浅谈流体传动中的压缩能损失

1、浅谈流体传动中的压缩能损失吕云嵩(南京工程学院机械系, 江苏省南京市虎踞北路50号,210013，Tel 要：压缩能损失是容积式流体传动的固有特性。对于气压传动和液压蓄能器，压缩能损失是影响效率的重要因素。压缩能损失的大小取决于传动介质的压缩性及循环压力比，当传动功率一定时，还和动力元件工作点的选择有关。采用闭式气动回路、蓄能-变压组合回路等方法可减小压缩能损失。主题词：流体 蓄能器 节能 压缩能与机械和电气传动相比，效率低是流体传动的一个主要缺点。效率低不仅浪费能源，还会使系统发热，恶化工作条件，降低元件和传动介质的使用寿命，因此，节能技术一直被视为流体传动理论研

2、究和技术发展的一个重要方向。为提高流体传动效率，人们已在元件设计、系统结构及运行方式等方面作了大量工作，进一步节能的潜力已十分有限。然而到目前为止，有关压缩能损失的研究还很不够，所以探讨压缩能损失的规律，寻求使之减小的方法，无疑是一项有益的工作。压缩能损失可视为一种容积损失， 1 循环压缩能损失图1的低压介质，然后压缩，当压力达到工作压力执行元件换向时释放，并转化为热能。1.1液压传动的压缩能损失如图1所示液压系统。液体压缩系数e -dV/VdP，动力缸 图1 流体传动系统示意图 完成一次压缩动作，压缩介质所作的功Wp 、输出功Wu 及其比值分别为：Wp =1/2(V 1-V 2(P 2-P

3、1 Wu =V 2(P 2-P 1 Wp Wu=V 1-V 22V 2=12（1-1）e PP 1 、P 2-低、高压管路压力；V 1 、V 2-动力缸初始容积（排量）及压力刚好达到P 2时的容积。上式表明系统压缩能损失和液体压缩系数及工作压力成正比。工程上压缩系数e 通常取1/700MPa，若工作压力P 为32MPa ，则：Wp =32(2700 2% （1-2）可见液压传动系统的压缩能损失是很小的。图2为空压机示功图，若不考虑机械效率和其它损失，压缩机压气过程的输入、输出功及其比值分别为：21n Wt =VdP =PdV -(P 1V 1-P 2V 2 =(P 2V 2-P 1V 1（1-

4、3） 12n -1Wu =(P 2-P 1 V 2Wu Wt=n -1n1-1-1-1/n1=0. 280. 58=1n =1. 4n =1. 4=0=1/7（1-4）P1、P 2-进、排气压力，P 1/P2-压缩机进排气压力比（取值范围01），n-气态方程多变指数。pW u /W tv¦Ë 图2空压机示功图 图3 效率与压缩比的关系压缩机工作循环可视为绝热过程，即n 1.4，式（1-4）的函数曲线如图3。由图可见压缩机输出、输入功的比值Wu/Wt随压力比的增大而增大。极限情况1时，压缩机工作点对压力比是有影响的。由式（1-3）及气态方程可得：Wu =(P 2-P 1 V

5、2WuP =P 12n n (P -P V112P 1V 1=P 2V 21-n40 353025201510ÆV 1¦n(n-1/n=Wu PVnV 1n -1（1-5）¦Æ=Wu/PV.n =1n=1.4式中Wu PV 与工作点无关， 压缩机功率确定后5它是个常数，V 1为初始容积即压缩机排量。式(1-50¦Ë的函数曲线如图4。当压缩机功率确定后，V 1减小P 1必然要提高，即压缩机示功图上的工作点左 图4 压力比与容积V 1的关系 移，而由式（1-5）或图4可知，V 1减小将使压力比变大，进而使压缩能损失减小。等温过程n=1，式

6、（1-5）变为：（1）Wu/PVn （1-6） 此时，工作点的变化对因而对压缩能都没有影响（p-v 函数曲线关于45°射线对称）。 2 蓄能器压缩能损失用蓄能器作附助动力源是一种常见的节能方法。皮囊式蓄能器是利用气体的压缩能n存储能量的，在实际使用中，蓄能器充液压力的平均值通常都远远大于排液压力，因而总有部分压缩能不能被有效利用而白白流失，流失的程度取决于系统的循环方式。 2.1压缩能损失与压力比的关系为便于分析，设蓄能器充满液体时的压力为P 2，排液时系统的压力为P 1。令Wt 、Wu 分别为蓄能器充、排液时系统消耗和吸收的能量，V 1、V 2分别为排液开始和结束时蓄能器的有效容积

7、，不考虑其他损失，可得：11Wt =PdV =(P 2V 2-P 1V 1（2-1） 2n -1Wu =P 1(V 1-V 21Wu 1-=(n -1 1/n -1=0Wt -10. 521/n=1=0n =1. 4（2-2）=0. 3比较式（1-4）可发现，Wu/Wt随的变化趋势和气动系统相似，Wu/Wt随增大而增大说明压缩能损失随的增大而减小。极限情况，当1时，Wu/Wt1，即压缩能损失为零；0时，Wu/Wt0，即效率为零。在通常情况下，0.3，此时蓄能器单位容积的储能容量最大1，而蓄能器的压缩能损失率则为48。 2.2工作点对压缩能损失的影响 由式（2-1）及气态方程可得： P 1=P

8、2(V 2V 1 nWu =P 1(V 1-V 2= 1-Wu PVnV 1n -1 （2-3） 类似于式（1-5），PV n 也和工作点无关，故当蓄能器的储能容量Wu 已定时，减小蓄能器的初始容积V 1也可提高压力比，进而减小压缩能损失。等温过程n 1，（2-3）变为：（1-Wu PV ） （2-4）和工作点无关，这一结果与气压传动相同。3 关于减小压缩能损失的几点思考由以上分析可以看出，流体传动系统的压缩能损失是很可观的，为减小这种损失笔者有以下几点思考。3.1气动系统由上文知，提高气动回路压力比 失。提高为此可将开式气路改成闭式。如图5初级压缩机压力，供气路压力P 2= P 1P ，压缩

9、机压力。调整初、力比。对开式气路由式（1-4）知，时，Wu Wt 0.58。若采用闭式气路，且设Wu Wt 0.8，压缩能损失比开式减小了20除了提高传动效率，闭式回路还具有以下优点：1）可在压缩能损失不增加的情况下提高系统的工作压力。工作压力高，功率密度大，系统结构紧凑，摩擦损失小。2）传动介质的体积弹性模量增大，有利于提高系统的速度刚度、承载能力及工作稳定性。对于气动伺服系统，由于固有频率提高了，系统的稳定性和响应速度也将相应提高。3）压缩机的容积系数会因为压力比的提高而提高，排气温度则会因压缩能的减小而降低2。4）可以简化气源处理装置，改善元件润滑条件，减小排气污染等。闭式回路的主要缺点

10、是增加了回气管路。此外由于压力高，元件的密封性及耐压性也要相应提高。制造和维护成本较高。3.2蓄能器 作为辅助动力源，人们主要关心蓄能器单位容积的储能容量，故通常设压力比0.3；而按照上文分析，欲使蓄能器具有较高的效率，越接近1越好，所以的选择应兼顾容量与效率两方面因素。如对固定式系统，蓄能器的体积和重量对整体性能的影响并不大，故可适当提高值以获得较高的效率；而对移动式系统，的取值就应尽量接近0.3，以便减小蓄能器的体积和重量。对某些大型系统，还可以采用蓄能-变压组合回路3 4。其工作原理大致为，充液时，变压器将系统的低压能转化为高压能并储存在蓄能器中，因而提高了蓄能器单位容积的容量；排液时，

11、变压器输出压力跟踪负载压力变化，实现压力匹配，从而可大大减小压缩能损失。对体积、重量及动态响应要求都不高的系统还可采用重力式蓄能器，这种蓄能器在静态条件下没有压缩能损失。 4 结束语 流体具有压缩性，压缩能总是伴随着压力能的形成而产生。压缩能不传递动力，当执行机构改变运动方向时转化为热能，它的存在降低了系统的容积效率。压缩能的大小取决于介质的压缩性和循环压力比。液体的压缩能很小可以忽略；气体的压缩能较大，对于开式气路，若工作压力为0.7MPa ，气体的压缩能可达总能量的40。采用闭式气路可以方便地选择压力比，从而能有效降低压缩能损失。皮囊式蓄能器作辅助动力源时，因气体的压缩能不能被充分利用而造

12、成能量的流失。流失的多少主要取决于充、排液压力比。作为一个特例，当系统只有两级工作压力且压力比为0.3时，蓄能器压缩能的损失率可达48。利用蓄能-变压组合回路能较好地解决蓄能器容量与效率的矛盾。参考文献： 1 2 3何存兴，液压元件M ，北京，机械工业出版社，1982 林 梅，活塞式压缩机M ，北京，机械工业出版社，1987姜继海等，液压恒压网络功率完备匹配的结构条件及其控制方案的研究J ，中国机械工程第14卷第1期2003，1。4Achten P, Transforming future hydraulics Proc. Of 5th Scandinavian International C

13、onference on fluid Power, 1997,3: 287310Discuss on Loss of Compressive Energy in Fluids Transmitting PowerLu Yunsong(Dept.of Mechanical Engineering, Nanjing Institute of Techenology,Nanjing210003,ChinaAbstract: The loss of compressive energy is the inherent property of the fluids transmitting power. It is the important factor that affects the efficiency of pneumatic system and hydraulic accumulator. The compressive property of medium and the working point of power component decide the loss of compressive energy when its power is determined. It is p