機(jī)械液壓節(jié)能技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展研究

史繼江

（徐州徐工挖掘機(jī)械事業(yè)部，江蘇 徐州 221000）

機(jī)械液壓節(jié)能技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展研究

史繼江

（徐州徐工挖掘機(jī)械事業(yè)部，江蘇 徐州 221000）

隨著節(jié)能環(huán)保意識(shí)增強(qiáng)，機(jī)械液壓節(jié)能技術(shù)取得了較大的發(fā)展。液壓系統(tǒng)在正常工作中，總效率只有70%左右，說(shuō)明當(dāng)今液壓節(jié)能技術(shù)仍存在著較大的缺陷。本文針對(duì)工程液壓節(jié)能技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展研究進(jìn)行系統(tǒng)分析，客觀評(píng)價(jià)其發(fā)展趨勢(shì)。

機(jī)械液壓系統(tǒng)；節(jié)能技術(shù)；功能原理；現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢(shì)

在液壓系統(tǒng)工作過(guò)程中，各種消耗抵消后，其使用效率只有70%左右，也為液壓節(jié)能技術(shù)的發(fā)展提供了極大的動(dòng)力。液壓節(jié)能技術(shù)的主要作用體現(xiàn)在一方面可以通過(guò)減少液壓系統(tǒng)元件的能量消耗來(lái)提高機(jī)械的使用效率，另一方面可以通過(guò)減少液壓元件損耗產(chǎn)生的熱能使液壓油的溫度升高，液壓元件和液壓油老化來(lái)提高液壓機(jī)械的總體使用穩(wěn)定性，最終達(dá)到節(jié)能環(huán)保、綠色低碳的能源目標(biāo)。

1 機(jī)械液壓系統(tǒng)的能量消耗原理

液壓系統(tǒng)的能耗主要是液壓元件內(nèi)部的摩擦損耗和某些部件的故障泄漏、運(yùn)行過(guò)程中回路紊流現(xiàn)象、節(jié)流閥本身對(duì)液壓元件和液壓油的阻礙等方面，另外基于這些系統(tǒng)內(nèi)部消耗的現(xiàn)象還會(huì)對(duì)液壓油產(chǎn)生熱量壓力，加速其老化損壞。在目前的機(jī)械液壓節(jié)能系統(tǒng)的原理主要是針對(duì)以上問(wèn)題而提出的。

2 機(jī)械液壓系統(tǒng)的具體節(jié)能措施

目前在節(jié)能環(huán)保目標(biāo)指引下，機(jī)械液壓節(jié)能技術(shù)全方位展開(kāi)。國(guó)內(nèi)外對(duì)于相關(guān)的機(jī)械液壓節(jié)能技術(shù)有多種闡述，根據(jù)本身工程具體實(shí)踐過(guò)程可以選擇適當(dāng)?shù)奶幚矸绞健Ｖ饕夹g(shù)手段包括依靠變量泵控制措施、基于改進(jìn)液壓回路系統(tǒng)的節(jié)能措施、采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)改善系統(tǒng)的措施等。系統(tǒng)特點(diǎn)主要是綜合性、科學(xué)性、環(huán)保性。

2.1 基于液壓系統(tǒng)元件的節(jié)能措施

（1）使用節(jié)能泵進(jìn)行系統(tǒng)節(jié)能。液壓系統(tǒng)元件的能量損耗主要體現(xiàn)在動(dòng)力元件、執(zhí)行元件、及控制元件的能耗損失。對(duì)于動(dòng)力元件的能量損耗，改善措施主要是采用節(jié)能泵改善系統(tǒng)運(yùn)行。在液壓系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，動(dòng)力元件的損耗主要是液壓泵在高壓下的溢流，泵在液壓系統(tǒng)中主要作用是提供大量的液壓能，同時(shí)它也是系統(tǒng)中能量消耗與浪費(fèi)最多的部分。在日常生活中，我們常見(jiàn)的液壓泵主要是齒輪泵、葉片泵、螺桿泵、柱塞泵。泵的效率最能反映液壓系統(tǒng)的總體效率。在選擇液壓泵時(shí)更要綜合考慮多種因素。如表1為對(duì)各種不同泵種類的效率研究，從中我們可以看出，最不節(jié)能的泵種類是齒輪泵，但是根據(jù)相關(guān)市場(chǎng)研究表明，近幾年齒輪泵的市場(chǎng)占用率變化不大，但是葉片泵的市場(chǎng)占有率持續(xù)偏低。因此泵的選擇不但要考慮效率高低，更要注重成本、功效與具體使用環(huán)境等情況。各種液壓泵的效率統(tǒng)計(jì)表如表1。

表1 各種液壓泵的效率統(tǒng)計(jì)表

隨著節(jié)能泵的出現(xiàn)，使許多人改變了以往的購(gòu)買意向，紛紛傾向更加節(jié)能環(huán)保的泵種。近年來(lái)興起的節(jié)能泵主要有：日本川崎重工的K3v140變頻液壓泵、美國(guó)派克Pv028RlKl比例柱塞泵、德國(guó)力上樂(lè)A10V0負(fù)載敏感式柱塞泵等。這些節(jié)能泵在充分采用節(jié)能技術(shù)的基礎(chǔ)上優(yōu)化功能，解決了液壓泵溢流損失和節(jié)流損失這兩個(gè)主要的能耗問(wèn)題。

（2）改進(jìn)液壓缸。液壓缸的節(jié)能屬于液壓系統(tǒng)中執(zhí)行元件的優(yōu)化，液壓缸的主要功能是將液壓能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。液壓缸的發(fā)展還是相當(dāng)成熟的，因此近年來(lái)只在相當(dāng)小的層面上發(fā)生過(guò)優(yōu)化處理。新近出現(xiàn)的液壓缸有變截面液壓缸、復(fù)合增速缸等。由于液壓缸本身技術(shù)的成熟，在液壓缸本身的改進(jìn)方面并未顯示出大成效，但是新型液壓缸的出現(xiàn)可以優(yōu)化液壓系統(tǒng)整體的工作效率。

（3）更新液壓閥。液壓閥在液壓系統(tǒng)中分布廣泛，幾乎貫穿于液壓過(guò)程的始終，液壓閥的節(jié)能在液壓系統(tǒng)的整體節(jié)能中具有重要意義。目前傳遞效率較高的閥有：多路閥、插裝閥、疊加閥等。多路閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，消耗能量較少，一般由兩個(gè)以上的閥塊組成，能夠做到將不同種類的閥門組合在一起滿足液壓回路的不同要求，從而滿足不同機(jī)械的不同工作狀態(tài)，廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械工程。2003年四川長(zhǎng)江液壓元件有限公司創(chuàng)新出QF28型多路換向閥，這種多路閥是起重機(jī)專用的，采用全負(fù)載反饋，控制精度高、抗干擾能力強(qiáng)、控制形式多樣，在提高起重機(jī)使用效率的同時(shí)，達(dá)到了環(huán)保高效的目標(biāo)。

2.2 基于液壓回路系統(tǒng)的節(jié)能措施

根據(jù)液壓系統(tǒng)的原理，液壓回路主要由三部分組成：液壓動(dòng)力源、液壓管道及液壓缸。它可以通過(guò)機(jī)械完成任務(wù)的不同按照相關(guān)不同的原理來(lái)控制壓力、速度和方向，在液壓系統(tǒng)中具有重要地位。液壓系統(tǒng)中液壓回路在節(jié)能環(huán)保方面的貫徹程度仍然存在較大的進(jìn)步空間。下面介紹較成熟的節(jié)能液壓回路系統(tǒng)。

（1）定量泵加變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)電液系統(tǒng)。現(xiàn)今液壓系統(tǒng)大多以異步電動(dòng)機(jī)為運(yùn)行動(dòng)力，所謂異步電動(dòng)機(jī)，就是指它的轉(zhuǎn)子組不需要和其他電源相連，由定子直接取自交流電力系統(tǒng)。這種情況下，使電機(jī)結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單、成本更合理、運(yùn)行效率更加可靠。更值得一提的是，異步電動(dòng)機(jī)的變頻系統(tǒng)變速效率高，性能水平也超過(guò)同類型的其他電動(dòng)機(jī)，在液壓系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。變頻調(diào)速技術(shù)可以改善機(jī)器的運(yùn)行效率，提高功率因數(shù)，在很大程度上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了其他液壓調(diào)速技術(shù)。應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)有助于改變溢流損耗，通過(guò)改變液壓泵的輸出功率，也在一定的程度上更加適合液壓系統(tǒng)的系統(tǒng)配置。在這樣一種情況下，就能最大程度上減少液壓系統(tǒng)的溢流損失、節(jié)流損失和卸載能耗，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的作用。

（2）負(fù)載敏感控制系統(tǒng)。負(fù)載敏感控制系統(tǒng)是一種閉環(huán)控制系統(tǒng)，根據(jù)不同設(shè)備、不同負(fù)載、不同操作者的不同情況控制液壓泵的輸出壓力和流量，根據(jù)不同情況實(shí)現(xiàn)泵輸出的流量、壓力與負(fù)載的需求相匹配。在這種情況下，可以說(shuō)就不存在溢流損失，充分利用機(jī)械的原動(dòng)功率。由于負(fù)載敏感控制系統(tǒng)節(jié)能效果明顯，現(xiàn)已被廣泛地應(yīng)用于工程機(jī)械及礦山機(jī)械等行業(yè)。負(fù)載敏感控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)組成上包括比例換向閥、負(fù)載敏感閥、變量泵、液壓馬達(dá)和液壓缸五部分，工作原理是利用壓力作為反饋信號(hào)，敏感控制泵輸出流量，實(shí)現(xiàn)科學(xué)控制液壓節(jié)能系統(tǒng)的壓力控制。

（3）二次調(diào)節(jié)靜液傳動(dòng)系統(tǒng)。二次調(diào)節(jié)靜液傳動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)成有：恒壓源、二次元件、工作機(jī)構(gòu)和調(diào)控機(jī)構(gòu)，實(shí)質(zhì)上是一種壓力耦聯(lián)系統(tǒng)，二次元件直接與恒壓源相連，通過(guò)控制二次元件的排量與負(fù)載功率進(jìn)行匹配，使自身閉環(huán)反饋基本上可以維持一次元件在恒壓點(diǎn)工作，理論上不存在節(jié)流損失。系統(tǒng)中的儲(chǔ)能器能夠吸收壓力峰值時(shí)的高壓，減少了系統(tǒng)中限壓元件的發(fā)熱，節(jié)約了冷卻費(fèi)用。由于系統(tǒng)中無(wú)節(jié)流元件，理論上二次元件可從系統(tǒng)中無(wú)損耗地獲取能源，極大地提高了系統(tǒng)的效率。

2.3 其他節(jié)能措施

隨著近年來(lái)計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，在液壓系統(tǒng)節(jié)能工程上采用了現(xiàn)代信息技術(shù)。比如ID控制、NNC神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)控制液壓元件的運(yùn)行，可以最大程度上減少能量損耗。

3 液壓節(jié)能系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

3.1 自動(dòng)化、一體化程度不斷提高

智能化、自動(dòng)化是液壓節(jié)能系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。液壓系統(tǒng)節(jié)能工程逐步實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制一方面可以方便操作，實(shí)現(xiàn)智能控制。另一方面還能夠最大程度上可靠、系統(tǒng)、精準(zhǔn)化的控制流量控制，使系統(tǒng)時(shí)刻保持最佳工作狀態(tài)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，在液壓節(jié)能系統(tǒng)中甚至可以實(shí)現(xiàn)不同環(huán)境的自動(dòng)控制、自動(dòng)修復(fù)和智能保障，大幅提高工作效率的同時(shí)減少人力投入，減少生產(chǎn)成本和投資成本，符合未來(lái)工業(yè)生產(chǎn)的大方向。

3.2 對(duì)液壓系統(tǒng)中可回收的能量進(jìn)行回收再利用

對(duì)于液壓節(jié)能系統(tǒng)的發(fā)展和完善，不同學(xué)校有其各自的思路和研究方向。有的主張液壓系統(tǒng)元件的更新?lián)Q代，有的提倡智能化、自動(dòng)化發(fā)展，但是在液壓系統(tǒng)內(nèi)部的能量回收與循環(huán)利用才是最基礎(chǔ)的。循環(huán)利用液壓系統(tǒng)內(nèi)部的能量可以減少能量消耗，也能夠減少系統(tǒng)發(fā)熱，延長(zhǎng)液壓油和液壓元件的使用年限。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，對(duì)于液壓節(jié)能系統(tǒng)的研究創(chuàng)新存在多種方式，每種方式都各有優(yōu)點(diǎn)。未來(lái)，機(jī)械液壓節(jié)能系統(tǒng)將向著智能化、自動(dòng)化方向發(fā)展，會(huì)在更大程度上實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的目標(biāo)。液壓節(jié)能系統(tǒng)在提高施工效率、提高系統(tǒng)性能、降低施工成本、環(huán)保節(jié)能等方面有較大的發(fā)展空間。

[1]殷青,劉金慧．機(jī)械液壓節(jié)能技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J]．科教導(dǎo)刊-電子版（中旬）,2015,(9):115．

[2]趙禹洲．工程機(jī)械液壓節(jié)能技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]．機(jī)械工程師,2014,(5):29-30．

[3]孟志明,賀元成,康帥帥等．液壓節(jié)能技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J]．機(jī)械工程師,2014,(1):114-117．

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1671-0711（2017）10（下）-0150-02