液压系统能源装置选用时的节能分析

四川建筑职业技术学院 交通与市政工程系 四川德阳 618000

1 分析背景

当今世界,能源供应日趋紧张,节能作为一个重要的课题,引起了各行业的广泛关注。液压系统节能的目的是提高液压系统能量的利用率,即提高液压系统的效率[1]。液压系统由能源装置、执行装置、控制调节装置、辅助装置、传动介质等五部分组成[2]。能源装置的合理选用对于液压系统的节能而言非常重要。

液压系统能源装置由原动机和液压泵组成,作用是为液压系统提供压力油。原动机一般为内燃机、电动机或其它形式的能量供应装置,液压泵同样存在多种不同的结构形式。

2 原动机的选用

液压泵通常由电动机或内燃机驱动。电动机工作时输入的电能转化为机械能,随后传递至液压泵。转化过程中损失的能量较少,传动效率较高。内燃机工作时,燃油燃烧产生的能量转化为机械能,随后传递至液压泵。内燃机的工作特性决定了自身在工作过程中存在一定的能量损失,由于液压系统工作时负载经常发生变化,导致内燃机的燃烧效率和功率利用率处于不稳定状态,工作时效率较低。

综上所述,对于液压泵而言,电动机作为原动机使用时,其工作效率往往高于内燃机。由此可见,对于工作场所比较固定、取电方便的场合,优先使用电动机作为原动机。对于移动式液压系统,例如行走机械所配备的液压系统,可以使用内燃机作为原动机。此外,取电不便时,也可使用内燃机。

3 液压泵的选用

3.1 结构形式

液压泵按照不同的结构形式,可以分为齿轮泵、叶片泵、柱塞泵等[3]。每种泵的结构形式不同,工作效率也有一定差异。各种结构形式液压泵的总效率见表1[4]。柱塞泵由于圆柱面运动副泄漏量极小,容积效率很高,因此总效率较高。齿轮泵由于泵体内腔内泄漏严重,容积效率低,因此总效率较低。

表1 液压泵总效率

泵的总效率不同,意味着工作时液压泵的功率损失也不同。选用液压泵时,除考虑液压系统的工作情况和所需要的压力、流量、工作稳定性等因素外,还应考虑泵的总效率。例如,负载大、功率大的液压设备,如龙门刨床、拉床、液压压力机等,可选用径向柱塞泵或轴向柱塞泵,在满足高压力的同时,能够提高传动效率,节约能量;一些负载小、功率低的液压系统,如送料装置液压系统、机床夹紧装置液压系统等,可选用齿轮泵或双作用叶片泵等,不但能够节省成本,而且方便维护维修。对于组合机床,需要实现空载快速进给、工作慢速进给、空载快速退回的工作循环,即小负载时快速运动,大负载时慢速运动,这一要求与限压式变量叶片泵的压力流量特性相匹配。限压式变量叶片泵作为组合机床的动力源时,可使输入功率不会出现较大起伏,在最大程度上利用原动机功率,节省能量。

3.2 定量泵与变量泵

排量可变的泵称为变量泵,反之称为定量泵。定量泵和变量泵在液压系统中均有广泛的应用。在设计液压系统时,应根据机械设备工作装置的特点及节能特性等因素进行定量泵和变量泵的选用。

对于工作速度比较稳定,即流量比较固定的液压系统,可使用定量泵作为动力源。如果单纯使用定量泵,而没有调速措施,那么执行装置的速度将不会发生变化,不适合用于工作速度经常发生变化的场合。

在定量泵供油的液压系统中,用流量控制阀对执行元件的运动速度进行调节,所对应的回路称为节流调速回路。节流调速回路是在工程机械、矿山机械、组合机床、压力加工等领域应用较为广泛的一种调速回路[5]。图1所示为回油路节流调速回路。在节流调速回路中,由于溢流阀始终处于调压溢流状态,系统工作时总有一部分压力油液通过溢流阀流回油箱,因此会造成较大的能量损失,系统效率不高。

图1 回油路节流调速回路

当机械设备工作时的速度连续变化而需要无级调速时,可使用变量泵。变量泵与液压马达可组成容积调速回路。容积调速回路是利用变量泵的排量变化来实现调速的一种回路,如图2所示。容积调速回路动力元件所输出的油液直接进入执行元件,既没有节流损失,也没有溢流损失,因此回路效率较高,且调速方便,在大功率、大负载液压控制系统中有广泛应用[6]。当然,变量泵相对于定量泵而言,价格更高,控制更复杂,抗污染能力较弱[7]。此外,容积调速回路一般多为闭式回路,由于液压油存在泄漏,必须配置相应的补油油路。容积调速回路应用于大功率系统中,油液的发热比较严重。油液温升过高会引发一系列问题,如油液劣化变质等,因此有时需要单独设计置换油路,以满足液压油的冷却要求。这样会加大液压系统的功率损耗,降低传动效率。

近年来,随着电动机变频调速技术的不断发展与进步,变频调速电动机与定量泵的组合越来越多地出现在液压调速系统中。

图2 容积调速回路

电动机作为原动机时,液压泵输出流量与电动机转速的关系为:

q=ηvVn/1 000

(1)

式中:q为液压泵的流量;ηv为液压泵的容积效率;V为液压泵的排量;n为液压泵的转速,即电动机的转速。

异步电动机输出轴的转速n为:

n=60f(1-s)/p

(2)

式中:f为电动机电源的频率;s为电动机的转差率;p为电动机定子绕组的磁极对数。

由式(1)、式(2)可得液压泵的流量q为:

q=0.06ηvVf(1-s)/p

(3)

由式(3)可知,变频调速技术通过改变电动机定子绕组供电频率来改变电动机转速,从而调节液压泵的转速,实现对液压泵输出流量的控制,使液压泵的输出流量满足工艺需求,调速时既没有节流调速的溢流损失,也没有容积调速油液温升过快等缺点。变频调速范围宽,平滑性好,具有优良的动态特性与静态特性,是一种较为理想的高效、高性能调速手段[8]。将电动机变频调速技术应用于液压系统,可以简化液压回路,减少液压系统的能量损失,提高系统效率。

3.3 单泵与多泵

在液压系统中,液压泵的数量可以是一个,也可以是多个。泵的数量取决于系统的作业要求,同时也要考虑节能。工作装置的动作比较单一,或动作较多但没有复合动作时,可选用单泵,如推土机液压系统。

当液压系统中存在多回路、多执行元件时,宜选用多泵。由于这类系统中多个执行元件往往既有独立动作,又有复合动作,因此若采用单泵,势必会造成发动机功率不能充分利用,从而产生较大的能量损耗,降低发动机功率的利用率。

图3所示为液压挖掘机的双泵双回路液压系统。A泵向动臂液压缸、斗杆液压缸、回转液压马达及左行走液压马达供油,组成一个回路。B泵向铲斗液压缸、动臂液压缸、斗杆液压缸、右行走液压马达供油,组成另一个回路。

图3 液压挖掘机双泵双回路液压系统

两个回路之间互不干扰,可以各自独立进行工作,也可以保证进行复合动作。在挖掘机工作的一个周期内,动臂和斗杆都存在各自单独动作的可能性,为提高生产效率,采用A泵与B泵双泵合流的方式,即换向阀2与换向阀3的阀芯串联,换向阀4与换向阀5的阀芯串联。当动臂或斗杆单独动作时,可以实现双泵合流,单独向动臂液压缸或斗杆液压缸供油,从而实现动臂液压缸或斗杆液压缸的快速伸出与缩回,进一步提高生产效率和发动机的利用率[9]。

4 结束语

随着能源的日益紧缺,节能无疑具有十分重要的现实意义。在设计液压系统时,设计人员一般更多注重系统的功能和可靠性。如果不考虑能耗,那么会因为液压油温度升高而增大泄漏量,降低密封效果,危及装备使用的可靠性和安全性,同时也与当前建设节约型社会不相符[10-14]。在设计液压系统时,合理选用能源装置,可节约能量,提高效率。笔者对液压系统能源装置进行了节能分析,为能源装置的选用提供参考。