基于晃荡平台液压系统节能优化设计

刘 笑,吴文锋,孙 强,程如朋(浙江海洋学院 海运与港航建筑工程学院，浙江 舟山 316022)

基于晃荡平台液压系统节能优化设计

刘 笑,吴文锋,孙 强,程如朋
(浙江海洋学院 海运与港航建筑工程学院，浙江 舟山 316022)

针对晃荡模拟平台的液压驱动系统在工作中存在大量能量损耗，导致实验资源浪费、成本增加问题，对液压系统的节能问题进行了具体的分析和实验的论证，并提出采取的基础性措施、方法,例如减少管道弯曲、选择合适的液压元件等。将该优化方法应用于多功能晃荡模拟平台试验中，减少了能量损耗，提高了液压系统的工作效率，对液压系统节能领域有一定的指导意义。

晃荡平台；液压系统；节能；优化

1 液压系统分析

1.1液压系统的选用

晃荡平台是用来模拟船舶在海上航行时的真实晃荡，以研究油船液货舱热质传递规律，并进行实验、理论分析，来指导液货状态优化控制操作，实现安全存储和运输，其包括机械结构、液压驱动系统、信号输出与反馈系统。其中选用的开式闭环液压驱动控制系统，包括了电气和液压控制2部分，以达到电能—机械能—液压能—机械能的相互转化，来实现模拟平台的正常运行。但是考虑到模拟平台运行过程中存在可能的能量损失与泄漏，对液压系统进行了定量的分析。

1.2能耗损失

晃荡平台的液压系统包括4部分：动力元件液压马达、液压泵、控制元件液压控制阀以及执行元件，如图1所示[1]。其能量转换的基本过程是：电机驱动液压马达(动力元件)做功把电能转换成液压能；液压泵通过液压控制阀(控制元件)将液压能传递给执行元件；通过功能转化使执行元件做功将液压能转换成机械能。在整个过程中，有如下几种能耗损失。

1)能量转换时的能耗。在电能-液压能-机械能的能量转换中，主要能耗是由液压油的泄漏产生的，造成容积损失消耗一部分能量，特别是在恶劣工作环境中，产生的泄漏更为严重。

2)能量传递过程中的能耗。液压能传递过程中，液压油与机械设备或管路产生相对运动且由于液压油的黏度存在会产生摩擦，并有热量产生，损耗液压能，降低转化效率。同时机械元件运行时，仍存在机械磨损，也会有能耗存在。

3)液压源与负载不适应产生的匹配损失。即液压系统的输出能量与执行元件所需能量不匹配，低载时，会出现能量供大于求，造成能源浪费。

4)管理因素。包括液压系统整体结构、布局设计、运行中人员使用、维修等因素对系统工作效率造成的影响。

以上这些因素大大降低了液压系统的工作效率，尤其是热能的产生使油液变质，不仅易产生故障还会降低系统使用寿命和工作可靠性。

图1 液压系统能量的转换与传递示意图

1.3能效分析

根据液压系统能量的转换和传递的过程图，可粗略列出其总效率η的表达式[2-3]：

η=η1×η2×η3，

(1)

式中：η1为液压能量转换效率，η1=ηa×ηb×ηc，ηa为电机的总效率，ηb为液压泵的总效率，ηc为执行元件的总效率；η2为液压能量传输效率，η2=ηp×ηq，ηp为压力利用率，ηq为流量利用率；η3为匹配效率。

从公式(1)可知，液压系统的节能，最根本的是提高能量转换效率、减少流量压力损耗。

2 节能优化措施

根据上述能耗损失与效率分析，现可采取2方面措施进行节能优化：一方面，可选择合适的高效元件，进而改善和提高能量转换效率；另一方面，在液压系统设计和技术层面减少节流、溢流损失。

2.1选择液压设备

1)选择液压泵。液压泵类型有很多，如：齿轮泵、螺杆泵、叶片泵、柱塞泵等。由泵的工作特性可知，高压泵在低压区内工作，其总效率较低；同样低压泵在高压区内工作，其总效率也较低。如果仅仅从节能的角度着想，应依次选择柱塞泵、叶片泵、齿轮泵，考虑到与负载的匹配情况和不同类型的液压泵的工作特点，一般压力在2.5 MPa以下时选用齿轮泵，压力在2.5～6.3 MPa选用叶片泵，压力在6.3 MPa以上选用柱塞泵[4-5]。这些液压泵通常情况下效率最高可达到90%，而许多厂家也正在开发新机型，以提高总效率。

2)选择液压控制元件。液压控制元件是指液压系统中的液压阀。液压油在液压阀内有流动阻力，不可避免的产生泄漏，造成压力损失，降低系统效率。液压阀的内泄漏在一定程度上是允许存在的，它能够改善液压阀的工作性能，但又不能够过度泄漏，因此可从加工工艺、手段和材质等方面考虑，选择满足具体工作要求的液压阀。提高阀的容积效率是减少外泄漏的有效手段：液压阀的滑动表面间隙影响着泄漏量，当间隙较大时，阀内部流阻小，但易造成泄漏；而当间隙较小时，可以有效地减少泄漏量，却又使黏性摩擦阻力增大。保持液压油连续、平稳的输送，减少能量冲击，也能够保证能量的稳定传输和转化，减少能量损失。

3)选择执行元件。大多数液压系统的执行元件都是液压缸或液压马达，它们都是将液压能转换成机械能的机械元件，区别在于液压缸是将液压能转换成直线运动的机械能，而液压马达则是转换成曲线运动的机械能。对于整个系统而言，执行元件的能耗主要体现在泄漏和摩擦。这是机械元件均要面对的难题，因此我们应该在机械元件制造的开始就要考虑到从加工技术方面竭尽全力的改善元件的泄漏和摩擦，当然更重要的是，应该选择与泵流量相匹配的执行元件，使之能满足系统的工作需要，且能做到减少能量损耗，提高利用率。

2.2设计液压系统

1)减少管道内的压力损失。管道实现了各个环节的功能联系，但是液体存在黏性，与管壁间有流阻，造成了压力损失，能耗增加。在设计液压系统布局时，我们应该考虑尽量减少管道的长度，减少弯曲的管道和截面的突出变化，同时也要保证管道内部的光滑，减小黏性摩擦。经常被运用的钢管也可以换成无缝钢管或软管，在我们的设计中管道内径十分重要，内径的大小关系着内部流动的液体的流速大小，影响着压力损失的多少，必须根据实际流速来选择适合的管道应用于液压系统。

2)液压回路设计是液压系统节能一大主题，液压回路利用了蓄能器、回生(二次调节)回路对能量进行二次利用[6]。蓄能器是储能元件，能够控制在压力、存储或回收能量，同时也可以作为辅助动力源与液压泵一起为系统供油。在晃荡平台的液压系统仅仅是简单地液压系统，考虑的要点是设计回路，选择回生回路如图2。

图2 液压系统回生回路图

2.3管理因素

液压系统的维护和保养关系着其工作效率和使用寿命，其保养工作在人的管理工作范畴之内。液压系统工作频繁，我们要保证液压设备保持在良好的功能状态，实现工作的准确度和工作效率。

液压油是此环节的重中之重，液压系统中的液压能是利用液压油传递的，同时还起着润滑、冷却的作用。液压油的黏度和温度相互影响，当黏度过大会使压力损失和发热量变大，而油温的升高会使黏度降低而造成泄漏量增多，并加速密封件的破损和液压元件的工作性能降低，系统效率下降；而黏度过低会使泄漏量增大；油温过低则会使黏度提高，流阻增加。所以工作人员应注意保证液压油工作状态的油温、黏度保持良好的水平，有效地较少能量的损失。液压油的清洁度也是关键，它间接地影响着液压油的黏度，低质的液压油会使元件和管路遭到破坏，磨损加剧，泄漏增加，能耗加剧。平时做好液压油的过滤、处理，防止变质[7]。

实验过程中的密封工作也十分重要。密封是实现高压要求的保证，同时密封也能避免液压油泄漏造成工作不力或者液压油变质而使工作失效，甚至会造成环境污染。及时检查设备的密封性能，做好预防工作，并根据说明书正规、准确的操作设备，竭力保证液压系统良好的密封性能，为系统良好运行，减少能量损失、达到节能目标提供保障。

3 优化设计

在晃荡平台的液压系统中选择使用电液比例阀，其阀芯是直流电磁铁，通过给定的电流大小调整吸合力或阀芯位移，可按比例控制流量和压力[8]，保证液压油的平稳输送。比例阀部分相比于普通阀又可以提高自动化程度，减少油路设计。同时阀芯吸合时有气隙存在，能有效地达到最佳间隙，减少能量损耗。在满足系统需要的同时，选用较高质量的液压缸，尽量减少液压油泄漏，降低液压能损失。而在系统管理方面，注意对液压油的管理：合适的存放环境、合适的保存温度。运行前保证机械元件、油管间连接处的良好密封性。再次运行晃荡平台，发现控制端发出指令后摇摆的幅度略有增加，调节并到达指定位置的时间减少了1～2 s，而且在运行的过程中噪声有明显的减弱。

4 结束语

晃荡平台采用相对简单的液压系统，节能措施也比较简单，却给予了晃荡平台优化和提升的空间。同时为广泛应用大型液压系统提供更多科学、有效的措施，不仅减少能量损失，提高利用率，还节约能源，保护环境。但是面对液压节能技术不足的现实，必须不断提高液压系统和液压元件使用性能，努力研发高效液压系统，改进液压传动不足，提高节能效率，以保护环境和节约能源。

[1]韩长仪.液压系统节能方法基础研究[D].沈阳:东北大学,2010.

[2]谭海林.液压系统节能问题的探讨和分析[J].机床与液压,2005(12)99-101，103.

[3]张忠狮.液压系统能耗分析与降耗措施研究[J].液压与气动,2008(1)：38-40.

[4]杨尔庄.日本工业的液压系统节能化动向[J].液压气动与密封,2004(4)：1-4.

[5]Steafan Heitzig,Sebastian Sgro,Heinrich Theissen. Energy Efficiency of Hydraulic Systems with Shared Digital Pumps[J].International Journal of Fluid Power, 2012, 13 (3):49-57.

[6]Arup K.Nandi.Regenerative Hydraulic Power Transmission System[J].Recent Patents on Mechanical Engineering, 2011,4(3)：243-253.

[7]胡黄卿.液压系统的节能设计探讨[J].液压与气动,2001(5)：1-5.

[8]王剑楠.船舶液舱晃荡模拟系统研发[D].浙江:浙江海洋学院,2014.

A lot of energy losses exist in work in hydraulic driving system for flap about simulation platform,leading to the waste of experimental resources and cost increase.The energy saving of hydraulic system is carried on the concrete analysis and experimental demonstration,and some baseic measures and methods are put forward such as reducing pipe-bending and choosing appropriate hydraulic components.These methods are applied to flap about simulation experiment platform,which reduce the energyloss,improve the efficiency of the hydraulic system and make guiding significance to the field of energy saving of hydraulic system.

flap about simulation platform;hydraulic system;energy-saving;optimization

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2015.06.010

国家大学生创新创业训练计划(201410340008)；浙江省自然科学基金项目(LQ16E090003)

刘笑(1993-)，男,安徽宿州人,在读本科生。

2015-07-08