王廣貞， 李正虎

（小松機(jī)械制造（山東)有限公司， 山東 濟(jì)寧 272023）

0 引言

為了充分發(fā)揮出機(jī)械液壓系統(tǒng)的作用，全方面體現(xiàn)出節(jié)能環(huán)保的功效，要在關(guān)鍵環(huán)節(jié)優(yōu)化各項(xiàng)細(xì)節(jié)性設(shè)計(jì)，保障機(jī)械液壓系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

1 液壓機(jī)械傳動(dòng)控制系統(tǒng)的基本內(nèi)容

1.1 概述

液壓機(jī)械傳動(dòng)控制系統(tǒng)由硬件與軟件兩部分組成。硬件部分包括儲(chǔ)存器、微處理器和編輯器等，軟件部分包括系統(tǒng)程序與用戶程序。液壓機(jī)械傳動(dòng)控制系統(tǒng)通過(guò)施加不同的壓力，控制系統(tǒng)中的液體平穩(wěn)，保障系統(tǒng)的平衡。在平衡系統(tǒng)中，需要根據(jù)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(tài)[1]。而不同尺寸的活塞，施加的壓力大小有所差異。相同環(huán)境下，尺寸較大的活塞，其施加的壓力就相對(duì)較大。反之，尺寸較小的活塞施加的壓力壓力較小。通過(guò)液體的連續(xù)運(yùn)動(dòng)，將活塞施加的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，從而完成相應(yīng)的工作。

1.2 優(yōu)點(diǎn)

液壓機(jī)械傳動(dòng)控制系統(tǒng)主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）功率高。相比于傳統(tǒng)的液壓傳動(dòng)和機(jī)械傳動(dòng)，液壓機(jī)械傳動(dòng)控制系統(tǒng)引入了現(xiàn)代化信息技術(shù)，能夠高效、精準(zhǔn)地控制系統(tǒng)，提高了能量的轉(zhuǎn)化率，具有著功率高的優(yōu)點(diǎn)。尤其是PLC 技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的集成化、自動(dòng)化控制，避免了無(wú)功消耗，有效功率可以達(dá)到最大[2]。

2）小型化。液壓機(jī)械傳動(dòng)控制系統(tǒng)通過(guò)現(xiàn)代化信息技術(shù)進(jìn)行硬件控制，且各種元件采用了輕便的材質(zhì)，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的集成化控制，具有著小型化的優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)的整體質(zhì)量、體積相對(duì)較小。同時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)部的元件之間，能夠?qū)崿F(xiàn)協(xié)調(diào)配合，系統(tǒng)的可操作性強(qiáng)，能夠基于不同的工作要求，實(shí)現(xiàn)高效、平穩(wěn)運(yùn)行。

3）穩(wěn)定性。液壓機(jī)械傳動(dòng)控制系統(tǒng)，能夠?qū)C(jī)械運(yùn)行中產(chǎn)生的熱量，通過(guò)液壓油的流動(dòng)實(shí)現(xiàn)熱量的快速傳遞，減少各種損失與消耗。同時(shí)，還可以降低系統(tǒng)的溫度，防止因局部過(guò)熱出現(xiàn)故障現(xiàn)象，保障使用的穩(wěn)定性。

4）自動(dòng)化。當(dāng)前，自動(dòng)化、數(shù)字化已經(jīng)成為我國(guó)工業(yè)發(fā)展的方向。只有實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化與數(shù)字化，才能降低成本，提高工作效率，保障生產(chǎn)質(zhì)量與安全。而液壓機(jī)械傳統(tǒng)控制系統(tǒng)，就是通過(guò)現(xiàn)代化信息技術(shù)進(jìn)行硬件元件的控制。比如，通過(guò)應(yīng)用PLC 技術(shù)，可以使整個(gè)機(jī)械操作更加靈活、便捷，有效提高機(jī)械運(yùn)行的效率，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換擋、自動(dòng)調(diào)節(jié)。

2 液壓傳動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用原理分析

目前，國(guó)內(nèi)液壓傳動(dòng)控制系統(tǒng)的工作原理是采用液壓泵將原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成液壓能，并通過(guò)不同的控制閥和管路進(jìn)行能量傳輸，由液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)（液壓缸或電機(jī)）將流體的壓力能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，從而驅(qū)動(dòng)工作機(jī)構(gòu)完成直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)以及回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。液壓驅(qū)動(dòng)時(shí)，輸送介質(zhì)以控制系統(tǒng)內(nèi)的液體為主[3-4]。液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要構(gòu)成分為以下三類：

1）執(zhí)行元件。執(zhí)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(shí)，根據(jù)不同的需要進(jìn)行轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓系統(tǒng)的控制。液壓缸、液壓馬達(dá)等都是執(zhí)行元件，這兩個(gè)元件可以根據(jù)液壓系統(tǒng)的工作原理，將液壓油轉(zhuǎn)換到相應(yīng)的朝向，保證負(fù)載驅(qū)動(dòng)做功。

2）動(dòng)力元件。動(dòng)力元件是液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中的重要部件，也是液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的基本部件。采用動(dòng)力元件，可以給整個(gè)系統(tǒng)提供足夠的動(dòng)力，從而保證系統(tǒng)的正常工作。液壓泵是目前應(yīng)用最廣的一種動(dòng)力元件，其主要功能是保證流體的傳遞和輸送，改變?cè)瓌?dòng)機(jī)中的機(jī)械能，并根據(jù)液壓油壓的方向，進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化和輸出，達(dá)到液壓傳動(dòng)的功能。

3）輔助元件。隨著我國(guó)的信息化程度越來(lái)越高，越來(lái)越多的自動(dòng)控制技術(shù)和信息技術(shù)得到廣泛運(yùn)用。輔助元件的主要功能就是確保執(zhí)行元件和動(dòng)力元件相互聯(lián)系，從而有效提高系統(tǒng)的控制性能，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3 優(yōu)化機(jī)械液壓系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)研究

3.1 變量泵控制

變量泵的應(yīng)用控制技術(shù)主要是通過(guò)使用壓力傳感器有效提升發(fā)電功率，并且使用節(jié)流調(diào)速對(duì)容積調(diào)速進(jìn)行替換，從而達(dá)到節(jié)能的效果。要根據(jù)變量泵的結(jié)構(gòu)，對(duì)其特性進(jìn)行全面的分析，選擇最優(yōu)的節(jié)能技術(shù)。變量泵控制本身具有反應(yīng)快、操作便捷以及節(jié)能的特點(diǎn)，因此，在機(jī)械設(shè)計(jì)中被廣泛應(yīng)用。變量泵的控制方式分為三種：LUDV 控制、LS 負(fù)載明暗控制和排量控制。

1）LUDV 控制方式是在LS 系統(tǒng)的基礎(chǔ)研發(fā)出來(lái)的，與LS 系統(tǒng)相比較，LUDV 系統(tǒng)在敏感性控制方面更加突出。該系統(tǒng)的本質(zhì)為單泵回路系統(tǒng)，其中配備壓力補(bǔ)償閥，使負(fù)載壓力信號(hào)數(shù)值與系統(tǒng)壓力值呈現(xiàn)相關(guān)性。在環(huán)境不會(huì)劇烈變化的情況，可以首選LUDV 系統(tǒng)控制。

2）LS 負(fù)荷敏感控制可以有效地控制并協(xié)調(diào)輸出壓力、負(fù)載和流量之間的關(guān)系。可以促進(jìn)液壓系統(tǒng)的高效運(yùn)行。但是，負(fù)荷會(huì)處在較高的壓力之下，對(duì)于液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性是一個(gè)重大的威脅。因此，在選用LS 控制方法時(shí)要十分慎重，需根據(jù)環(huán)境中的流量進(jìn)行判斷。

3）排量控制主要是根據(jù)目標(biāo)排量對(duì)流量進(jìn)行控制。負(fù)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(fù)流量的基礎(chǔ)上，通過(guò)改變操作手柄壓力對(duì)轉(zhuǎn)向閥門進(jìn)行控制，更加智能、更加環(huán)保。

3.2 電液比例控制技術(shù)

電液比例控制方式較多，按照系統(tǒng)控制方式劃分可以分為開環(huán)控制與閉環(huán)控制。按照輸入信號(hào)的形式可以分為有恒值系統(tǒng)與隨動(dòng)系統(tǒng)。恒值系統(tǒng)輸入的參考數(shù)據(jù)一般是保持恒定值，可以消除干擾信號(hào)對(duì)系統(tǒng)輸出的影響。按照功率調(diào)節(jié)元件分為閥控系統(tǒng)與泵控系統(tǒng)，閥控系統(tǒng)具備節(jié)流的特性，可以有效控制流量損失率，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于操作。泵控系統(tǒng)可以自由地調(diào)節(jié)泵的結(jié)構(gòu)參數(shù)，具備系統(tǒng)效率高、發(fā)熱量低等特點(diǎn)。

電液比例控制在80 年代就開始應(yīng)用于液壓機(jī)械，具備很多優(yōu)點(diǎn)。電液比例控制可以有效地簡(jiǎn)化液壓系統(tǒng)，使用簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)即可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制效果，經(jīng)濟(jì)實(shí)用、可靠性高。在電控器中設(shè)置好坡斜函數(shù)之后，可以滿足較高精度無(wú)沖擊的減速控制，有效改善控制過(guò)程的品質(zhì)。電液比例的引入不僅能夠簡(jiǎn)化液壓信號(hào)傳輸?shù)倪^(guò)程，還能有效提高液壓系統(tǒng)的反應(yīng)速度，提升傳輸效率。優(yōu)化后的機(jī)械液壓系統(tǒng)，在使用時(shí)更加靈活、簡(jiǎn)便。隨著網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的普及，電液比例技術(shù)與信息技術(shù)進(jìn)行融合，獲得了智能化的特性，凸顯出電液比例技術(shù)的適應(yīng)能力，進(jìn)一步拓寬了電液比例控制技術(shù)的應(yīng)用空間。電液比例控制技術(shù)在工程機(jī)械中運(yùn)用，還可以對(duì)機(jī)械參數(shù)、液壓信號(hào)等進(jìn)行實(shí)時(shí)智能監(jiān)控，保證設(shè)備高效運(yùn)轉(zhuǎn)，有效提高設(shè)備的能源利用率。

3.3 多閥路控制技術(shù)

多路閥分四通閥和六通閥，在多路閥門有限回路的設(shè)計(jì)中會(huì)受到供油線路的限制，設(shè)計(jì)人員需要綜合考慮，平衡二者之間的關(guān)系。多路閥控制方式能夠?qū)ο到y(tǒng)中的壓力與功率進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)控，該技術(shù)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到不同行業(yè)，負(fù)荷傳感控制措施就是其中的使用典范。負(fù)荷傳感技術(shù)可以按照人為設(shè)定的數(shù)據(jù)進(jìn)行自適應(yīng)控制。在油泵與操作閥之間、操作閥與執(zhí)行器之間以及執(zhí)行器與回油路之間安裝有負(fù)荷傳感作用的壓力補(bǔ)償閥，整個(gè)機(jī)械就具備了自適應(yīng)能力。在設(shè)置補(bǔ)償壓力閥的時(shí)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(huì)不同。通常情況下，將壓力補(bǔ)償閥放置在油泵與操縱閥之間，可以有效利用其壓差，實(shí)現(xiàn)按需輸出，保證機(jī)械運(yùn)作不受負(fù)荷大小的影響。

3.4 混合動(dòng)力節(jié)能技術(shù)

傳統(tǒng)的液壓動(dòng)力系統(tǒng)存在較多的問(wèn)題，最主要的缺點(diǎn)就是工作效率低、能耗大，無(wú)法實(shí)現(xiàn)負(fù)載匹配，不能滿足可持續(xù)發(fā)展的要求。為了解決上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)人員從多方面進(jìn)行考量，決定采用混合動(dòng)力節(jié)能技術(shù)，確保電池與柴油在同一時(shí)間工作，最大限度地解決負(fù)載能力過(guò)低的問(wèn)題。如果負(fù)載能力過(guò)低，柴油機(jī)就擔(dān)負(fù)起發(fā)電任務(wù)，將多余的電量?jī)?chǔ)存起來(lái)。如果負(fù)載過(guò)大，就采用混合供能的方式為機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)提供能量，能夠有效節(jié)約能源。隨著技術(shù)的發(fā)展，混合動(dòng)力技術(shù)逐漸成熟。例如，小松HB205-1 與卡特彼勒336E型搭配的混合動(dòng)力節(jié)能技術(shù)，有效綜合了二者的優(yōu)點(diǎn)，既具備傳統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，又能有效降低能耗與噪音，可謂一舉兩得。混合動(dòng)力系統(tǒng)還能有效延長(zhǎng)機(jī)械的運(yùn)作時(shí)間，達(dá)到節(jié)能的目的。

另外，也可以從改善外部因素的角度入手，改善設(shè)備的外部環(huán)境。設(shè)備的常見問(wèn)題就是高溫，企業(yè)可以增加通風(fēng)設(shè)計(jì)或者是添加輔助散熱的設(shè)備，防止設(shè)備過(guò)載運(yùn)行，造成巨大的能量損耗。同時(shí)，要對(duì)設(shè)備進(jìn)行定期維護(hù)，塵土過(guò)多會(huì)產(chǎn)生靜電，降低設(shè)備的靈敏度，出現(xiàn)負(fù)載量較高的問(wèn)題，產(chǎn)生較大的能量損耗。

4 結(jié)語(yǔ)

機(jī)械液壓系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)可從兩方面入手：一是直接應(yīng)用于設(shè)備的技術(shù)手段，如變量泵控制、電液比例控制技術(shù)、多閥路控制技術(shù)和混合動(dòng)力節(jié)能技術(shù)等。二是從設(shè)備的外部環(huán)境入手，降低設(shè)備的能耗。兩個(gè)方面相互結(jié)合，互為補(bǔ)充，能夠有效降低液壓系統(tǒng)的能耗，降低設(shè)備的故障率，保證設(shè)備平穩(wěn)運(yùn)行。