浅析液压传动系统的能耗问题

(广东韶钢松山股份有限公司设备备件部，广东 韶 关 5 12123)

由于液压系统的机构最大能耗来源是功率损失，转化过程中的能量消耗和系统发热散热引起的能量流失这三个方式，按能量的先后顺序来看，功率损失无疑走在最前面。

本文针对液压传动系统在原有功率损失和能量损耗等方面的问题，阐发其技术原理，并提出相应的能耗控制方法。

1 功率损失的关键点及计算方法

1.1 泵的功率损失

由于液压传动大量运用泵作为能量转化工具，所以，泵在功率上的损失首当其冲，按不同的运行原理，主要分为容积损失和机械损失两种方式。

（1）容积损失

所谓容积损失是指油的泄露，在工作过程中，泵的两头按压力不同分为高压腔和低压腔，巨大的压力差必然不间断地使高压腔的压力油，经过很小的间隙持续泄漏至低压腔位置。而且两边的压力差越大，油的粘度则越低，泄漏量也越大。检验损失的方法正是基于该原理，用泵的理论流量减去实际输出流量，即为容积损失油量。

（2）机械损失

所谓机械损失是指转矩引起的摩擦力耗损，也包含两种形式：一种是在工作过程中，泵内存在多组相对运动件，这些运动件之间必然发生机械摩擦，并引起一定量的转矩损失，按能量守恒定律，压力越高，则转矩损失越大；另一种则是因泵内油液的粘度而引发的转矩损失，液压油在流动过程中产生强烈的内摩擦力，即其粘性，粘性越大，泵的转速越高，而这项损失就越大。

衡量这两项损失指标，可使用泵的容积效率和机械效率两项指标，实际上就和上述两者分别构成反比关系。

1.2 液压系统沿途管道的能量损失

这种损失形式主要体现为包括压力损失和容积损失。

（1）压力损失

压力损失，主要源于管道结构，由于管道一般由若干段构造相异的管道串联而成，在每一节点像段弯头、控制阀、管接头等部位都容易形成局部阻力，一方面是沿途的压力损失，一方面是局部阻力损失，两者相加即构成了所有的能量损耗，也就是说系统的总压力损失约等于所有沿途的压力损失加上所有串联起来的局部损失。

（2）容积损失

容积损失，主要是指管路系统运行过程中各组件的油漏损量，再加上溢流阀、顺序阀等关键设备正常工作时所产生的溢流油量。管道系统受泵的压力差影响，使油从高压腔持续泄漏至低压腔位置，而且两边的压力差越大，油的粘度则越低，泄漏量也越大，但其漏损量集合起来也非常惊人，溢流阀、顺序阀一旦控制不当，所形成的溢流量也会造成极大的能量浪费。

1.3 马达或油缸组件的油量损失

马达的结构与泵非常相像，因此，在工作过程中同样伴随着容积损失、机械损失这两种方式，而油缸的整个工作过程持续存在摩擦阻力、密封阻力和惯性阻力，有些控制不良的地方甚至还存在内泄漏和外泄漏等重大问题。这两者集中反映了关键执行组件的容积效率和机械效率。

经过对上述各关键部分的阐述，液压系统的总效率实际上等于泵的总效率加上管道回路的总效率再加上关键执行组件的总效率。

2 液压传统系统的发热散热原理及影响

在液压系统中泵、管道、马达或油缸等重要部件的能量损失最终会转变为热能，以热量传导的方式提高油液温度。按公式计算，该系统的总发热量为输入功率和总效率的乘积。除去加高油温的发热途径，系统还会把产生的热量大部分通过油箱散发到空气之中。这是因为系统运行较长时间后，当恢复到热平衡状态，油温就不会继续升高，保持恒定，这样一来，各关键部件继续工作所产生的热量就会渗透到热表面进行散发。散热量的计算方式等于散热系数乘以散热面积再乘以变化的系统温度。其中，散热系数主要取决于外部通风情况和系统所采用的冷却方法，散发面积则主要指邮箱外表面，而系统温度是不断变化的，只有达到热平衡状态后才能维持不变。

从发热散热的副作用看，油液温度的升高，引发了液压系统的绝大部分机械故障。油温持续升高会明显降低油液粘度，油量漏损持续下去，加剧油泵、液压阀、执行机构（液压马达或油缸）的内泄及外泄，进一步降低系统的容积效率，使系统工作陷入不稳定状态。具体说来，油温升高，会使机械部件之间的缝隙发生不当变化，特别是剧烈的温度升高容易引起油质改变，在严重时，甚至使机器发生热变形。尤其是高温炎热的夏天，机器往往运作短短两小时就可能因热量传导及散发不畅变得烫手，导致工作被动暂停，大幅度降低了设备的利用率，对企业的劳动生产率造成严重影响。

从这个意义上来说，液压系统的发热问题极为重大，绝对不容忽视，必须进行有效控制。

3 液压系统能耗控制的主要方法

根据液压系统的运作原理，能耗控制主要包括提高原动机效率，液压泵和液动机效率，降低系统能耗率这三个方面，对应地，可从以下几个方面进行：

（1）充分利用电机容量。对于电机容量结构参数的设计，应立足于功率消耗均衡，提高原动机的运行功率，尽可能使电机处于高效率状态。由于液压设备的能量转换过程通常是先从电能变成机械能，然后变成液压能，再变成机械能，经过三次能量转换，结果导致原动机的功率问题不受到重视，原动机功率过大，或因不同工作阶段上存在不均衡，电机经常在低功率状态下工作，造成严重浪费，从这个意义上来说，电机容量必须加以合理选择，充分利用。

（2）提高液压泵和马达等重要组件的运行效率。由于这些组件的效率主要体现为容积效率和机械效率两个部分，而国内一般只研究容积效率损失，很少关注泵结构或减少关键组件之间摩擦方面的研究，反倒是国外近年来非常重视并投入研发泵和关键组件的机械效率损失问题，并研究开发各种变量泵和低摩擦密封材料，取得了一定成效。

（3）降低沿线管道系统的能量损失。提高原动机、液压泵和关键组件的效率虽然可行，但可操作空间极为有限，最根本的办法仍然在于降低沿线管道系统的能量损耗。首先必须明确设计的要求，经过深入的调查研究后，了解到系统运行的真实情况，并与需要达到的技术参数进行综合比较，制定合理的新管路系统方案，方案的关键点在于调速，这是整个液压系统的核心。设计人员应深入了解各种调速回路方法的工作原理、性能特点和适应范围，从系统化的高度，灵活运用，在满足需求的前提下，尽量做到回路简单、元件少及管路短这三个重点要求。同时，慎重选择泵和关键组件的规格，在安装初期就考虑到流量过剩的可能性，合理设计相关的结构参数，以保证原动机的使用效率，尽量把问题扼杀在一开始。

（4）针对液压系统的冷却操作。除了上述三个重要环节，仍然存在其它的一些发热量太大，导致温度上升的因素，可能会对生产产生影响，必须综合考虑，安装使用冷却系统或冷却设备。机械设备在夏天工作通常都会迅速升温到45°以上，使粘度降低，增加内泄漏速度，延长机器加压时间，导致停机，严重影响正常生产。业内对冷却的概括是空气冷却不如水冷，水冷不如油冷。常见的冷却方式有循环水冷，例如压铸机采用在油箱中安装蛇型冷却管的方法就是循环水冷，溢流阀和卸荷阀这两者产生的热量占系统总发热量的70%以上。所以，通过改进其冷却系统可以大量节省能源。

4 结束语

总的说来，要解决液压传统系统的能耗问题，必须根据这个系统的技术特点，从源头抓起，抓住原动力功率损失，转化过程能量损耗以及系统发热散热损耗等几个要点，一方面对泵、控制阀、执行机构等关键组件进行合理改进，另一方面深入研究沿路管道的路线及结构设计等问题，配以合理有效的冷却方法，以各种有效方法，尽可能把各种能量损耗控制到最小，以达到在生产过程中大量节能的目标。

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