液压节能技术的现状与发展

孟志明，贺元成，康帅帅，郑庭

（四川理工学院 机械工程学院，四川 自贡 643000）

0 引言

近年来，随着全球经济的快速发展，人类对能源需求量也越来越大，石化能源匮乏、环境污染等问题也越来越受到人们的关注，因而节能成为一个焦点，备受各行业广泛重视。然而液压系统在工作过程中，由于存在一系列能耗问题，系统总效率只有70%左右。而且液压系统的无功损耗会转化成热能，使液压油的温度升高，液压元件和液压油老化，最终使液压系统的能耗稳定性等很不理想。

1 液压系统能耗分析

液压系统的传递效率公式为

式中，ηe为液压原动机效率，ηp为液压泵效率，ηc为液压回路传递效率，ηm为液压马达效率，ηy为液态油的压缩率，ηw为紊流、层流效率，ηa为液压执行元件效率，pr为液压泵提供的压力，qr为液压泵提供的流量，pd为执行元件输入的压力，qd为执行元件输入的流量。

从式（1）中可知，液压系统的能耗主要表现为液压元件接触表面的摩擦、回路中紊流现象、节流阀对液压油的阻碍，以及液压系统中元件的泄漏等。而且液压系统的大部分能耗会转化为液压油的内能，导致油温升高，加速液压油的老化。因此，针对液压系统中各元件的摩擦和泄漏，系统中压力流量的损失，以及输出能量同所需功率不匹配等所采取的节能方法，是研究液压系统节能环节的重要方向。

2 具体节能设计措施

2.1 液压系统中元件的节能

液压系统元件的能量损失主要包括动力元件、执行元件和控制元件的能量损失。其中，动力元件能量损失主要是液压泵在高压下的溢流，执行元件能耗主要是液压缸与液压马达压油的泄漏和液压缸直线运动时的摩擦，而控制元件能耗主要是液压阀本身及液压阀组的泄漏和液压阀配置不合理造成的能量损失。针对以上能耗问题的措施如下：

2.1.1 节能泵

常见的液压泵主要有齿轮泵、叶片泵、螺杆泵、柱塞泵。泵是液压系统中液压能的来源，同时也是能量损耗最大的部分，泵的效率对整个液压系统效率有很大的影响。在选择液压泵时，应综合考虑泵的效率、成本和其他各项性能。表1 是常见液压泵的效率。若以节能为目的，则齿轮泵最不适合选用，但近年来齿轮泵所占市场比例变化不大，相反叶片泵使用却也来越少。所以泵的选择不能单纯以效率高低为标准，要综合考虑工况、成本等。

表1 常见液压泵的效率

近年来，液压泵正向着数字化、集成化的方向发展。各厂商纷纷推出先进控制方式的液压泵，例如日本川崎重工的K3V140 变频液压泵、美国派克PV028R1K1 比例柱塞泵、德国力士乐A10VO 负载敏感式柱塞泵等。其中负载敏感式柱塞变量泵技术相对成熟且节能效果较为明显，它能够根据负载所需的压力和流量实现液压泵输出的自我调节，最大限度地提高液压泵的效率。图1为其工作原理图。负载敏感控制阀5 的阀芯在设定好阀芯弹簧力FT时阀处于平衡状态，受力平衡方程为：

由式（3）和式（4）可知（以负载增大为例）：当负载增大时负载压力Pt增大，导致ΔP 减小，但节流阀2 的面积并没有增大，所以存在PaAT＜PtAT+FT，使得控制阀5 的阀芯左移，液压泵的输出口与变量缸6 的无杆腔相连，进而推动变量缸活塞左移，使变量泵排量增大，直到重新达到式（1）的平衡状态，控制阀5 的阀芯回到平衡位置调节才会停止。这样就能保证系统所需压力与泵提供压力相同，消除了泵的溢流损失。同时节流阀2 两端的压力差小节流损失的功率非常少，从而解决了液压泵溢流损失和节流损失这两个主要的能耗问题。

图1 负载敏感变量泵工作原理图

2.1.2 液压缸的节能

液压缸主要是将液压能转化为机械能。由于液压缸结构和工况相对比较简单，发展时间较长，近年来针对其本身结构改进方面的节能技术并没有很大的突破，节能方案主要集中在降低摩擦减少液压油的泄漏上。近年来出现的新式液压缸主要有变截面液压缸、复合增速缸等。

改进液压缸本身结构的节能效果不是很明显，但将液压缸放到能量回收系统里则节能效果非常的明显。如图2 所示，将此装置添加到液压挖掘机动臂系统中，液压缸3 作为动臂的驱动缸。液压缸2 上加有配重块，当挖掘机动臂下放时，液压缸3 中的液压油经过单向阀4、1 流入液压缸2 推动配重块上升，相当于把工作台的势能传递给配重块，这样就把动臂的重力势能储存起来。当动臂抬升时配重块释放能量，将其势能又传递给动臂。单向阀1、4 解决了液压缸2、3 负载匹配不合理导致动臂超速下滑的问题。

2.1.3 阀的节能

阀是液压控制系统中重要的组成部分，液压系统的每个工作过程基本上都有液压阀的参与，因此它的能耗在整个液压系统中不可忽视。目前传递效率较高的阀有：多路阀、插装阀、叠加阀等。

图2

多路阀由两个及两个以上阀块组成，它将不同种类的阀组合在一起以满足液压回路实现各种控制的需求，能够满足不同的工作状况。而且由于多路阀的集成度较高，其结构较为紧凑，油路相对简单，压力和流量损失较小，所以广泛地应用于工程机械。国内多路阀的应用始于1994 年，但技术方面一直受美德日等国家控制，直到2009 年三一重工、柳工、常林等厂商才开始生产。2003 年四川长江液压元件有限公司推出了专门针对起重机的QF28 型多路换向阀，该多路阀采用全负载反馈，其控制精度较高，具有高效节能、抗干扰能力强、控制形式多样的特点，极大地提高了起重机的能量利用率。

国外多路阀的发展相对先进，如德国力士乐的M9-25 高效多路阀，使每个执行机构都有独立的回路，可达到不同负载下控制多个执行机构的目的。M9 阀采用正向控制，且在管道设计方面采用中位优化设计，保证了系统的高效性能，是控制阀中高效的典范。新型控制阀是液压阀不可或缺的一部分，比较有代表性的是德国的可编程多功能组合阀、日本TOKIMEC 的新型电磁换向阀、美国MOOG 的电液比例伺服控制阀。这些新式控制阀从不同的方向考虑节能，使液压阀的节能技术有了重大的突破。

2.2 液压回路系统的节能

液压回路的主要组成：液压动力源、液压管道及液压缸。它根据不同要求可实现速度、压力、方向等控制，是液压系统中必不可少的部分。虽然液压回路在技术层面上都能达到要求，但在节能方面还存在很大的不足。本文针对动力源与负载功率匹配，速度的调节，压力、流量的调节等，介绍几种典型的节能液压回路系统。

2.2.1 定量泵加变频调速电动机电液系统

由于异步电动机转子绕组不需与其他电源相连，其定子电流直接取自交流电力系统，异步电动机的结构简单，运行可靠性高，成本低，因此大多数液压系统都以异步电动机作为动力。而异步电动机变频系统变速效率高且性能较好，目前被广泛地应用于液压系统。变频调速技术与其他液压调速技术相比，改善了功率因数，大幅提高了原动机的效率。变频调速系统利用变频器改变泵的输出功率，使之与系统合理匹配，降低了溢流损失。与传统的节流调速系统相比，交流变频调速系统避免了溢流损失、节流损失和卸载能耗，有效地节约了能源。

2.2.2 负载敏感控制系统

负载敏感控制系统主要由比例换向阀、负载敏感阀、变量泵、液压马达和液压缸组成。图3为负载敏感系统的原理图，该系统是一种闭环控制，它以压力作为反馈信号，可实现泵输出的流量、压力与负载的需求相匹配。负载敏感控制系统可根据不同工况，不同负载的要求及操作者的控制需求调节泵输出的压力及流量，当工况稳定泵输出功率可与负载需求完全匹配。这样就不存在溢流损失，使原动机的功率得到充分利用。由于负载敏感控制系统节能效果明显，现已被广泛地应用于工程机械及矿山机械等行业。

图3 负载敏感系统的原理图

2.2.3 二次调节静液传动系统

图4 二次调节系统工作原理图

图5

从二次调节系统的工作原理图图4 可知，该系统主要包括：恒压源2、4、5，二次元件7，工作机构和调控机构。该系统为压力耦联系统，将二次元件7 直接与恒压源相连，通过控制二次元件7 的排量与负载功率进行匹配，自身闭环反馈基本上可以维持一次元件在恒压点工作，理论上不存在节流损失。二次调节系统可通过改变二次元件7 斜盘摆角控制排量输出，加上负载的影响使二次元件7 可以在两个方向运动，这样就使得二次元件7 在四象限内工作，如图5 所示，再结合蓄能器可对制动消耗的能量和势能进行回收，同时也满足间歇性大功率的需求。系统中的储能器5 能够吸收压力峰值时的高压，减少了系统中限压元件的发热，节约了冷却费用。由于系统中无节流元件，理论上二次元件可从系统中无损耗地获取能源，极大地提高了系统的效率。

2.3 其他节能措施

1）加装能量回收装置。在液压系统中存在着压力和流量的节流损失、溢流损失，以及制动时造成的能量损失，这部分能量可采用飞轮或者蓄能器等进行回收，其中蓄能器可在大流量液压系统中短暂地回收流量，大大地节约了能量，同时蓄能器还可以缓和液压最大冲击，减少系统发热，延长液压油和液压元件的使用寿命，另外降低油温在控制液压油泄漏方面也起到一定的作用。

2）采用新动力系统。前电动与混合动力液压机械逐渐出现在市场上。其中纯电力驱动技术在工程液压机械中的应用相对成熟，日本日立、欧洲利勃海尔、美国卡特彼勒、国内的三一重工等很多厂商都推出了电液挖掘机，电力驱动技术降低了机器工作噪声，减少了机体振动，延长了设备的使用寿命，也避免了大型柴油机排放的废气污染。然而混合动力技术发展相对缓慢，仅在汽车工业得到广泛应用，混合动力的汽车可将能源的利用率提高15%～25%，节能效果明显，在工程机械上仍处于试用阶段。目前大型快速充电电池的性能不是很理想，而且造价特别高，这些都限制了混合动力技术在大型工程机械上推广应用。但混合动力可充分发挥不同动力源的优势，使内燃机始终处于高效工作状态，节能效果十分明显，而且混合动力系统可提供较大的输出功率，所以混合动力有很大的研究价值。

3）采用先进的计算机技术改善控制系统。近几年越来越多的计算机技术应用于液压的控制系统，形成了一系列的电液控制方式，例如PID 控制、NNC 神经网络控制等。这些先进的控制技术大多利用传感器检测系统的压力变化，然后经过A/D 转化器转换成数字信号反馈到计算机，通过处理由计算机发出指令调节液压元件的动作，以实现精确控制，最大限度地减少了调控过程中的能耗。

3 液压节能技术的发展趋势

随着科技的发展，越来越多的数字技术和软件技术整合到液压节能技术中，液压节能技术正在向着智能化、高性能、稳定高效的方向发展，从目前国内外液压节能技术的发展状况来看，主要有以下特点：1）开发新动力系统，国内外越来越多的以电力驱动和混合动力系统的液压机械出现。2）采用高精度新型液压元件，减少液压元件中液压油的泄漏，提高元件的使用寿命。3）结合电控技术改进传统的液压系统，以减少节流损失、溢流损失和沿程压力损失。4）采用更佳的控制方式，提高了控制的准确性。5）动力源输出功率控制更加智能化，采用电子控制系统对动力源的输出功率与工作状况进行综合控制，使两者达到最佳匹配。6）提高液压油的净化处理能力，控制液压油的泄漏。7）对液压系统中可回收的能量进行回收再利用。

4 结论

文章对液压系统可能存在的能耗进行了分析，针对能耗问题分别从液压元件和液压系统介绍了国内外先进的节能技术，并根据现有技术推测了液压节能技术的发展方向。随着大量的计算机元素融入到液压节能技术中，现在液压节能技术已不只是单纯地达到节能的目的，人们正把更多的精力放在提高液压系统的综合指标上。

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