液压系统节能技术的应用与发展研究

姜兴旺

（北京首钢股份有限公司，河北 迁安 064404）

我们国家曾在2020年的联合国大会上承诺于世界各国，我们国家会努力争取在2030年实现碳峰值，并在2060年之前完成碳中和，这一承诺不仅塑造了我们负责任的大国形象，而且还彰显了我们国家主动承担全球气候变化的国际责任、助力形成人类命运共同体的大国担当，也是祖国建设的有力保障与需要。

1 液压元件的节能技术

液压元件的能源消耗主要体现在元件在运行过程中，元件以及连接位置时常会存在泄漏、摩擦以及发热等现象。就损耗多少来看，损耗最多的为液压泵和马达，接下来是阀门类，比如溢流阀存在的溢流损失以及安装在液压缸或马达回油路上的背压阀发生的压力损耗等。在液压系统中使用频率最高的液压节能元件主要有限压变量泵、恒定功率变量泵、恒压变量泵以及蓄能器等[1]。

1.1 负荷敏感式变量柱塞泵

此种类型的柱塞泵拥有质量小、变量性能好、工作效率高以及脉动低、噪音小等优点[2]。为了方便对负荷信号进行采集，对该类柱塞泵进行设计时还特地设计出了一个外控负荷敏感口。所以，在实际应用过程中，只需要使用尺寸大小合适的管道便能够把符合信号发射出去，直接连接到泵的负荷敏感口即可（泵排量会根据负载情况而实现自动调节），执行元件速度不会受到负载的影响，但是阀芯开口大小会对其产生一定影响。

1.2 低功耗电磁阀和自保持型电磁阀

电磁阀在液压控制阀门中属于应用比较多的一种，因此需要对总功率进行重点关注。老式电磁阀配备的电磁铁耗能一般不低于10W，功耗比较大。最近几年，研制出来了功耗更低的电磁阀，在研发的过程中所使用的技术是先导式双级控制以及优化阀内弹簧设计，达到驱动功率变小的目的。这种电磁阀具备节能效果显著、温升低、使用周期长、静音效果好以及更加容易实现微机控制等优点[3]。

自保持型电磁阀对电磁阀进行开关只需要瞬间给电，阀芯位置在没有电源的情况下仍旧可以维持。最大的优势在于能耗低，特别是在一些电池充当电源的场所，而且温升相对更小，以致于延长了线圈使用周期，在高低温以及防爆等场所具有非常好的安全性。

1.3 插装阀

二通插装阀出现于上个世纪70年代后类属于控制元件，由相关组件、阀体以及先导控制装置等一同构成。此类阀门具有以下优点：①插装阀与先导控制相组合，可起到多功能控制的效果，因此可以将每条流道上的串联阀门数目减到最少，同时对大流量的主回路还能起到简化作用。②尽管先到控制使用的还是润阀元件，但是通流功率有所下降，流动损失相应变小。③锥阀式插装阀较之同通经滑阀具有开启度大、流动顺畅、密封性好等特点，因此在压力损耗与泄露损失方面也有所下降[4]。

由此可见，用插装阀取代以前的滑阀式元件所构成的液压系统，在节能效果方面更具优势。

1.4 变截面液压缸

常规活塞缸的内部是直径相等的圆柱表面，活塞此时会时刻与其内部接触。而变截面液压缸在对内壁进行设计时采用的是两个直径不等的圆柱面，即常见的阶梯型。以阶梯为分界，上为空行程段，下为工作段。基于液压缸上段缸体内壁直径变大，当活塞在上半段时不予内壁发生接触。油缸上下两腔两部分借助活塞与缸体内壁空隙完成完美连接，这时油液在缸体内实现“体内循环”，此时与柱塞缸无异，柱塞直径与活塞直径一样；当活塞处于运行到下段时与缸体内部是接触的，此时被称之为活塞缸。通过应用此种液压缸，在上下空行速度一样时，因受到“体内循环”影响，油缸的进油量与排出量会呈现下降趋势。这时，液压泵及其电机工作功率会明显下降，继而规避了选取大流量、大功率液压泵造成的能量损耗。

1.5 选用液压蓄能器

蓄能器被作为液压系统高频辅助元件之一，主要被充当动力源、紧急动力源泄露补充以及维持压力恒定、缓解液压冲击以及吸收脉动减弱噪音等使用。在设计过程中对蓄能器相应参数以及液压泵参数进行合理设置，在满足系统功能不受阻碍的基础上，有效降低液压泵以及原动机的装机容量，同时确保液压系统能量得到有效利用，促使系统降低发热、温升，从而对系统效率实现有效提升。当下，蓄能器充当辅助动力源被大力应用到液压设备中，被当成是液压系统达到节能效果的关键技术手段之一。

2 液压系统的节能技术

2.1 合理选择液压源

对液压源进行选择的过程中，首先应该对液压系统的运行状况进行有效分析，对负载压力、流量及其功率的实际分布与基本要求进行掌握，从而更好的对液压源进行选择。为了让系统实现高效率、高节能的运行效果，现代化的液压系统具备压力补偿控制、负载感应控制以及功率协调等特性。高效的系统不仅可以供给动力源压力、流量，还能够和执行元件负载实现协调。力士乐公司研究发明出来的泵控技术，去掉了全部控制阀，使得液压系统的效率得到了显著提高。

2.2 控制元件的选择

控制元件不属于能量转换元件，而是属于阀类元件一类，同为流阻。因此它也注定会失去一定压力，进而致使系统效率无法被保证，所以对控制元件、液压节能元件进行选择时必须要慎重。对系统方案进行设计时，应该结合系统中有关位置以及最大运行压力、流量选择出最佳的规格。在条件充分的情况下，还应该将分离式单功能元件用集成阀进行取代，以此来达到节能的最佳效果。

2.3 充分利用复合传动实现节能

有些场所利用其他传动方式与液压系统组合所形成的新的复合型传动控制装置，填补两者之间的不足之处，以此达到节能标准。

第一，机械与液压、泵与马达组合构成的纯液压传动装置应用在大功率主传动的状况中时，具有体积偏大、质量超大以及最大传动效率比较低等不足之处，其中机械一液压组合成的符合传动装置能够兼容液压传动与齿轮传动的优点，弥补以上不足之处。它把液压传动装置和行星齿轮结构组成了一个整体结构，促使机械部分对大部分功率的传输工作进行负责，而液压部分会将剩下的功率传输工作完成。由于机械部分在传动效率方面的效率比较高，哪怕液压部分效率无法保证它也能够保证很好的总效率，由此可见液压部分承担了该装置的调速功能。

第二，气一液形成的传动装置，由于气体与液体同属于流体，因此更容易实现界面转换，与其它传动模式相比更具优势，这种复合装置与纯液压型相比，具有节约资源、经济效益高、响应速度快以及泄露途径少等优势，因此其应用范围更广，发展更加迅猛。

2.4 定量泵加变频调速电机电液系统

异步电机在变频调速中因为它在调速方面具有效率高以及性能好等优势，被大力应用到液压系统中；最以大功率间歇运动调速系统运用最多，其中注塑机比较典型。交流变频调速液压系统较之现有节流调速系统，不仅有效规避了节流、溢流损失以及卸荷损耗，而且在很大程度上还提升了原有异步电机的实际工作效率，对功率因数进行了完善，这也正是优于其调速模式的地方[5]。借助变频器对泵的转速进行改变，促使泵在输出流量时能够满足系统需要，减弱溢流损失，从而实现解决能源的目的。

2.5 定量泵加比例阀的压力匹配系统

该系统在溢流节流调速的基础上，保障系统稳定运行的同时，使得液压泵在供油时的压力随着负载变化而进行变化，将功率损耗与发热量降到最小，从而实现效率提升的最终目的。同样使用变量泵加比例节流阀/比例换向阀抑或是定量泵加比例节流溢流阀，也能将效率提26%～43%。

2.6 容积调速液压系统

该系统主要通过改变液压泵或者液压马达的排量进而完成速度调控[4]。液压泵排放出来的的压力油完全转至液压马达，有效减少了节流与溢流损耗。此种系统由于具有工作效率高、发热量少并且调速区间宽等特性，通常会用于功率相对较大无级调速液压系统中，如收获机或者是拖拉机等液压驱动系统。

3 液压系统管理的节能措施

上文中提及的所有节能措施都有利于液压系统实现更好的节能效果，但是如果缺少好的管理，液压系统的节能效果依然得不到很好的发挥。对运用进行管理的主要目的与意义就在于为液压系统拥有极佳的工作状态提供保证，促使系统性能得到更好的发挥，以实现最佳的节能效果。在实际生产过程中可以利用以下4种管理措施进行干预。

首先，应该对设备有关检修、保养等有关人员定期开展基础知识培训与专业训练，帮助其储备一定的专业知识技能与管理经验。

其次，建立健全点鉴定维修制度，对系统的实际运行状况进行详尽掌握，对于查出的故障及时采取措施进行消除，降低问题出现的几率，从而保证系统稳定运行。

然后，对液压控制系统进行不断优化，如对控制速度进行优化以此来降低系统压力的冲击，并将油温控制在合理范围内，缩短液压系统在无负载状况下的运行时间等。

最后，促使液压系统始终保持清洁干净。镜柜液压专家以及元件制造厂相关统计数据发现：高达85%的液压元件故障是由于油污造成的。加拿大给出的统计数据显示约有70%～80%的液压系统失灵是因为油液纯净度不高造成的[6]。这也就意味着液压系统的清洁度对于系统实现正常运行具有非常重要的保护作用，让系统拥有最佳的清洁度，能够减轻液压元件磨损程度，减少泄漏发生率，有效降低系统故障与外泄几率，这在很大程度上对于系统实现节能降耗具有至关重要的作用。

4 液压节能技术的未来发展趋势

近年来，由于数字技术不断向前发展以及软件技术的飞速进步，液压节能系统的发展也趋向于高性能、易操作以及节能性号等。其发展趋势主要体现在以下几个方面。

（1）对液压系统中的动力装置效率进行有效提升，减少能耗，逐渐提高运行效率。

（2）设计出全新的液压系统或者对现有液压系统进行优化完善，进而达到液压系统功率提高、能耗降低的目的。

（3）利用具有节能效果的控制元件、执行元件以及辅助元件，不断提高基础材料质量与加工精度，对加工工艺进行改进创新等。

（4）积极研发全新的连接方式或密封材料，减少泄漏概率。

（5）做好液压机械设备的防泄漏措施；对液压油的纯净度进行不断提高，同时对用过的液压油实行净化处理以实现循环利用的目的。

（6）对液压系统中的能量进行回收，经过相应处理后再加以利用。

（7）主动与其它新型节能技术、制造加工工艺以及新型材料进行有机融合。

5 结语

总之，将高效率的液压元件应用到液压系统中去，并对其进行适时调节，有利于提高系统效率，有利于对相应元件管路进行合理设置，同时对油液进行合理选择，利用新型技术与材料确保液压系统实现节能降耗的目的。利用上述措施能够帮助系统效率有效提高5%～15%。提升其工作效率满足节能环保与可持续发展要求，促使其在今后发展中发挥出更主要的作用。