗降低的目的。

（3）利用具有節能效果的控制元件、執行元件以及輔助元件，不斷提高基礎材料質量與加工精度，對加工工藝進行改進創新等。

（4）積極研發全新的連接方式或密封材料，減少泄漏概率。

（5）做好液壓機械設備的防泄漏措施；對液壓油的純凈度進行不斷提高，同時對用過的液壓油實行凈化處理以實現循環利用的目的。

（6）對液壓系統中的能量進行回收，經過相應處理后再加以利用。

（7）主動與其它新型節能技術、制造加工工藝以及新型材料進行有機融合。

5 結語

總之，將高效率的液壓元件應用到液壓系統中去，并對其進行適時調節，有利于提高系統效率，有利于對相應元件管路進行合理設置，同時對油液進行合理選擇，利用新型技術與材料確保液壓系統實現節能降耗的目的。利用上述措施能夠幫助系統效率有效提高5%～15%。提升其工作效率滿足節能環保與可持續發展要求，促使其在今后發展中發揮出更主要的作用。