节能技术在液压设计中的应用.pdf

Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ， NO ． 7 ． 2 01 1 节能技术在液压设计中的应用 王红兵 袁志鹏 马 忠 榆次油研液压有限公司 ， 山西榆次0 3 0 6 0 0 摘要 在各项技术飞速发展 的今 天， 液压配套设备在满 足主机动作要求的前提下如何能够节 省功率 、 提高效率是从事液压 件生产和 配套液压系统时必须考虑的问题 ， 本文从液压元件的选 型和液压 回路构成 的角度介绍 了一些具体做法 ， 供 同行借鉴 。 关键词 节 能技术 ； 有效功率 ； 负载敏感 中图分类号 T H1 3 8 ． 5 文献标 识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 1 0 7 0 o 5 5 0 4 E n e r g y s a v i n g T e c h n o l o gy A p p li c a t i o n i n Hy d r a u h c P r o j e c t WANG Ho n g - b i n g YU AN Z h i - p e n g MA Z h o n g Y u c i Y u k e n H y d r a u l i c s C o ． ，L t d ． ，Y u c i 0 3 0 6 0 0 Ab s t r a c t W i t h t h e r a p i d d e v e l o p me n t o f t h e t e c h n o l o g y i n a l 1 a r e a o f i n d u s t r y ． Go i n g o f t h e p r e mi s e o f h y d r a u l i c c o r o l l a r y s y s t e m me e t t h e r e q u i r e me n t o f a c t i o n o f ma i n e q u i p me n t ， h o w t o s a v e t h e e ffic i e n c y ， i n c r e a s e o f e ffic i e n c y n e e d t o b e t o o k i n t o c o n s i d e r a t i o n w h e n p r o d u c e t h e h y d r a u l i c c o mp o n e n t a n d h y d r a u l i c s y s t e m． I n t h i s a r t i c l e ，we i n t r o d u c e s o me me t h o d s f r o m t h e a s p e c t o f s e l e c t i n g h y d r a u l i c c o mp o n e n t a n d h y d r a u l i c c i r c u i t c o mp o s i n g f o r r e f e r e n c e ． Ke y W o r d s e n e r gy - s a v i n g t e c h n o l o g y； e f f e c t i v e p o we r ； l o a d s e n s i t i v e O 引言 一 个设备所配套的液压系统，除了满足设备的动 力要求之外 ， 还要看它的功率匹配是否合理。例如 ， 在 一 个动作周期 中，各工步所需要的功率往往是不一样 的 ，这就要求液压系统能够根据各工步实际需要来提 供液压能。而在一般 的液压系统设计中， 往往是按最大 功率点来选择电动机和液压元件 ，这样在小于和大大 小于最大功率点 的工步中， 就形成了多余的无用功率 ， 这些无用功率使 液压系统油温上升 、 效率降低 、 并加速 了元器件的老化。在设计液压系统 中如果能预先分析 设备的使用工况 ， 采用合理的回路和节能技术 ， 就可能 得到一个合理的、 节能效果 比较明显 的、 使用寿命较长 的配套 液压 系 统 。 1 节流调速回路的能量利用情况 图 1是由定量泵 、 溢流 阀 节流阀或二通调速 阀构 成的节流调速回路。定量泵输 出流量为 Q ， 经节流阀进 入液压缸 的流量为 Q ，通过溢 流阀溢流的流量为 Q ； 显然 ，调节节流 阀的开 口就可以改变进入液压缸的流 量 仇 和溢流的流量 Q 的相互 比例关系 。 收稿 13期 2 0 1 1 - 0 4 1 9 作者简介 王红兵 1 9 6 8 一 ， 男 ， 工程 师， 现就任 于榆次油研液压有限公司 。 图 l 由定 量 泵 、 溢 流 阀 、 节 流 阀构 成 的节 流调 速 回路 设泵的输出流量为6 0 Umi n 。溢流阀的调定压力为 1 0 MP a ， 推动负载所需要 的压力为 4 MP a ， 根据液压缸的 速度要求 ， 进入液压缸的流量为 4 0 L ／ mi n 。根据液压功 率的计算公式 Ⅳ - 学 O U 式 中p 压力 ， 单位为 MP a ； p 流量 ， 单位为 L ／ mi n ； Ⅳ - 一功率 ， 单位为 k W。 我们很容易算出了泵的输出功率为 1 0 k W，通过节 流阀的节流损失功率为 4 ． 0 k W，通过溢流阀的溢流损失 功率为 3 ． 3 k W， 推动负载的有效功率为 2 ． 7 k W。在图 1 所 示的节流调速回路中， 总的液压功率的利用情况见图 2 。 5 5 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 1 1年 第 7期 Qs Q y Q s - Q L { Q L 压 力 图 2节流调速 回路功率利用情况 2 由三通调速 阀构成 的液压 回路 图 3是由定量泵、 三通调速阀构成的液压回路。 PL 2 图 3由定 量 泵 、 三通 调 速 阀构 成 的 回 路 三通调速阀是由定差溢流阀和节流阀并联而成 的 复合阀。它的工作原理如图 4所示 ， 通过合理的设计 ， 可以使节流 阀口前后 的压力差维持在一个相对恒定 的 数值 ，这样就保证了通过节流阀 口的流量仅取决于节 流 阀E l 的开度 面积 ， 泵提供 的多余流量直接旁路 到 油箱。实际系统工作时 ， 液压缸前腔的压力是随负载的 改变而变化 ， 正是 由于定差溢流功能的存在 ， 节流阀 口 的前后 的压差 A p相对恒定 ， 这就决定了泵出口的压力 P 始终高于负载压力 ， 即 a 结构 师 c 简化 b 详细符号 符号 图 4三通调速 阀结构原理 由此可见 ， 定量泵与三通调速 阀构成的调速 回路 ， 存在的节流损失功率仅仅是节流阀恒定压力所造的很 小一部分 ； 存在的溢流损失功率也相应减小了许多 如 图 5所示 。 5 6 图 5定 量 泵 三 通 调 速 阀 回路 的 功 率 利 用 情 况 3 由负载敏感泵构成 的容积调速 回路 如前所述 ．图 1所示 的普通节流调速回路存在着 节流损失功率和溢流损失功率 ．而图 3所示的液压回 路能量利用虽然有较大的改善 ，但仍不可避免地存在 着溢流损失功率。如果想要进一步提高液压回路的能 量利用率 ， 采用负载敏感泵是一种简单而可行的方案 。 3 ． 1 恒压 压力补偿 l 控制型柱塞泵的功率特性 如 图 6所示 ， 这种泵的变量点 也称截流压力点 可以通过泵出口的恒压阀手轮调节。 在泵 出I2 1 压力未 达到恒压 阀设定的压 力值 时 ， 这 种泵就相当于定量泵 ； 当泵出 口压力到达和稍超过恒压阀设定的压力值 时， 泵输出流量开始迅速变小并直至截流 ， 也就是在维 持系统压力的情况下不 向系统提供流量 ，显然这种情 况无 溢流损 失 。 、 a 恒 压 泵 原 理 符 号 b 恒 压 泉 J土力一 流 量 特 性 图6恒压泵压力一流量特性 3 ． 2负载敏感控制型柱塞泵的功率特性 负 载敏 感控 制 型柱 塞泵 是 在恒 压泵 的基础 上 又 增 加了一个能使泵变量机构动作的 “ 流量调节模块” ， 如 图7 所示。图中①和②构成恒压阀的功能，决定着压 力一 流量特性 的拐点 ；③和④构成泵输 出流量调节功 能。 改变节流阀④的开度， 就确定了变量活塞的位置和 斜盘角度 ， 从而就确定了输出流量的大小 。 如果将先导压力 阀②换成比例压力阀 ，把节流阀 ④换成比例节流阀， 就构成了真正意义上的“ 电一 液比 例负载敏感控制型”的泵 ，其功率利用情况如图 8所 刁 Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s＆ S e a l s ／ No ．7 ． 2 01 1 Qi Q j a 负载敏感泵原理符号 b 负载敏感泵压力一 流量特性 图 7 负载敏感 泵压力一流量特性 口压力 图 8负 载 敏感 泵 功率 利 用 情 况 4 恒功率控制型变量柱塞泵的特性 为减小功率损失 ，液压系统中也常选用恒功率控 制型变泵量柱塞泵 。这种泵 的特点是低压时可输出较 大流量 ， 随着泵出 口压力的增高 ， 泵 的输出流量逐渐变 小 。 恒功率控制型泵是在恒压泵 的基础上增加了一个 能使泵输出流量逐渐变小的 “ 功率调节模块” ，如 图 9 所示， 功率阀②就起着这个作用。泵输出特性分三个状 态 1 当泵出 口压力较低 时 ， 变量活塞缩 回 ， 斜盘处 于最大倾角， 对应输出最大流量。 a 恒 功 率 泵 原 理 符 号 b 恒 功 翠 泵 压 力 流 量 特 性 图 9 恒功率泵压力一流量特性 2 当泵出 口压力升高到能克服功率阎②弹簧设 定 的压力时 ． 变量活塞驱使斜盘倾 角变小 ， 对应输 出流 量开始下降。 由于变量 活塞与功率 阀②存在机械反馈 作用 ， 所以在压力上升 、 流量 下降的一个范 围内 ． 压力 流量呈反 比关系 ． 这就成就 了压力 和流量的乘积 液压 功率 接近常数 ， 这也是“ 恒功率” 这个术语的来由。 3 当泵出口压力升至恒压阀①的设定压力时， 变 量活塞驱使斜盘倾角接近为零 ，这时泵 只维持系统压 力下的泄漏量。 5 以上几 种 回路 节能效果 比较 如前面所述 ． 由不同元件组成 的液压 回路 系统 其能量利用效率是不相同的。 图 1 所示的由定量泵 、溢流 阀、节流阀构成 的回 路 ．在调速工况下存在着溢流损失功率和节流损失功 率 ， 不管负载造成 的液压缸腔压力的大小 ， 泵 出口的压 力始终是 由溢流 阀设定的 推动最大负载所需要 的压 力。提高这种 回路效率只能是让泵输出流量稍大于液 压缸所需流量 ，泵 出口溢流 阀设定压力稍大于最大负 载所需 的压力。 图 3所示的由定量泵 、 三通调速 阀构成的回路 ， 功 率利用情况较图 1回路有 了较大的改观 ，这是由于该 回路基本没有了节流损失功率 ，虽还存在溢流损失功 率 ， 但泵 出口的压力是与实际负载所需压力相匹配的 ， 溢流损失功率主要是由多余的流量所造成。 图 7所示的由负载敏感泵构成的回路 ，可以得到 较理想的功率特性 。这种 回路可归结为“ 负载敏感 、 容 积调速” ， 该 回路实质是 执行机构 液压缸 、 马达 的速 度可通过 P L C或控制器等事先设定 ，泵出 口的压力始 终 比负载所需要 的压力高一个确定的数值 如 1 MP a ， 也就是液压泵所提供的液压功率始终稍大于驱动负载 所需要的功率。 6结论 一 般液压系统 的设计 ，在满足执行机构动作要求 的前提下 ， 系统是否节能就成为一个重要指标。 液压 系统中节能的基本思想就是尽量减少节流损 失和溢流损失 ， 理想状态就是执行机构需要多少功率 ， 液压泵就提供多少功率。 要达到完全 的功率匹配要受到具体系统和实际工 况的限制 ， 但节能的思想和方法是要必须考虑的。以下 是系统设计 中常采用的一些节能方法。 1 节流调速回路中 ， 泵出 口溢流阀的调节压力 比 驱动负载所需要 的压力稍高一点 1 MP a 即可。 2 系统具有多个执行机构时， 采用多级溢流 阀来 分别限制各负载的最高压力 。待机状态下使液压泵卸 荷 。 3 用 比例溢流阀代替多级溢流阀。 4 用多个泵来匹配各执行机构所需的流量。 5 泵出口采用比例三通流控阀。 5 7 液 压 气 动 与 密 封／ 2 O l 1年 第 7期 贯彻国家标准 G B ／ ] r 1 4 5 1 3应注意的事项 徐文灿 北方 工业 大学 ， 北 京 1 0 0 0 4 1 摘要 本文说明 ， 已有测定流量特性 的国际标准 ， 为什么还要制定 国家标准取代之 。并就国家标准实施 中大家关心的问题作 出解释 对新的测试方法应如何评价谈谈看法 。 关键词 国家标 准 ； 流量特性 测量方法 中图分类号 T H1 3 8 ． 5 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 1 0 7 0 0 5 8 0 4 I mp l e me nt GB／ T1 4 5 1 3 M a t t e r s Ne e d i n g At t e n t i o n u We n C O l t N o r t h C h i n a U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， B e i j i n g 1 0 0 0 4 1 ，C h i n a Ab s t r a c t T h i s p a p e r s h o ws t h a t e x i s t i n g fl o w c h a r a c t e ris t i c o f d e t e r mi n a t i o n o f i n t e r n a t i o n a l s t a n d a r d s ， wh y s h o u l d e s t a b l i s h t h e n a t i o n a l s t a n d a r d s i n i t s p l a c e ． An d i n t h e i mp l e me n t a t i o n o f n a t i o n a l s t a n d a r d w i t h t h e p r o b l e ms o f t h e g e n e r al c o n c e rn e x p l a i n t o n e w t e s t me t h o d s s h o u l d b e h o w t o e v a l u a t e t a l k a b o u t t h i s ． Ke y W o r d s n a t i o n a l s t a n d a r d s ；fl o w c h a r a c t e ris t i c s ； me a s u r e me n t me t h o d 气动元件流量特性的测定 的国家标准 G B ／ T 1 4 5 l 3 9 3自 1 9 9 4年 1 月 1日实施以来 ， 得到不少气动界同行 的关 注 ． 日本流体动力协会 的流量特性测定 委员会 2 0 0 0年也对此标准全面作 了介绍， 获得好评 。 现就贯彻 中的注意事项说明如下。 1 已有 国际标 准 I S O 6 3 5 8 1 9 8 9 ， 为什 么 还要制定国家标准 G B ／ T 1 4 5 1 3 9 3 7 国际标准起草人发现 ，气动控制阀的下游压力与 上游压力之 比与通过该阀的流量之 间的关系曲线近似 是四分之一椭 圆， 这是重要贡献 。对椭圆曲线 ， 只要知 收稿 日期 2 0 1 0 1 2 - 2 5 作者简介 徐3 1 9 3 7 一 ， 男， 北方工业大学教授， 长期从事流体传动与控 制的教学 与研究工作 。 6 采用调频电动机 定量泵组合或 比例控制泵 ， 构成容积调速 回路。 7 采用恒压 变量泵构成恒 压油源 ， 减小 溢流损 失 。 8 采用电一 液 比例负载敏感控制型柱塞泵来实现 功率匹配。 参 考 文 献 【 1 ] 成大先． 机械设计手册【 M】 ． 北京 化学工业出版社 ， 2 0 0 9 ． 5 8 道长轴和短轴 ， 便可画出完整的椭圆曲线。也就是说 ， 理论上只要测定 曲线上 的两个特征点便 可画出曲线。 否则 ，为了测 出完整的下上游压力比与流量之间的曲 线 ， 至少应测 l 0点以上 ， 不仅工作量大， 且耗气量也很 大。 国际标准用两个流量特性参数 声速流导 C值和 临界压力比 b值 便可完整画出元件的流量特性 ， 为了 提高特性参数 的测量正确性 ， 试验方法规定测五点 ． 即 壅塞 流态 下 的质量 流量 q 的 1 0 0 ％ 、 8 0 ％、 6 0 ％ 、 4 0 ％和 2 0 ％五个流态。此方法存在以下主要问题。 1 测得 C值较可信 ， 测得 b值不可信。理论分析 和实验结果都证实 ， b值误差有可能大于 1 0 0 ％， 甚至测 出 b值为负值， 这是不可能的事。 2 压力 和流量测量范 围太 宽 ， 又要求测 量精度 [ 2 ] 李鄂民． 实用液压技术一本通【 M】 ． 北京 化学工业出版社 ， 2 0 0 9 ． 【 3 ] 许益民． 电液比例控制系统分析与设 计[ MI ． 北京 机械工业 出 版社 ． 2 0 0 9 ． 【 4 ] 路 甬祥． 未 来流体动力 技术 的展 望与期 盼[ J J ． 液压气 动与密 封 ． 2 0 0 9 ． 『 5 1 权龙． 工程机械多执行器电液控制技术研究现状及最新进展 『 J ] ． 液压气动与密封 ， 2 0 0 9 ． 『 6 1 黄新年， 张志生， 陈忠强． 负载敏感技术在液压系统中的应用 [ J ] ． 流体传动与控制 ， 2 0 0 7 ．