液壓系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)綜述

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上 液壓系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)綜述摘要：介紹了液壓系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)與途徑，包括液壓系統(tǒng)的基本節(jié)能途徑和液壓系統(tǒng)的調(diào)節(jié)控制節(jié)能技術(shù)。分析了液壓系統(tǒng)能量損失的原因，從液壓系統(tǒng)的五大組成部分出發(fā)，介紹了幾種相比而言高效率低能耗的節(jié)能措施，并展望它們的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：液壓系統(tǒng) 節(jié)能 控制技術(shù) 能耗分析中圖分類號：TG156Summary on Energy-saving in Hydraulic SystemREN Guang he(College of Mechanical Engineering, Yanshan University ,Qinhuangdao )Abstract：T

2、his paper introduces the technologies and approaches of energy-saving ,including the basic approaches and control technology on on energy-saving in hydraulic system.It ranalyses the reasons of energy loss in the hydraulic system,and introduces some more effective and lower waste energysaving means a

3、mong the five parts of hydraulic system，and expects the future of their applicationKey words：hydraulic system energy saving control technology energy loss專心-專注-專業(yè)0 前言2010年4月10日初稿，2010年4月20日修改稿 液壓系統(tǒng)在機械裝置和設(shè)備中的應(yīng)用十分廣泛，但液壓傳動存在多次能量轉(zhuǎn)換，其效率較低，例如挖掘機的能量的總利用率僅為20左右【1】。液壓系統(tǒng)在傳遞運動和動力過程中的無功損耗都變?yōu)闊崮?，使系統(tǒng)溫度升高，引起很多不良影響，

4、液壓系統(tǒng)的每個組成部分在系統(tǒng)工作時都會產(chǎn)生能量損失，因此，必須合理使用高效率的液壓元件，合理設(shè)置和分配元件、管路，正確選擇油液，并對系統(tǒng)進行綜合調(diào)節(jié)以提高系統(tǒng)的效率。在設(shè)計液壓系統(tǒng)時，應(yīng)該將節(jié)能技術(shù)應(yīng)用到液壓系統(tǒng)的每個環(huán)節(jié)。在能源日益緊缺的今天，提高液壓系統(tǒng)的效率有十分重要的意義。1 液壓系統(tǒng)的能耗分析液壓系統(tǒng)包括：能源裝置、執(zhí)行裝置、控制調(diào)節(jié)裝置、輔助裝置、傳動介質(zhì)。每一個環(huán)節(jié)功能的實現(xiàn)都是通過能量來驅(qū)動的，工作過程的三次能量轉(zhuǎn)換包括在液壓泵中形成高壓油時機械能轉(zhuǎn)換為壓力能，將壓力能轉(zhuǎn)換為機械能驅(qū)動執(zhí)行裝置工作以及高壓油經(jīng)過系統(tǒng)各液壓元件時的熱量。能量的轉(zhuǎn)換過程必然伴隨著能量損失。整個液壓系

5、統(tǒng)的能量利用情況可用系統(tǒng)的總效率來表示， 總效率 （1） （2）式中 電動機的效率；液壓泵的總效率；液壓執(zhí)行器的總效率；液壓回路總效率；一液壓回路摩擦效率；一液態(tài)油的壓縮效率；一層流，紊流效率。 由以上兩式可以看出：液壓系統(tǒng)的總效率是電動機、液壓泵、液壓執(zhí)行器和液壓回路等的效率的乘積，任一項效率的降低都會影響液壓系統(tǒng)的總效率，只有當所有項都為最高值時，總效率才會最高。同時，根據(jù)能量守恒，在輸入功率一定的情況下，越大，損耗的能量越少，回路中的紊流越少，回路的摩擦系數(shù)越小，系統(tǒng)的效率越高。因而液壓系統(tǒng)中的摩擦，泄漏，壓力損失，流體流動的損失，不匹配損失均是節(jié)能設(shè)計中須注意的方面。此外，液壓系統(tǒng)的回

6、路也會有不同的效率損失，如回油節(jié)流回路會有節(jié)流損失和溢流損失，旁路節(jié)流回路會有節(jié)流損失，所以，根據(jù)系統(tǒng)需要實現(xiàn)的功能，液壓回路的選擇是節(jié)能需注意的一大方面。2 液壓系統(tǒng)的基本節(jié)能途徑2.1 節(jié)能液壓元件的選用 液壓元件的能耗表現(xiàn)在液壓元件工作時引起的元件及其連接部位的能源泄漏、內(nèi)摩擦及發(fā)熱等。其中以液壓泵、馬達損失最大，其次是各種閥類，如溢流閥的溢流損失，以及設(shè)在液壓缸或馬達回油路上的背壓閥的壓力損失等。常用的節(jié)能液壓元件有限壓式變量泵、恒功率變量泵、恒壓式變量泵、蓄能器、電液伺服閥、集成閥、變截面液壓缸等。 采用節(jié)能型液壓元件是系統(tǒng)的重要節(jié)能手段。如負荷敏感式變量柱塞泵可隨負荷變化自動調(diào)節(jié)流

7、量；變截面液壓缸可有效地避免選用大流量、大功率油泵帶來的能量浪費；自保持型電磁閥只需瞬間通電即可完成閥門開關(guān)動作，閥芯位置無需電來保持；插裝式錐閥可將每條流道上串聯(lián)閥的個數(shù)減到最小，使大流量的主回路得到簡化2。2.2 提高液壓泵總效率 泵作為初次能量轉(zhuǎn)換裝置，對液壓系統(tǒng)的總效率影響很大。選擇合適的動力源，對提高能源利用率非常重要。若要提高液壓泵的總效率，必須提高其容積效率和機械效率，這不僅取決于液壓泵的結(jié)構(gòu)形式，而且與使用壓力、液壓泵轉(zhuǎn)速及液體粘度等因素有關(guān)。提高液壓泵總效率的途徑有：（1）選擇合理的液壓泵形式。一般壓力在2.5MPa以下時選用齒輪泵；在2.56.3 MPa范圍內(nèi)選用葉片泵；在

8、6.3MPa以上選用柱塞泵。表1為常用泵的效率（2）選擇合理的液壓泵轉(zhuǎn)速。對提高效率而言液壓泵存在一個最佳轉(zhuǎn)速，一般在1 0001 800 rmin范圍內(nèi)。（3）選用粘度合適的液壓油。高粘度油可使泄漏減少，容積效率提高，但內(nèi)摩擦阻力增大，管道壓力損失增加，機械效率降低，并導(dǎo)致泵的自吸能力下降。使用低粘度油時，情況正相反。 表1常用液壓泵效率類別柱塞泵螺桿泵葉片泵齒輪泵容積效率0.850.980.850.950.800.950.700.90機械效率0.750.900.700.850.750.850.600.80總效率0.750.850.750.800.750.80 0.600.752.3提高液壓

9、元件總效率 管路的壓力損失與管道直徑和結(jié)構(gòu)、液壓油粘度、液體流速等有關(guān)?？蓮囊韵聨追N措施來減少其壓力損失：（1）減少管中液體流速。一般吸油管流體流速應(yīng)小于11.2m/s，壓油管小于36 m/s；（2）減少管路長度和局部阻力個數(shù)。盡量減少不必要的彎曲，縮短管路長度，兩個局部阻力間距離一般應(yīng)大于20 d(d為管道直徑)； （3）合理選擇油管內(nèi)徑，避免油管過流斷面突然擴大或縮小而增加壓力損失。 所有閥類元件皆為流阻，引起一定的能量損耗。提高液壓閥的總效率主要是提高其容積效率和壓力效率，。提高液壓閥的容積效率主要是減小其泄漏量，提高液壓閥的壓力效率主要是減少液體流經(jīng)液壓閥的壓力損失7。為減少機械沖擊，

10、在泵的吸油口和出油口采用軟連接，液壓缸等執(zhí)行元件的兩腔采取軟管連接。閥間連接一般有下列方式，根據(jù)不同要求選擇合理的連接方式，如表2所示。2.4控制泄漏油液的泄漏可分為外泄漏和內(nèi)泄漏，外泄漏主要是指液壓油從系統(tǒng)泄漏到環(huán)境中，內(nèi)泄漏是指由于高低壓側(cè)的壓力差的存在以及密封件失效等原因，使液壓油在系統(tǒng)內(nèi)部由高壓側(cè)流向低壓側(cè)。外泄漏人們可以直接觀察到并予以重視和處理，內(nèi)泄漏往往易被忽視。防止泄漏需要不斷改進密封材質(zhì)，推廣應(yīng)用各種兼容性好且抗磨的密封材料，采用無外泄漏密封結(jié)構(gòu)和密封系統(tǒng)，將泄漏量控制在最低限度內(nèi)。此外，需重視元件的加工、裝配、保管各個環(huán)節(jié)，提高加工水平以提高閥類元件通道內(nèi)表面的光潔度和精度

11、，在裝配、保管過程中注意防塵、清洗去毛刺等，對精密零件還應(yīng)注意包裝、防碰、防潮，減少內(nèi)摩擦、發(fā)熱和內(nèi)泄漏。 控制泄漏的主要措施有： （1） 采用間隙補償。內(nèi)泄漏量與間隙關(guān)系的計算公式為： ，由此可見，內(nèi)泄漏量與間隙厚度的立方成正比，減小間隙能顯著減少內(nèi)泄漏量由于油膜潤滑和零件的加工工藝及熱脹冷縮等因素必須保證一定的間隙，因此液壓元件間隙密封的首要問題是控制間隙的大小。（2）考慮制造和裝配因素，減小泄漏。 嚴格控制配合零件表面的加工質(zhì)量，使配合表面幾何形狀誤差、表面粗糙度符合標準。裝配前應(yīng)對零件進行仔細檢查，嚴格清洗，并按裝配工藝要求進行裝配，杜絕因裝配引起的泄漏。（3）合理選擇液壓油。液壓油作

12、為液壓傳動的介質(zhì)，它的黏度隨溫度，壓力，剪切速度等條件的變化而變化。若液壓油的潤滑性、腐蝕性以及剪切安定性差，會導(dǎo)致粘附在活塞桿上的油液有可能被過量擠出造成活塞桿外伸時帶出的油液層增厚，加劇滲油現(xiàn)象。此時在油液的選用方面， 表2 常用閥類元件安裝形式安裝形式連接方式優(yōu)點缺點應(yīng)用于發(fā)展管式連接通過管子、管接頭和法蘭組裝連接簡單，布局方便，容易查找故障原因不緊湊、容易產(chǎn)生振動、噪聲和泄漏，維修不方便小流量一般使用螺紋管，大流量的則是用法蘭連接，這種連接方式不太多見屏面式管式安裝按需組成各種系統(tǒng)，元件集中整齊，連接牢固，密封性好配管工作量和安裝空間均較大將液壓閥安裝在座板上，再通過座板上螺紋孔，用管

13、子、管接頭連接每個板式閥配備一塊連接板（座板由閥的生產(chǎn)廠供應(yīng)）板式連接油路板安裝結(jié)構(gòu)緊湊，閥間通道短，動作反應(yīng)快。壓力損失、振動、漏油均較少油路板按某個液壓系統(tǒng)專門設(shè)計，不便于系統(tǒng)的改進這種連接是將液壓閥集中安裝在油路板上，元件之間的油路通道是通過預(yù)先設(shè)計加工的孔來連接的油路集成塊安裝油路壓力損失小、系統(tǒng)振動與漏油小、易實現(xiàn)三化。便于批量生產(chǎn)但是整體較重，設(shè)計工作量大，加工工藝復(fù)雜，不能隨意修改系統(tǒng)這種連接是將閥固定在油路集成塊的前面、右面和背面，集成塊左面安裝接頭用來連接執(zhí)行機構(gòu)疊加式集成連接標準化的疊加閥互相直接連接而成系統(tǒng)更簡單、集中、緊湊、組裝靈活，便于油路改進閥間局部損失距離較近，易

14、使局部損失呈幾何倍增加閥體做成標準尺寸的長方形，使用時將元件在座板上疊積，然后用拉桿緊固將插裝閥直接插入布有孔道的閥塊的插座孔中，構(gòu)成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、抗污染能力強、性能可靠、流動阻力小、控制方式靈活等閥間局部損失距離較近，易使局部損失呈幾何倍增加根據(jù)閥的不同功能由閥芯、閥套等構(gòu)成的組件（插入件）插入專用的閥塊孔內(nèi)，配以蓋板、先導(dǎo)閥組成不同要求的液壓回路 應(yīng)選擇運動粘度，的液壓油。（4）正確的密封。密封防漏主要從密封件材料和形式兩方面考慮。密封材料一般應(yīng)具有耐腐蝕性高、耐磨性好、不易老化、工作壽命長等特點8。對密封形式應(yīng)綜合考慮密封部位的尺寸結(jié)構(gòu)和對偶件運動性質(zhì)、密封的工件條件、密封的性能等幾方面

15、。此外還應(yīng)考慮考慮工藝成本，如密封件的價格、安裝和維修費用等。2.5 其他節(jié)能措施 （1）采用能量回收裝置節(jié)能。 能量回收的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是能量轉(zhuǎn)換器，要求其節(jié)能效果高、造價低，能量便于控制。在液壓系統(tǒng)中采用飛輪或蓄能器就可得到較好的節(jié)能效果，有效降低設(shè)備的功率。對于低壓大流量的液壓系統(tǒng)，一般采用大流量的液壓泵，如果采用蓄能器來增加短時大流量，可以大大節(jié)省能量，同時緩和沖擊壓力，吸收壓力脈沖。 （2）利用電子技術(shù)完善控制系統(tǒng)。首先，利用傳感器形成一個監(jiān)控系統(tǒng)，來監(jiān)視系統(tǒng)的壓力情況。經(jīng)過AID轉(zhuǎn)換器形成數(shù)字信號，輸入到計算機中，編寫控制程序完成對系統(tǒng)情況的整體掌握以及對信號的處理，形成實時控制信號，使

16、液壓泵以及相應(yīng)的液壓元件相應(yīng)變化，力求能耗最小。3 液壓系統(tǒng)的節(jié)能回路根據(jù)液壓系統(tǒng)的工作狀態(tài)進行控制、調(diào)整液壓泵的運行參數(shù)，使之與負荷匹配，是提高系統(tǒng)能量利用和降低無功損耗的重要途徑，這就是液壓系統(tǒng)的調(diào)節(jié)控制節(jié)能方法。液壓節(jié)能調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)很多，這些系統(tǒng)的共同特點是具有不同程度的自適應(yīng)性，它們利用自動調(diào)節(jié)理論進行必要的動態(tài)調(diào)節(jié)，穩(wěn)定系統(tǒng)工作狀態(tài)。3.1閉式容積調(diào)節(jié)系統(tǒng)容積調(diào)速液壓系統(tǒng)采用改變液壓泵或液壓馬達的排量來進行調(diào)速。圖1所示為一變量泵控馬達閉式液壓系統(tǒng)原理圖。變量泵3的排量可調(diào)，實現(xiàn)流量調(diào)節(jié)。補油泵1補償系統(tǒng)運行過程中的泄漏。安全閥4防止壓力過高造成事故。溢流閥6調(diào)定補油壓力。由于系統(tǒng)中

17、沒有方向閥和節(jié)流閥，液壓泵輸出的壓力油全部送往液壓馬達(或液壓缸)，這不僅簡化了液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，而且大大減少了閥口節(jié)流和管路沿程損失。因此，這種系統(tǒng)效率較高，功率利用合理，發(fā)熱小，調(diào)速范圍大，適用于大功率需要無級調(diào)速的液壓系統(tǒng)。 1、 補油泵 2、單向閥 3、變量泵 4、安全閥 5、馬達 6、溢流閥 圖1 泵控馬達閉式系統(tǒng)3.2壓力匹配液壓回路壓力匹配液壓回路(又稱壓力適應(yīng)回路)包括定量泵、定差溢流閥與節(jié)流閥(實為溢流節(jié)流閥)。與普通回路不同的是，此回路中溢流閥不僅用來將多余的油液排回油箱，還作為節(jié)流閥的壓力補償閥，以保證負荷變化時，節(jié)流閥進、出口壓差為一常數(shù)。圖2為一種使用比例方向閥的壓力匹

18、配回路。在此定差溢流閥實質(zhì)為具有節(jié)流功能的比例方向閥的壓力補償閥，使比例方向閥進、出口壓差為常數(shù)。該回路的優(yōu)點是速度穩(wěn)定性好、效率高、構(gòu)成及控制簡單，性價比高。 圖2 壓力匹配液壓回路3.3二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)一般由恒壓油源、二次元件(液壓泵馬達)、工作機構(gòu)和控制調(diào)節(jié)機構(gòu)等組成。它可工作在壓力恒定、流量隨負載的變化而改變的壓力耦聯(lián)系統(tǒng)中，能夠回收與重新利用系統(tǒng)的制動動能和重力勢能，具有良好的控制性能。在系統(tǒng)中，二次元件能夠無損耗地從恒壓網(wǎng)絡(luò)取得能量，大大地提高了系統(tǒng)效率。通過調(diào)節(jié)二次元件斜盤傾角改變二次元件排量，從而適應(yīng)負載轉(zhuǎn)矩的變化，這一過程也實現(xiàn)了二次元件的無級調(diào)速。在系統(tǒng)中可以同時并

19、聯(lián)多個負荷，并在各負荷端分別實現(xiàn)互不相關(guān)的控制規(guī)律；可擴大系統(tǒng)的工作區(qū)域，改善系統(tǒng)的控制特性，減少設(shè)備總投資，降低工作過程中的能耗，節(jié)約冷卻費用。圖3為二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理圖。1、 一次元件 2、蓄能器 3、二次元件 4、變量缸 5、伺服閥 6、油箱 圖3 二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理圖3.4電液負荷感應(yīng)系統(tǒng) 負荷傳感系統(tǒng)是一個具有壓差反饋，在流量指令條件下實現(xiàn)泵對負荷壓力隨動控制的閉環(huán)系統(tǒng)，其中壓力補償控制是實現(xiàn)各動作流量分配和準確控制的保證，根據(jù)壓力補償在回路中的位置，壓力補償系統(tǒng)分為閥前補償、閥后補償、回油補償。負荷感應(yīng)是接收或感應(yīng)負荷壓力的一種方法，它將負荷反饋到控制系統(tǒng)，以控制負荷回路的流量不會因負

20、荷的變化而受影響。沒有負荷感應(yīng)，流量就會隨負荷而變化。其他控制壓力系統(tǒng)雖消除了壓力過剩，但不能消除流量過剩，多余的流量會造成一定的能量損失。負荷感應(yīng)控制系統(tǒng)按控制方式一般可分為壓力感應(yīng)控制、流量感應(yīng)控制及功率感應(yīng)控制3種方法。由于液壓泵只需提供與執(zhí)行元件負荷相匹配的壓力、流量或功率，液壓系統(tǒng)中不產(chǎn)生過剩壓力和過剩流量，或者相對于系統(tǒng)壓力和流量來說很小，因而系統(tǒng)具有顯著的節(jié)能效果。圖4為由變量活塞、控制閥與壓力補償閥、梭閥組合在一起的負荷感應(yīng)控制系統(tǒng)，該裝置使液壓泵的壓力、流量與負載壓力、流量相適應(yīng)，系統(tǒng)不會產(chǎn)生過剩壓力和過剩流量，節(jié)能效果可達30一40。電液負載感應(yīng)系統(tǒng)的另一個優(yōu)點是可采用數(shù)字

21、壓力補償。即將檢測得到的供油壓力和負載壓力送入各聯(lián)閥的流量控制器，經(jīng)過數(shù)字運算處理，使閥芯朝著與閥進出口壓差變化相反的方向移動某一適當數(shù)量，從而消除供油壓力或負載壓力變化可能引起的流量變化。 1、主泵 2、變量活塞 3、4、控制閥； 5、6、壓力補償閥；7、梭閥 圖4 負荷傳感控制原理圖3.5變頻液壓調(diào)速系統(tǒng)在液壓系統(tǒng)中，大多采用異步電動機驅(qū)動，異步電動機變頻調(diào)速效率高、調(diào)速性能好，在其他領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。同樣，在液壓系統(tǒng)中采用變頻調(diào)速可取得的應(yīng)用效果，尤其在大功率間歇運動的調(diào)速系統(tǒng)中，其優(yōu)越性更為顯著。交流變頻調(diào)速液壓系統(tǒng)避免了節(jié)流損耗和溢流、泄荷損耗，并大大提高了原動機異步電動機的效率，顯著改

22、善功率因數(shù)，是其他液壓調(diào)速方式所無法比擬的。變頻調(diào)速液壓系統(tǒng)是利用變頻器改變泵的轉(zhuǎn)速，使泵的輸出流量與系統(tǒng)要求相適應(yīng)，它可以使溢流損失降至最低，從而有效地節(jié)約能源。變頻液壓調(diào)速系統(tǒng)的原理如圖5所示，系統(tǒng)主要由變頻調(diào)速電動機、定量泵定量馬達構(gòu)成。高壓安全閥防止系統(tǒng)過載，液壓馬達（Tf）給馬達加載，光電編碼器時刻檢測馬達轉(zhuǎn)速并反饋給控制器，形成閉環(huán)實時控制系統(tǒng)。 圖5 變頻液壓調(diào)速系統(tǒng)原理圖 3.6 CPS恒壓系統(tǒng) 日本近年來開發(fā)了定壓力源系(CPS-Con-stant Pressure System)和適用的液力平衡式(FFCFluid Force Couple)液壓彩馬達10。幾家名牌汽車制造

23、公司生產(chǎn)了CPS公交汽車，在東京等3個城市中運營，尾氣排放和燃油費用各降低了20以上。如圖6所示，CPS能保證液壓源為恒定壓力，擴大了液壓技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域。公交汽車需要頻繁地加速、減速和起動、停車，采用CPS傳動控制可以將剎車時的熱能損失作為運動能量回收、蓄積起來，在加速時利用。 l一發(fā)動機2一能源g馬達3一單向閥4一壓力補償器 5一飛輪泵馬達6一聯(lián)軸器(B型CPS) 7一飛輪 8一蓄能器9一驅(qū)動泵馬達10一車輪 圖6 CPS 系統(tǒng)3.7負流量控制 負流量控制是液壓泵中的流量隨控制壓力信號的增大而減小，即控制油壓與流量成反比。負流量控制的基本原理如圖7所示。控制壓力信號由液壓泵的回油經(jīng)過負流量調(diào)節(jié)閥產(chǎn)生，其油壓的變化即可控制主泵流量。當主閥回油量大時，控制油路的壓力升高，泵的流量即減小，反之，油的流量增大。即液壓泵帶有負流量控制，可實現(xiàn)當系統(tǒng)換向閥處于中位時，通過負流量控制閥產(chǎn)生反饋信號，傳送到主泵控制閥，主泵的流量隨壓力信號增大而減小，避免了傳統(tǒng)的液壓機械靠溢流閥的溢流控制方式，最大限度地減少功率的損失和系統(tǒng)發(fā)熱，當安裝了壓力切斷閥后其節(jié)能效果更為明顯。如圖7中閥6為切斷閥，當執(zhí)行元件運動到極限位置時，主泵輸出壓力接近主泵溢流壓力時，切斷閥執(zhí)行切斷功能以減小泵的排量，消除系統(tǒng)過載時的溢流損失。與傳統(tǒng)的控制方式相比，該系