液壓系統(tǒng)能源裝置選用時的節(jié)能分析

四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 交通與市政工程系 四川德陽 618000

1 分析背景

當(dāng)今世界,能源供應(yīng)日趨緊張,節(jié)能作為一個重要的課題,引起了各行業(yè)的廣泛關(guān)注。液壓系統(tǒng)節(jié)能的目的是提高液壓系統(tǒng)能量的利用率,即提高液壓系統(tǒng)的效率[1]。液壓系統(tǒng)由能源裝置、執(zhí)行裝置、控制調(diào)節(jié)裝置、輔助裝置、傳動介質(zhì)等五部分組成[2]。能源裝置的合理選用對于液壓系統(tǒng)的節(jié)能而言非常重要。

液壓系統(tǒng)能源裝置由原動機和液壓泵組成,作用是為液壓系統(tǒng)提供壓力油。原動機一般為內(nèi)燃機、電動機或其它形式的能量供應(yīng)裝置,液壓泵同樣存在多種不同的結(jié)構(gòu)形式。

2 原動機的選用

液壓泵通常由電動機或內(nèi)燃機驅(qū)動。電動機工作時輸入的電能轉(zhuǎn)化為機械能,隨后傳遞至液壓泵。轉(zhuǎn)化過程中損失的能量較少,傳動效率較高。內(nèi)燃機工作時,燃油燃燒產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為機械能,隨后傳遞至液壓泵。內(nèi)燃機的工作特性決定了自身在工作過程中存在一定的能量損失,由于液壓系統(tǒng)工作時負載經(jīng)常發(fā)生變化,導(dǎo)致內(nèi)燃機的燃燒效率和功率利用率處于不穩(wěn)定狀態(tài),工作時效率較低。

綜上所述,對于液壓泵而言,電動機作為原動機使用時,其工作效率往往高于內(nèi)燃機。由此可見,對于工作場所比較固定、取電方便的場合,優(yōu)先使用電動機作為原動機。對于移動式液壓系統(tǒng),例如行走機械所配備的液壓系統(tǒng),可以使用內(nèi)燃機作為原動機。此外,取電不便時,也可使用內(nèi)燃機。

3 液壓泵的選用

3.1 結(jié)構(gòu)形式

液壓泵按照不同的結(jié)構(gòu)形式,可以分為齒輪泵、葉片泵、柱塞泵等[3]。每種泵的結(jié)構(gòu)形式不同,工作效率也有一定差異。各種結(jié)構(gòu)形式液壓泵的總效率見表1[4]。柱塞泵由于圓柱面運動副泄漏量極小,容積效率很高,因此總效率較高。齒輪泵由于泵體內(nèi)腔內(nèi)泄漏嚴(yán)重,容積效率低,因此總效率較低。

表1 液壓泵總效率

泵的總效率不同,意味著工作時液壓泵的功率損失也不同。選用液壓泵時,除考慮液壓系統(tǒng)的工作情況和所需要的壓力、流量、工作穩(wěn)定性等因素外,還應(yīng)考慮泵的總效率。例如,負載大、功率大的液壓設(shè)備,如龍門刨床、拉床、液壓壓力機等,可選用徑向柱塞泵或軸向柱塞泵,在滿足高壓力的同時,能夠提高傳動效率,節(jié)約能量;一些負載小、功率低的液壓系統(tǒng),如送料裝置液壓系統(tǒng)、機床夾緊裝置液壓系統(tǒng)等,可選用齒輪泵或雙作用葉片泵等,不但能夠節(jié)省成本,而且方便維護維修。對于組合機床,需要實現(xiàn)空載快速進給、工作慢速進給、空載快速退回的工作循環(huán),即小負載時快速運動,大負載時慢速運動,這一要求與限壓式變量葉片泵的壓力流量特性相匹配。限壓式變量葉片泵作為組合機床的動力源時,可使輸入功率不會出現(xiàn)較大起伏,在最大程度上利用原動機功率,節(jié)省能量。

3.2 定量泵與變量泵

排量可變的泵稱為變量泵,反之稱為定量泵。定量泵和變量泵在液壓系統(tǒng)中均有廣泛的應(yīng)用。在設(shè)計液壓系統(tǒng)時,應(yīng)根據(jù)機械設(shè)備工作裝置的特點及節(jié)能特性等因素進行定量泵和變量泵的選用。

對于工作速度比較穩(wěn)定,即流量比較固定的液壓系統(tǒng),可使用定量泵作為動力源。如果單純使用定量泵,而沒有調(diào)速措施,那么執(zhí)行裝置的速度將不會發(fā)生變化,不適合用于工作速度經(jīng)常發(fā)生變化的場合。

在定量泵供油的液壓系統(tǒng)中,用流量控制閥對執(zhí)行元件的運動速度進行調(diào)節(jié),所對應(yīng)的回路稱為節(jié)流調(diào)速回路。節(jié)流調(diào)速回路是在工程機械、礦山機械、組合機床、壓力加工等領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的一種調(diào)速回路[5]。圖1所示為回油路節(jié)流調(diào)速回路。在節(jié)流調(diào)速回路中,由于溢流閥始終處于調(diào)壓溢流狀態(tài),系統(tǒng)工作時總有一部分壓力油液通過溢流閥流回油箱,因此會造成較大的能量損失,系統(tǒng)效率不高。

圖1 回油路節(jié)流調(diào)速回路

當(dāng)機械設(shè)備工作時的速度連續(xù)變化而需要無級調(diào)速時,可使用變量泵。變量泵與液壓馬達可組成容積調(diào)速回路。容積調(diào)速回路是利用變量泵的排量變化來實現(xiàn)調(diào)速的一種回路,如圖2所示。容積調(diào)速回路動力元件所輸出的油液直接進入執(zhí)行元件,既沒有節(jié)流損失,也沒有溢流損失,因此回路效率較高,且調(diào)速方便,在大功率、大負載液壓控制系統(tǒng)中有廣泛應(yīng)用[6]。當(dāng)然,變量泵相對于定量泵而言,價格更高,控制更復(fù)雜,抗污染能力較弱[7]。此外,容積調(diào)速回路一般多為閉式回路,由于液壓油存在泄漏,必須配置相應(yīng)的補油油路。容積調(diào)速回路應(yīng)用于大功率系統(tǒng)中,油液的發(fā)熱比較嚴(yán)重。油液溫升過高會引發(fā)一系列問題,如油液劣化變質(zhì)等,因此有時需要單獨設(shè)計置換油路,以滿足液壓油的冷卻要求。這樣會加大液壓系統(tǒng)的功率損耗,降低傳動效率。

近年來,隨著電動機變頻調(diào)速技術(shù)的不斷發(fā)展與進步,變頻調(diào)速電動機與定量泵的組合越來越多地出現(xiàn)在液壓調(diào)速系統(tǒng)中。

圖2 容積調(diào)速回路

電動機作為原動機時,液壓泵輸出流量與電動機轉(zhuǎn)速的關(guān)系為:

q=ηvVn/1 000

(1)

式中:q為液壓泵的流量;ηv為液壓泵的容積效率;V為液壓泵的排量;n為液壓泵的轉(zhuǎn)速,即電動機的轉(zhuǎn)速。

異步電動機輸出軸的轉(zhuǎn)速n為:

n=60f(1-s)/p

(2)

式中:f為電動機電源的頻率;s為電動機的轉(zhuǎn)差率;p為電動機定子繞組的磁極對數(shù)。

由式(1)、式(2)可得液壓泵的流量q為:

q=0.06ηvVf(1-s)/p

(3)

由式(3)可知,變頻調(diào)速技術(shù)通過改變電動機定子繞組供電頻率來改變電動機轉(zhuǎn)速,從而調(diào)節(jié)液壓泵的轉(zhuǎn)速,實現(xiàn)對液壓泵輸出流量的控制,使液壓泵的輸出流量滿足工藝需求,調(diào)速時既沒有節(jié)流調(diào)速的溢流損失,也沒有容積調(diào)速油液溫升過快等缺點。變頻調(diào)速范圍寬,平滑性好,具有優(yōu)良的動態(tài)特性與靜態(tài)特性,是一種較為理想的高效、高性能調(diào)速手段[8]。將電動機變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于液壓系統(tǒng),可以簡化液壓回路,減少液壓系統(tǒng)的能量損失,提高系統(tǒng)效率。

3.3 單泵與多泵

在液壓系統(tǒng)中,液壓泵的數(shù)量可以是一個,也可以是多個。泵的數(shù)量取決于系統(tǒng)的作業(yè)要求,同時也要考慮節(jié)能。工作裝置的動作比較單一,或動作較多但沒有復(fù)合動作時,可選用單泵,如推土機液壓系統(tǒng)。

當(dāng)液壓系統(tǒng)中存在多回路、多執(zhí)行元件時,宜選用多泵。由于這類系統(tǒng)中多個執(zhí)行元件往往既有獨立動作,又有復(fù)合動作,因此若采用單泵,勢必會造成發(fā)動機功率不能充分利用,從而產(chǎn)生較大的能量損耗,降低發(fā)動機功率的利用率。

圖3所示為液壓挖掘機的雙泵雙回路液壓系統(tǒng)。A泵向動臂液壓缸、斗桿液壓缸、回轉(zhuǎn)液壓馬達及左行走液壓馬達供油,組成一個回路。B泵向鏟斗液壓缸、動臂液壓缸、斗桿液壓缸、右行走液壓馬達供油,組成另一個回路。

圖3 液壓挖掘機雙泵雙回路液壓系統(tǒng)

兩個回路之間互不干擾,可以各自獨立進行工作,也可以保證進行復(fù)合動作。在挖掘機工作的一個周期內(nèi),動臂和斗桿都存在各自單獨動作的可能性,為提高生產(chǎn)效率,采用A泵與B泵雙泵合流的方式,即換向閥2與換向閥3的閥芯串聯(lián),換向閥4與換向閥5的閥芯串聯(lián)。當(dāng)動臂或斗桿單獨動作時,可以實現(xiàn)雙泵合流,單獨向動臂液壓缸或斗桿液壓缸供油,從而實現(xiàn)動臂液壓缸或斗桿液壓缸的快速伸出與縮回,進一步提高生產(chǎn)效率和發(fā)動機的利用率[9]。

4 結(jié)束語

隨著能源的日益緊缺,節(jié)能無疑具有十分重要的現(xiàn)實意義。在設(shè)計液壓系統(tǒng)時,設(shè)計人員一般更多注重系統(tǒng)的功能和可靠性。如果不考慮能耗,那么會因為液壓油溫度升高而增大泄漏量,降低密封效果,危及裝備使用的可靠性和安全性,同時也與當(dāng)前建設(shè)節(jié)約型社會不相符[10-14]。在設(shè)計液壓系統(tǒng)時,合理選用能源裝置,可節(jié)約能量,提高效率。筆者對液壓系統(tǒng)能源裝置進行了節(jié)能分析,為能源裝置的選用提供參考。