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月2010年4月任光合：液压系统节能技术综述 液压系统节能技术综述摘要：介绍了液压系统的节能技术与途径，包括液压系统的基本节能途径和液压系统的调节控制节能技术。分析了液压系统能量损失的原因，从液压系统的五大组成部分出发，介绍了几种相比而言高效率低能耗的节能措施，并展望它们的应用前景。关键词：液压系统 节能 控制技术 能耗分析中图分类号：TG156Summary on Energy-saving in Hydraulic SystemREN Guang he(College of Mechanical Engineering, Yanshan University ,Qinhuangdao 066004)Abstract：This 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 among the five parts of hydraulic system，and expects the future of their applicationKey words：hydraulic system energy saving control technology energy loss0 前言2010年4月10日初稿，2010年4月20日修改稿 液压系统在机械装置和设备中的应用十分广泛，但液压传动存在多次能量转换，其效率较低，例如挖掘机的能量的总利用率仅为20左右【1】。液压系统在传递运动和动力过程中的无功损耗都变为热能，使系统温度升高，引起很多不良影响，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，必须合理使用高效率的液压元件，合理设置和分配元件、管路，正确选择油液，并对系统进行综合调节以提高系统的效率。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，提高液压系统的效率有十分重要的意义。1 液压系统的能耗分析液压系统包括：能源装置、执行装置、控制调节装置、辅助装置、传动介质。每一个环节功能的实现都是通过能量来驱动的，工作过程的三次能量转换包括在液压泵中形成高压油时机械能转换为压力能，将压力能转换为机械能驱动执行装置工作以及高压油经过系统各液压元件时的热量。能量的转换过程必然伴随着能量损失。整个液压系统的能量利用情况可用系统的总效率来表示， 总效率 （1） （2）式中 电动机的效率；液压泵的总效率；液压执行器的总效率；液压回路总效率；一液压回路摩擦效率；一液态油的压缩效率；一层流，紊流效率。 由以上两式可以看出：液压系统的总效率是电动机、液压泵、液压执行器和液压回路等的效率的乘积，任一项效率的降低都会影响液压系统的总效率，只有当所有项都为最高值时，总效率才会最高。同时，根据能量守恒，在输入功率一定的情况下，越大，损耗的能量越少，回路中的紊流越少，回路的摩擦系数越小，系统的效率越高。因而液压系统中的摩擦，泄漏，压力损失，流体流动的损失，不匹配损失均是节能设计中须注意的方面。此外，液压系统的回路也会有不同的效率损失，如回油节流回路会有节流损失和溢流损失，旁路节流回路会有节流损失，所以，根据系统需要实现的功能，液压回路的选择是节能需注意的一大方面。2 液压系统的基本节能途径2.1 节能液压元件的选用 液压元件的能耗表现在液压元件工作时引起的元件及其连接部位的能源泄漏、内摩擦及发热等。其中以液压泵、马达损失最大，其次是各种阀类，如溢流阀的溢流损失，以及设在液压缸或马达回油路上的背压阀的压力损失等。常用的节能液压元件有限压式变量泵、恒功率变量泵、恒压式变量泵、蓄能器、电液伺服阀、集成阀、变截面液压缸等。 采用节能型液压元件是系统的重要节能手段。如负荷敏感式变量柱塞泵可随负荷变化自动调节流量；变截面液压缸可有效地避免选用大流量、大功率油泵带来的能量浪费；自保持型电磁阀只需瞬间通电即可完成阀门开关动作，阀芯位置无需电来保持；插装式锥阀可将每条流道上串联阀的个数减到最小，使大流量的主回路得到简化2。2.2 提高液压泵总效率 泵作为初次能量转换装置，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。若要提高液压泵的总效率，必须提高其容积效率和机械效率，这不仅取决于液压泵的结构形式，而且与使用压力、液压泵转速及液体粘度等因素有关。提高液压泵总效率的途径有：（1）选择合理的液压泵形式。一般压力在2.5MPa以下时选用齿轮泵；在2.56.3 MPa范围内选用叶片泵；在6.3MPa以上选用柱塞泵。表1为常用泵的效率（2）选择合理的液压泵转速。对提高效率而言液压泵存在一个最佳转速，一般在1 0001 800 rmin范围内。（3）选用粘度合适的液压油。高粘度油可使泄漏减少，容积效率提高，但内摩擦阻力增大，管道压力损失增加，机械效率降低，并导致泵的自吸能力下降。使用低粘度油时，情况正相反。 表1常用液压泵效率类别柱塞泵螺杆泵叶片泵齿轮泵容积效率0.850.980.850.950.800.950.700.90机械效率0.750.900.700.850.750.850.600.80总效率0.750.850.750.800.750.80 0.600.752.3提高液压元件总效率 管路的压力损失与管道直径和结构、液压油粘度、液体流速等有关。可从以下几种措施来减少其压力损失：（1）减少管中液体流速。一般吸油管流体流速应小于11.2m/s，压油管小于36 m/s；（2）减少管路长度和局部阻力个数。尽量减少不必要的弯曲，缩短管路长度，两个局部阻力间距离一般应大于20 d(d为管道直径)； （3）合理选择油管内径，避免油管过流断面突然扩大或缩小而增加压力损失。 所有阀类元件皆为流阻，引起一定的能量损耗。提高液压阀的总效率主要是提高其容积效率和压力效率，。提高液压阀的容积效率主要是减小其泄漏量，提高液压阀的压力效率主要是减少液体流经液压阀的压力损失7。为减少机械冲击，在泵的吸油口和出油口采用软连接，液压缸等执行元件的两腔采取软管连接。阀间连接一般有下列方式，根据不同要求选择合理的连接方式，如表2所示。2.4控制泄漏油液的泄漏可分为外泄漏和内泄漏，外泄漏主要是指液压油从系统泄漏到环境中，内泄漏是指由于高低压侧的压力差的存在以及密封件失效等原因，使液压油在系统内部由高压侧流向低压侧。外泄漏人们可以直接观察到并予以重视和处理，内泄漏往往易被忽视。防止泄漏需要不断改进密封材质，推广应用各种兼容性好且抗磨的密封材料，采用无外泄漏密封结构和密封系统，将泄漏量控制在最低限度内。此外，需重视元件的加工、装配、保管各个环节，提高加工水平以提高阀类元件通道内表面的光洁度和精度，在装配、保管过程中注意防尘、清洗去毛刺等，对精密零件还应注意包装、防碰、防潮，减少内摩擦、发热和内泄漏。 控制泄漏的主要措施有： （1） 采用间隙补偿。内泄漏量与间隙关系的计算公式为： ，由此可见，内泄漏量与间隙厚度的立方成正比，减小间隙能显著减少内泄漏量由于油膜润滑和零件的加工工艺及热胀冷缩等因素必须保证一定的间隙，因此液压元件间隙密封的首要问题是控制间隙的大小。（2）考虑制造和装配因素，减小泄漏。 严格控制配合零件表面的加工质量，使配合表面几何形状误差、表面粗糙度符合标准。装配前应对零件进行仔细检查，严格清洗，并按装配工艺要求进行装配，杜绝因装配引起的泄漏。（3）合理选择液压油。液压油作为液压传动的介质，它的黏度随温度，压力，剪切速度等条件的变化而变化。若液压油的润滑性、腐蚀性以及剪切安定性差，会导致粘附在活塞杆上的油液有可能被过量挤出造成活塞杆外伸时带出的油液层增厚，加剧渗油现象。此时在油液的选用方面， 表2 常用阀类元件安装形式安装形式连接方式优点缺点应用于发展管式连接通过管子、管接头和法兰组装连接简单，布局方便，容易查找故障原因不紧凑、容易产生振动、噪声和泄漏，维修不方便小流量一般使用螺纹管，大流量的则是用法兰连接，这种连接方式不太多见屏面式管式安装按需组成各种系统，元件集中整齐，连接牢固，密封性好配管工作量和安装空间均较大将液压阀安装在座板上，再通过座板上螺纹孔，用管子、管接头连接每个板式阀配备一块连接板（座板由阀的生产厂供应）板式连接油路板安装结构紧凑，阀间通道短，动作反应快。压力损失、振动、漏油均较少油路板按某个液压系统专门设计，不便于系统的改进这种连接是将液压阀集中安装在油路板上，元件之间的油路通道是通过预先设计加工的孔来连接的油路集成块安装油路压力损失小、系统振动与漏油小、易实现三化。便于批量生产但是整体较重，设计工作量大，加工工艺复杂，不能随意修改系统这种连接是将阀固定在油路集成块的前面、右面和背面，集成块左面安装接头用来连接执行机构叠加式集成连接标准化的叠加阀互相直接连接而成系统更简单、集中、紧凑、组装灵活，便于油路改进阀间局部损失距离较近，易使局部损失呈几何倍增加阀体做成标准尺寸的长方形，使用时将元件在座板上叠积，然后用拉杆紧固将插装阀直接插入布有孔道的阀块的插座孔中，构成系统结构简单、抗污染能力强、性能可靠、流动阻力小、控制方式灵活等阀间局部损失距离较近，易使局部损失呈几何倍增加根据阀的不同功能由阀芯、阀套等构成的组件（插入件）插入专用的阀块孔内，配以盖板、先导阀组成不同要求的液压回路 应选择运动粘度，的液压油。（4）正确的密封。密封防漏主要从密封件材料和形式两方面考虑。密封材料一般应具有耐腐蚀性高、耐磨性好、不易老化、工作寿命长等特点8。对密封形式应综合考虑密封部位的尺寸结构和对偶件运动性质、密封的工件条件、密封的性能等几方面。此外还应考虑考虑工艺成本，如密封件的价格、安装和维修费用等。2.5 其他节能措施 （1）采用能量回收装置节能。 能量回收的关键环节是能量转换器，要求其节能效果高、造价低，能量便于控制。在液压系统中采用飞轮或蓄能器就可得到较好的节能效果，有效降低设备的功率。对于低压大流量的液压系统，一般采用大流量的液压泵，如果采用蓄能器来增加短时大流量，可以大大节省能量，同时缓和冲击压力，吸收压力脉冲。 （2）利用电子技术完善控制系统。首先，利用传感器形成一个监控系统，来监视系统的压力情况。经过AID转换器形成数字信号，输入到计算机中，编写控制程序完成对系统情况的整体掌握以及对信号的处理，形成实时控制信号，使液压泵以及相应的液压元件相应变化，力求能耗最小。3 液压系统的节能回路根据液压系统的工作状态进行控制、调整液压泵的运行参数，使之与负荷匹配，是提高系统能量利用和降低无功损耗的重要途径，这就是液压系统的调节控制节能方法。液压节能调节控制系统很多，这些系统的共同特点是具有不同程度的自适应性，它们利用自动调节理论进行必要的动态调节，稳定系统工作状态。3.1闭式容积调节系统容积调速液压系统采用改变液压泵或液压马达的排量来进行调速。图1所示为一变量泵控马达闭式液压系统原理图。变量泵3的排量可调，实现流量调节。补油泵1补偿系统运行过程中的泄漏。安全阀4防止压力过高造成事故。溢流阀6调定补油压力。由于系统中没有方向阀和节流阀，液压泵输出的压力油全部送往液压马达(或液压缸)，这不仅简化了液压系统的结构，而且大大减少了阀口节流和管路沿程损失。因此，这种系统效率较高，功率利用合理，发热小，调速范围大，适用于大功率需要无级调速的液压系统。 1、 补油泵 2、单向阀 3、变量泵 4、安全阀 5、马达 6、溢流阀 图1 泵控马达闭式系统3.2压力匹配液压回路压力匹配液压回路(又称压力适应回路)包括定量泵、定差溢流阀与节流阀(实为溢流节流阀)。与普通回路不同的是，此回路中溢流阀不仅用来将多余的油液排回油箱，还作为节流阀的压力补偿阀，以保证负荷变化时，节流阀进、出口压差为一常数。图2为一种使用比例方向阀的压力匹配回路。在此定差溢流阀实质为具有节流功能的比例方向阀的压力补偿阀，使比例方向阀进、出口压差为常数。该回路的优点是速度稳定性好、效率高、构成及控制简单，性价比高。 图2 压力匹配液压回路3.3二次调节系统二次调节系统一般由恒压油源、二次元件(液压泵马达)、工作机构和控制调节机构等组成。它可工作在压力恒定、流量随负载的变化而改变的压力耦联系统中，能够回收与重新利用系统的制动动能和重力势能，具有良好的控制性能。在系统中，二次元件能够无损耗地从恒压网络取得能量，大大地提高了系统效率。通过调节二次元件斜盘倾角改变二次元件排量，从而适应负载转矩的变化，这一过程也实现了二次元件的无级调速。在系统中可以同时并联多个负荷，并在各负荷端分别实现互不相关的控制规律；可扩大系统的工作区域，改善系统的控制特性，减少设备总投资，降低工作过程中的能耗，节约冷却费用。图3为二次调节系统原理图。1、 一次元件 2、蓄能器 3、二次元件 4、变量缸 5、伺服阀 6、油箱 图3 二次调节系统原理图3.4电液负荷感应系统 负荷传感系统是一个具有压差反馈，在流量指令条件下实现泵对负荷压力随动控制的闭环系统，其中压力补偿控制是实现各动作流量分配和准确控制的保证，根据压力补偿在回路中的位置，压力补偿系统分为阀前补偿、阀后补偿、回油补偿。负荷感应是接收或感应负荷压力的一种方法，它将负荷反馈到控制系统，以控制负荷回路的流量不会因负荷的变化而受影响。没有负荷感应，流量就会随负荷而变化。其他控制压力系统虽消除了压力过剩，但不能消除流量过剩，多余的流量会造成一定的能量损失。负荷感应控制系统按控制方式一般可分为压力感应控制、流量感应控制及功率感应控制3种方法。由于液压泵只需提供与执行元件负荷相匹配的压力、流量或功率，液压系统中不产生过剩压力和过剩流量，或者相对于系统压力和流量来说很小，因而系统具有显著的节能效果。图4为由变量活塞、控制阀与压力补偿阀、梭阀组合在一起的负荷感应控制系统，该装置使液压泵的压力、流量与负载压力、流量相适应，系统不会产生过剩压力和过剩流量，节能效果可达30一40。电液负载感应系统的另一个优点是可采用数字压力补偿。即将检测得到的供油压力和负载压力送入各联阀的流量控制器，经过数字运算处理，使阀芯朝着与阀进出口压差变化相反的方向移动某一适当数量，从而消除供油压力或负载压力变化可能引起的流量变化。 1、主泵 2、变量活塞 3、4、控制阀； 5、6、压力补偿阀；7、梭阀 图4 负荷传感控制原理图3.5变频液压调速系统在液压系统中，大多采用异步电动机驱动，异步电动机变频调速效率高、调速性能好，在其他领域应用广泛。同样，在液压系统中采用变频调速可取得的应用效果，尤其在大功率间歇运动的调速系统中，其优越性更为显著。交流变频调速液压系统避免了节流损耗和溢流、泄荷损耗，并大大提高了原动机异步电动机的效率，显著改善功率因数，是其他液压调速方式所无法比拟的。变频调速液压系统是利用变频器改变泵的转速，使泵的输出流量与系统要求相适应，它可以使溢流损失降至最低，从而有效地节约能源。变频液压调速系统的原理如图5所示，系统主要由变频调速电动机、定量泵定量马达构成。高压安全阀防止系统过载，液压马达（Tf）给马达加载，光电编码器时刻检测马达转速并反馈给控制器，形成闭环实时控制系统。 图5 变频液压调速系统原理图 3.6 CPS恒压系统 日本近年来开发了定压力源系(CPS-Con-stant Pressure System)和适用的液力平衡式(FFCFluid Force Couple)液压彩马达10。几家名牌汽车制造公司生产了CPS公交汽车，在东京等3个城市中运营，尾气排放和燃油费用各降低了20以上。如图6所示，CPS能保证液压源为恒定压力，扩大了液压技术应用领域。公交汽车需要频繁地加速、减速和起动、停车，采用CPS传动控制可以将刹车时的热能损失作为运动能量回收、蓄积起来，在加速时利用。 l一发动机2一能源g马达3一单向阀4一压力补偿器 5一飞轮泵马达6一联轴器(B型CPS) 7一飞轮 8一蓄能器9一驱动泵马达10一车轮 图6 CPS 系统3.7负流量控制 负流量控制是液压泵中的流量随控制压力信号的增大而减小，即控制油压与流量成反比。负流量控制的基本原理如图7所示。控制压力信号由液压泵的回油经过负流量调节阀产生，其油压的变化即可控制主泵流量。当主阀回油量大时，控制油路的压力升高，泵的流量即减小，反之，油的流量增大。即液压泵带有负流量控制，可实现当系统换向阀处于中位时，通过负流量控制阀产生反馈信号，传送到主泵控制阀，主泵的流量随压力信号增大而减小，避免了传统的液压机械靠溢流阀的溢流控制方式，最大限度地减少功率的损失和系统发热，当安装了压力切断阀后其节能效果更为明显。如图7中阀6为切断阀，当执行元件运动到极限位置时，主泵输出压力接近主泵溢流压力时，切断阀执行切断功能以减小泵的排量，消除系统过载时的溢流损失。与传统的控制方式相比，该