浅谈典型设备液压系统的节能设计及应用.pdf

液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 O 1 2年 第 1 2期 浅谈典型设备液压系统的节能设计及应用 李向辉 ， 张 伟， 李生斌 中国重型机械研究院有限公司， 陕西 西安7 1 0 0 3 2 摘 要 该文根据三种典型机械设备运行工况 ， 对其所使用液压系统 中电机一 泵一 负载的匹配控制进行分析 ， 提 出了相应 的液压 系统 节 能设计 方案 ， 并通过分析和应用认为达到 了节能的 目的。 关键词 液压系统 ； 节能 ； 设计 中图分类号 T H1 3 7 ． 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 2 1 2 0 0 Br i e f I n t r o d uc t i o n t o S a v i ng e ne r g y D e s i g n a n d Ap p l i c a t i o n o f Ty p i c a l Eq u i pme n t Hyd r a u li c S y s t e m L I Xi a n g - h u i ， Z HANG We i ， L I S h e n g - b i n C h i n a N a t i o n a l H e a v y Ma c h i n e r y R e s e a r c h I n s t i t u t e C o ． ，L t d ． ，X i ’ a n 7 1 0 0 3 2 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e p a p e r a c c o r d i n g t o t h r e e k i n d s o f ma c h i n e r y o p e r a t i n g c o n d i t i o n s ， a n a l y s i s t h e h y d r a u l i c s y s t e m i n mo t o r p u mp l o a d ma t c h i n g c o n t r o l s y s t e m， p u t f o r w a r d c o r r e s p o n d i n g e n e r g y s a v i n g h y d r a u l i c s y s t e m d e s i g n ． A n d t h rou g h a s e r i e s o f a n a l y s i s a n d p r a c t i c al a p p l i c a t i o n ， we c a n a c h i e v e t h e p u r p o s e o f e n e r gy s a v i n g ． Ke y wo r d s h y d r a u l i c s y s t e m ； e n e r gy - s a v i n g； d e s i g n O 引言 随着社会 的进步和科学技术的不断发展 ， 现在人们 逐步认识到了环境对我们人类社会发展 的重要性。 各国 收稿 日期 2 0 1 2 0 8 2 2 作者简介 李 向辉 1 9 7 7 一 ， 男 ， 陕西蓝 田人 ， 工程师 ， 学士 ， 现从 事液压技 术与装 备的设计 和开发 。 --‘ 一 号顶快推入齿条齿内， 实现卡滞 ， 将滑块锁紧。 一 种齿条限位装置 ， 使 限位操作更为灵活多变 ， 且 不需要滑块回到顶端才能锁紧， 大大提高操作效率 。 齿条限位装置的关键点和保护点 1 锁紧油缸控制 阀信号检查 ， 该信号需阶段性的 进行检查 。 因为信号的有无 直接影响到油缸 的动作 ， 进 而影响到滑块的锁紧 ， 这关 系到工作操作的安全性 ， 所 以每次操作设备时， 该信号需做检查 ； 2 该结构上涉及到一些易损件 ， 如顶块等 ， 长期使 用后应检查其是否变形等问题 ， 以便更好 的实施锁紧。 3 齿条限位装置在液压机上的应用实现 功能 本装置为齿条限位结构 ，且插销式油缸结构 已经 过改进 。 现改为摆动式油缸 ， 及正常工作 时 ， 油缸活塞 杆升出， 经缸体摆动 自动调整 ， 活塞杆头部连接的顶块 40 都在采取积极有效的措施减少污染和对能源的依赖 。 节 能产品的设计开发利用成为一个重要的课题。 1 问题描述 液压系统在工业设备中广泛使用 ，但是它的效率 一 般不高 ， 通常为 5 0 ％左右 。 传统的液压系统设计 中只 考虑了系统的工作能力 、 可靠性以及投资成本 ， 较少考 自动限人齿条内， 实施锁紧。即便滑块未 回到齿条 限位 点 ， 但锁紧缸信号到位 ， 实施锁紧 ， 也不会 由于位 置偏 差而顶坏锁紧缸 。这个摆动锁紧的结构改进 ， 使限位操 作更为灵活多变 ， 且不需要滑块 回到顶端才能锁紧 ， 大 大提高操作效率 。 4 结论 液压机使用齿条限位装置 ，在安全上是行业领先 的技术水平 ， 满足客户 的最新需求 ， 为您的生活与工作 带来一场智能化 的变革。 参考 文 献 【 1 】 雷 天觉． 新编 液压工 程手册[ M】 ． 北京 北 京理工 大学 出版社， 1 9 9 8 ． [ 2 】 海锦涛． 锻压手册【 M】 ． 北京 机械工业出版社， 1 9 9 6 ． 【 3 ] 帅长红． 液压机设 计 、 制 造新工艺新技 术及质量 检验标 准规 范[ M] ． 北京 北方工业出版社， 2 0 0 6 ． Hvd r a u l i c s Pn e u ma t i c s S e a l s ／ No． 1 2． 2 01 2 虑系统 的运行效率和长期运行成本 ，造成能源的大量 浪 费 。 因此 液压 系 统 的节 能 设 计对 社 会 经济 具 有 非 常 重要 的意义 。本文通过对三种典型机械设 备运行过程 进行分析 ， 将液压系统中电动机一 泵一 负载的匹配控制 ， 进行整个液压系统的节能设计 ， 并进行分析探讨。 2 设计方案 2 ． 1 变频调速 电机一 定量泵的节能设计 在液压升降平台运送物品过程 中，由于要求升降 台能够平稳上升 ， 速度按照如 图 1速度 曲线运行 ， 不能 有较大 的速度波动 ，而下降过程对速度的平稳性要求 不高。可采用如下图 2液压原理图。交流变频电动机 1 驱动液压 泵 2工作 ， 液压泵为定量泵 ， 可采用齿 轮泵 ， 由于齿 轮泵较 宽的转速范 围满足变频调速 的需要 ； 溢 流阀 3在系统中起安全保护作用 ，系统正 常工作时处 于关闭状态 ； 平衡 阀 5起锁紧作用 ， 可以使升降平台在 任意位置停稳 ， 不 至于停机时下落 ， 同时可 防止在升降 平台下降过程中的超速下落 ，液压缸 6直接与升降平 台铰接。对图 1中运行过程进行分析 。 速度 图 1 平台上升过程速度图 图 2变频电机一 定量泵原理图 液压缸上升运行过程 中所需的流量取决 于液压缸 的规格和液压缸运行 的速度 Q Av 式 中Q 升降台液压缸运行所需的流量 ； A 液压缸塞腔的面积 ， A D 2 ； 液压缸运行的速度。 在变频调速控制回路 中，液压缸所需 的流量等 于电机泵组提供 的流量 ， 而供油系统的流量 Q n q 式 中 电机 的转速 ； 口 齿轮泵的排量。 所 以 n u 由于泵为定量泵 ，所 以液压缸运行的速度 曲线可 通过控制 电机运转 的速度 n来实现。电机转速可实现 零到额定转速之间线性调节 ，尤其是在升降平 台待机 及无动作情况下 如等待 阶段 ， 电机及 油泵转 速可降 至零 。 基本无能耗损失 。 所以本例中升降平台整个运行 过程 中 包含停止状态 ， 电机输 出的能量 与升降平台 所需的能量基本相 同，液压泵输出的能量得 以充分利 用 ， 达到了液压系统的节能 目的。 2 - 2 恒压变量泵一 蓄能器的节能设计 在液压翻板机运行过程 中，由于要求翻板机能够 平稳上升和下降 ， 运行过程按照如 图 3速度 曲线运行 ， 运行周期为 t 。 。由图 3可看到 ， 翻板机升降过程对速度 要求并不是很 苛刻 ， 而翻板过程 时间较短 ， 工作 间歇时 间较长 ， 可采用如下图 4液压原理图。在 图 4中电动机 1驱动 恒 压变 量液 压 泵 2工 作 ； 溢 流 阀 3在 系 统 中起 安 全保护作用 ， 系统正常工作时处于关 闭状态 ； 单 向阀 4 可防止停机时蓄能器 内高 压油倒流而产生对液压泵的 冲击 ； 平衡阀 8起锁紧作用 ． 可以使翻板机在任意位置 停稳 ， 不至于停机时下落 ， 同时还可以控制升降平 台的 下降速度 ； 单 向节流阀 7用于对翻板上升速度 的控制 ； 皮囊式蓄能器 7作为能量储存装置 ，其主要作用是作 为辅助油源 。对 图中 4运行过程进行如下分析。 图 3翻 板机运行 图 图 4恒压 变量泵一 蓄能器原理图 液压缸上升运行过程中所需的流量取决于液压缸 的规格和液压缸运行的速度 Q A 式中 p 升降台液压缸运行所需的流量 ； A 液压缸塞腔的面积， A 孚D ； I 一液压缸运行的速度 。 在蓄能器作为辅助油源的液压回路 中。液压缸所 需的流量等于电机泵组提供 的流量与蓄能器提供 的流 量之和 。液压缸所需 的流量 Q n q V 0 41 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 1 2年 第 1 2期 式 中 蓄能器提供 的流量。 在翻板机升降过程 中电机泵组与蓄能器共 同向液 压缸提供液压压力油 ， 而在翻板机工作间歇情况下 ， 电 机泵组向蓄能器进行充油 ， 当充油完成后 ， 恒压变量泵 自动将排量变得较小 ， 只维持泵 的泄漏流量。所以在此 液压 回路 中使用恒压变量泵并安装了蓄能器 ，可减小 系统中电机的功率和液压泵的规格 ， 节约能源 ， 降低噪 声 ， 消除 了压力脉动 ， 明显降低了整个 系统的一次性投 资成本 和运行成本 ，另外还可以提高系统的安全可靠 性 ， 一旦电机泵组发生故障和停电时 ， 蓄能器还可以作 为应急动力源 ， 使翻板机下落到安全位置 。 2 ． 3泵控液 压缸 的节 能设 计 R H钢包升降系统 由钢包升降框架和钢包升 降液 压系统组成 ，钢包升降框架安装在真空槽下方的竖坑 内， 并 由液压缸驱动沿竖坑 内的导轨做升降运动 ， 从而 实现对钢包升降框架上的钢包 车和盛有钢水的钢包进 行顶升动作 ，所以要求升 降液压缸运行必须平 稳 、 可 靠 ． 在钢包顶升到钢水处理位后 ， 必须保证停放高度保 持不变 ， 实现高度安全 。 如图 5所示 ．钢包车和盛有钢水 的钢包 8位于液 压缸 7的正上方 液压缸 6采用柱塞缸结构 ， 通常钢包 升降液压缸 的总负荷为 4 0 0 ～ 7 0 0吨；液控单向阀 6用 于钢包 升降系统上升到钢水处理位置 的停止 ，保证在 4 0 ～ 5 0 mi n的钢水处理过程中可靠锁定 ；电磁换向阀 4 作用为在钢包下降过程中打开液控单 向阀 6 ； 节流阀 5 减少液控单 向阀开启 和关 闭的压力 冲击和压力波动 ； 溢流阀 3作为系统 的安全保护阀门；电动机 1 为三相 异步交流电动机 ， 驱动主泵和控制泵 2的运转 ； 主泵通 常采用 A 4 V S H轴向柱塞变量 比例泵 ， 控制泵采用定量 泵。对 图中 5 运行过程进行如下分析。 4 2 图 5泵控液压缸液压原理图 在钢 包 上升 过 程 中 ， 主泵 处 于泵 状态 ， 此 时 电机 驱 动主泵向升降缸提供压力油以驱动钢包上升 在主泵 变为马达状态时可使钢包下降 ，此时钢包和升降框架 等运动部件 的重力作用在升降油缸 中使油液产生压力 驱动处于马达状态下的泵旋转 ，主电机则处于发电状 态 ， 产生反扭转 以平衡钢包和升降框架等重力的作用 。 主泵的状态 泵状态或马达状态 由泵内缸体的摆角方 向来决定 ， 泵的工作状态决定着钢包 的升降状态。通过 主泵液压油流量 的大小决定着升降速度的大小 。此流 量 的大小是 由泵 内缸体摆角的大小来确定 。主泵的状 态 即钢包 的升降状态 和通过 主泵 的流量 即升降速 度 是 由主泵中相应的比例 阀进行控制的。主泵上的摆 角位置传感器用于将主泵缸体摆角的方 向和大小反馈 到控制比例 阀的控制系统 ， 组成闭环控制 ， 从而可 以精 确地控制钢包的升降方 向和升降速度。由于本液压系 统总 的负荷较大 ．采用比例泵控制升降缸 的升降方 向 和速度控制 ，使得在钢包上升过程 中电机处于工作状 态而下降过程电机发电回馈电网．提高 了整个液压系 统运行效率 ，减少了对 电能的消耗 ，达到 了节能 的目 的。 本液压控制已在攀钢、 马钢、 本钢等多个 RH精炼项 目中得以应用 ， 实践证 明， 这套钢包顶升液压系统运行 平稳 ， 工作可靠 ， 完全满足 R H精炼设备的使用要求 ， 达 到了节能的 目的。 3 结论 本文对 以上三种机械设备进行分析 ，进行 了相应 的液压系统设计 ， 通过应用后认为运行平稳 、 可靠 。 达 到了节能的 目的。液压系统的节能设计应该在不影响 系统功能的前提下 ， 尽可能将 电机、 泵以及负载进行匹 配 ，将液压系统输 出的流量和压力与负载所要求 的流 量和压力相一致 ， 降低液压系统总装机容量 ， 提 高运行 效率。液压系统设计 中节能技术方法 比较多 ， 存在一定 的适应性 ，没有一成不变 的控制方式可 以达到节能的 目的 ， 必须根据具体情况综合考虑 ， 灵活应用 ， 才能真 正的达到节能 ， 降低成本的功效 。 参 考 文 献 [ 1 】 雷天觉主编． 新编液压工程手册[ M】 ． 北京 北京理工大学 出版 社 ． 1 9 9 8 ． [ 2 J 马雅丽， 黄志坚． 蓄能器实用 技术f M】 ． 北京 化学工业 出版社 ， 2 0 0 7 ． 【 3 】 李岚 萍 ， 裘 嗣明． R H钢包 顶升液压 系统 的设 计与应 用[ J J ． 液 压与气动 ， 2 0 0 7 ， 9 ．