節能技術在液壓系統中的應用

高源

本鋼浦項冷軋薄板有限責任公司，遼寧本溪，117000

0 引言

在各種能源資源都日趨緊缺的背景下，節能成為新時代的發展主題。根據相關的調查研究發現，在設計液壓系統時，相關設計人員的主要研究重點為系統功能的實現以及安全性與可靠性的提高，這樣節能的重要性往往會被忽略，從而導致了一系列問題的發生。針對這一情況，就需要在液壓系統中合理應用節能技術，以助于各項能量損失的減少、裝備使用壽命的延長，從而確保系統工作的可靠性。

1 液壓系統的能量損失

根據相關的調查研究發現，現階段導致液壓系統能量損失的原因主要包括以下幾個方面。①能量轉換損失。這主要是由于能量轉換元件在進行能量轉換時受到機械摩擦以及壓力等影響而導致的；②匹配損失。這主要是由于動力源與負載特性難以相互適應所引起的；③傳輸損失。這主要是由結構布局所決定的；④由于設計方面存在問題造成了能量損失情況的發生；⑤能量損失情況的發生可能是由于工作介質的選擇不合理[1]。

2 恒功率控制型變量柱塞泵在液壓系統中的應用

為了能夠有效減少功率損失，就需要將恒功率控制型變泵量柱塞泵合理應用于液壓系統中，此類泵的主要特點是在低壓情況下，能夠實現較大流量的輸出，并且會隨著泵出口壓力而不斷增高，這樣泵的輸出流量也會隨之而不斷減小，恒功率控制型適泵的工作原理則是將功率調節模塊增加于恒壓泵上，這一功率調節模塊一定是能夠讓泵輸出流量不斷變小的，而功率閥則能夠發揮這一效用。泵輸出的特性主要可分為以下幾個狀態：①如果泵出口壓力處于較低狀態時，那么變量活塞就能夠明顯縮回，而斜盤的傾角則是最大的，那么輸出流量也是最大的。②如果泵出口壓力不斷升高，并且能夠對功率閥的彈簧設定壓力有效克服，那么斜盤傾角則能夠在變量活塞的驅動下逐漸變小，這樣與之對應的輸出流量則會隨之而不斷下降。倘若變量活塞以及功率閥均有機械反饋作用存在，那么壓力上升以及流量下降時，就會保持在一定的范圍之內，這樣壓力與流量的關系則為反比關系，從而能夠使壓力與流量的乘積，也就是液壓功率無限接近于常數，從而稱之為恒功率。③如果泵出口壓力上升到恒壓閥的設定壓力，那么斜盤傾角則會在變量活塞的驅動下無限接近于零，此時泵只能在系統壓力下對泄漏量予以維持。除此之外，還可以在液壓系統中應用負載敏感泵，這是容積調速回路的主要構成部分。壓力補償（恒壓）控制型柱塞泵的功率特性主要是利用泵出口的恒壓閥手輪進行調節，倘若泵出口壓力不能與恒壓閥設定的壓力值相符，這樣的泵就可以作為定量泵；倘若泵出口壓力能夠與恒壓閥設定的相應壓力值相符，并略微超過，那么泵所輸出的流量就會逐漸變小，一直到截流方可通知，實際上就是在維持系統壓力時，系統不會接收到相應的流量，當然在這樣的情況之下，也不會出現溢流損失情況。而負載敏感控制型柱塞泵的功率特性則是將流量調節模塊增加于恒壓泵上，這一流量調節模塊則能夠讓泵變量機構動作。

3 液壓系統的節能措施

壓力損失與旁路損失是導致液壓系統能耗損失的兩個主要原因，為了能夠將這兩種損失大大減少，以促進整個系統效率的提高，就需要優化利用節能技術。以下為液壓系統的主要節能措施。

3.1 液壓泵選用高效率、低能耗產品

作為初次能量轉換的裝置，泵會極大地影響液壓系統的總效率。要想促進能源利用率的提高，就需要對動力源進行合理選擇，這是非常重要的一個環節。根據相關的調查研究發現，栓塞泵在實際運行過程中中，不僅能夠達到良好的節能目的，而且運行效率相對最高；螺旋泵雖然也具有良好的節能效果，不過運行效率相比于栓塞泵要略低一些；葉片泵雖然運行效率與螺旋泵不相上下，不過節能效果與預期目標有著一定差距；齒輪泵相比于其他三種類型的泵，不管是節能效果，還是運行效率都是相對較低的，但不管是哪種泵，都有著各自的優勢與不足。在選擇這些泵時，需要根據液壓系統的復雜程度、流量精度要求等實際需求，進行泵源的優化組合，而且為了能夠不斷提高其運行效率，就要適當進行變頻調速，并適時調節輸出功率[2]。

不同功能的液壓回路對于動力源有著不同的要求，通常情況下，可將其分為三大類。第一類，壓力接近或者是壓力相同的壓夜系統，其流量變化是相對較大的，那么動力源則需要使用恒壓變量泵；第二類，如果是泵保壓系統、蓄能器系統等液壓系統，其功率都相對較大，且負載逐漸緩慢性地增大、有較長保壓時間要求的，那么就需要選擇恒壓恒功率變量泵；第三類，如果是多執行元件系統，那么其壓力不同、流量也不同，在這種情況下，就可以采用雙壓、雙流量恒壓變量泵或者是負載傳感變量泵。

3.2 合理設計液壓回路

液壓系統功率損失對于系統總功率會帶來不同程度上的影響，而且還極有可能引起油液變質、油溫升高等其他現象的發生，從而會導致液壓設備在實際運行中會發生一系列故障問題。所以，在進行液壓系統的液壓設備進行設計時，一定要始終貫徹落實節能這一原則，并且在不會對系統各項功能指標帶來影響的情況下，要高效、經濟地利用各種能量?？偠灾?，要想將液壓系統的功率損失有效降低，就一定要綜合對各種措施進行利用，一定要選用高效且節能的動力源系統。根據相關試驗探究發現，在不同工況下液壓設備的能量消耗會呈現出極大差異性。導致液壓設備能量消耗比較大的原因主要為壓力過大，而動力源的輸出流量比具體的系統需求明顯大很多。所以，為了能夠達到動力源的節能效果，就需要采取具有針對性的措施將匹配效率逐漸提高。以下為節能型的動力源系統簡介。①采用兩臺油泵組成供油回路。組成供油回路的兩臺油泵不管是壓力方面與流量方面，還是類型方面，都有著極大的不同，多數情況下，油泵的工作狀態轉換則是利用電磁閥來實現的，以助于實現能源的節約，并且能夠將液壓系統能量轉換效率提高。液壓泵是一種高壓小流量變量泵，使其流量遠遠比具體需求更大，所以，就應該通過安全閥對其工作壓力來進行合理調定。而另一個液壓泵則屬于低壓大流量定量泵，為了能夠滿足整個液壓系統快速運動需求，就需要將兩個液壓泵流量相加，這樣該液壓泵的工作壓力則明顯更小于液控順序閥的調定壓力。根據相關的實踐研究表明[3]，這種快速回路是十分復雜的，而且成本相對較高，不過其功率利用率也非常高。②供油回路采用二次調節系統。二次元件、恒壓源以及控制調節裝置等都屬于二次調節系統的重要組成部分。在恒壓回路中，為了能夠使二次元件排量得到有效改善，僅僅將二次元件的斜盤傾角進行合理改變就行。不過為了能夠有效調整變量泵排量，就需要對系統壓力進行充分利用。倘若是在液壓泵工況下工作的二次元件，就需要將相應的能量回饋給系統，這樣這些回收的能量就能夠儲存在蓄能器中。所以，二次調節系統的壓力則會處于一個恒定狀態中，這樣在系統運行過程中就不會存在節流損失情況發生，以極大地提高液壓系統的效率。所以，供油回路所應用的二次調節系統則能夠將節能效果充分發揮出來。

3.3 合理配置油箱

為了能夠使節能技術在液壓系統中的應用效果更加顯著，就需要合理配置油箱。首先，要合理對油箱容量進行配置。眾所周知，貯油以及散熱是油箱的主要功能，另外，還能夠把空氣以及雜物等都從油中分離出去。要想能夠使油料資源被有效節約，就需要在進行油箱設計時確保其能夠與液壓系統的容量要求相適應[4]。倘若在實際設計過程中，油箱容量過大，那么設備容量與設備占地范圍也會隨之而不斷增大。倘若在實際設計過程中，油箱容量過小，又與預期散熱效果不相符，那么就極為容易導致油溫大大升高，這會嚴重影響液壓油的使用壽命。根據相關的實踐研究發現，倘若油溫超過550攝氏度，那么每升高90攝氏度，液壓油一半左右的壽命就會縮短，所以，對于油箱的有效容量一定要合理設計與確定。其次，對于液壓油的使用管理也要進一步加強。為了能夠使油液的使用壽命有效延長，就需要合理使用液壓油，與此同時，還需要將液壓油的現場管理工作做到位。具體而言，主要包括以下幾個方面的工作內容：①要優化并改善油箱的周邊環境；②定期檢查油液質量以及油面高度；③要將油液溫度的相應監控工作做好，并及時進行記錄，以確保油溫能夠始終在規定的指標值范圍內；④對于液壓油的污染要進行嚴格控制。

3.4 基于功率匹配的節能手段

在設計液壓系統時，主要是將各種功能作為基礎。功率匹配的液壓系統，其負載特性曲線與輸出功率通常都是相適應的，這樣所產生的流量或者是壓力并不會過度，更不會通過溢流閥溢出。簡單來理解，也就是在沒有負載的情況下，發動機會保持低速轉動，從而能夠使泵的輸出功率變得最??；如果是在有負載的情況下，那么發動機的轉速則需要由不同工況的實際需要所決定，并且要對泵的工作方式進行控制。這樣泵不管是在什么情況下（空載或滿載）都不會實現高速運轉，這樣不僅會導致燃油大大浪費，使液壓泵的磨損大大增加，而且又會導致系統生熱過多，密封圈損壞，從而增加了泄漏的概率以及裝備的不安全性，比如采用的是變量柱塞泵的功率匹配液壓系統。首先，要將執行機構的負載逐漸轉換為脈沖信號，而對發動機的油門開口度進行控制時，就需要利用微機控制步進電機的旋轉運動來實現，這樣還有助于控制發動機的轉速，從而能夠對流出液壓泵油液的流量與壓力進行優化控制，再對油門位置以及發動機轉速進行實時檢測，這樣就能夠將與負載相匹配的功率自動輸出出來。這樣更有利于控制流量，而隨著負載的變化，泵的壓力也能夠隨之自動變化，所以能夠實現更理想的節能效果。現階段的節能控制技術主要是對自動控制技術與比例控制技術進行綜合利用，其價格相對高昂，只在自動化程度較高的系統中相適應，而PID控制器的形式則主要是離散形式[5]。

3.5 采用能量回收措施節能

在液壓系統中應用節能技術，還可以使用能量回收措施，也就是將蓄能器安裝在液壓系統中。這樣能量就能夠被有效地貯存或者回收，在系統運行中就能夠成為其中的輔助動力源，系統所需的油則是與液壓泵一起來完成。要想在不影響系統功能實現的基礎上將液壓泵以及原動機的容量大幅度減少，就需要合理匹配蓄能器參數與液壓泵參數，這樣更有利于合理應用系統能量，并使系統發熱與升溫情況大大減少，從而促進系統效率的大幅度提升?，F階段，在各類液壓設備中基本上都將蓄能器作為輔助動力源進行廣泛應用，這是當前液壓系統實現節能的一個重要手段。不同的執行器，在能量回收時其油路也具有較大差異。如果是液壓缸執行器，則能夠有效回收負載機械能，而定量泵或者是馬達則具有4個象限功能，分別為正轉、反轉、泵、馬達等，此時所選用的結構則是柱塞式結構。倘若變量泵或者馬達處于工況時，就需要由液壓缸驅動外負載做功；如果是將變量泵作為泵時，就可以在進行能量回收時，把負載的機械能轉化為液體的壓力能，這樣蓄能器中就能夠儲存系統多余的壓力油液。在進行能量回收時，需要對變量泵的排量進行適當調節，這樣就能夠產生一定的阻力，以平衡外負載，從而能夠避免超速運行的情況發生。如果是液壓馬達執行器，那么負載落下時的能量則能夠在壓力油箱中儲存，再利用起重機也就是液壓馬達空載向上返回，同時將制動作用充分發揮出來。而泵則能夠使負載提升得更加緩慢，在將二通換向閥后就能夠接通，這樣負載下落之后，就能夠使液壓馬達作為相應的泵，在壓力油箱中輸入油箱中的油，隨著液面的逐漸升高以及壓力的逐漸上升，連續制動效果就能夠逐漸產生[6]。

4 結語

綜上所述，隨著經濟增長速度的日益加快，各種能源資源都變得比較緊缺，為了能夠有效緩解這一問題，就需要注重節能技術的發展。在液壓系統中，應用節能技術的主要目的是在確保不會對系統功能產生影響的情況下，將溢流損失盡可能減少，并且能夠讓泵的流量與負載所要求的流量保持一致性。以往只追求功能的設計思想與現代化液壓系統的實際需求并不相符，所以要積極轉變這一思想，緊隨時代發展步伐，注重功率匹配以及初始能量轉換效率的提高，這樣既有利于能源的有效節約，又能夠在確保運行效率與安全性和可靠性的前提下節約運行成本。