液压系统节能分析浅析

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(山西建筑职业技术学院，山西 太原 030006)

引言

在大中型工业设备与机械中，液压传动技术已被广泛应用，目前国内外95%以上的工程机械，90%以上的数控加工中心，90%以上的自动生产线采用液压传动。液压传动技术是自动化技术得以实现的重要手段，但由于液压传动系统要经过多次能量转换，其传动效率较低。而且随着人们对节能环保要求的逐渐提高，提高液压传动的效率、降低能耗损失势在必行。

1 液压传动系统的能量损失

一个完整的液压系统主要包括五大部分：动力元件(主要指液压泵)、执行元件(液压缸和液压马达)、控制元件(各种各样的控制阀)、辅助元件和传动介质(一般为液压油)。系统的整个工作过程存在两种能量转换——机械能与液压能的相互转化，不同形式的能量在转换过程中势必产生能量损失。一个完整的液压系统其能量转换利用情况如图1所示。

图1 液压系统能量转换利用情况

从图1可以看出，液压系统整个工作过程的主要损失包括电动机损失、泵损失、阀和管道损失以及执行元件损失等。经过一级级传递，液压系统的总效率只有70%～75%，而系统中的摩擦生热、泄漏是导致能量损失的主要原因。

2 液压系统的主要节能方式

2.1 液压元件的选用

液压元件能量损失的产生主要是由于元件及连接部位的泄漏、液压油之间以及液压油与元件内表面的摩擦和发热等原因所致。从图1可以看出，能量损失主要在液压泵和液压马达工作中产生，其次是各种控制阀类的局部损失及管道损失，例如经过溢流阀会产生溢流损失，经过节流阀会产生节流损失，以及在经过液压缸或液压马达回油路上背压阀产生的阻力损失等。

液压系统节能的重要手段之一是选用合适的节能元件。使用较多的节能液压元件主要有限压式变量叶片泵、恒功率变量泵、恒压式变量泵、蓄能器、液压伺服阀、比例液压控制阀、插装阀、叠加阀、集成阀等。

2.2 保证油液清洁度

污染的油液会随着液压系统的运行划伤元件表面和密封件，堵塞节流孔、阻尼孔，卡住阀类元件，导致系统运行困难，致使系统的工作效率降低，降低了元件的使用寿命。油液污染的控制措施是：防止或减少外界污染，选用合适精度的过滤器，及时滤除系统中的杂质，并定期清洗或更换滤芯。严格按照有关标准定期检查油液品质，分析污染程度，及时更换液压油。

2.3 提高液压泵的总效率

选择合适的泵，对于提高液压系统的能量利用率非常重要。若要提高液压泵的总效率，应根据液压系统的工作环境、系统所需压力要求、噪声大小等选用合适的液压泵。还要考虑液压泵的结构形式以及泵内液压油的工作压力、液压泵的转速及液压油的类别、黏性等因素。

提高液压系统泵的总效率，主要可以通过以下方式来实现：

(1)选用合适类型的液压泵。压力在2.5MPa以下时一般选用齿轮泵；压力在2.5～6.3MPa范围内一般选用叶片泵；压力在6.3MPa以上选用柱塞泵。

(2)确定合适的泵转速。液压泵的转速一般在1 000～1 800r/min范围内比较合理，效率较高，性能最好。

(3)重视液压油的选用。液压油的选用要根据系统的实际工作压力、工作环境温度及运动速度等参数，选用黏度和种类合适的油。选用黏度大的液压油可以减少系统泄漏，提高泵的容积效率，但同时会使摩擦系数增大，发热增多，管路阻力增加，导致系统效率降低。

2.4 降低液压管路系统产生的压力损失

管路系统中的总的压力损失等于系统中所有直管沿程压力损失、局部压力损失之和。降低压力损失可以采取以下措施：

(1)适当降低管中的液流速度。一般情况下，吸油管路v=0.5～1.5m/s，压油管v=3～4.5m/s；回油路v<3m/s。

(2)减少局部阻力系数。尽可能避免管道弯曲，适当缩短管道的长度。一般情况下，两局部节点之间的长度应大于(10～20)d(d为管径)。

(3)提高管壁加工质量，合理选择油管内径，避免油管过流断面突然扩大或缩小，合理选用阀类元件等，均可以使压力损失减少。

2.5 控制泄漏

液压系统大约有80%的故障是由于油液泄漏导致的污染引起的。减少系统的泄漏量可采用各种新型优质密封材料，选用那些相容性好并且耐磨性高的密封材料，还可采用液压静压技术将泄漏量尽量控制在最低范围内。

控制泄漏的主要措施有：

(1)采用间隙补偿。间隙密封主要是合理控制间隙的大小。

(2)提高元件制造和装配的精度，以减小泄漏。零件装配前应仔细检查，严格清洗，并按装配工艺的要求装配，确保精度。

(3)合理选择液压油。如果液压油的润滑性、腐蚀性以及剪切安定性差，会加剧渗油现象。

(4)正确密封。密封材料要尽量选择耐腐蚀性高、耐磨性好、不易老化、工作寿命长的材料。密封形式的选择要综合考虑密封部位的尺寸结构和配合元件的运动性质、密封的工件条件、密封的性能等方面。

(5)严格控制油温。油温过高或过低都会直接影响油箱系统的工作效率。油温过高会使液压油黏度下降，致使泄漏增加；油温过低会使液压油流动阻力增加，压力损失增多。应采取各种措施如加强油箱的设计、加强散热等，保证油温在30～60 ℃的合理范围。

(6)减少液压冲击和振动产生的危害。液压冲击和振动会使管路连接及密封松动，造成泄漏、压力和流量脉动及额外能量消耗。

(7)加强零部件的生产加工、装配等环节，提高加工技术水平，降低管道和零件表面的粗糙度。

(8)加强对元件运输、保管、使用等环节的管理，尽量杜绝元件使用过程之外的损坏。

2.6 其他节能措施

(1)设计时选用能量储存元件。在系统设计中可采用蓄能器、飞轮和增压器等能量元件，以提高能量的利用率，提高节能效果。例如在低压大流量系统中，选择动力元件时采用小流量的液压泵与蓄能器配合使用，既可实现短时大流量，还能节能，同时缓和液压冲击，吸收压力脉动。

(2)与电子技术配合，完善液压控制系统。在液压系统设计中采用各种传感器形成一套监控系统，实时连续监视系统的压力。监测到的压力信号经转换器转换后形成数字信号，输入电脑，形成实时控制信号，使液压泵及相应的元件产生相应的变化，力求能耗最低。

(3)通过合理分配流量实现节能。根据液压系统工作内容的需要，采用分流阀、集流阀等实现最佳分配流量，通过提高作业效率实现节能。

(4)减轻液压元件的质量，尤其是工作执行元件的质量，通过增强钢板强度、减小钢板厚度、改善焊接工艺等措施实现节能。

(5)实现液压系统高压化。加强密封，提高元件的加工精度，提高系统的工作压力。高压化可以使各执行元件的尺寸相应减小，所需流量随之降低，由于能量损失与流量的平方成正比，从而可大幅度降低能量损失，提高系统效率。

(6)采用自保持型电磁阀。自保持型电磁阀只要瞬间通电即可完成阀的开关动作，阀芯位置不需用电来保持。

(7)选用插装阀、叠加阀等集成阀，以减少管路连接的压力损失。此外，电液比例控制阀、伺服阀的广泛应用，使得液压系统向标准化、系列化、模块化发展，在一些领域逐渐代替常规滑阀，实现了较好的节能效果。

3 液压系统常用的节能回路

提高系统能量利用率和降低无功损耗的重要途径，主要是根据系统的工作参数要求(如负载、执行元件速度、精度、压力等)控制、调整液压泵的工作运行参数，使之与工作负载相匹配。这种调节控制节能回路尤其适用于高速、重载、大功率传动系统。液压节能调节控制系统主要包括容积调速回路、二次调节系统、电液负荷感应系统、变频液压调速系统、负流量控制、CPS恒压系统等。这种调节控制节能回路具有较好的自适应性，能有效地进行动态调节，自动调节、稳定系统的工作状态。

4 液压系统的节能设计

4.1 降低压力损耗的节能设计

合理选择控制阀的种类形式、合理确定阀的布置及连接形式、设计中选择合适的管道内径及材质等，可以降低液压系统的压力损耗。当系统需要流量接近或相同而压力不同时，多采用由先导式溢流阀、换向阀、远程调压阀等联合控制的多级压力调节系统，尽量避免采用减压阀，以减少没必要的压力损失的产生。

如果液压系统的管路设计不当，过滤器选用和布置不合理，也会造成较大的能量损失，应根据实际情况确定所需种类和规格。

4.2 减少流量损失的节能设计

合理选择液压泵可以降低液压系统的流量损耗，即应选择与负载要求的压力-流量特性相适应的液压泵。

限压式变量泵适用于流量变化比较大而且压力相近或相同的系统，如电液伺服系统、保压系统、节流调速系统、要求能快速响应的换向阀系统、蓄能器系统和电液比例换向阀系统等。

对于功率比较大、负载增加缓慢且要求长时间保压的系统，可以采用恒压恒功率变量泵作为动力源。

对于具有多个不同工作压力、不同流量要求的执行元件的系统，可设计采用多级调压和双泵组合使用。也可以选择电液比例-变量泵，但可能会造成控制系统的成本增加，一般只适用于计算机控制的、要求较精确的液压系统。

4.3 降低电动机损耗的节能设计

在液压系统的工作过程中，当执行元件停止运动时，可以采用卸荷回路，使液压泵的出口接油箱，在流量几乎为零的情况下运转，电动机的功率可几乎为零。

由电动机的工作原理可知，额定功率为Δ接法的三相异步电动机在低于临界负载率运行时转换成Y接法后，可以降低能耗损耗，从而提高电机的功率因数。电动机实际负载功率在额定功率的0.33倍以下运行时，采用Y接法更具有节能效果。

5 采用新型工作介质

液压传动技术的工作介质在环保节能方面主要有两个发展趋势：一是以无污染的纯水(或海水)为传动介质的水液压系统；二是以食用油为基础的环保性的生物基油。采用环保再生新型工作介质，可以满足不同的系统要求，且有利于节能环保。

6 结语

在设计液压系统时，应将节能技术应用到液压系统的每个环节。在能源日趋紧缺的现状下，提高液压系统的效率具有十分重要的意义。

参考文献：

[1] 苏成柏.液压系统节能设计初探[J].湖南农机，2011，38(1)：28-30.

[2] 王艳，贺文涛.水泥设备液压系统的节能技术[J].水泥技术，2009(5)：43-46.

[3] 缪维平.浅谈液压系统的节能设计[J].液压与气动，1999(5)：7-9.

[4] 章宏甲，黄谊.液压传动[M].北京：机械工业出版社，2001.

[5] 张晓燕.液压系统的节能技术[J].煤矿机械，2003，41(5)：33-34.

[6] 刘国文，俞浙青.浅谈几种液压节能技术的原理及应用[J].液压气动与密封，2005，23(1)：4-6.

[7] 黄昕.液压元件节能途径的研究[J].现代机械，2002，18(2)：53-54.

[8] 贺文涛.砖瓦机械液压系统的节能途径[J].砖瓦世界，2008(6)：27-31.