液压系统实现功率匹配节约能源的途径.pdf

Hv d r a ul i c s Pn e uma t i c s Se a l s ／ No ． 6 ． 2 Ol1 液压系统实现功率匹配节约能源的途径 赵 江平 中山火炬 职业 技术 学 院 ， 广东 中山5 2 8 4 3 6 摘要 液压传动技术 已成 为工业机械 、 工程建筑机械及国防尖端产品不 可缺少 的重要技术。但 由于液压传动 系统往往既存在压力损 失 ， 又存在流量损失 ， 因此功率损失大 、 效率低 ， 浪费大量能源。 基于对 液压 系统效率和能耗的分析 ， 提出了液压 系统实现功率 匹配节约 能源的几种途径 。 关键词 压力损失； 功率匹配 ； 节能 中图分类号 T H1 3 7 ． 5 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 1 0 6 0 0 6 5 0 4 M e t ho d s f o r H y d r a u l i c Driv e S y s t e m t o Ac h i e v e Po we r M a t c h a n d En e r g y Co ns e r v a t i on Z HA0 J i a n g - p i n g Z h o n g s h a n T o r c h P o l y t e c h n i c ， Z h o n g s h a n 5 2 8 4 3 6 ， C h i n a Abs t r ac t Hy d r a u l i c d riv e t e c h ni qu e ha s be c o me a n i nd i s p en s i b l e a n d s i gn i fic a nt t e c h n i q ue f o r i n du s t r i a l ma c hi n e r y ． en g i ne e r i n g ＆ c o n s t r u c t i o n ma c h i n e ry ， a n d h i g h l y s o p h i s t i c a t e d p r o d u c t s o f n a t i o n a l d e f e n s e ． Ho we v e r ， h y d r a u l i c d ri v e s y s t e m h a s b o t h p r e s s u r e l o s s a n d fl o w l o s s ， S O i t c a u s e s l a r g e p o we r l o s s ， l o w e ffi c i e n c y a n d a g r e a t d e a l o f e n e r g y w a s t e ． B a s e d o n t h e a n a l y s i s o f e ffic i e n c y a n d e n e r gy c o n s u mp t i o n o f h y d r a u l i c d ri v e s y s t e m， t h i s p a p e r p r o p o s e s s e v e r a l me t h o d s for h y d r a u l i c d ri v e s y s t e m t o a c h i e v e p o we r ma t c h a n d e n e r g y c o n s e r v a t i o n． Ke y W or ds p r e s s u r e l os s； p o we r ma t c h； e n e r g y c o ns e r v a t i o n 0 引言 液压 传 动技 术 具有 功率 质 量 比大 、 响应 速度 快 、 能 够 自润滑 以及易于与数字化信息网络相连接等特点 ， 被广 泛 应用 于工 业 生产 、航 空航 天 以及 日常生 活 等领 收稿 日期2 0 1 1 - O l ～ 2 5 作者简介 赵江平 1 9 6 5 一 ， 女 ， 山西太原人 ， 中山火炬职业技 术学院装备 制造系副教授 ， 硕士 ． 研究方向 机械工程及 自动化。 - } 一 一 一 一一 _ 卜 一 - - - 一 足式 1 、 式 3 和式 4 的关 系 。 2 液力 机械 传 动装 置 运行 时 ． 风 机 叶轮 输 入 到行 星架上 的转速 、 扭矩随机变化 ， 借助调节可调变矩器转 动导 叶 的开度 ． 使 齿 圈 的作 用扭 矩转 速 相 应变 化 ， 从 而 保 证太 阳轮转 速 、 即联接 发 电机 的输 出轴转 速不 变 。 3 液力机械传动装置工作时 ， 行星架有一临界转 速 n ．1 ， 齿 圈静 止 不动 ； n i n j ， 变 矩 器工作 在 涡轮 反转 工 况 ，设 计 时 风机 叶轮 转 速增速 后 ， 行 星架 转速 最好 应 低 于 r t j 。 ， 液力 机 械传 动 装 置有较高的效率。 4 本文推导出液力机械传动装置各部件的转速 、 扭矩 、 功率关系式 以及效率公式 ， 可为优选风机 叶轮对 行 星架 的增 速 比、 行 星传 动 特性 参 数 、 内啮合 齿 轮减 域 ， 成为 当代最重要 的工程技术之一 ， 多用于大功率的 场合 。液压技术在将机械能转换成压力能及反转换方 面 ， 已取 得 很 大进 展 ， 但 一直 存 在 能 量损 耗 ． 主 要 反 映 在系统的容积损失和机械损失上 ， 因此功率损失大、 效 率低 ， 浪费大量能源。同时液压传动系统还存在着易发 生泄漏 、 工作介质易燃 、 产生噪声等缺点 ． 这些因素都 使得液压传动技术的节能环保性变差。液压系统节能 的 目的就是提高能量的利用率 ， 减少能量的浪费 ， 尽量 - 一 一- - - 一 一 - - - -- 速 比特 性 参数 19 ／ ， 以及 可调 变 矩器 的选 型 ， 提供 一 定 的 理 论分 析基 础 。 参 考 文 献 【 1 ] 陶曾鲁 ， 何芳． 对 “ 大功率风电机组传动系统液力变矩器的设 计研究” 一文的商榷[ J ] ． 液压气动与密封 ， 2 0 1 0 1 0 ． [ 2 】 王正宾． 液力传动【 M】 ． 北京 中国铁道出版社 ， 1 9 8 6 ． [ 3 】 机 械 工 程 手 册 编委 会 ． 机 械工 程 手 册 补 充 本 二 【 M】 ． 北 京 机 械 工业 出版 社 ． 1 9 8 8 ． 『 4 1 饶鸿才 ， 陶曾鲁 ， 蔡 建勇．4 m 抓斗挖泥机用可调式液力变矩 器【 J J ． 起重运输机械 ， 1 9 9 3 4 ． 【 5 】 陶曾鲁 ， 徐成云 ， 饶鸿才． 大能容高宽效可调变矩器设计试验 研究『 J 1 ． 工程机械， 1 9 9 4 1 O ． [ 6 】 朱 经 昌． 液力 变矩器 的设 计与计算 f M 】 ． 北京 国防工业 出版 社 ， 1 9 91 1 O ． 65 液 压 气 动 与 ／ 2 0 1 1年 第 6期 用最少的能量输入保证所需要的能量输出。 1 液压系统的总能量损失 的分类 按 产 生的原 因不 同 ．液 压 系统 的总能 量损 失分 为 以下三类 1 能量 转换损 失 。液压 系统 中能量转换 元件在 对 能量转换时产生的损失称为能量转换损失 ，包括容积 损失 、 摩擦损失。例如液压泵把原动机输 出的机械能转 换为液体压力能 ， 造成容积损失的原 因 液压泵内部的 内泄漏， 即液体在高压下 由高压腔漏进低压腔 ； 油液在 负压条件下的气穴和在高压条件下的体积压缩；在吸 油 过程 中由于 吸油 阻力太 大 、油 液粘 度大 及液 压泵 转 速过高等原因而导致油液不能全部充满密封式作腔 。 造成机械损失的原因是 由于液压泵体内相对运动部件 之间因机械摩擦而引起 的摩擦转矩损失 ，以及由于液 体的粘性而引起的内摩擦损失。能量转换损失与能量 转换元件类型、 运行工况以及磨损情况等因素有关 。 2 能量传输损失。液压工作介质在整个液压系统 中传输时所产生的能量损失为能量传输损失。液压系 统中管路通常由若干段管道串联而成 ．其 中每一段又 串联一些诸如弯头、 控制阀、 管接头等形成局部阻力的 装置，故能量传输损失取决于元件的类型 、结构与布 局 ， 各元件之间管路 的连接方式 ， 以及接头 、 管道的形 式 、 数 量 、 尺 寸等。 3 能 量 匹配损失 。液压 动力 源供给 系统 的能 量往 往 不 能恰 好 和 该液 压 系 统 负载 所需 要 的能 量 相 适应 ． 这就会带来能量供过于求的匹配损失。它取决于整个 液压系统的设计及动力源的选型等因素。例如， 图 1 所 示的进 口节流调速 回路 。若忽略管路的压力损失和元 件的内部泄漏损失 ， 该液压 回路的能量损失包括 一是 节流损失 A p A p q I ， 它是 流量 q 。 在压 差 △ p下流经 节流 阀产生的功率损失 ， 这一损失是传输损失 ， 其值与执行 元件速度成正比； 二是溢流损失 △ p L A q ， 它是在泵的 输出压力P 下， 流量 △ q 流经溢流阀产生的功率损失， 这一损失可认为是 匹配损失。这两部分损失都会转换 成热量使油温升高。该系统液压效率等于液压系统执 行元件 负载 压力 P 和 负载 流量 q 的乘 积 ， 与液压 泵输 出压力 P和输 出流量 口的乘 积 的积分 比。 f p q l d 液压效率 田 』 p q d t r f 能 耗 率L 』 二 』 。 f p g d t 66 液压系统的节能技术就是要使液压系统的压力损 失和流量损失 的值尽可能地小 。从而提高系统的工作 效率。 图 1进 口节 流 调 逯 回 路原 理 图和 功 翠分 配 图 2 液压系统有效利用能源可以采取 以下 措施 1 提高液压元件本身 的效率和减少控制该元件 的 能量损 耗 。主要 可 通过 提 高元件 质量 和 开发新 型 节 能元 件来 实 现。例 如通 过优 化 驱动 电磁 换 向阀 的 电磁 铁来降低电器控制元件的耗 电量 ，通过优化设计各种 液压阀阀 口的流道来降低油液流经阀 口的压力损失 。 以及通过合理的设计配合间隙来减小泄漏量等方法来 实 现节能 。 2 改善 液压泵 和原 动机 的匹配关 系 。主要通 过减 少原动机输出轴的摩擦力矩改善二者的功率匹配关系 来实现， 以提高原动机的运转效率。 3 减少传输中的压力损失。 液压系统的压力损失有局部压力损失和沿程压力 损失 。局部压力损失是液体流经阀口、 弯管、 变化的通 流截面时 ， 由于液流方向和速度均发生变化 ， 会形成旋 涡 ， 使液体的质点问相互撞击和摩擦 ． 从而产生较大的 能量损耗 。降低局部压力损失可通过合理地设计液压 元件的结构以及减少弯管接头等的使用量来实现。沿 程压力损失是由液体流动时的摩擦引起的。主要取决 于管路的长度 、 内径 、 液体的流速和黏度等。减少沿程 压 力 损 失 可通 过 使 整 个 液 压 系统 的结 构 设 计 尽 量 紧 凑 ， 以及尽量减少管路的长度等方法来实现。 4 减少液压泵与负载之间的功率过剩。 减少液压泵与负载之间的功率过剩包括减小压力 过剩和流量过剩两部分 。减小压力过剩可通过尽量使 液压泵供油压力与负载力需要相适应来实现。减小流 量过剩也需通过尽量使液压泵供油流量和负载所需要 流量相适 应来 实现 。 5 能量贮存与回收。 一 般动力源输 出的功率常会 出现供过于求 的工况 若能加以有效地贮存和回收 ， 在必要时重新加以利用 。 便可以补充能量损失 ， 提高系统工作效率 。液压系统可 以贮存和回收的负载能量有运动质量 的动能和下落质 量 的势 能两 种 。液 压 蓄能 器是 液 压 系统 最 常用 的贮 存 能量的方式 ，此外二次调节静液传动技术作为一种新 的液 压 系统 能量 回收方 式 ．也 得 到 了越 来越 广 泛 的应 用 。 3 液压系统实现功率匹配节约能源的途径 1 液压泵的输出压力随负载力的变化而调节。 液 压 泵 的输 出压 力 与负 载力 相 适应 的 回路 称 压 力 匹配 回路 ，即液 压泵 的输 出压 力 随负 载力 的 变化 而 调 节的回路 ， 如图 2采用旁油路节流调速 回路 ， 将 流量控 制阀设置在与执行元件并联的支路上 ，用节流阀来调 节流回油箱的油液流量 ．以实现间接控制进入液压缸 的流量 ， 从而达到调速 目的。液压泵所提供的多余流量 不是由溢流 阀溢流 回油箱 ， 而是经过节流阀回油箱 ， 溢 流 阀起 安全 阀作 用 ， 故 液压 泵 的供 油 压 力不 是 恒定 的 ， 它总是随负载变化而变化 。 避免了不必要的压力损失 。 但 该 回路仍 然 存在 经 过节 流 阀 的流 量损 失 ．故 只 能被 称 为压力 匹配 回路 。 图 2秀 油 路 节 沅调 逐 回路 2 液压泵的输出流量随负载流量变化而调节。 液压泵的输出流量与负载所需要流量相适应 的回 路称流量匹配 回路 ， 通常 由变量泵供油 ， 泵 的输出流量 随负载流量变化而调节 。 从而避免 了流量损失。如采用 限压式变量泵和调速 阀组成 的容积节流调速 回路如图 3所示 。 变 量 泵 输 出 的 压 力 油 经 调 速 阀进 入 液 压 缸 工 作 腔 ， 回油则经 背压 阀返 回油箱 。活塞运 动速 度 由调速 阀 中节 流 阀的通 流 截 面面积 来 控 制 。变 量泵 输 出 的流 量 q 和进 入液压 缸 的流量 g l 相适 应 。 当 q p q 。 时 ， 泵 的供 油压力 P 上升 ，使限压式变量泵 的流量 自动减少 到 g g 。 ； 反之 ， 当 q p q 。 时， 泵的供油压力 P 下降， 该泵又 会 自动使 q p q - 。可见调速阀在回路中的作用不仅是使 进入 液压 缸 的 流量保 持恒 定 ，而 且还 使泵 的供油 量 和 供 油 压力 基 本上 保 持不 变 ，从 而 变量 泵 和进 入液 压 缸 的流量 匹配 。 图 3调 运 回路 这种 调 速 回路 的 调速 特性 如 图 4所 示 。液 压缸 的 工作腔压力的正常工作范围是 ● p2 ．／ -I ．一 2 ≤p l ≤ p p 一 △ _p T ‘ ， 1 l 式中 △ p 广保持调速阀正常工作所需的压差 ， 一般 在 0 ． 5 MP a以上 ； p 广液压 缸 回油腔 压力 。 图 4限 缝 式 变 量 泉 和 调 速 阀 的蒯 逯 特 性 当 p 。 。 一 时 ，调速阀进出 口压差 △ p a p ； p l 越 小 ， 节流损失越大 。令 P 0 ， 则这种调速回路的效率为 鬻 争 由上式可知 ， 这种回路用在负载变化大， 且大部分 时间处于低速负载工作的场合显然是不合适的。在实 际使 用 时 除应 调节 变 量泵 的最 大偏 心距 满 足液 压缸 快 速运 动 所需 要 的流 量 外 ， 还应 调 节泵 的限压 螺钉 ， 改变 泵 的 限定 压 力 ，使 △ p稍 大 于 调 速 阀 两端 的最小 压 差 △ p 。 显然 ， 当液 压缸 的 负载 最 大时 ， 使 △ p 是 泵 特性 曲线 调整 的最佳 状态 。 由于 限压式 变 量泵 和 调 速 阀实现 的 流量 匹 配 回路 由于采 用 了恒压 变 量 泵液 压 源 ．因此 可 以实 现 流量 匹 配， 达到节能的目的。同时又 由于采用 了调速阀调速 ， 6 7 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 1 1年 第 6期 因此 调 速刚度 比采用 节流 阀 的调速 回路 大 。 目前 这种 流 量匹 配 回路 已广泛 应用 于各 种工 程机 械 中 ，例 如挖 掘机 、 升降机 及起重 机等 。 3 采用 稳流量泵 和节 流阀实 现功率 匹配 回路 。 功率 匹配 回路 是指 液压 泵 的输 出压 力和 流量 与负 载力和负载流量均相适应的回路 。如图 5所示是由变 量泵 和节 流 阀两组 成 的功率 匹配 回路 。变 量泵 定子 的 受力平衡时 ， 有 p l p 2 4 p 2 ， 若节流阀的过流截面 减小，泵的流量 q 大于设定负载流量 q ，节流阀压降 p 。 增 大 ， 定 子 向右 移动 ， 转子 和定 子之 间的偏心 距 e 减小 ， 泵的输出流量 自动减小到 q r 口 。 ； 反之 ， 若增大节 流阀的过流截面积 ，使设定负载流量 q 。 增大 ，则 由于 q r q 。 ， 节流阀压降p _ p 减少， 定子向左移动， 转子和定 子之间的偏 心距 e增大 ，泵 的输 出流量 自动增大到 q 一g 。 。变量泵的输出流量能够与负载流量相适应 。 图 5功 翠 匹 配 凹路 的图 负载增大时 ，节流阀进 出口和定子右侧液压缸无 杆腔压力P 。 升高， 由于变量泵输出流量不变 ， 因此节流 阀出 口压力 即泵出口压力 P 。 也会随之升高 ， 但仍维 持 p 叩。 不变， 泵的偏心距不变 ， 输出流量也不变。由于 泵的出口压力的升高． 会引起泵的泄漏量增大 ， 因此经 过 节流 阀的 流量减 小 ， 从 而使 节流 阀两 端压差 p 一 p 。 稍 有减小 ， 定子向左移动 。 转子和定子之间的偏心距 e 增 大 ，从而使变量泵 的输出流量增大 ，以补偿增加的泄 漏 ， 使节流阀两端压力差 P 。 - p 保持基本不变。该 回路 既实现了压力的匹配 ． 又实现了流量的匹配 ， 能量损失 小 、 效 率高 ， 最 大限度 实现 了节能 目的 。 4 采用伺服电动机加定量泵的功率匹配系统。 除 了通 过液 压 泵和 液压 回路来 实 现 的各种 匹 配 回 路外 ， 近年来 ， 采用变频调速方法的交流伺服系统因为 具有可靠性高、 易于实现计算机控制． 控制质量高以及 节 能效果 明显 等 优点 被应 用 到许多 领域 ．在 液压 领域 也开始有这方面的研究和应用。这种 由交流调速系统 代替电液 比例阀或 电液伺服 阀做控制元件 的电流 系 统 ， 称做 无 阀电液系统 ． 其原 理如 图 6所示 。 图 6无 周 电 液 系 统 采用交 流 伺服 调速 电动机 或永磁 无 刷直 流 电动机 和定量泵实现的无阀液压系统可避免液压调速回路中 的节流损耗和溢流损耗 ，从而大大提高液压系统的工 作效率 ， 同时， 该类无 阀液压系统也充分体现了机电液 技术的紧密结合 。无 阀电液系统将普通电液伺服系统 中的能源装置和控制装置集成在一起 ，整个液压 回路 中不需要调节流量 的节流元件 ，故 回路无节流损失和 溢流损失 ， 系统效率高， 节能效果显著。整个系统具有 易于集成 、 体积小 、 结构 紧凑 、 可靠性高 、 易于控制 、 抗 污染能力 强等优 点 。 4 结束语 随 着应 用 了电子 技 术 、 计 算 及 技 术 、 信 息 技 术 、 自 动控制技术及新工艺 、 新材料的发展和应用 ， 液压传动 技术也在不断创新。液压传动技术已成为工业机械 、 工 程建筑机械及 国防尖端产品不可缺少的重要技术 。而 其向自动化 、 高精度 、 高效率 、 高速化 、 高功率 、 小型化 、 轻量化方向发展 ， 是不断提高它与电传动、 机械传动竞 争能力的关键。液压元件将 向高性能 、 高质量 、 高可靠 性 、 系统成套方 向发展 ； 向低能耗 、 低噪声 、 低振动 、 无 泄漏 以及污染控制 、应用水基介质等适应环保要求方 向发展 ； 开发高集成化高功率密度 、 智能化 、 机电一体 化以及轻小型微型液压元件 积极采用新工艺 、 新材料 和电子 、 传感等高新技术。 参 考 文 献 【 1 J 王美姣． 液压与气动技术[ M】 ． 北京 清华大学出版社 ， 2 0 0 9 ． 【 2 】 李松晶， 阮健 ， 弓永军． 先进液压传动技术[ M 】 ． 哈尔滨 哈尔滨 工业大学出版社 ． 2 0 0 8 ． 【 3 】 黎启柏． 液 压元件 手册【 M 】 ． 北京 冶金工业 出版社 、 机械工业 出版 社 ． 1 9 9 9 ． 【 4 ] 姚成玉 ， 赵静一 ， 杨成刚． 液压气动系统分析修理【 M】 ． 北京 化 学 出 版 社 ， 2 0 0 9 ．