如何設(shè)計(jì)出節(jié)能、環(huán)保的液壓系統(tǒng)

李玉忠 鄭州煤炭工業(yè)集團(tuán)公司鄭州煤炭技工學(xué)校

如何設(shè)計(jì)出節(jié)能、環(huán)保的液壓系統(tǒng)

李玉忠 鄭州煤炭工業(yè)集團(tuán)公司鄭州煤炭技工學(xué)校

液壓系統(tǒng)是煤礦機(jī)械的一個(gè)重要組成部分，為了確保液壓系統(tǒng)能夠安全、可靠運(yùn)行，達(dá)到節(jié)能、環(huán)保的最終目的，針對液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出一系列具體措施，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能、環(huán)保的目的。

液壓系統(tǒng)；節(jié)能;環(huán)保；設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)是常見煤礦機(jī)械的一個(gè)重要組成部分，如采煤機(jī)、掘進(jìn)機(jī)、液壓支架及提升機(jī)等煤礦機(jī)械都離不開液壓系統(tǒng)。為了積極響應(yīng)我國政府大力提倡的節(jié)能、減排號召，確保液壓系統(tǒng)能夠安全、可靠運(yùn)行，并達(dá)到節(jié)能、環(huán)保的目的，在設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)時(shí)采取一系列措施，是非常有意義的。

1、液壓系統(tǒng)節(jié)能、環(huán)保設(shè)計(jì)原則

該設(shè)計(jì)原則是在傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)中通常依據(jù)的技術(shù)原則、成本原則和人機(jī)工程學(xué)原則的基礎(chǔ)上納入環(huán)境原則，并將環(huán)境原則置于優(yōu)先考慮的地位。液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則可概括如下：

（1）資源最佳利用率原則

少用短缺或稀有有原材料，盡量尋找其代用材料，多用廢料，余料或回收材料作為原材料；提高產(chǎn)品的可靠性和使用壽命；盡量減少產(chǎn)品中材料的種類，以利于產(chǎn)品廢棄后的有效回收等。

（2）能量損耗最少原則

盡量采用相容性好的材料，不采用難以回收或無法回收的材料；在保證產(chǎn)品耐用的基礎(chǔ)上，賦予產(chǎn)品合理的使用壽命，努力減少產(chǎn)品使用過程中的能量消耗。

（3）零污染原則

盡量少用或不用有毒有害的原材料。

（4）技術(shù)先進(jìn)性原則

優(yōu)化產(chǎn)品性能，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中樹立“小而精”的設(shè)計(jì)思想，有同一性能情況下，通過產(chǎn)品的小型化盡量節(jié)約資源的使用量，如采用輕質(zhì)材料，去除多余的功能、避免過度包裝等，減輕產(chǎn)品重量；簡化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，提倡“簡而美”的設(shè)計(jì)原則，如減少零部件數(shù)目，這樣既便于裝配、拆卸，又便于廢棄后的分類處理；采用模塊化設(shè)計(jì)，此時(shí)產(chǎn)品是由各功能模塊組成，既有利于產(chǎn)品的裝配、拆卸，又便于廢棄后的回收處理，在設(shè)計(jì)過程中注重產(chǎn)品的多品種及系列化；采用合理工藝，簡化產(chǎn)品加工流程，減少加工工序，簡化拆卸過程，如結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)采用易于拆卸的連接方式、減少緊固件用量、盡量避免破壞性拆卸方式等；盡可能簡化產(chǎn)品包裝且避免產(chǎn)生二次污染。

（5）整體效益最佳原則

考慮產(chǎn)品對環(huán)境產(chǎn)生的附加影響，提供有關(guān)產(chǎn)品組成的信息，如材料類型及其回收再生性能等。

2、節(jié)能、環(huán)保的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)策略

（1）工作介質(zhì)污染控制

液壓系統(tǒng)中的工作介質(zhì)會有原生污染物、入侵污染物和生成污染物。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中應(yīng)本著預(yù)防為主、治理為輔的原則，充分考慮如何消除污染源，從根本上防止污染。

在設(shè)計(jì)階段除了要合理選擇液壓系統(tǒng)元件的參數(shù)和結(jié)構(gòu)外，可采取以下措施控制污染物的影響。在節(jié)流閥前后裝上精濾油器，濾油器的精度取決于控制速度的要求。所有需切削加工的元器件，孔口必須有一定的倒角，以防切割密封件且便于裝配。所有元器件、配管等在加工工序后都必須認(rèn)真清洗，消除毛刺、油污、纖維等；組裝前必須保持環(huán)境的清潔，所有元器件必須采用干裝配方式。裝配后選擇與工作介質(zhì)相容的沖洗介質(zhì)認(rèn)真清洗。投入正常使用時(shí)，新油加入油箱前要經(jīng)過靜置沉淀，過濾后方可加入系統(tǒng)中，必要時(shí)可設(shè)中間油箱，進(jìn)行新油的沉淀和過濾，以確保油液的清潔。

工作介質(zhì)污染的另一方面是介質(zhì)對外部環(huán)境的污染。應(yīng)盡量使用高黏度的工作油，減少泄漏；盡快實(shí)現(xiàn)工程機(jī)械傳動(dòng)裝置的工作介質(zhì)綠色化，采用無毒液壓油；開發(fā)液壓油的回收再利用技術(shù)；研制工作介質(zhì)綠色添加劑等。

（2）液壓系統(tǒng)噪聲控制

液壓系統(tǒng)噪聲是對工作環(huán)境的一種污染，分機(jī)械噪聲和流體噪聲。在液壓系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)、液壓泵和液壓馬達(dá)等的轉(zhuǎn)速都很高，如果它們的轉(zhuǎn)動(dòng)部件不平衡，就會產(chǎn)生周期性的不平衡力，引起轉(zhuǎn)軸的彎曲振動(dòng)。這種振動(dòng)傳到油箱和管路時(shí)，會因共振而發(fā)出很大的噪聲，應(yīng)對轉(zhuǎn)子進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)，且在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意防止其產(chǎn)生共振。機(jī)械噪聲還包括機(jī)械零件缺陷和裝配不合格而引起的高頻噪聲。因此，必須嚴(yán)格保證制造和安裝的質(zhì)量，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)科學(xué)合理。

在液壓系統(tǒng)噪聲中，流體噪聲占相當(dāng)大的比例，這種噪聲是由于油液的流速、壓力的突變、流量的周期性變化以及泵的困油、氣穴等原因引起的，以液壓泵為例，在液壓泵的吸油和壓油循環(huán)中，產(chǎn)生周期性的壓力和流量變化，形成壓力脈動(dòng)，從而引起液壓振動(dòng)，并經(jīng)出油口傳播至整個(gè)液壓系統(tǒng)，同時(shí)，液壓回路的管路和閥類元件對液壓脈動(dòng)產(chǎn)品反射作用，在回路中產(chǎn)生波動(dòng)，與泵發(fā)生共振，產(chǎn)生噪聲。開式液壓系統(tǒng)中混入了大約5%的空氣。當(dāng)系統(tǒng)中的壓力低于空氣分離壓時(shí)，油中的氣體就迅速地大量分離出來，形成氣泡，當(dāng)這些氣泡遇到高壓便被壓破，產(chǎn)生較強(qiáng)的液壓沖擊。因此在設(shè)計(jì)液壓泵時(shí)，齒輪泵的齒輪模數(shù)應(yīng)量取小值，齒數(shù)取最大數(shù)，卸荷槽的形狀和尺寸要合理，以減小液壓沖擊；柱塞泵的柱塞數(shù)的確定應(yīng)科學(xué)合理，并在吸、壓油配流盤上對稱的開出三角槽，以防柱塞泵困油；為防止空氣混入，泵的吸油口應(yīng)足夠大，而且應(yīng)沒入油箱液面以下一定深度，以防吸油后因液面下降而吸入空氣，為減少液壓沖擊，可以延長閥門關(guān)閉時(shí)間，并在易產(chǎn)生液壓沖擊的部位附近設(shè)置蓄能器，以吸收壓力波；另外，增大管徑和使用軟管，對減少和吸收振動(dòng)都很有效。

（3）液壓元件的連接與拆卸性的設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)盡量提高液壓系統(tǒng)的集成度，采用原則是對多個(gè)元件的功能進(jìn)行優(yōu)化組合，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的模塊化，并盡可能使液壓回路的結(jié)構(gòu)緊湊，如減小液壓元件間的連接，設(shè)計(jì)易于拆卸的元件等。在滿足其功能的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是液壓元件的連接技術(shù)，不同連接結(jié)構(gòu)的裝配和拆卸的復(fù)雜程度不同，焊接連接的裝配和拆卸的復(fù)雜程度最高，易導(dǎo)致零部件破壞性拆卸，螺釘連接的裝配容易而拆卸方式要受環(huán)境影響，如果生銹則會導(dǎo)致拆卸復(fù)雜，鉚釘連接的機(jī)械裝配性較好但拆卸復(fù)雜，嵌入咬合是裝配性和拆卸性均較好的一種連接方式，但在連接強(qiáng)度要求高的情況下，其連接的安全性降低。

為了使液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更緊湊，根據(jù)其安裝形式的不同，閥類元件可制成各種結(jié)構(gòu)；管式連接和法蘭式連接的閥；插裝閥便于將幾個(gè)插裝式元件組合成復(fù)合閥，板式連接的普通液壓閥可安裝到集成塊上，利用集成塊上的孔道實(shí)現(xiàn)油路間的連接，或可直接將閥做成疊加式結(jié)構(gòu)即疊加閥，疊加閥上的進(jìn)、出油口及執(zhí)行元件的接口、接頭可做成快速雙向接頭，提高裝配性和可拆卸性。

（4）液壓系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)不但要保證系統(tǒng)的輸出功率要求，還要保證盡可能經(jīng)濟(jì)、有效的利用能量，達(dá)到高效、可靠運(yùn)行的目的，液壓系統(tǒng)的功率損失會使系統(tǒng)的總效率下降、油溫升高、油液變質(zhì)，導(dǎo)致液壓設(shè)備發(fā)生故障。因此，設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)時(shí)必須多途徑地降低系統(tǒng)的功率損失。

在元件的選用方面，應(yīng)盡量選用那些效率高、能耗低的元件，如選用效率較高的變量泵，可根據(jù)負(fù)載的需要改變壓力，減少能量消耗，選成集成閥以減少管連接的壓力損失，選擇壓降小、可連續(xù)控制的比例閥等。

采用各種現(xiàn)代液壓技術(shù)也是提高液壓系統(tǒng)效率、降低能耗的重要手段，如壓力補(bǔ)償控制、負(fù)載感應(yīng)控制以及功率協(xié)調(diào)系統(tǒng)等，采用定量泵與比例換向閥組合、多聯(lián)泵（定量泵）與比例節(jié)流溢流閥組合的系統(tǒng)，效率可以提高28%～45%，采用定量泵增速液壓缸的液壓回路，系統(tǒng)中的溢流閥起安全保護(hù)作用，并且無溢流損失，供油壓力始終隨負(fù)載而變，這種回路具有容積調(diào)速以及壓力自動(dòng)適應(yīng)的特性，能使系統(tǒng)效率明顯提高。

實(shí)現(xiàn)了節(jié)能設(shè)計(jì)也就實(shí)現(xiàn)了減排的目的，相應(yīng)的環(huán)保效應(yīng)就會顯現(xiàn)出來。如果把節(jié)能降耗的液壓系統(tǒng)都付諸實(shí)際，絕對是一筆不小的財(cái)富，同時(shí)也為子孫后代留下了碧水藍(lán)天，這正是我們所期望的。