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(山西建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030006)

引言

在大中型工業(yè)設(shè)備與機械中，液壓傳動技術(shù)已被廣泛應(yīng)用，目前國內(nèi)外95%以上的工程機械，90%以上的數(shù)控加工中心，90%以上的自動生產(chǎn)線采用液壓傳動。液壓傳動技術(shù)是自動化技術(shù)得以實現(xiàn)的重要手段，但由于液壓傳動系統(tǒng)要經(jīng)過多次能量轉(zhuǎn)換，其傳動效率較低。而且隨著人們對節(jié)能環(huán)保要求的逐漸提高，提高液壓傳動的效率、降低能耗損失勢在必行。

1 液壓傳動系統(tǒng)的能量損失

一個完整的液壓系統(tǒng)主要包括五大部分：動力元件(主要指液壓泵)、執(zhí)行元件(液壓缸和液壓馬達)、控制元件(各種各樣的控制閥)、輔助元件和傳動介質(zhì)(一般為液壓油)。系統(tǒng)的整個工作過程存在兩種能量轉(zhuǎn)換——機械能與液壓能的相互轉(zhuǎn)化，不同形式的能量在轉(zhuǎn)換過程中勢必產(chǎn)生能量損失。一個完整的液壓系統(tǒng)其能量轉(zhuǎn)換利用情況如圖1所示。

圖1 液壓系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換利用情況

從圖1可以看出，液壓系統(tǒng)整個工作過程的主要損失包括電動機損失、泵損失、閥和管道損失以及執(zhí)行元件損失等。經(jīng)過一級級傳遞，液壓系統(tǒng)的總效率只有70%～75%，而系統(tǒng)中的摩擦生熱、泄漏是導(dǎo)致能量損失的主要原因。

2 液壓系統(tǒng)的主要節(jié)能方式

2.1 液壓元件的選用

液壓元件能量損失的產(chǎn)生主要是由于元件及連接部位的泄漏、液壓油之間以及液壓油與元件內(nèi)表面的摩擦和發(fā)熱等原因所致。從圖1可以看出，能量損失主要在液壓泵和液壓馬達工作中產(chǎn)生，其次是各種控制閥類的局部損失及管道損失，例如經(jīng)過溢流閥會產(chǎn)生溢流損失，經(jīng)過節(jié)流閥會產(chǎn)生節(jié)流損失，以及在經(jīng)過液壓缸或液壓馬達回油路上背壓閥產(chǎn)生的阻力損失等。

液壓系統(tǒng)節(jié)能的重要手段之一是選用合適的節(jié)能元件。使用較多的節(jié)能液壓元件主要有限壓式變量葉片泵、恒功率變量泵、恒壓式變量泵、蓄能器、液壓伺服閥、比例液壓控制閥、插裝閥、疊加閥、集成閥等。

2.2 保證油液清潔度

污染的油液會隨著液壓系統(tǒng)的運行劃傷元件表面和密封件，堵塞節(jié)流孔、阻尼孔，卡住閥類元件，導(dǎo)致系統(tǒng)運行困難，致使系統(tǒng)的工作效率降低，降低了元件的使用壽命。油液污染的控制措施是：防止或減少外界污染，選用合適精度的過濾器，及時濾除系統(tǒng)中的雜質(zhì)，并定期清洗或更換濾芯。嚴(yán)格按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)定期檢查油液品質(zhì)，分析污染程度，及時更換液壓油。

2.3 提高液壓泵的總效率

選擇合適的泵，對于提高液壓系統(tǒng)的能量利用率非常重要。若要提高液壓泵的總效率，應(yīng)根據(jù)液壓系統(tǒng)的工作環(huán)境、系統(tǒng)所需壓力要求、噪聲大小等選用合適的液壓泵。還要考慮液壓泵的結(jié)構(gòu)形式以及泵內(nèi)液壓油的工作壓力、液壓泵的轉(zhuǎn)速及液壓油的類別、黏性等因素。

提高液壓系統(tǒng)泵的總效率，主要可以通過以下方式來實現(xiàn)：

(1)選用合適類型的液壓泵。壓力在2.5MPa以下時一般選用齒輪泵；壓力在2.5～6.3MPa范圍內(nèi)一般選用葉片泵；壓力在6.3MPa以上選用柱塞泵。

(2)確定合適的泵轉(zhuǎn)速。液壓泵的轉(zhuǎn)速一般在1 000～1 800r/min范圍內(nèi)比較合理，效率較高，性能最好。

(3)重視液壓油的選用。液壓油的選用要根據(jù)系統(tǒng)的實際工作壓力、工作環(huán)境溫度及運動速度等參數(shù)，選用黏度和種類合適的油。選用黏度大的液壓油可以減少系統(tǒng)泄漏，提高泵的容積效率，但同時會使摩擦系數(shù)增大，發(fā)熱增多，管路阻力增加，導(dǎo)致系統(tǒng)效率降低。

2.4 降低液壓管路系統(tǒng)產(chǎn)生的壓力損失

管路系統(tǒng)中的總的壓力損失等于系統(tǒng)中所有直管沿程壓力損失、局部壓力損失之和。降低壓力損失可以采取以下措施：

(1)適當(dāng)降低管中的液流速度。一般情況下，吸油管路v=0.5～1.5m/s，壓油管v=3～4.5m/s；回油路v<3m/s。

(2)減少局部阻力系數(shù)。盡可能避免管道彎曲，適當(dāng)縮短管道的長度。一般情況下，兩局部節(jié)點之間的長度應(yīng)大于(10～20)d(d為管徑)。

(3)提高管壁加工質(zhì)量，合理選擇油管內(nèi)徑，避免油管過流斷面突然擴大或縮小，合理選用閥類元件等，均可以使壓力損失減少。

2.5 控制泄漏

液壓系統(tǒng)大約有80%的故障是由于油液泄漏導(dǎo)致的污染引起的。減少系統(tǒng)的泄漏量可采用各種新型優(yōu)質(zhì)密封材料，選用那些相容性好并且耐磨性高的密封材料，還可采用液壓靜壓技術(shù)將泄漏量盡量控制在最低范圍內(nèi)。

控制泄漏的主要措施有：

(1)采用間隙補償。間隙密封主要是合理控制間隙的大小。

(2)提高元件制造和裝配的精度，以減小泄漏。零件裝配前應(yīng)仔細(xì)檢查，嚴(yán)格清洗，并按裝配工藝的要求裝配，確保精度。

(3)合理選擇液壓油。如果液壓油的潤滑性、腐蝕性以及剪切安定性差，會加劇滲油現(xiàn)象。

(4)正確密封。密封材料要盡量選擇耐腐蝕性高、耐磨性好、不易老化、工作壽命長的材料。密封形式的選擇要綜合考慮密封部位的尺寸結(jié)構(gòu)和配合元件的運動性質(zhì)、密封的工件條件、密封的性能等方面。

(5)嚴(yán)格控制油溫。油溫過高或過低都會直接影響油箱系統(tǒng)的工作效率。油溫過高會使液壓油黏度下降，致使泄漏增加；油溫過低會使液壓油流動阻力增加，壓力損失增多。應(yīng)采取各種措施如加強油箱的設(shè)計、加強散熱等，保證油溫在30～60 ℃的合理范圍。

(6)減少液壓沖擊和振動產(chǎn)生的危害。液壓沖擊和振動會使管路連接及密封松動，造成泄漏、壓力和流量脈動及額外能量消耗。

(7)加強零部件的生產(chǎn)加工、裝配等環(huán)節(jié)，提高加工技術(shù)水平，降低管道和零件表面的粗糙度。

(8)加強對元件運輸、保管、使用等環(huán)節(jié)的管理，盡量杜絕元件使用過程之外的損壞。

2.6 其他節(jié)能措施

(1)設(shè)計時選用能量儲存元件。在系統(tǒng)設(shè)計中可采用蓄能器、飛輪和增壓器等能量元件，以提高能量的利用率，提高節(jié)能效果。例如在低壓大流量系統(tǒng)中，選擇動力元件時采用小流量的液壓泵與蓄能器配合使用，既可實現(xiàn)短時大流量，還能節(jié)能，同時緩和液壓沖擊，吸收壓力脈動。

(2)與電子技術(shù)配合，完善液壓控制系統(tǒng)。在液壓系統(tǒng)設(shè)計中采用各種傳感器形成一套監(jiān)控系統(tǒng)，實時連續(xù)監(jiān)視系統(tǒng)的壓力。監(jiān)測到的壓力信號經(jīng)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后形成數(shù)字信號，輸入電腦，形成實時控制信號，使液壓泵及相應(yīng)的元件產(chǎn)生相應(yīng)的變化，力求能耗最低。

(3)通過合理分配流量實現(xiàn)節(jié)能。根據(jù)液壓系統(tǒng)工作內(nèi)容的需要，采用分流閥、集流閥等實現(xiàn)最佳分配流量，通過提高作業(yè)效率實現(xiàn)節(jié)能。

(4)減輕液壓元件的質(zhì)量，尤其是工作執(zhí)行元件的質(zhì)量，通過增強鋼板強度、減小鋼板厚度、改善焊接工藝等措施實現(xiàn)節(jié)能。

(5)實現(xiàn)液壓系統(tǒng)高壓化。加強密封，提高元件的加工精度，提高系統(tǒng)的工作壓力。高壓化可以使各執(zhí)行元件的尺寸相應(yīng)減小，所需流量隨之降低，由于能量損失與流量的平方成正比，從而可大幅度降低能量損失，提高系統(tǒng)效率。

(6)采用自保持型電磁閥。自保持型電磁閥只要瞬間通電即可完成閥的開關(guān)動作，閥芯位置不需用電來保持。

(7)選用插裝閥、疊加閥等集成閥，以減少管路連接的壓力損失。此外，電液比例控制閥、伺服閥的廣泛應(yīng)用，使得液壓系統(tǒng)向標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、模塊化發(fā)展，在一些領(lǐng)域逐漸代替常規(guī)滑閥，實現(xiàn)了較好的節(jié)能效果。

3 液壓系統(tǒng)常用的節(jié)能回路

提高系統(tǒng)能量利用率和降低無功損耗的重要途徑，主要是根據(jù)系統(tǒng)的工作參數(shù)要求(如負(fù)載、執(zhí)行元件速度、精度、壓力等)控制、調(diào)整液壓泵的工作運行參數(shù)，使之與工作負(fù)載相匹配。這種調(diào)節(jié)控制節(jié)能回路尤其適用于高速、重載、大功率傳動系統(tǒng)。液壓節(jié)能調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)主要包括容積調(diào)速回路、二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)、電液負(fù)荷感應(yīng)系統(tǒng)、變頻液壓調(diào)速系統(tǒng)、負(fù)流量控制、CPS恒壓系統(tǒng)等。這種調(diào)節(jié)控制節(jié)能回路具有較好的自適應(yīng)性，能有效地進行動態(tài)調(diào)節(jié)，自動調(diào)節(jié)、穩(wěn)定系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

4 液壓系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計

4.1 降低壓力損耗的節(jié)能設(shè)計

合理選擇控制閥的種類形式、合理確定閥的布置及連接形式、設(shè)計中選擇合適的管道內(nèi)徑及材質(zhì)等，可以降低液壓系統(tǒng)的壓力損耗。當(dāng)系統(tǒng)需要流量接近或相同而壓力不同時，多采用由先導(dǎo)式溢流閥、換向閥、遠(yuǎn)程調(diào)壓閥等聯(lián)合控制的多級壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，盡量避免采用減壓閥，以減少沒必要的壓力損失的產(chǎn)生。

如果液壓系統(tǒng)的管路設(shè)計不當(dāng)，過濾器選用和布置不合理，也會造成較大的能量損失，應(yīng)根據(jù)實際情況確定所需種類和規(guī)格。

4.2 減少流量損失的節(jié)能設(shè)計

合理選擇液壓泵可以降低液壓系統(tǒng)的流量損耗，即應(yīng)選擇與負(fù)載要求的壓力-流量特性相適應(yīng)的液壓泵。

限壓式變量泵適用于流量變化比較大而且壓力相近或相同的系統(tǒng)，如電液伺服系統(tǒng)、保壓系統(tǒng)、節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)、要求能快速響應(yīng)的換向閥系統(tǒng)、蓄能器系統(tǒng)和電液比例換向閥系統(tǒng)等。

對于功率比較大、負(fù)載增加緩慢且要求長時間保壓的系統(tǒng)，可以采用恒壓恒功率變量泵作為動力源。

對于具有多個不同工作壓力、不同流量要求的執(zhí)行元件的系統(tǒng)，可設(shè)計采用多級調(diào)壓和雙泵組合使用。也可以選擇電液比例-變量泵，但可能會造成控制系統(tǒng)的成本增加，一般只適用于計算機控制的、要求較精確的液壓系統(tǒng)。

4.3 降低電動機損耗的節(jié)能設(shè)計

在液壓系統(tǒng)的工作過程中，當(dāng)執(zhí)行元件停止運動時，可以采用卸荷回路，使液壓泵的出口接油箱，在流量幾乎為零的情況下運轉(zhuǎn)，電動機的功率可幾乎為零。

由電動機的工作原理可知，額定功率為Δ接法的三相異步電動機在低于臨界負(fù)載率運行時轉(zhuǎn)換成Y接法后，可以降低能耗損耗，從而提高電機的功率因數(shù)。電動機實際負(fù)載功率在額定功率的0.33倍以下運行時，采用Y接法更具有節(jié)能效果。

5 采用新型工作介質(zhì)

液壓傳動技術(shù)的工作介質(zhì)在環(huán)保節(jié)能方面主要有兩個發(fā)展趨勢：一是以無污染的純水(或海水)為傳動介質(zhì)的水液壓系統(tǒng)；二是以食用油為基礎(chǔ)的環(huán)保性的生物基油。采用環(huán)保再生新型工作介質(zhì)，可以滿足不同的系統(tǒng)要求，且有利于節(jié)能環(huán)保。

6 結(jié)語

在設(shè)計液壓系統(tǒng)時，應(yīng)將節(jié)能技術(shù)應(yīng)用到液壓系統(tǒng)的每個環(huán)節(jié)。在能源日趨緊缺的現(xiàn)狀下，提高液壓系統(tǒng)的效率具有十分重要的意義。

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