大功率液压系统油源的节能设计与蓄能器的应用.pdf

液 压 气 动 与 密 封 ／2 01 5年 第 04期 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ． i s s n ． 1 0 0 8 - 0 8 1 3 ． 2 0 1 5 ． 0 4 ． 0 1 9 大功率液压系统油源的节能设计与蓄能器的应用 王晓华 北京机械工业 自动化研究所 ， 北京 1 0 0 1 2 0 摘要 节能设计是 目前大功率液压系统油源设计的重点。该文介绍了一套高压 、 大流量液压系统油源将装机功率由1 l O O k W降低到 4 4 0 k W的节能设计， 该油源由4台1 6 0 mL ／ r 泵机组和3 6 个 I O O L蓄能器组成 ， 包含有比例溢流阀的调压回路、 恒压变量泵的调压回路和 溢流阀的卸压回路 ， 完成了全流量工作时蓄能器群组的快速大流量补油和待机时的小功率保压 ， 实现了液压系统的节能 目的。在此 基础上， 介绍了蓄能器的参数设计， 分析了液压系统启、 停时大规模蓄能器群组对系统压力的影响。 关键词 节能设计； 大功率液压系统 ； 蓄能器群组 ； 参数设计 ； 系统压力 中图分类号 T H1 3 7 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 5 0 4 0 0 6 2 04 Sa v i n g En e r g y De s i g n o n Hy d r a ul i c Po we r Uni t o f Hi 一 p o we r Hy dra ul i c S ys t e m a n d Ap p l i c a t i o n o f Ac c u mu l a t o r W ANGXi a o ． h u a B e i j i n g R e s e a r c h I n s t i t u t e o f A u t o ma t i o n f o r Ma c h i n e r y I n d u s t r y , B e i j i n g 1 0 0 1 2 0 ， C h i n a Ab s t r a c t At p r e s e n t ， t h e d e s i g n a p p l i e d i n s a v i n g e n e r g y i s i mp o r t a n t i n h y d r a u l i c p o we r u n i t o f h i g h - p o we r h y dr a u l i c s y s t e m ． T h i s p a p e r r e - v i e ws a s a v i n g e n g r gy d e s i gn a p p l i e d i n a h i g h - p o we r h y dra u l i c s y s t e m． Th e s y s t e m i n p u t p o we r d e b a s e d f r o m 1 1 0 k W t o 4 4 0 k W． Th e u n i t ma k e u p o f 4 p u mp s a n d 3 6 a c c um u l a t o r s ， i n c l u d i n g a d j u s t a b l e p r e s s u r e c i r c u i t and uni n s t a l l c i r c u i t ． I n f u l l f l o w r a t e w o r k i n g t i me ， a l l a c c u mu l a t o r s c a n q u i c k l y c o mp e r s a t e l a c k i n g l i q u i d ． I n wa i t i n g t i me ， t h e s y s t e m i n p u t p o we r i s v e r y s m a l l，b u t t h e p r e s s ur e i s s a me ． On t h i s b i s i s ， th e p a p e r r e v i e ws the d e s i gn p a r a me t e r s o f a c c um u l a t o r , an d the a n a l y s i s o f s y s t e m p r e s s u r e wh e n h y dra u l i c s y s t e m wi th l arg e - s c a l e a c c u mu l a -- t o r s s t a r t a n d s t o p ． Ke y wo r d s s a v i n g e n e r g y d e s i gn ； h i g h p o we r h y dr a u l i c s y s t e m； l arg e - s c a l e a c c u m u l a t o r s ； d e s i gn p a r am e t e r ； s y s t e m p r e s s u r e O 引言 随着工业化进程 的加速 ， 能源危机 日益严重 ， 节能 成为人们 的常态意识 。在液压工程技术领域 中 ， 节能 就是要用最小的输入能量确保一定的输出。而在液压 系统中， 还存在着无功能耗都转变为热能的问题， 无功 能耗使得系统温度升高 ， 液压传动所必需的工作介质 与温度有密切的关系， 高温将产生加速液体介质老化、 诱发各种故障、 影响元件使用寿命、 降低系统工作可靠 性以及增加为降温使用冷却的附加能耗等连锁影响。 因此， 以减少无功能耗， 提高能源利用率为目的的节能 设计 ， 成为 当今液压系统设计 中重点关注的课题之 一 。油源作 为液压 系统 的动力部分 ， 在 大功率输 出液 压系统设计中， 其节能设计成为重点。 本文所介绍的油源是为一套大功率液压伺服振动 系统配套设计的。文中通过对液压伺服振动系统与油 源相关的技术参数的计算和分析， 提出了油源进行节 能设计的必要性； 通过对液压伺服振动系统工作特点 收稿 日期 2 0 1 4 0 9 1 2 作者简介 王晓华 1 9 7 6 一 ， 女， 内蒙古凉城人 ， 高工， 学士， 主要从事液 压系统和液压振动伺服系统的研究和设计。 6 2 的分 析 ， 进行 了油源节能设计的技术分析和计算 ， 计算 中重点进行 了蓄能器 的参数计算 ， 并分析 了大规模蓄 能器群组在液压系统启 、 停时对系统压力 的影 响。 1 液压伺服振动系统 的介绍 该液压伺服振 动系统为试验 室装置 ， 用于试件 的 振动试验 ， 每次试验任务 ， 需多次间隔振动完成多套试 件 的振动试验 ， 整个试验周期包括试件振动 的工作周 期和试件更换的待机周期， 为保证试件的控制精度， 要 求待机周期油源不停机 ， 液压系统处于保压状态。液 压系统的设计 ， 尤其是配套油源的设计 ， 除满足技术参 数要求外 ， 试验室 的场地和用 电限制也需要同时考虑。 1 ． 1与油源相关的技术参数 1 最大激振力 6 6 5 k N ； 2 最大位移 1 0 m m； 3 最大速度 1 ． 4 1 r n ／ s ； 4 最大加速度 6 6 5 m ／ s ； 5 振子部分质量 1 0 0 0 k g ； 6 振动频率范围 1 0 ～1 2 5 H z ； 7 振动波形 正弦波 ； 8 最大负载时 ， 振动持续时间 2 0 s ； Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 0 4 ． 2 0 1 5 9 油源供油压力 不小于2 1 M P a ； 1 0 用电限制， 设备功率不大于5 0 0 k W。 1 1 为最大功能曲线。 1 ． 2 与油源相关的计算和分析 由图1 ， 在工作频率7 5 H z 这一点， 对应着系统输出 最大速度和最大加速度 即最大激振力 ， 故该频率点 为系统的最大输 出功率点 。 l O 2 2 ．4 7 5 1 2 5 f／ Hz 图1最大功能曲线 最大输 出功率 P。 ～ F 一。 6 6 5 k N 1 ． 4 1 m ／ s 9 3 8 k W 1 如果根据系统最大输出功率进行油源输入功率的 匹配设计 ， 初步估算油源的输入功率 D P ； 5 t j ／ 5 1 0 4 2 k W 2 l m ax m n 0 、 。， V ’ 式中总效率 O ．9 按照工程设计经验选取。 油源如果全部采用泵机组供油 ， 按照市场常规电 机进行装机配置， 则需要 1 0 台额定功率为 1 1 0 k W的电 机， 油源总装机功率达到1 1 0 0 k W 。 上述计算系统需要的最大输入功率仅瞬时出现在 固定频率点的振动波峰处， 而该系统实际工作周期中， 根据试验要求在 1 O 一1 2 5 H z 范围内选择工作频率点， 按照正弦波定频振动 ， 每个振动周期内， 系统需要的流 量也是按照正弦规律变化的， 即 s i n 2 “rrfi ； 待机 周期 ， 液压系统保压 ， 无振动输出， 油源仅需要很小的 输出流量补偿系统泄漏 ， 整个系统需要的输出功率是 很小的。如果油源根据最大输入功率进行常规设计 ， 将存在非常大的能量损耗。 该液压系统， 不同工况输出功率存在较大的差异， 对油源进行节能设计 ， 提高能源利用率 ， 是非常必 要的。 2 油源节能设计的技术分析和计算 该液压系统工作时为非连续振动 ， 使得油源具有 启动后工作周期的大流量输出和待机周期的小流量输 出的特点。通过对液压系统的分析和计算 ， 以及技术 参数中的用电限制， 油源的节能设计从两方面进行， 一 是充分利用蓄能器的储能功能， 采用液压泵主供油、 蓄 能器短时辅助供油的方式 ， 通过合理配比液压泵和蓄 能器的供油量 ， 减少流量过剩。二是通过设计多种功 能液压回路 ， 实现两种工况大小流量的切换和系统保 压 ， 尽量减少无用功耗 。 2 ． 1液压原理图 油源液压系统如图2 所示 ， 由定量泵、 恒压变量泵、 卸荷溢流阀、 比例溢流阀和蓄能器等组成。工作周期， 液压伺服振动系统需要大流量输入时， 恒压变量泵处 于最大排量摆角位置， 定量输出， 与定量泵和蓄能器联 合供油， 卸荷溢流阀作为安全阀， 系统压力由比例溢流 阀设定； 待机周期 ， 油源仅需要输出很小的流量补偿系 统泄漏 ， 卸荷溢流 阀电磁 阀开通 ， 定量泵卸荷 ， 恒压变 量泵变量输出， 比例溢流阀作为安全阀， 系统压力由恒 压变量泵设定。 1 一 电机2 一 定量泵3 一 卸荷溢 流阀4 一 恒压变量泵 5 一 闸阀6 一 蓄能器7 一 比例溢流阀 图2油源液压原理图 2 ．2液压泵和蓄能器的供油量配比计算 油源节能设计充分利用蓄能器的储能功能， 采用 泵和蓄能器联合供油的方式。工作周期前 ， 液压泵启 动， 系统压力由零压升到设定的最高工作压力， 期间蓄 能器进行储能； 在工作周期内， 液压泵连续供油， 当泵 输出流量不够时， 系统压力开始下降， 蓄能器储存的油 液快速释放补充系统需要的流量。泵组的规格、 数量， 决定了系统装机功率的大小。泵组确定后 ， 按照系统 最大需要的输出流量， 来配置蓄能器， 考虑系统工作频 率较高和蓄能器的频响情况， 保守设计， 工作周期蓄能 器不充油， 蓄能器工作周期前的储油量要能维持一个 工作周期的补油量。 根据蓄能器的工作原理， 设计液压系统最低工作 63 液 压 气 动 与 密 封 ／20 1 5年 第 0 4期 压力 P 2 3 M P a， 最高工作压力 P 2 7 M P a， 按照系统 持续振动 2 0 s 为一个工作周期 。 根据液压系统技术参数， 按照设计的最低工作压 力 P ， 2 3 MP a， 液 压 系统需 要 的最 大流 量 Q 2 7 0 0 L ／ mi no 由于用 电限制 ， 设备功率不大 于 5 0 0 k W。按照 电 机一 液压泵功率输入输 出比最大化和市场常规 电机 、 液 压泵的规格， 设计4 套泵组并联工作 ， 每套分别由最大 排量 1 6 0 m L ／ r 的液压泵和额定功率 1 l O k W的电机组成， 泵 组 最 大 供 油 量 Q 8 8 0 L ／ m i n， 最 大 装 机 功 率 4 4 0 k W。采用多组泵组并联 ， 可以根据系统流量需求 灵活启动相应数量的泵站数量。 按照系统最大需要流量和泵最大供油量的情况 ， 进行蓄能器补油量的计算 。系统正弦振 动泵和蓄能器 流量 配 比计算如 图3 所示 。图中 Q 为泵供油 ， Q 为 系 统最大流量要求， 阴影部分的面积由蓄能器供油。保 守设计， 在泵供应区内不再向蓄能器充油， 阴影部分的 面积为 s Q Q J s i n b ． d 一 Q 一 咖 t ， 。 、 一 Q ， c o s 咖 一C O S 咖 1 一 Q 一 。 Q QT QP { ／ 1 I＼ 一 0 1 图3 正弦半波图 角度 咖 。 和咖 可由下式求得 a r c s 1‘ n 4 取等效平均流量为Q Q 5 因而需要蓄能器供应的阴影部分油量为 AV Q T 6 式中T 为正弦振动的延续时间， 以此求出蓄能器 中需要释放出的油液体积。 根据上述设计 ， Q 2 7 0 0 L ／ m in， Q 8 8 0 L ／ m i n， 2 0 s， 由式 3 一 6 计算得 ， 蓄能器的最大补油 量 A V 3 1 0 L。 根据蓄能器的最大补油量计算所需蓄能器的容 量 ， 并选择蓄能器。 蓄能器 瞬时补油速度很快 ， 为绝热过程 ， 蓄能器 的 南 。 l鲁 。 。 --I 、 p o1 5 2 1 等 1 9 M P a Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ．0 4 ． 2 0 1 5 为安全 阀， 系统压力由恒压变量泵设定 ， 此时系统流量 由变量泵根据系统需求变量提供 ， 实现了待机时的小 流量保压 ， 减少 了无用功耗 。 3 液压 系统启 、 停 时 ， 大规模 蓄能器群 组对系统压力的影响 液压系统启、 停时， 也是系统建立压力和卸荷压力 的过程 ， 期间同时进行着蓄能器的储能和释放的过 程。该油源包含有 3 6 个 1 0 0 L 的蓄能器 ， 蓄能器总量 3 6 0 0 L 。所选用的蓄能器是皮囊式 ， 蓄能器的工作是靠 皮囊 内气体 的压缩实现的。 液压 系统启 动 ， 当泵 站输 出油液建立起来 的系统 压力高于蓄能器充气压力时， 蓄能器气囊被压缩， 压力 油储存人蓄能器， 由于气体的可压缩性远大于液体 ， 达 到设定的系统压力时间要大于无蓄能器的场合。所以 在系统工作周期前应考虑系统建立压力的时间， 提前 启动泵机组 。 液压系统停机时， 蓄能器内储存的高压油经 由压 力管路 、 比例溢流阀卸荷 ， 随着压力下降， 蓄能器内的 气体快速膨胀， 大量液压油流经卸荷回路 ， 如果压力快 速下降， 会对通路造成很大的冲击。因此在 比例溢流 阀中设计卸荷节流， 使系统压力平稳缓慢下降， 直到压 力 降低 到蓄能器 的充气压力 ， 蓄能器 内的储油 全部释 放 ， 压力才快速降到最低。 4 总结 蓄能器补油、 恒压变量泵油源、 卸荷回路等是液压 系统节能设计 中常用的成熟技术。本油源的设计 ， 依据 该液压系统使用工况， 将这几种看似普通的技术综合应 用 ， 合理利用了各个节能技术的优势， 实现了液压系统工 作周期的高压、 大流量、 大功率输出， 待机周期的保压、 小 功率输出， 将最大装机功率由1 l O O k W降到4 4 0 k W。 随着科技的进步 ， 探索研究新型的节能技术可更 高效的利用能源， 但务实、 灵活、 合理的综合使用成熟的 节能技术 ， 在工程设计领域也不失为节能技术 的突破。 参考文献 【 1 】 雷天觉． 液压 工程 手册 【 M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 1 9 9 0 1 8 3 9 -1 8 5 4 ． [ 2 】 黄浩华． 地震模拟振动台的设计与应用技术[ M】 ． 北京 地震 出版社，2 0 0 8 1 7 8 1 8 1 ． 【 3 】 李寿刚． 液压传动【 M] ． 北京 北京理工大学出版社． 1 9 9 4 ． [ 4 ] 徐灏， 等． 机械设计手册 第 5 卷 【 M 】 ． 北京 机械工业出版社， 1 9 91 ． 【 5 】 杨尔庄． 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