基于节能技术的液压系统设计

摘 要：节约能源已经成为当今社会的主流，对于液压技术领域中液压节能技术的探讨显得尤其重要。为此，文中在分析液压元件能量损失方式的基础上，针对性地提出了节能技术在液压系统设计中的具体应用。

关键词：机械传动；液压技术；节能技术；液压系统

1引言

液压技术凭借其突出的优点，成功用于功率偏大、 运动过程需要控制和调节的地方但一般液压系统的实际工作效率不高，大多只有50%左右，这通常是由于设计和使用液压系统时，只侧重于系统的工作能力、可靠性和成本，而忽视了系统工作效率所致。随着能源供应日趋紧张，开展液压系统节能研究，对液压系统设计过程中应注意的问题进行分析，是非常必要的。任何一个完整的液压系统都是由动力元件、控制元件、执行元件、辅助装置和工作介质五大部分组成，其能量转换和传递情况如图1所示。

2 液压系统能量损失的主要方式

液压系统的能量损失主要表现为压力损失、流量损失和功率损失，它会使液压能转变为热能，这不仅浪费了大量的能量，还会导致系统温度升高，使工作介质急速变质老化。 相关研究表明，每温升15℃会使矿物油介质使用寿命约降低10 倍 。过渡温升还会导致液压元件和系统的可靠性、 稳定性、寿命大大降低，从而诱发液压系统故障。根据液压系统的组成可将能量损失划分为以下几类。

2.1动力元件的能量转换损失

动力元件液压泵在将机械能转化为液压能的过程中所导致的能量转换损失主要是因摩擦而产生的机械损失和因泄漏而产生的容积损失，可分别用ηm和ηv来表示，对整个系统的总效率影响很大。这不仅与液压泵的类型有关，还受运行工况以及磨损情况等因素的影响。

2.2控制元件的能量损失

控制元件主要是各类液压阀，它们都是液阻。当液压油流经这些液阻时都会产生压降，这必然会增加能量消耗，使系统总效率降低。

2.3执行元件的能量转换损失

执行元件是指各种液压缸和马达，它们在液压能转换为机械能的过程中，同动力元件一样存在着ηm和ηv。对于带有可靠密封的液压缸，其泄漏量极小，容积损失可忽略不计，其能量转换损失可主要考虑机械效率ηm。

2.4辅助元件的能量损失

辅助元件有油箱、管件、压力表、密封件、过滤器等，一个具体的系统中所含辅助元件的种类和数量依据系统的复杂程度和布局而定。辅助元件的能量消耗主要反映的是节流损失，对系统的工作效率也有很大的影响。

2.5系统的结构与布局造成的能量损失

为了克服管道阻力，实际液体流动时会损耗一部分能量。系统的结构与布局不同，其能量损失也不相同。通常情况下，系统结构越复杂，液压元件越多，液体流动方向和速度变化越多，能量损失就越大。油液沿等直径直管流动时，会产生沿程压力损失；流经弯管、接头等局部障碍时，会产生局部压力损失，它们都会使系统中的功率损耗增加，造成能量损失。

2.6动力源和负载特性不匹配造成的能量损失

动力源供给系统的能量往往不能恰好和系统负载相适应，低负载工况下，就会带来能量供过于求的匹配损失。如液压系统的输出压力和流量分别大于执行元件所需的压力、流量时，就会分别产生压力过剩和流量过剩。过剩越多，能量损失就越大，系统效率就越低。

3节能技术在液压系统设计中的应用

根据上述液压系统能量损失的原因，在设计液压系统时，我们可以采用以下措施来减少系统能量的损失，提高系统的效率，达到节能的目的。

3.1液压泵的选择

泵作为初次能量装换装置，对液压系统的总效率影响很大。选择合适的动力源，对提高能源利用率非常重要。常用液压泵技术参数见表1。

可以看出，从节能的角度出发，柱塞泵运行效果最好，其次是叶片泵、齿轮泵次之。对于复杂、流量精度要求比较高的系统应尽量选择组合泵，通过变频调速可以使效率更高，输出功率也可以适时调节。

不同功能的液压回路要求不同的动力源，大体上可分为三类：对于压力接近或相同，流量变化较大的液压系统一般宜采用恒压变量泵作为动力源；

2）对于功率较大、负载缓慢增大且有较长保压时间要求的系统如泵保压系统、蓄能器系统等可以采用恒压恒功率变量泵；

3）对于要求具有不同压力、不同流量的多执行元件系统可采用双压、双流量恒压变量泵或负载传感变量泵。

3.2液压缸和液压马达的设计及选择

液压缸和液压马达也是液压系统中能量损耗较大的元件，在设计、选择液压缸和液压马达时，要注意液压缸、液压马达与泵的流量、压力相匹配，在满足系统工况要求的前提下，尽量保持其功率匹配，以减少能量损失，提高整个系统的效率。田灵飞等人，从改进液压缸结构以及液压回路的设计出发，设计了一种基于柱塞缸与活塞缸的组合式新型节能高效液压缸，其设计的新型节能液压缸的液压系统装置图。见图2所示。实践表明，该液压缸既能节约液压能，又能提高液压系统效率。

3.3 液压源的选择

在选用液压源时，应先对液压系统进行工况分析，以查明一个循环中负载压力、流量和功率的分布及要求，为选择液压源提供技术依据。为了提高系统的效率，达到节能的目的，如在现代液压系统中出现了如压力补偿控制、负载感应控制、功率协调等高效液压系统；在液压挖掘机中先后提出了负流量控制、正流量控制、负载敏感系统、混合动力系统和恒压网络二次调节系统。液压挖掘机混合动力系统及基于恒压网路的二次调节系统分别见图3和图4。

这些技术的推广和应用，能使液压系统的动力源供应的压力和流量自动与执行元件负载的变化相适应，可以使系统效率提高28% ～45%，节能效果十分明显。

3.4 控制元件的选择

控制元件不属于能量转换元件，但是所有阀类元件皆为液阻，其必然会造成压力的损失，降低系统的效率，因此必须合理选择控制元件。在进行系统方案设计时，应根据系统中相应位置和可能出现的最大工作压力和流量来确定其规格、型号。如条件许可，应采用集成阀、插装阀等新型液压元件取代分离式单功能元件，能取得较好的节能效果。

3.5液压辅助元件的选择

液压系统的辅助元件，虽被称为辅助装置，但对液压系统的工作性能同样起到了重要作用。因此在液压系统的节能设计方面，也要注意进行合理选择。

1）管路和管接头 在系统的节能设计中，管路内径选择十分重要，管路内径的选择要以降低流动造成的压力损失为前提，液压管路中液体的流动多为紊流，压力损失正比于液体在管道中的平均流速，因此要根据流速来确定管径。同时在装配液压系统时，油管的弯曲半径不能太小，一般应为管道半径的3～5倍。应尽量避免小于9O0的弯管。

2）密封 液压系统如果密封不良，可能出现不允许的内外泄漏，使液压小童容积效率下降，设备工作效率降低，不仅浪费能源，而且对环境造成污染，所以解决密封问题不仅具有节能意义，而且可以减少环境污染。

3.6 液压油液的选择

在液压油的选择中，最重要的因素是液压油的粘度。粘度太大，液流的压力损失和发热量就大，使系统效率降低；粘度太小，泄漏增大也影响系统效率。因此，必须注意合理选择液压油的粘度。

3.7液压回路的设计与选择

液压系统节能的关键一方面是合理选择液压元件，更重要的是合理选择与设计液压回路。典型的节能回路主要有以下几种：

卸荷回路 其原理见图5。

（2）多级压力控制回路 其原理见图6。

（3）负载敏感阀控回路 其原理见图7.

（4）负载敏感泵控回路 其原理见图8.

（5）伺服电动机液压控制系统 其原理见图9.

4结论

液压系统的每个组成部分在系统工作时都会产生能量损失，因此，要合理选用高效率的液压元件，并对系统进行综合调节以提高系统的效率，合理设置和分配元件、管路，正确选择油液，并合理运用新技术、新材料、新工艺设计液压回路，以达到整个液压系统节能的目的。

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作者简介

向大学（1964-）：男，四川安岳人，讲师，本科，主要从事机械制造技术教学与科研。