液压系统中差动液压缸的高能效的探讨.pdf

液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 1 4年 第 0 5期 d o i l 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 8 - 0 8 1 3 ． 2 0 1 4 ． 0 5 ． 0 0 9 液压系统中差动液压缸的高能效的探讨 赵 虹辉 ． 沈志远 派克汉尼汾工业液压技术 上海 有限公司 ， 上海2 0 1 2 0 6 摘要 该文对液压系统中差动液压缸的高能效进行了探讨。 通过对常见 的差动 回路 的分析 。 结合 P a r k e r 公 司的新 型差 动回路 方向阀 ， 提出了更节能高效的方案。该 新型差动回路 方向阀可广泛应用 于压铸机 和注塑机 的开合模 机构 。 关键词 液压缸 ； 差动 回路 ； 复合 阀芯 ； 高效节 能 中图分类号 T H1 3 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 4 0 5 0 0 3 0 0 3 The Re s e a r c h on M a k i ng S a v i n g s wi t h t h e Di ffe r e nt i a l Cy l i n d e r Z HA0 Ho n g - h u i ， S HE N Z h i - y u a n P a r k e r H a n n i fi n Hy d r a u l i c s S h a n g h a i C o ． ， L t d ． ，S h a n g h a i 2 0 1 2 0 6 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e p a p e r r e s e a r c h e s o n e n e r g y e ffi c i e n c y i n h y d r a u l i c s ． C o mp a rin g t o t h e t r a d i t i o n a l d i ff e r e n t i a l c i r c u i t t o P ark e r Ne w Hy b r i d Va l v e c i r c u i t ． P a r k e r h a s b e t t e r s o l u t i o n t o i mp r o v e t h e e n e r g y e ff i c i e n c y a n d ma k e s a v i n g s ． P a r k e r n e w Hy b ri d v a l v e c a n b e wi d e l y u s e d i n t h e f o r m c l o s i n g f u n c t i o n o f d i e c a s t i n g a n d p l a s t i c i n j e c t i o n ． Ke y wo r d s c y l i n d e r ； d i ff e r e n t i a l c i r c u i t ； h y b r i d v a l v e； h i g h e ffi c i e n c y O 引言 我 们 常常 在 设计 机 器设 备 的 同时 ．就 进 行液 压 缸 的设计 ． 紧凑型的单活塞杆液压缸是我们的首选 ． 并根 据 所 需 的 作 用 力 和 系 统 工 作 压 力 来 确 定 液 压 缸 的尺 寸 ， 此外 ． 液压 回路的形式也会影 响液压缸 的输出作用 力。在标准回路中 ． 液压缸 的两端油 口是和压力源或者 油箱连接 而差动 回路则是在活塞杆伸出时把液压缸 有杆腔端的油液引 回到无杆腔端 ．减少了对油液供 给 量的需 求 。 与此 同时 ， 也减小了液 压缸的作 用力 ， 这 正 是为何我们要称之为“ 更经济的回路” 的原 因。 1 如何选取合适 的液压缸和 阀 在讨论 回路 的“ 经济 ” 之前 ． 我们需要说 明在何 处 确实做到 了“ 节约” 液压缸作 为执行 机构可以为“ 泵 控” ， 也可以为“ 阀控” 。在泵控系统中， 要求为每个执行 机构单独配置一个驱动 电动机一 液压泵组 ． 该泵组仅需 提供执行机构实际所需的压力和流量 因此 ， 不考虑电 动机一 泵组的初期投资 ， 这种系统是节能的 。阀控系统 能精确地为液压缸提供工作所需 的能量 ．而恒压源所 提供的 ．但未被液压缸消耗 的多余能量则通过节流作 用转化 为热量 ， 并经由油液予以散发 。这种系统也有节 收稿 E t 期 2 0 1 3 0 9 2 4 作者简介 赵虹辉 1 9 7 8 一 ， 女 ， 宁 夏银川人 ， 硕士 ， 主要从 事工业 阀 的产 品推广 、 技术 支持 和应用 工作。 3 O 能的可能 ， 但必须对其进行精心 、 合理的设计和布置。 液 压缸 在 静 止状 态 能 达 到最 大 的推力 ．这 个 力 是 由系统压力 和活塞的作用面积决定 的 只要活塞杆移 动 ． 液压缸 的推力就会 由于液流通过阀的节流 ． 在其两 端产生压降损失而减小。对于一个没有负载的液压缸 ， 在以最大速度运行时 ．几乎所有阀的节流损失所产生 的能量都转化为热能 “ 阀或节流控制” 通过节 流来调 节能量 的损耗 ． 正是 由于这种特性 ． 才为我们带来提高 能效 的巨大潜力 液压缸和阀的选择应尽可能地 与负载的要求相 匹 配 。 尽量减少 回路中的节流作用 ， 使液压缸输出的力更 接近设备所要求 的力 ． 从而达到节能的 目的。需要注意 的是 ． 力 的 匹配 方 式 与速 度 的匹配 方 式 是不 同 的 ． 通 过 选择液压缸有杆腔端和无杆腔端面积可以得到力的匹 配 ． 而速度的匹配则 由阀的大小来决定 。选择过大尺寸 的液压缸 ． 会 因为油液的供给过多而导致能量 的消耗 ． 另一方面 ． 如果系统选择 了一个过大规格的阀 。 就会 引 起速度的超限 ． 其结果虽然不会引起能量的损耗 ． 但会 导致速度调节范围的增大 尽管减小阀芯位移可 以控 制液压缸达到要求的速度 ．但 因此也降低 了阀芯位置 的分辨率 ， 使可控性变差 。对于一个恒定的负载 ． 若选 择较小尺寸的液压缸 ．则 因克服负载阻力所需 的压力 较高 ， 故 阀的压降变小。对液压缸来说 ， 满负载工况下 的效率比部分负载工况要高 见图 1 。 Hv dr a u l i c s Pn e uma t i c s＆ Se a l s ／ No．05． 2 01 4 Y F F F o贝 损 耗 、 、 T＼ I 执 行 l ＼ f 机 构 尺寸过大 控制阀较小液压缸较小 而 控制阀较大 图 1 液压 缸及 阀与 负载 的匹配 液压缸的力 和速度由液压阀调节的能量供应量来 控制 按通常的概念 ． 可控性好的系统其能量损失在液 压缸最大速度时约为三分之一 ． 也就是泵的输出压力与 负载压力的差值为 3 3 ％时． 阀控液压缸的效率最高。甚 至在今天 ． 对于 2 1 0 b a r 的系统压力 ， 阀的公称流量仍然 按 7 0 b a r 的压差来标定。这是 十分有用的规则 在系统 设计中 ． 即使是运用了现代的控制技术 ， 高性能的阀和 更经济的液压回路都能显著地减少系统的能量损失。 由于每一个液压缸都有两个作用表面 ．因此在考 虑负 载 压 力及 阀的通 径 与 速度 的匹配 时 有 一个 运 动方 向的因素 液压系统设计者必须能 自由选择液压缸的 缸径和活塞杆直径以及确定 阀的通径 ，但有一个基本 的先决条件 ．那就是 阀控液压缸应能得到有效 的控制 和节 能 。 在确定 了液压缸的尺寸和阀的通径两个 因素后 ． 第三个需要考虑的因素就是按照负载 的要求来优化 回 路设计。在标准回路中． 液压缸的两端交替接压力源或 者油箱 ．液压缸可以提供最大的作用力 在差动 回路 中．当活塞杆伸出时 ．有杆腔 的油液又返 回到无杆腔 端 ． 减小 了该 方 向上 的液 压 缸 输 出力 ， 由此 增强 了液 压 缸的输出力与负载相适应的能力。举例来说 ． 如果在伸 出和 缩 回两个 方 向 的负载 相 同 ． 那 么面 积 比为 2 1 的 液 压缸采用差动 回路就非常合理 了．这种非对称 的差动 液压缸无论是在力 、 速度 ， 还是能量消耗上 ， 几乎都工 作在对称的状态 。如果在活塞杆伸 出时， 要求有达到最 大作用 力 对应 于活塞全部作用 面积 的工况 ， 那 么只 需把差动回路切换到标准 回路即可 见图 2 。 差动回路 标准回路 ． 切换 复合 回路 图 2复合 回路的输 出力控制 面积 比 A S ／ AK I 2 不 同的液压缸面积 比、 阀的通径 以及 回路 的组合 ， 可 以提供范围很广 的液压缸负载与速度特性的优化选 择 。还是一句老话 液压缸的选择和负载要求越接近 ， 能量的损失就越小 2 传统 的差 动 回路 标准 回路已是众所周知 ．但需提醒的是如果液压 缸 的面积 比较大 ．就需要调整 回路中活塞杆端节流阀 1 3的通径 。 使之与流量相匹配 ， 从而改善可控性 。 目前常见的差动 回路 由一个标 准的方向阀外接两 个单向阀组成 ．将活塞杆端的油液引 回到液压泵源 P E l 回流 或 差 动 ， 见 图 3 ， 再 进 入 活 塞 端 ， 阀 的一 个 进 油 控制边不再有液流通过 ． 将 四边控制转变为三边控制 ， 带来调节上 的缺陷。对于拉负载 ． 差动 回路更为有效 ， 而且压力仅仅影响液压缸的一端 这种差动 回路始终 处于有 效 状态 需 图 3外 接 单 向 阀 的 P 口差 动 回 路 另一种压力有可能低于泵源压力的差动 回路可以 由一个标准方向阀、一个 回油 口处 的外部二位二通 阀 以及一个把活塞杆端 的油液直接 回到活塞端 A 口回流 或差动 而不是 回到油箱 的外部单 向阀组成 见图 4 。 但是这种控制回路也有一些限制 ．譬如每次换 向阀切 换 ， 单 向阀都要动作 。 而且如果油箱连接 13打开的话 ， 油 液也不 会 回到 活 塞端 ． 厂 图 4外接 单向阀及 2 ／ 2阀的 A口差动 回路 31 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 1 4年 第 O 5期 3 P a r k e r 新型复合 回路 阀 3． 1 P a r k e r的 P口差 动 采 用特 殊 阀 芯 的标 准方 向阀 可 以不 使 用 外接 阀而 构成永久性 的差动回路 ．有杆腔的油液在阀的内部通 过 P 口回到油 缸 的无 杆 腔 P口差 动 ， 见 图 5 。 由于 阀 芯上在 P 泵 E l 和 B 油缸 El之间存在着一个节流边 ， 故有杆腔的压力将始终高于泵 的压力 考虑到负载决 定 压力 ．油 缸 有杆 腔 和方 向阀 B 1 3 处 的压 力 有 可能 达 到液压泵输出压力 的两倍 。在实际应用 中． 也会有一些 保护措施使这些液压元件在许可压力下工作 图 5采 用 特 殊 阀芯 的 P 口差 动 回路 上述 的工作 模 式 也 可 以在 四位 方 向阀 中实 现 在 液压缸伸 出工况有两个 阀位 ， 一位构成标准 回路 ， 另一 位则构成差动 回路 可以按照液压缸 的行程或速度的 要求在这两种 回路 中切换 ．这就意味着节能是在一定 的速度范 围以 内的． 但是需要注意 的是 ． 在两种 回路的 切换会造成液压缸 内的压力冲击 3 ． 2 P a r k e r的 A 口差动 鉴于 P口差动存在一些缺 陷．派克设计开发了新 型的 A 口差 动的阀 见图 6 ， 该 型阀可将阀侧 B 13 的 油 液 直 接 回到 液 压 缸 的无 杆 腔 A E 1 ， 而 无 需 通 过 液压 泵 口 P口 ， 方 向阀芯 的所 有 四个 节 流边 的工作 状 态均保持与标准 回路 中的一样 这种设计降低了有杆 腔的压力 有杆腔 的最高压力等于泵 的压力 ， 并且减 少了回路从有杆腔端到无杆腔端的损失 ． 如此 ， 降低 了 液压缸和阀的压力负载 ． 从而达到节能的效果 3 ． 3 P a r k e r 的新型复合回路阀 将两个附加 的阀集成在标 准的 A 口差 动方 向阀 内．使之具有在 A I3 差动 回路和标准 回路间切换的功 能 A 口差 动复合 回路 ， 这就是 P a r k e r 新型复合 回路 阀的设计。这种切换不用考虑活塞的行程 ． 在任何速度 下都可以使用这两种回路模式 ．可 以按输 出力的要求 32 进行回路模式的切换 ．例如_T作在差动 回路模式时输 出力不能满足要求 ， 系统就切换到标准回路模式 。这种 “ 低损耗回流” 意味着 A 口差动 回路相对 于油缸 面积 比 的适用范围很广 该型复合 回路阀可以在任何速度下 切换 ， 而无液压缸 内压力 冲击 的风 险 ． 而且 ， 在两种 回 路之间切换 ．无论从 A 1 3 差动 回路切换到标准回路还 是相反 ． 均无风险。这种在任何时候均可 自由切换的能 力可以保证最大的节能效果而不受工况的限制 哥霭 图 6 P a r k er 新 型 复 合 回 路 阀 由于 附加 的阀 安装 在 标 准方 向 阀的 上部 ．故 这 种 复合阀的下方安装面保持为标准的安装尺寸 ．可 以很 容易替换原有的其他 阀件 4 结论 P a r k e r的这种复合 回路 阀广泛应用 在压铸机及注 塑机的开合模机构上 ， 合模时 ， 其 A El差动 回路的高速 和小作用力模式用 于空行程合模工况 ．模具夹紧时切 换为标准 回路模式 ， 可满足低速 、 大压紧力要求 。该型 阀也适用 于任何有高速 、 小作用力和低速 、 大作用力要 求的其他应用工况 参 考 文 献 [ 1 】 D r ． - I n g G ． S c h e ff e 1 ． E n e r g y E ffic i e n c y i n H y d r a u l i c s [ z ] ． P a r k e r Ha n n i fi n Gmb H ＆ C o ． KG． 2 0 0 9 ． 【 2 】 沈志远 ， 刘崇荣． 工业液压技术译[ Z ] ． P a r k e r B u l l e t i n ， 2 0 0 6 ． 【 3 】3 P a r k e r Ha n n i fi n H y d r a u h c s G r o u p ． H y d r a u l i c Va l v e s I n d u s t r i a l S t a n d a r d HY1 1 - 3 5 0 0 ／ U K[ Z ] ． P ark e r H a n n i fi n H y d r a u l i c s Grou p， 2 0 1 0 ． 【 4 ] H a n s g e o r g K o l v e n b a c h ． E ffic i e n t R e g e n e r a t i o n [ Z ] ． P a r k e r Ha n n i fi n Gmb H ＆ Co ． KG． 2 0 1 2 ． 【 5 ]5 张圣． 液压系统节能设计【 J ] ． 机床与液 压 ， 2 0 0 7 ， 1 ． [ 6 】6 张永弟． 液压差动回路的设计缺陷叨． 流体传动与控制 ， 2 0 0 7 ， 4 ． 【 7 】 张利平． 液压阀原理使用与维护[ M ] ． 北京 化学lT业出版社，2 0 0 5 ．