机械液压系统能耗分析及节能设计

1、    机械液压系统能耗分析及节能设计    张磊摘要：液压系统在冶金行业、船舶飞机行业、工程机械行业均有较为广泛的应用，但是在实际的应用过程中，液压传动伴随着连续的能量损耗，使得传动系统的效率降低、散热量大，这对液压技术的市场竞争力和使用环境有特定的限制，同时能源的损耗必然伴随着资源的浪费以及环境污染，这不符合节能环保的可持续发展战略，因此对液压系统的节能设计研究无论对液压技术的发展和应用空间，还是对节约型社会的建设都有重要的研究价值。abstract： hydraulic system has a wide range of applications

2、 in the metallurgical industry， ship aircraft industry and engineering machinery industry， but in the actual application process， the hydraulic transmission is accompanied by continuous energy loss， which makes the efficiency of the transmission system lower and the heat dissipation large. this has

3、certain limitations on the market competitiveness and use environment of hydraulic technology， and the loss of energy is inevitably accompanied by waste of resources and environmental pollution. this is not in line with the sustainable development strategy of energy conservation and environmental pr

4、otection， so the research on energy saving design of hydraulic systems has important research value for the development and application of hydraulic technology and the construction of a conservation-oriented society.关键词：液压系统;节能;可持续发展key words： hydraulic system;energy saving;sustainable development：t

5、h137                                      ：a                                  ：1006-4311（2019）20-0151-030  引言现阶段，在机

6、械装置和相关设备中普遍使用液压系统，但是由于其在传动中能量转换的次数较多，这种情况下，系统的温度会持续升高，对工作效率和设备都会产生相应的影响。鉴于此，在选择液压系统的过程中，要注意合理科学的选择高效率的元件，对元件和管路进行科学的设置，对系统的能耗进行详细的分析，以最大程度的提高系统工作效率为目的。在设计液压系统时，应该将节能技术应用到液压系统的每个环节。在能源日益紧缺的今天，要合理的利用有效的资源，发挥其最大的优势，最终提高液压系统的工作效率。1  机械液压系统能耗分析液压传动系统伴随着能量的转换，其大致能量转换次序如下：电能机械能液压能机械能，如图1所示。液压系统节能设计的本质

7、就在于降低这些能量损耗，提高液压传动的整体效率。效率是输出功率与输入功率的比值，它可以作为整个系统能源整合利用优异的主要指标。液压系统的总体效率，不仅要考虑图1中的能源流转状况，还应该将能源提供阶段的损耗算入其中，因此，整个液压传动系统的完整效率表达时如下：在上述表达式中，e为原动机的总效率;p为液压泵的总效率;c为液压回路效率;m为液压执行元件效率;pl、ql为负载输入压力和流量;pp、qp为液压泵输出的压力和流量;p、q为过剩损失压力和流量。从上述表达式中可以总结出，液压传动系统的能量损耗分布在四个方面，原动机的能量损耗带来的e降低，液压泵的能量损耗所带来的p降低，液压马达的能量损耗所带来

8、的m降低，系统回路的流量、压力损耗所带来的c降低。另外液压系统的能量损失还包括容积损耗和磨擦损耗，容积损耗主要是由于系统密封性不好所造成的系统泄漏所引起的能量损失，它取决于系统内部构成以及各个执行元件，磨擦损耗是指液压系统中各机械部件之间的机械磨擦所造成的能量损失，磨擦损耗与系统内部零部件的加工精度有关。以上是对液压系统内部损耗的分析，在液压系统的实际操作中，它的工作状态分为三种：启动初始状态，实际操作状态，保压状态。在这三种不同状态下会体现出不同的效率状态，工作状态下的效率损耗取决于执行元件与液压元件输出流量和压力的匹配，而在另外两种状态下能量损耗所占比例较大。从节能的角度讲，整个液压系统的

9、节能不仅仅取决于液压元件的构成，还需要关注负载以及工作时段的整體性契合。综合以上分析，可以总结出液压系统的效率损耗或者能源损耗主要集中于以下几点：由能量转换元件所带来的损耗。这其中包含内部机械零件的磨损、压力损失和容积损失。这些能量损耗主要转换成为不可逆的热能，这些热能难以加以利用回收。液压系统结构所带来的传输损失。液压回路能耗是由过剩压力和过剩流量造成的，在液压传动系统的工作状态下，节流控制是实现各种操作功能的基本方法，而液阻必然会带来压降，压降是一种合理损耗，它与控制元件、蓄能器以及诸多辅助元件有关。负载与液压源的契合损耗。以往液压系统的设计是以最大负载为为依据，这就造成了液压源与负载需求

10、不能完整匹配，从而造成大量能量的浪费。2  机械液压系统的基本节能途径2.1 节能液压元件的选用对于机械液压系统的节能元件选择上，保证其节能是首要的基础，这就要找出主要的能耗，即连接部位能耗和元件能耗。只有准确分析能耗所产生的原因，并避开产生的问题来选择合适的元件，以此达到液压系统的节能目的。在能耗问题上，产生能耗的主要有液压泵、马达和各种阀类等。目前节能液压元件的种类很多，在繁多的元件中，找到与液压系统相匹配的，并确保其在系统工作的过程中能耗较小，从而达到节能目的，这就要求对其进行准确的分析，有针对性的使用各元件，以最大程度的符合系统的需要。一般常用的节能液压元件有：负荷敏感式变量

11、泵、变截面液压缸、自保持型电磁阀、插装式锥阀等等，其中负荷变量泵是根据负荷大小对流量进行自动的调节;自保持型电磁阀是通过瞬间通电来开启和关闭阀门，无需持续通电等。2.2 提高液压泵总效率如何提高液压泵的总效率，除了要选用合适的液压油和液压泵的转速以外，对液压泵的形式也有一定的要求，如齿轮泵、叶片泵、柱塞泵、螺杆泵等，是在不同压力值的情况下选用的不同液压泵，液压泵效率具体见表1。2.3 提高液压元件总效率管路压力损失对液压元件的影响非常大，所以要想提高液压元件效率，要找出管路压力损失的原因，其中管道结构、液体流速、管道大小等，是造成损失的主要部分，只有从根本上提高了元件的工作效率，才可以从根本上

12、达到节能目的。基于管路压力损失的几个方面，提出有针对性的对策：其一，对于管道的大小，即内径尺寸，在选择上要能够合理和准确，依据相关标准来选择，避免压力的过大而产生的损失;其二，对于管路长度，在管路长度的弯曲中，要避免弯曲的次數，对于总长度而言，要尽量缩短;其三，液体流速，要尽量减少管内的液体流速。2.4 控制泄漏对于油液的泄露问题要从两个方面着手，即内泄露和外泄露，顾名思义，内泄露是在系统内部产生的泄露，在系统内部压力差所导致的液压油从压力高侧向低侧泄露，外泄露是系统外部的液体泄露。在两方面的泄露中，内泄露不容易察觉，而外泄露人们可以直接观察到，并能够采取有效的措施，所以控制泄露要格外重视内泄

13、露，具体措施是要采用各方面性能较高的密封材料，最终将泄露控制在最小的范围。与此同时，在选择元件前，要对各个环节进行检查，从元件的加工开始，要严格把关，无论是从材质、结构、装配等方面都要一一检查，对于一些细小的零件还要保护起外观的整洁度，防止摩擦和破损等。2.4.2 重视元件的制造和装配  要在装配之前，对各零件进行相关的检查，之后再按照相关的工艺来进行装配，在装配的过程中要能够最大程度的减少泄漏。2.4.3 合理选择液压油  选择液压油时，要考虑其会随着温度、压力等外界因素而产生的粘度变化。2.4.4 正确的密封  在控制泄漏问题上，还要注意其密封性，密封防漏做得

14、好，正确的选择密封材料和密封方法，可以有效的控制泄漏现象。如何做到真确的密封，考虑材料的腐蚀性、耐磨性、寿命等，在形式的选择上，要考虑密封部位的结构、尺寸、性能等，与此同时，正确的密封还要考虑到各因素的成本，如：安装成本、材料成本、工艺成本等。3  液压系统的节能设计方法在进行液压系统的节能设计时，第一步应该进行液压系统工作时段状况的分析和技术经济分析，进行工况分析是为了明确在一个使用循环中每个工作阶段的负载压力、流量和功率的分布及要求，为后期设计提供基本的数据支持，技术经济分析在于对各个节能设计方案进行对比，确保有经济又节能的方案。液压系统节能设计的主要途径可以分为以下几点：3.1

15、 增加液压系统内部元件本身的效率，减少控制元件的能量损失。3.1.1 液压泵的节能设计在液压泵的节能设计中，最主要的设计点在于对各摩擦副的设计，高压泵和中低压泵的节能设计中，要采用不同的设计方法，对于中低压泵而言，要采用固定间隙法和剩余压紧力法，对于高压泵而言，要采用静压或动压支承法。（图2）3.1.2 液压阀的节能设计液压阀的节能设计在于减少压力损失和泄漏损失，需要合理设计流道，用来降低局部的压力损耗，采用相对合理的密封结构和材料来减少泄漏损失。现在运用最多的是电磁阀，因此降低电磁阀的能耗也是一方面，经过节能化的电磁阀由于普通交、直流阀，功耗可降至其1/6到1/15。在对电磁阀进行设计中，要

16、尽量降低其阻力，减小吸力，这样才能达到节能的设计。3.1.3 液压马达及液压缸的选择在系统能量的消耗中，液压缸和马达是主要的能量消耗元件，所以在选择上也应该更加谨慎，在遵循系统的相关要求下，同时也要保证液压缸和马达与泵的流量一致，之后再选择合适的液压缸和马达，最终达到节能的目的。3.1.4 液压源的选择对液压源的选择，要首先分析液压系统的实际情况，分析循环中的流量、功率等，明确上述几方面的要求后，再根据相关的标准选择合适的液压源。在现阶段的液压系统中，高效的液压系统比比皆是，都是为了一个最终目的，即提高系统的工作效率，从而达到节能的目的，根据实践证明，高效的液压系统可以提高40%左右的工作效率

17、，节能效果显而易见。3.1.5 合理选用控制元件及系统管路在元件和系统管路的选择上要根据不同的情况来确定，比如选择元件，要判断不同位置的压力和流量大小，选择合适的规格;而在选择系统管路时，管长和弯头都要尽量的减短，对于管路中的流速，也要根据管道类型来决定，与此同时，在进行管路设计过程中，要尽可能的减少多余的元件，优化管理系统，保证系统设计的简单性和功能性，从而达到节能的目的，避免冗杂的设计。3.2 选用传动效率较高的液压回路和适当的调速方式定量泵节流调速系统在工作过程中，功率损失大，再加上节流调速，功率损失在50%以上，假如不进行流量控制，也有四分之一以上的损失，与此同时，还有压力和容积的损失

18、，这些功率损失严重影响着系统的能耗，这种情况下，就要考虑更换调速系统，以最大限度的降低能耗，提高系统的工作效率，达到节能的目的。同时，提高液压系统的效率还有一个重要的影响因素，即：负载。在相同的节能回路中，负载流量和泵的最大流量比值越大，其工作效率就越高。3.3 定量泵节流调速回路应减少溢流损失3.3.1 采用二位二通阀的卸荷回路图3为采用二位二通阀的卸荷回路，图示位置为泵的卸荷状态。图3回路，要求其规格要与泵的规定流量保持一致，在小流量的液压系统中可以使用这种回路。3.3.2 用先导式溢滚阀的卸荷回路如图4所示，在先导式溢流阀1的遥控口接一小规格的二位二通电磁阀2。溢流阀主阀弹簧的强弱会直接影响卸荷压力。由于阀2只须通过先导式溢流阀1控制油路中的油液，所以选择规格小的阀即可，在小流量的液压系统中可以选择应用图4所示的回路。由于系统工作的情况各不相同，卸荷回路也有多种，在进行选择时，要根据各自流量系统的特性选择与之相适应的卸荷回路，以最大程度的降低能耗，最终实现节能的目的。3.3.3 采用双泵双压供油回路见图5，液压泵1为高压小流量泵，其工作压力由溢流阀5调定。泵2为低压大流量泵，其工作压力应低于液控顺序阀3的调定压力。图5回路虽然提高了系统的工作效率，但是从图中可以看出系统的繁琐程