《液压传动 系统节能设计方法》

1液压传动系统节能设计方法本文件描述了液压系统在保持预期功能的前提下以最低能耗运行的设计方法。本文件适用于固定设备或移动设备上的液压系统。注：本文件使用了液压系统在相关应用中“工作周期”的概念，但不对其进行定义。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中,注日期的引用文件,仅该日期对应的版本适用于本文件;不注日期的引用文件,其最新版本（包括所有的修改单）适用ISO5598流体传动系统及元件词汇（Fluidpowersystemsandcomponents—Vocabulary）注：GB/T17446—2024流体传动系统及元件词汇（ISO5598:2020，MOD）3术语和定义ISO5598界定的以及下列术语和定义适用于本文件。ISO和IEC在以下地址维护用于标准化的术语数据库： IEC电子开放平台：/； ISO在线浏览平台：/obp。3.1液压系统hydraulicsystem包括一个或多个原动机，用于产生、传输、控制和转换液压流体传动能量的相互连接的元件的配本文件使用的符号见表1。符号参量描述d管路内径液压系统中的蓄能器或其他能量存储装置在稳态工作周期结束时储存的能量液压系统中的蓄能器或其他能量存储装置在稳态工作周期开始时储存的能量在对应工作周期内液压系统的能耗Ec,in,i第i个工作周期的能耗2从液压系统反馈到一次能源（如电网或电池等）的能量液压系统的一次供给能量： 液压系统原动机的一次供给能量（化学能，如燃料所含的能量、电能或这些能量的组合）。如原动机同时向液压系统之外的其他系统输送能量且其控制与液压系统无关，其供给能量见5.1； 用于加热/冷却的一次供给能量； 用于控制和辅助功能（如传感器、电子装置、过滤装置等）的一次供给能量 液压系统完成所有规定工作周期的能耗第i个工作周期的次数n工作周期的数量工作周期内的瞬时回收功率工作周期内的瞬时一次供给功率Q流量雷诺数工作周期结束的时间工作周期开始的时间v流速功率损失压力损失5设计方法5.1通则在设计节能液压系统时，应使用相关机器设备的典型工作周期和功能要求。液压系统的边界应包括原动机。为了比较不同液压系统的效率，在应用本文件时，原动机的类型（电机、内燃机或其他）是固定不变的。注：原动机可能对液压系统设计所针对的机器设备的总效率产生重大影响。本文件并不用于原动机的选型。如果原动机同时向液压系统之外的其他系统输送能量，且其控制与液压系统无关，则输入液压系统的能量可根据液压泵轴转速和转矩在工作周期内随时间的变化关系进行计算。图1所示为一个液压系统及其边界示例。液压系统可能包含更多元件。1——原动机；2——液压泵；3——液压控制阀块；4——液压缸；5——液压马达；6——冷却器/加热器；7——蓄能器；8——一次供给能量Es,in；9——液压执行元件输出能量；10——发热能量；11——用于加热/冷却的一次供给能量；12——用于控制和辅助功能的一次供给能量；13——回收能量Er；14——液压系统边界。图1液压系统及其边界示例5.2基于执行元件的应用设计对线性驱动的执行元件（液压缸），工作周期应通过力和速度随时间变化的关系来描述。对旋转驱动的执行元件（液压马达），工作周期应通过转矩和转速随时间变化的关系来描述。5.3确定执行元件的规格应根据负载和速度要求选择执行元件并确定其规格。4执行元件的规格不宜过大，避免超过工作周期所要求的负载的能力。选择工作压力、流量和元件时，宜尽量减少工作压力和供给压力之间的差值。如果多个执行元件连接到同一个压力源，确定这些执行元件的规格时，宜使其工作压力处于相近5.4控制设计液压控制的设计应满足工作周期的功能要求，例如执行元件的并联或顺序动作。如适用，宜通过液压泵进行流量控制。如果液压泵的流量无法控制，则宜调节液压系统的供给压力与负载压力的需求相匹配。如适用，宜通过液压、电气或机械存储，或通过反馈到供给能量源，实现动能、势能和热能的回如适用，宜对差动缸使用再生回路。宜尽量减少控制和辅助功能的一次供给能量，例如通过使用脉宽调制（PWM）技术减少保持电流。如果液压系统中包含多个执行元件，则控制设计宜从工作周期能量需求最大的执行元件开始考注：液压系统的最高工作压力取决于系统中耐压能力最低的元件。5.5液压动力源设计考虑到液压系统内部可能存储的能量，液压动力源宜仅提供工作周期所需的液压能量。如适用，宜通过调节原动机的转速并结合使用定量泵或变量泵来控制液压动力源。液压泵不宜长时间处于待机模式。如果无法避免，尤其在短时间的待机模式下，宜尽量降低液压泵的压力（如使用旁通阀）。在需要提供峰值功率的情况下，当选择增加储能装置（如蓄能器）产生的能量损失低于更换更大排量液压泵产生的能量损失时，宜使用蓄能器。如适用，在使用蓄能器的情况下，液压泵宜间歇运注：蓄能器的重量会对机器设备的能量需求产生负面影响，尤其是在移动液压应用中。蓄能器宜在保压阶段使用，以补偿由于温度变化、内泄漏或执行元件的微小移动等原因造成的容5.6液压系统配管设计配管设计的基本要求宜使液压流体的流动为层流特性。宜使用弯管而非弯管接头，减少液压流体流动过程中的压力损失。确定管路内径尺寸时宜考虑液压流体的黏度，并避免内径尺寸有明显差异。详见附录A。5.7选择液压流体综合考虑环境温度、工作温度范围以及黏度指数的影响，在满足功能要求的前提下，液压油的黏度宜尽可能低。液压元件制造商推荐的黏度宜考虑磨损的情况。注：低黏度的液压油有利于提高液压泵的液压机械效率，但同时也会导致元件的内泄漏增大。55.8辅助元件的选择冷却器和加热器的能量需求可能相对较高，应加以考虑。还宜考虑过滤器、传感器等其他辅助元确定辅助元件的规格时宜尽量减小液压流体的压力损失，可参考液压系统配管的建议，见附录5.9供给能量的计算方法液压系统的能量供给应按相近环境温度和稳定储能条件下工作周期内的能耗计算，见公式(1)：Ec,in=ΣEs,in__ΣEr+ΣEa,s__ΣEa,e Es,in——瞬时输入功率Ps,in在工作周期内的积分，按公式（2）计算：Es,inPs,in.dt......................................................（2）Er——瞬时回收功率Pr在工作周期内的积分，按公式（3）计算：ErPr.dt..........................................................（3）计算过程中，宜考虑以下因素： 元件（如原动机、液压泵、执行元件、储能装置和辅助装置）的效率； 阀块总成、配管和控制元件的能量损失； 辅助元件的能量需求； 储能装置的容量。注1：和是系统边界上传输的能量，见图1。注2：Es,inEr确定能耗的方法有计算、仿真或测量等。5.10能耗的评价和比较方法如果有多种液压系统设计都满足工作周期的需求，则应根据液压系统的一次供给能量来计算和比较每种设计的能耗。待机模式应被视为执行元件不运动的情况下，持续一定时间的工作周期。液压系统设计的评价宜基于所有工作周期的能耗及其具体执行次数，能耗总和按公式（4）计算：nEv=Ni.Ec,in,i........................................................（4）宜选择能耗值EV最低的液压系统设计。附录B给出了液压系统能耗的评价和比较的示例。6节能液压系统配管的建议A.1通则液压系统配管的能效取决于压力损失的总和。软管或硬管总成、软管接头和硬管接头的压力损失越小，其能效就越高。造成配管能量损失较高的主要原因有： 管路内介质的流速过高； 在同一个液压子系统中管径突变； 介质黏度过高（见5.7）。选择硬管接头和软管接头的基本规则： 管接头数量宜尽可能少； 宜避免管接头内径突变； 弯曲半径宜尽可能大； 软管接头的内径宜和软管尺寸相匹配。A.2液压系统配管的建议管路直径越大，介质的流速越低，液压系统中的压力损失和发热的能量损失就越少。液压流体宜处于层流状态，而不是紊流状态。注1：液压管路内的介质最大流速数据通常由软管或硬管总成供应商提供，或在相关技术文献中查找。以下计算示例给出了不同管路内径与能量损失之间的关系（见表A.1）。注2：计算公式可在相关技术文献中查找。介质流量：50L/min；介质型号：HMVG46；黏度：40℃时为46mm2/s；软管长度：5m；对内径d为8mm、10mm、13mm、16mm和19mm的管路计算流速v和雷诺数Re（Re＜2320时为层流，Re＞2320时为紊流。2320为常用的临界雷诺数，在实际应用中，Re可能因系统参数而表A.1不同管路内径与能量损失之间关系的计算示例编号流量QL/min管路内径dmm介质流速vm/s雷诺数Re介质流动状态压力损失ΔpMPa功率损失ΔPkW7表A.1不同管路内径与能量损失之间关系的计算示例（续）150816.62887紊流3.272.7325010.62310层流/紊流0.810.673506.31777层流0.280.244504.151444层流0.120.15502.941215层流0.060.05计算结果表明，系统不宜使用编号1的配管。介质流动状态为紊流，流速超过了许多软管供应商不推荐使用编号2的配管，因为流速和压力损失Δp都很高，而且雷诺数Re处于临界区域。当选择软管总成时，尽管编号3的配管流速接近上限，也可使用。推荐使用编号4的配管，流速没有达到临界值，能量损失为编号3配管的一半。与编号4的配管相比，编号5的配管能量损失没有明显改善。8附录B不同液压系统设计和工作周期能量需求的示例表B.1列出了不同液压系统设计的所有工作周期的能量需求。在特定的时间间隔内，例如在一个工作班次中，工作周期重复执行了特定的次数。表B.1三种可选的系统设计方案（A、B、C）执行工作周期的能量需求示例工作周期工作周期执行的次数Ni对应工作周期内液压系统的能耗Ec,in/kJ方案A方案B方案C