機械液壓系統節能設計的研究

王廣貞， 李正虎

（小松機械制造（山東)有限公司， 山東 濟寧 272023）

0 引言

為了充分發揮出機械液壓系統的作用，全方面體現出節能環保的功效，要在關鍵環節優化各項細節性設計，保障機械液壓系統穩定運行。

1 液壓機械傳動控制系統的基本內容

1.1 概述

液壓機械傳動控制系統由硬件與軟件兩部分組成。硬件部分包括儲存器、微處理器和編輯器等，軟件部分包括系統程序與用戶程序。液壓機械傳動控制系統通過施加不同的壓力，控制系統中的液體平穩，保障系統的平衡。在平衡系統中，需要根據軸承容量選擇不同尺寸的活塞施加壓力，從而控制液體保持平衡與靜態[1]。而不同尺寸的活塞，施加的壓力大小有所差異。相同環境下，尺寸較大的活塞，其施加的壓力就相對較大。反之，尺寸較小的活塞施加的壓力壓力較小。通過液體的連續運動，將活塞施加的動能轉化為機械能，從而完成相應的工作。

1.2 優點

液壓機械傳動控制系統主要有以下優點：

1）功率高。相比于傳統的液壓傳動和機械傳動，液壓機械傳動控制系統引入了現代化信息技術，能夠高效、精準地控制系統，提高了能量的轉化率，具有著功率高的優點。尤其是PLC 技術的應用，實現了系統的集成化、自動化控制，避免了無功消耗，有效功率可以達到最大[2]。

2）小型化。液壓機械傳動控制系統通過現代化信息技術進行硬件控制，且各種元件采用了輕便的材質，能夠實現系統的集成化控制，具有著小型化的優點，系統的整體質量、體積相對較小。同時，系統內部的元件之間，能夠實現協調配合，系統的可操作性強，能夠基于不同的工作要求，實現高效、平穩運行。

3）穩定性。液壓機械傳動控制系統，能夠將機械運行中產生的熱量，通過液壓油的流動實現熱量的快速傳遞，減少各種損失與消耗。同時，還可以降低系統的溫度，防止因局部過熱出現故障現象，保障使用的穩定性。

4）自動化。當前，自動化、數字化已經成為我國工業發展的方向。只有實現自動化與數字化，才能降低成本，提高工作效率，保障生產質量與安全。而液壓機械傳統控制系統，就是通過現代化信息技術進行硬件元件的控制。比如，通過應用PLC 技術，可以使整個機械操作更加靈活、便捷，有效提高機械運行的效率，實現自動換擋、自動調節。

2 液壓傳動控制系統應用原理分析

目前，國內液壓傳動控制系統的工作原理是采用液壓泵將原動機的機械能轉換成液壓能，并通過不同的控制閥和管路進行能量傳輸，由液壓執行機構（液壓缸或電機）將流體的壓力能轉換成機械能，從而驅動工作機構完成直線往復運動以及回轉運動。液壓驅動時，輸送介質以控制系統內的液體為主[3-4]。液壓驅動系統的主要構成分為以下三類：

1）執行元件。執行元件的主要功能是完成能力互換，在確保在壓力變化的同時，根據不同的需要進行轉化，實現對液壓系統的控制。液壓缸、液壓馬達等都是執行元件，這兩個元件可以根據液壓系統的工作原理，將液壓油轉換到相應的朝向，保證負載驅動做功。

2）動力元件。動力元件是液壓傳動系統中的重要部件，也是液壓傳動系統的基本部件。采用動力元件，可以給整個系統提供足夠的動力，從而保證系統的正常工作。液壓泵是目前應用最廣的一種動力元件，其主要功能是保證流體的傳遞和輸送，改變原動機中的機械能，并根據液壓油壓的方向，進行能量轉化和輸出，達到液壓傳動的功能。

3）輔助元件。隨著我國的信息化程度越來越高，越來越多的自動控制技術和信息技術得到廣泛運用。輔助元件的主要功能就是確保執行元件和動力元件相互聯系，從而有效提高系統的控制性能，提高系統的穩定性。

3 優化機械液壓系統節能設計研究

3.1 變量泵控制

變量泵的應用控制技術主要是通過使用壓力傳感器有效提升發電功率，并且使用節流調速對容積調速進行替換，從而達到節能的效果。要根據變量泵的結構，對其特性進行全面的分析，選擇最優的節能技術。變量泵控制本身具有反應快、操作便捷以及節能的特點，因此，在機械設計中被廣泛應用。變量泵的控制方式分為三種：LUDV 控制、LS 負載明暗控制和排量控制。

1）LUDV 控制方式是在LS 系統的基礎研發出來的，與LS 系統相比較，LUDV 系統在敏感性控制方面更加突出。該系統的本質為單泵回路系統，其中配備壓力補償閥，使負載壓力信號數值與系統壓力值呈現相關性。在環境不會劇烈變化的情況，可以首選LUDV 系統控制。

2）LS 負荷敏感控制可以有效地控制并協調輸出壓力、負載和流量之間的關系。可以促進液壓系統的高效運行。但是，負荷會處在較高的壓力之下，對于液壓系統的穩定性是一個重大的威脅。因此，在選用LS 控制方法時要十分慎重，需根據環境中的流量進行判斷。

3）排量控制主要是根據目標排量對流量進行控制。負流量控制可以有效降低泵的功率損耗量。正流量控制是在負流量的基礎上，通過改變操作手柄壓力對轉向閥門進行控制，更加智能、更加環保。

3.2 電液比例控制技術

電液比例控制方式較多，按照系統控制方式劃分可以分為開環控制與閉環控制。按照輸入信號的形式可以分為有恒值系統與隨動系統。恒值系統輸入的參考數據一般是保持恒定值，可以消除干擾信號對系統輸出的影響。按照功率調節元件分為閥控系統與泵控系統，閥控系統具備節流的特性，可以有效控制流量損失率，結構簡單、便于操作。泵控系統可以自由地調節泵的結構參數，具備系統效率高、發熱量低等特點。

電液比例控制在80 年代就開始應用于液壓機械，具備很多優點。電液比例控制可以有效地簡化液壓系統，使用簡單的結構即可實現復雜的控制效果，經濟實用、可靠性高。在電控器中設置好坡斜函數之后，可以滿足較高精度無沖擊的減速控制，有效改善控制過程的品質。電液比例的引入不僅能夠簡化液壓信號傳輸的過程，還能有效提高液壓系統的反應速度，提升傳輸效率。優化后的機械液壓系統，在使用時更加靈活、簡便。隨著網絡信息技術的普及，電液比例技術與信息技術進行融合，獲得了智能化的特性，凸顯出電液比例技術的適應能力，進一步拓寬了電液比例控制技術的應用空間。電液比例控制技術在工程機械中運用，還可以對機械參數、液壓信號等進行實時智能監控，保證設備高效運轉，有效提高設備的能源利用率。

3.3 多閥路控制技術

多路閥分四通閥和六通閥，在多路閥門有限回路的設計中會受到供油線路的限制，設計人員需要綜合考慮，平衡二者之間的關系。多路閥控制方式能夠對系統中的壓力與功率進行準確監控，該技術已經被廣泛地應用到不同行業，負荷傳感控制措施就是其中的使用典范。負荷傳感技術可以按照人為設定的數據進行自適應控制。在油泵與操作閥之間、操作閥與執行器之間以及執行器與回油路之間安裝有負荷傳感作用的壓力補償閥，整個機械就具備了自適應能力。在設置補償壓力閥的時候需要注意壓力閥的安裝位置，安裝位置不同，其控制精度與控制效果也會不同。通常情況下，將壓力補償閥放置在油泵與操縱閥之間，可以有效利用其壓差，實現按需輸出，保證機械運作不受負荷大小的影響。

3.4 混合動力節能技術

傳統的液壓動力系統存在較多的問題，最主要的缺點就是工作效率低、能耗大，無法實現負載匹配，不能滿足可持續發展的要求。為了解決上述問題，設計人員從多方面進行考量，決定采用混合動力節能技術，確保電池與柴油在同一時間工作，最大限度地解決負載能力過低的問題。如果負載能力過低，柴油機就擔負起發電任務，將多余的電量儲存起來。如果負載過大，就采用混合供能的方式為機械運轉提供能量，能夠有效節約能源。隨著技術的發展，混合動力技術逐漸成熟。例如，小松HB205-1 與卡特彼勒336E型搭配的混合動力節能技術，有效綜合了二者的優點，既具備傳統動力系統的優勢，又能有效降低能耗與噪音，可謂一舉兩得。混合動力系統還能有效延長機械的運作時間，達到節能的目的。

另外，也可以從改善外部因素的角度入手，改善設備的外部環境。設備的常見問題就是高溫，企業可以增加通風設計或者是添加輔助散熱的設備，防止設備過載運行，造成巨大的能量損耗。同時，要對設備進行定期維護，塵土過多會產生靜電，降低設備的靈敏度，出現負載量較高的問題，產生較大的能量損耗。

4 結語

機械液壓系統節能優化設計可從兩方面入手：一是直接應用于設備的技術手段，如變量泵控制、電液比例控制技術、多閥路控制技術和混合動力節能技術等。二是從設備的外部環境入手，降低設備的能耗。兩個方面相互結合，互為補充，能夠有效降低液壓系統的能耗，降低設備的故障率，保證設備平穩運行。