機械液壓系統能耗分析及節能設計

張磊

摘要：液壓系統在冶金行業、船舶飛機行業、工程機械行業均有較為廣泛的應用，但是在實際的應用過程中，液壓傳動伴隨著連續的能量損耗，使得傳動系統的效率降低、散熱量大，這對液壓技術的市場競爭力和使用環境有特定的限制，同時能源的損耗必然伴隨著資源的浪費以及環境污染，這不符合節能環保的可持續發展戰略，因此對液壓系統的節能設計研究無論對液壓技術的發展和應用空間，還是對節約型社會的建設都有重要的研究價值。

Abstract： Hydraulic system has a wide range of applications in the metallurgical industry， ship aircraft industry and engineering machinery industry， but in the actual application process， the hydraulic transmission is accompanied by continuous energy loss， which makes the efficiency of the transmission system lower and the heat dissipation large. This has certain limitations on the market competitiveness and use environment of hydraulic technology， and the loss of energy is inevitably accompanied by waste of resources and environmental pollution. This is not in line with the sustainable development strategy of energy conservation and environmental protection， so the research on energy saving design of hydraulic systems has important research value for the development and application of hydraulic technology and the construction of a conservation-oriented society.

關鍵詞：液壓系統;節能;可持續發展

Key words： hydraulic system;energy saving;sustainable development

中圖分類號：TH137 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）20-0151-03

0 ?引言

現階段，在機械裝置和相關設備中普遍使用液壓系統，但是由于其在傳動中能量轉換的次數較多，這種情況下，系統的溫度會持續升高，對工作效率和設備都會產生相應的影響。鑒于此，在選擇液壓系統的過程中，要注意合理科學的選擇高效率的元件，對元件和管路進行科學的設置，對系統的能耗進行詳細的分析，以最大程度的提高系統工作效率為目的。在設計液壓系統時，應該將節能技術應用到液壓系統的每個環節。在能源日益緊缺的今天，要合理的利用有效的資源，發揮其最大的優勢，最終提高液壓系統的工作效率。

1 ?機械液壓系統能耗分析

液壓傳動系統伴隨著能量的轉換，其大致能量轉換次序如下：電能—機械能—液壓能—機械能，如圖1所示。

液壓系統節能設計的本質就在于降低這些能量損耗，提高液壓傳動的整體效率。效率是輸出功率與輸入功率的比值，它可以作為整個系統能源整合利用優異的主要指標。液壓系統的總體效率，不僅要考慮圖1中的能源流轉狀況，還應該將能源提供階段的損耗算入其中，因此，整個液壓傳動系統的完整效率表達時如下：

在上述表達式中，ηE為原動機的總效率;ηP為液壓泵的總效率;ηC為液壓回路效率;ηM為液壓執行元件效率;pL、qL為負載輸入壓力和流量;pP、qP為液壓泵輸出的壓力和流量;Δp、Δq為過剩損失壓力和流量。從上述表達式中可以總結出，液壓傳動系統的能量損耗分布在四個方面，原動機的能量損耗帶來的ηE降低，液壓泵的能量損耗所帶來的ηP降低，液壓馬達的能量損耗所帶來的ηM降低，系統回路的流量、壓力損耗所帶來的ηC降低。

另外液壓系統的能量損失還包括容積損耗和磨擦損耗，容積損耗主要是由于系統密封性不好所造成的系統泄漏所引起的能量損失，它取決于系統內部構成以及各個執行元件，磨擦損耗是指液壓系統中各機械部件之間的機械磨擦所造成的能量損失，磨擦損耗與系統內部零部件的加工精度有關。

以上是對液壓系統內部損耗的分析，在液壓系統的實際操作中，它的工作狀態分為三種：啟動初始狀態，實際操作狀態，保壓狀態。在這三種不同狀態下會體現出不同的效率狀態，工作狀態下的效率損耗取決于執行元件與液壓元件輸出流量和壓力的匹配，而在另外兩種狀態下能量損耗所占比例較大。從節能的角度講，整個液壓系統的節能不僅僅取決于液壓元件的構成，還需要關注負載以及工作時段的整體性契合。

綜合以上分析，可以總結出液壓系統的效率損耗或者能源損耗主要集中于以下幾點：

①由能量轉換元件所帶來的損耗。這其中包含內部機械零件的磨損、壓力損失和容積損失。這些能量損耗主要轉換成為不可逆的熱能，這些熱能難以加以利用回收。

②液壓系統結構所帶來的傳輸損失。液壓回路能耗是由過剩壓力和過剩流量造成的，在液壓傳動系統的工作狀態下，節流控制是實現各種操作功能的基本方法，而液阻必然會帶來壓降，壓降是一種合理損耗，它與控制元件、蓄能器以及諸多輔助元件有關。

負載與液壓源的契合損耗。以往液壓系統的設計是以最大負載為為依據，這就造成了液壓源與負載需求不能完整匹配，從而造成大量能量的浪費。

2 ?機械液壓系統的基本節能途徑

2.1 節能液壓元件的選用

對于機械液壓系統的節能元件選擇上，保證其節能是首要的基礎，這就要找出主要的能耗，即連接部位能耗和元件能耗。只有準確分析能耗所產生的原因，并避開產生的問題來選擇合適的元件，以此達到液壓系統的節能目的。在能耗問題上，產生能耗的主要有液壓泵、馬達和各種閥類等。目前節能液壓元件的種類很多，在繁多的元件中，找到與液壓系統相匹配的，并確保其在系統工作的過程中能耗較小，從而達到節能目的，這就要求對其進行準確的分析，有針對性的使用各元件，以最大程度的符合系統的需要。一般常用的節能液壓元件有：負荷敏感式變量泵、變截面液壓缸、自保持型電磁閥、插裝式錐閥等等，其中負荷變量泵是根據負荷大小對流量進行自動的調節;自保持型電磁閥是通過瞬間通電來開啟和關閉閥門，無需持續通電等。

2.2 提高液壓泵總效率

如何提高液壓泵的總效率，除了要選用合適的液壓油和液壓泵的轉速以外，對液壓泵的形式也有一定的要求，如齒輪泵、葉片泵、柱塞泵、螺桿泵等，是在不同壓力值的情況下選用的不同液壓泵，液壓泵效率具體見表1。

2.3 提高液壓元件總效率

管路壓力損失對液壓元件的影響非常大，所以要想提高液壓元件效率，要找出管路壓力損失的原因，其中管道結構、液體流速、管道大小等，是造成損失的主要部分，只有從根本上提高了元件的工作效率，才可以從根本上達到節能目的。基于管路壓力損失的幾個方面，提出有針對性的對策：其一，對于管道的大小，即內徑尺寸，在選擇上要能夠合理和準確，依據相關標準來選擇，避免壓力的過大而產生的損失;其二，對于管路長度，在管路長度的彎曲中，要避免彎曲的次數，對于總長度而言，要盡量縮短;其三，液體流速，要盡量減少管內的液體流速。

2.4 控制泄漏

對于油液的泄露問題要從兩個方面著手，即內泄露和外泄露，顧名思義，內泄露是在系統內部產生的泄露，在系統內部壓力差所導致的液壓油從壓力高側向低側泄露，外泄露是系統外部的液體泄露。在兩方面的泄露中，內泄露不容易察覺，而外泄露人們可以直接觀察到，并能夠采取有效的措施，所以控制泄露要格外重視內泄露，具體措施是要采用各方面性能較高的密封材料，最終將泄露控制在最小的范圍。與此同時，在選擇元件前，要對各個環節進行檢查，從元件的加工開始，要嚴格把關，無論是從材質、結構、裝配等方面都要一一檢查，對于一些細小的零件還要保護起外觀的整潔度，防止摩擦和破損等。

2.4.2 重視元件的制造和裝配 ?要在裝配之前，對各零件進行相關的檢查，之后再按照相關的工藝來進行裝配，在裝配的過程中要能夠最大程度的減少泄漏。

2.4.3 合理選擇液壓油 ?選擇液壓油時，要考慮其會隨著溫度、壓力等外界因素而產生的粘度變化。

2.4.4 正確的密封 ?在控制泄漏問題上，還要注意其密封性，密封防漏做得好，正確的選擇密封材料和密封方法，可以有效的控制泄漏現象。如何做到真確的密封，考慮材料的腐蝕性、耐磨性、壽命等，在形式的選擇上，要考慮密封部位的結構、尺寸、性能等，與此同時，正確的密封還要考慮到各因素的成本，如：安裝成本、材料成本、工藝成本等。

3 ?液壓系統的節能設計方法

在進行液壓系統的節能設計時，第一步應該進行液壓系統工作時段狀況的分析和技術經濟分析，進行工況分析是為了明確在一個使用循環中每個工作階段的負載壓力、流量和功率的分布及要求，為后期設計提供基本的數據支持，技術經濟分析在于對各個節能設計方案進行對比，確保有經濟又節能的方案。液壓系統節能設計的主要途徑可以分為以下幾點：

3.1 增加液壓系統內部元件本身的效率，減少控制元件的能量損失。

3.1.1 液壓泵的節能設計

在液壓泵的節能設計中，最主要的設計點在于對各摩擦副的設計，高壓泵和中低壓泵的節能設計中，要采用不同的設計方法，對于中低壓泵而言，要采用固定間隙法和剩余壓緊力法，對于高壓泵而言，要采用靜壓或動壓支承法。（圖2）

3.1.2 液壓閥的節能設計

液壓閥的節能設計在于減少壓力損失和泄漏損失，需要合理設計流道，用來降低局部的壓力損耗，采用相對合理的密封結構和材料來減少泄漏損失。現在運用最多的是電磁閥，因此降低電磁閥的能耗也是一方面，經過節能化的電磁閥由于普通交、直流閥，功耗可降至其1/6到1/15。在對電磁閥進行設計中，要盡量降低其阻力，減小吸力，這樣才能達到節能的設計。

3.1.3 液壓馬達及液壓缸的選擇

在系統能量的消耗中，液壓缸和馬達是主要的能量消耗元件，所以在選擇上也應該更加謹慎，在遵循系統的相關要求下，同時也要保證液壓缸和馬達與泵的流量一致，之后再選擇合適的液壓缸和馬達，最終達到節能的目的。

3.1.4 液壓源的選擇

對液壓源的選擇，要首先分析液壓系統的實際情況，分析循環中的流量、功率等，明確上述幾方面的要求后，再根據相關的標準選擇合適的液壓源。在現階段的液壓系統中，高效的液壓系統比比皆是，都是為了一個最終目的，即提高系統的工作效率，從而達到節能的目的，根據實踐證明，高效的液壓系統可以提高40%左右的工作效率，節能效果顯而易見。

3.1.5 合理選用控制元件及系統管路

在元件和系統管路的選擇上要根據不同的情況來確定，比如選擇元件，要判斷不同位置的壓力和流量大小，選擇合適的規格;而在選擇系統管路時，管長和彎頭都要盡量的減短，對于管路中的流速，也要根據管道類型來決定，與此同時，在進行管路設計過程中，要盡可能的減少多余的元件，優化管理系統，保證系統設計的簡單性和功能性，從而達到節能的目的，避免冗雜的設計。

3.2 選用傳動效率較高的液壓回路和適當的調速方式

定量泵節流調速系統在工作過程中，功率損失大，再加上節流調速，功率損失在50%以上，假如不進行流量控制，也有四分之一以上的損失，與此同時，還有壓力和容積的損失，這些功率損失嚴重影響著系統的能耗，這種情況下，就要考慮更換調速系統，以最大限度的降低能耗，提高系統的工作效率，達到節能的目的。同時，提高液壓系統的效率還有一個重要的影響因素，即：負載。在相同的節能回路中，負載流量和泵的最大流量比值越大，其工作效率就越高。

3.3 定量泵節流調速回路應減少溢流損失

3.3.1 采用二位二通閥的卸荷回路

圖3為采用二位二通閥的卸荷回路，圖示位置為泵的卸荷狀態。圖3回路，要求其規格要與泵的規定流量保持一致，在小流量的液壓系統中可以使用這種回路。

3.3.2 用先導式溢滾閥的卸荷回路

如圖4所示，在先導式溢流閥1的遙控口接一小規格的二位二通電磁閥2。溢流閥主閥彈簧的強弱會直接影響卸荷壓力。由于閥2只須通過先導式溢流閥1控制油路中的油液，所以選擇規格小的閥即可，在小流量的液壓系統中可以選擇應用圖4所示的回路。

由于系統工作的情況各不相同，卸荷回路也有多種，在進行選擇時，要根據各自流量系統的特性選擇與之相適應的卸荷回路，以最大程度的降低能耗，最終實現節能的目的。

3.3.3 采用雙泵雙壓供油回路

見圖5，液壓泵1為高壓小流量泵，其工作壓力由溢流閥5調定。泵2為低壓大流量泵，其工作壓力應低于液控順序閥3的調定壓力。圖5回路雖然提高了系統的工作效率，但是從圖中可以看出系統的繁瑣程度，所以會加大成本，在選擇上應該根據實際的情況慎重考慮。

4 ?結束語

綜上所述，對機械的液壓系統進行科學的設計，可以從一定程度上減少能量的損失。在節能設計的過程中，首先要在符合相關要求的基礎上，科學合理的選擇液壓元件，進行合理的布局，以最大化的減少能量的損失，提高系統工作的效率性，最終實現節能設計的目標。

參考文獻：

[1]吳志亮，趙建民，李慶文.液壓機械節能控制技術發展趨勢探討[J].中國科技信息，2008（19）.

[2]張海洋.工程機械液壓系統節能措施及發展趨勢[J].公路與汽運，2008（04）.

[3]李永紅.液壓傳動系統的節能設計分析[J].科技經濟市場， 2016（03）.