三种典型油源液压系统传动效率分析.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 ． 1 0 ． 2 0 1 4 d o i l O ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 8 0 8 1 3 ． 2 0 1 4 ． 1 0 ． 0 0 6 三种典型油源液压系统传动效率分析 钱 倩， 万保中， 苏永清， 韩泽文 上海汇益控制系统股份有限公司， 上海2 0 1 8 0 4 摘 要 基于理论分析和仿真 ， 对变量泵油源 V D油源 、 变频调速油源 I N V油源 、 启停式油源 AC C油源 三种不同油源组成的液压 系统传动效率进行了分析计算。计算过程中， 设定三系统均选用了同功率的定量泵 ， 考虑各部件的效率和管路的压力损失， 对 V D油 源、 I N V油源做了直接的效率分析和计算 ； 针对 A C C油源液压系统 ， 对其核心元件蓄能器的充放液过程作了仿真 ， 并做了效率计 算。最后从效率、 主要部件的成本、 频响等各方面综合比较了三种液压系统。理论计算表明， AC C油源液压系统由于利用了蓄能器储 存的能力 ， 有效地提高了液压系统效率。 关键词 V D 油源 ； I N V 油源 ； A C C 油源 ； 蓄能器建模 ； 液压传动效率 中图分类号 T H1 3 7 ． 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 4 1 0 0 0 2 1 0 4 Effi c i e n c y Ana l y s i s o f Th r e e T y p i c a l Hyd r a u l i c S ys t e ms Q I A NQi a n ， W A NB a o - z h o n g ， S UY o n g - q i n g ， H A NZ e w e r l S h a n g h a i H u i y i C o n t r o l S y s t e m C o ． ， L t d ． ， S h a n g h a i 2 0 1 8 0 4 ， C h i n a Abs t r ac t Ba s e d o n t h e the o r e t i c a l a n a l y s i s a n d s i mu l a t i o n ， the p a p e r r e s e a r c h e s o n the e ffi c i e n c y o f t h e h y d r a u l i c s y s t e ms c o mp o s e d o f VD， I NV a n d ACC o i l s o u r c e ． On t h e p r e mi s e o f t h e s a m e i n p u t ， c o n s i d e r i n g e ffi c i e n c y o f m a i n c o mp o n e n t s a n d p r e s s u r e l o s s o f p i p e l i n e ， e f - fic i e n c y c a l c u l a t i o n o f the h y d r a u l i c s y s t e m o f VD， I NV o i l s o urc e i s d o n e d i r e c t l y ； f o r the ACC o i l s o u r c e s h y dra u l i c s y s t e m， a s i mu l ati o n o f c h a r g i n g an d t a p p i n g p r o c e s s o f the a c c um u l a t o r - - the c o r e c o mp o n e n t o f the s y s t e m i s a l s o c o n d u c t e d ， th e c a l c u l a t i o n o f e ffi c i e n c y i s d o n e th e n． F i n a l l y thi s p a p e r m a k e s a c o mp r e h e n s i v e c o mp a r i s o n o f the t h r e e h y dra u l i c s y s t e m s f r o m t h e e ffi c i e n c y ,c o s t ，fre q u e n c y r e - s p o n s e an d an d o t h e r mi me d a s p e c t s ． Th e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n s h o ws t h at t h e ACC O i l s o ur c e h y dr a u l i c s y s t e m i mp r o v e t h e e ffi c i e n c y o f th e h y d r a u l i c s y s t e m e ff e c t i v e l y b e c a u s e o f u s i n g the s t o r a g e a b i l i t y o f a c c u mu l a t o r ． Ke y wor ds VD o i l s o u r c e ； 1 NV o i l s o urc e； ACC o i l s o urc e； mo d e l i n g o f a c c u mu l a t o r ； h y dra u l i c c i r c u i t e ffi c i e n c y 0 引言 液压技术被广泛应用于各个工业领域 ， 具有功率 密度大 、 易于实现 自动控制等优点 ， 但同时也存在效率 低 、 噪声大和漏油等缺点n 。 随着世界范 围内工业 技术的迅 速发 展 ， 能源 紧缺 和环境污染都愈来愈严峻， 加之机电传动等其它技术的 竞争， 严重影响了液压技术的更广泛应用。如今厂商在 选购液压元件时 ， 除了要考虑性能和可靠性以外 ， 液压 系统效率已成为一个重要指标， 未来的液压产品必须满 基金项目 上海市科学技术委员会科研计划项 目 1 1 J C 1 4 1 3 0 0 0 收稿 日期 2 0 1 4 0 3 2 7 作者简介 钱倩 1 9 9 0 一 ， 女， 浙江兰溪人 ， 硕士研究生 ， 从事风机液压系 统特性和控制研究工作。 [ 3 】 苗伟． 智能故障诊断及其在变频器中的应用研究[ D ] ． 洛阳 河南科技大学， 2 0 0 9 ． [ 4 ] 吴胜昔． 基于数据挖掘技术的智能仿真系统的研究与应用 [ D 】 ． 上海 上海交通大学， 2 0 0 4 ． 【 5 】 马长林， 黄先祥， 郝琳． 基于 A M E S i m的电液伺服系统仿真与 优化研究[ J ] ． 液压气动与密封， 2 0 0 6 ， 1 3 2 3 4 ． [ 6 ] 张康智． 液压仿真软件 的应用及其发展【 J ] _ 科学之友， 2 0 0 8 ， 足高效、 低噪和污染少等特点才能适应可持续发展及节 能和环保 的需要口 1 。因此必须不断提高系统效率 ， 改进 液压技术的缺点 ， 改善液压传动与控制的性能， 探索和 研究液压系统的节能技术无论是对提高企业 的经济效 益还是对保护气候环境都具有极为积极的意义。 油源的选择很大程度上影响了液压系统的传动效 率。定量泵油源和变量泵油源 以下简称V D油源 较 为传统和常见， 定量泵结构简单 ， 响应时间快 ， 但输出功率不可 调， 效率较低 ； 变量泵结构较为复杂， 噪声相对更大， 对 油液清洁程度要求较高 ， 输出效率也更 高。随着科技 的发展 ， 为了适应输出、 提高效率 ， 变频调速油源 以下 简称 I N V油源 和启停式油源 以下简称 A C C油源 也 相继 出现 。不 同油源组成 的液压系统工作方式不 同 ， 9 1 2 3 1 2 4． 【 7 】 陈小 国． 混合动力车辆多领域统一建模与仿真[ D ] ． 武汉 华 中科技大学， 2 0 0 7 ． 【 8 】 徐鑫． 双喷嘴挡板电液伺服阀建模与仿真研究[ J ] ． 机械设计 与制造， 2 0 0 8 ， 4 5 9 6 1 ． [ 9 ] 曾良才， 孙国正． 基于特性曲线的电液伺服阀神经网络故障 模式识别U ] ． 中国机械工程， 2 0 0 2 ， 1 0 8 3 5 8 3 7 ． 21 液 压 气 动 与 密 ． d - ／2o 1 4年 第 1 0期 适用场合不同， 效率也有显著差异。 本文将对 V D油源、 I N V油源和 A C C油源组成的液 压系统的传动效率作粗略的研究。本文中， 传动效率 被定义为液压泵效率、 液压马达效率和液压回路效率 的乘 积 ， 即液压 马达 输 出效率 和液压 泵输 入效 率 的 比值 。 1 三种油源的组成及工作方式 V D油源 、 I N V油源和 A C C油源组成 的液压系统如 图 1 所示。 V D油源组成 的液压 系统 由 3 一 变量泵 、 驱动原 动 机、 溢流阀和油箱组成。变量泵油源工作 时， 能根据负 载的大小 ， 调整输 出流量 ， 实现压力或者流量或者功率 相匹配 ， 减少能量 的损耗。 2 2 3 变 图 1 三种液压 系统 的组成 I N V油源组成 的液压系统 由 卜变频模 块 、 2 一 定量 泵 、 驱动原动机 、 溢流 阀和油箱组成 。变频机构可根据 负载所需功率设置变频器的频率 ， 进而改变 电动机 的 运动速度 ， 控制定量泵 的转速 ， 调节油源的输出功率 ， 使负载所需功率和油源的输出功率尽量匹配n 。 A C C油源组成 的液压 系统 由2 一 定量泵 、 驱动原动 机、 4 一 蓄能器、 溢流阀和油箱组成。该油源工作时， 定 量泵一直以额定流量输出， 供给负载， 多余的流量储存 在蓄能器 中。储存 到一定程度 ， 当液压 回路 的压力上 升到设定最高值时 ， 定量泵停止工作 ， 停止过程中蓄能 器为负载提供能量， 压力下降到设定最低值时， 定量泵 再启动 ， 重复以上过程 。 2 效率计算 本文设定 以下条件 ， 对三种油源所在 的液压传动 进行效率计算Ill 。 设定条件 设液压马达的机械效率 0 ．9 5 ， 液压马达的容积 效率叼 O ． 9 5 ， 变量泵的机械效率町 0 ． 9 3 ， 变量泵的容 积效率叼 N 0 ．9 3 ， 定量泵的机械效率 0 ．9 5 ， 容积效 率 ， - 0 ． 9 5 ， 变频器的效率为叼 0 ． 9 8 。 液压马达驱动恒功率负载转动 ， 工作负载 的工作 状态分别是 负载转速为 ‰ i 1 2 0 0 r ／ m i n ， 转 矩为 8 0 0 N i n 。管路直径为 3 2 ra m。 2 ． 1 V D油源液压 系统的效率计算 表 1 给出了变量泵液压 系统 中变量泵和定量 马达 的型号和参数。 表1 变量泵和定量马达的型号、 参数 液压系统 的工作压力 p 3 1 ． 5 MP a ， 低压 回路即马达 出 口压力 p l 1 ． 5 MP a ， 该 压力 由低压 回路溢 流 阀设定 。 则马达进 出口压差为 △ p _p _ p 3 0 M P a 马达排量为 2r r Tm ． 1 8 0 mL ／ r y F 一● 一一 _ 一 一 I I l l △ p 叼 E M 3 01 0 。 0 ． 9 5 为使马达的转速为 n 1 2 0 0 r ／ m i n， 则定量马达 的输人流量应为 q E - 1 2 0 0 x 8 0 0 x 1 0 - 3 22 7L ／ mi n 卵 0． 9 5 ⋯ “ 为简化计算过程 ， 本文设定变量泵所需的输 出流 量 g p 等于马达 的输人 流量 。变 量泵 的最 大排量 为 2 5 0 m L ／ r ， 所以当马达的转速为 n 1 2 0 0 r ／ m i n， 变量泵 所需输入的最小转速为 np m in V L 9 7 6 r ／ mi n 一 pmax T p V一 亏 石 一 u “ 儿 儿 马达进出 口压差为 4MPa 管路直径为 3 2 ra m， 依照经验 ， 本 文设 定油路上管 路总压力损失约为 P 0 ．0 5 M P a， 则液压泵的出口压 力为 P p p a p 3 0 ． 9 5 MP a 液压泵的输入功率为 Pp qp 0舞9 3 0 9 3 _ 1 3 4 -1 k w 叼 PM 叼 Pv ． ． ⋯ ⋯ ⋯ 定量马达的输 出功率 P 7 一． o u , 一 2 “t r nT 一2“ r r x 1 2 0 0一 x 8 0 1 0 0’ 5k WP VD油源系统液压传动的效率为 一 ] 一 十 山 一 露 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 1 0 ． 2 01 4 叼 1 0 0％ 7 4． 9％ ‘ pi l j 斗 l 由于变量泵通过直接改变排量进行调 速 ， 没有节 流和溢流损失 ， 主油路上采用 阀类元件少或无阀件 ， 管 路损失和阀类损失少， 系统效率很高， 由上述计算结果 可知 ， 若忽略管路、 缸体的油液泄漏并且认为响应极其 快速， 系统的理论效率高达7 0 ％以上。 2 ．2 I N V油源液压系统的效率计算 表 2给 出 了 I N V油源 液压 系 统各 结构 的具 体参 数 。变量泵液压系统调整排量 ， 变频器液 压系统则调 整电机转速， 本质都是对负载的适应。计算过程与V D 油源液压传动效率的计算类似 。 表2定量泵和定量马达的型号、 参数 p Pp q p X “／ 7 1 ---- 糍 ％ 1 27． 1 k W Po u , - 2 r r nT 2 “ t r1 2 0 0 x8 0 1 0 0 ．5 kW 6 0 6 O ⋯‘ 变频驱动液压系统的液压传动效率为 J，7 鲁 1 0 0 ％ - 7 9 注 。 为变频器效率。 2 ． 3 ACC油源 液 压 系统 的效 率计 算 A C C 油源液压系统各结构具体参数如表3 所示。 表3 定量泵、 定量马达和蓄能器的型号、 参数 本文设定液压最大值是系统正常工作压力的1 ． 1 倍 ， 最小值是系统正常工作压力的0 ．9 倍 ， 故压力最低 值 P 。 3 1 ． 5 x 0 ．9 2 8 ．3 5 M P a； 压力最高值 P 3 1 ．5 X 1 ． 1 3 4． 6 5MPa。 为实现对蓄能器充放液时间的精确计算， 本文从 液压油的受力、 气囊 内气体绝热过程和流量三个方面 搭建 了模 型 p l 。图 2 为气囊式蓄能器结构 和充放 液 过程油液流经方向示意图。 p A d 2 x a 1 2 3 4 其 中 ， 式 3 和 4 分别是充放液 时液压腔的流量 平衡方程 。 m。 为示蓄能器内油液的流动质量 ， 。 为气 强囊内液体的流动距离 可正可负 。 由 于 署 ， m p x A ， 1 式 可 进 一 步 简 化 成 q 5 表4 对蓄能器模型搭建过程设计参数的物理含义 及数值作了说明。表4 中， 蓄能器内油液流动距离以蓄 能器长度近似。 表4 蓄能器参数表 本文根据上述 方程和参数在 MA T L A B中搭建 了蓄 2 3 液 压 气 动 与 密 J d ／20 1 4 J l - J I1 0期 能器充放液模型 ， 系统压力随时间变化情况如 图3 、 图 4 所示 。 爱 蓥 燃 图 3 蓄 能器 充放液过程仿真 图 4 中 ， 充放液时间 比约为4 ． 5 1 ， 即定量泵 每工作 4 ．5 s ， 液压压力便达到峰值； 定量泵停止工作， 蓄能器储 存的能量可继续支持负载工作 1 s 。如图 3 所示 ， 系统输 出压力在设定 的阈值 区间 内波动 ， 均认为可满足负载 的要求 。 崮 矮 4 0 38 36 3 4 3 2 3 0 2 8 p Pp qp 图4 放大 图 一 3 O ． 9 5 1 0 2 2 7x 1 0一 ／ 6 0 一 一 1 3 4． 1 kW P 一． 一 ou t 2 6 r r O nT 2 r r 1 2 6 0 O 0 x 8 0 0 1 0 0 ‘5 k W I N V油源系统的液压传动效率 叼 x l 0 0 T ％ 96 ． 1 ％ 。 p ． n 1 1 3 4 ． 1 4 ． 5 一 ～ ⋯ 式中 蓄能器充液时间； 蓄能器放液时间。 3 系统粗略调研 造价和性 能是实际工程 中最常考 虑的问题 ， 本文 结合前两章的理论效率计算 ， 对这三个液压系统进行 比较， 结果如表 5 所示I 。 表 5 三液压系统综合比较 4结 论 本文在理论计算液压传动效率时， 考虑了重要部 件如定量泵、 定量马达的效率 ， 对管道的压力损失亦做 了简化处理 ， 未考虑管道阻力和可能存在的泄露 ， 相对 实际系统， 液压传动效率偏高。 从本文的计算结果来看， 三种油源的系统液压传 动效率差异较大。A C C 油源液压系统的效率最高， I N V 油源液 压系统次 之 ， V D油源液 压系统效 率最低 。其 中， I N V油源和 V D油源液 压系统传动效率差异较小 ， 远低于 A C C油源。 V D油源 液压 系统 ， 变量泵 价格 较贵且 对油 污敏 感 ， 发热厉 害， 对环境要求较高 ； I N V油源液压系统相 比 V D油源 系统 ， 没有变量泵 的机构装置 ， 对油液污染精 度等级的要求低， 传动效率有所提高 ， 但由于变频器的 引入 ， 造价较高； A C C 油源系统 ， 液压传动效率最高， 造 价较低 ， 但为利用蓄能器蓄积的能量 ， 定量泵需要频繁 启停 ， 这会对变量泵和驱动 电机造成损伤 ， 缩短部件的 使用寿命 。 三种油源液压 系统有各 自的优缺点和适 应性 。提 高液压传动效率至关重要 ， 实际工程 中也需要全面权 衡 响应时间 、 精度 、 效率和造价各方面因素。 参 考 文 献 【 1 ] 韩长仪． 液压系统节能方法基础研究【 D 】 ． 沈阳 东北大学， 2 0 1 0 ． [ 2 】 杉村健， 大田真平， 铃木胜正， 等． 基于使用蓄能器的怠机停 止方式的液压油源的节能[ J ] ． 液压与气动， 2 0 1 3 ， 9 1 0 1 4 ． [ 3 ] 朱晓霞． 基于阀控入 口特性的蓄能器理论与实验研究【 D 】 ． 秦 皇岛 燕山大学， 2 0 0 8 ． 【 4 ] 叶季． 气囊式蓄能器 的充气压力【 J 】 _ 液压与气 动， 1 9 7 7 ， 4 47 -48 ． [ 5 ] 姚凯， 邢科礼， 金健． 液压蓄能器效率特性研究及试验 液 压与气动， 2 0 1 3 ， 7 8 5 8 8 ． 【 6 】 冼灿标， 孙友松， 黎勉， 等． 泵控伺服液压驱动系统动态性能 分析及试验研究 液压与气动， 2 0 1 1 ， 1 2 1 l 一 1 5 ． [ 7 ] 黄明慎． 液压传动系统的效率[ J 】 ． 船工科技， 1 9 8 0 ， 2 卜1 0 ． 【 8 ] 权凌霄． 基于管路效应的皮囊式蓄能器数学模型与实验研 究【 D ] ． 秦皇岛 燕山大学， 2 0 0 5 ． [ 9 】 高佩川， 孙孟辉， 李建启． 蓄能器在液压挖掘机能量回收中 的仿真研究【 J J ． 流体传动与控制， 2 0 1 2 ， 2 l 8 2 0 2 4 ． 【 1 0 】韩虎， 刘印锋， 孙成通， 等． 基于MA T L A B液压系统的仿真技 术研究与应用『 J 1 _ 液压气动与密封， 2 0 0 7 ， 3 4 6 ． 【 1 1 】常钰， 冯永保． 电液比例阀控缸速度控制系统的建模与仿真 【 J ] ． 液压气动与密封， 2 0 1 1 ， 8 2 3 2 7 ． 【 1 2 】杨钢， 仇艳凯， 李宝仁， 等． 考虑进 口特性的蓄能器吸收压力 脉动动态特性研究[ J 1 ． 液压与气动， 2 0 1 2 ， 4 1 3 1 7 ．