高源

本鋼浦項(xiàng)冷軋薄板有限責(zé)任公司，遼寧本溪，117000

0 引言

在各種能源資源都日趨緊缺的背景下，節(jié)能成為新時(shí)代的發(fā)展主題。根據(jù)相關(guān)的調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，在設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)時(shí)，相關(guān)設(shè)計(jì)人員的主要研究重點(diǎn)為系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)以及安全性與可靠性的提高，這樣節(jié)能的重要性往往會(huì)被忽略，從而導(dǎo)致了一系列問(wèn)題的發(fā)生。針對(duì)這一情況，就需要在液壓系統(tǒng)中合理應(yīng)用節(jié)能技術(shù)，以助于各項(xiàng)能量損失的減少、裝備使用壽命的延長(zhǎng)，從而確保系統(tǒng)工作的可靠性。

1 液壓系統(tǒng)的能量損失

根據(jù)相關(guān)的調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段導(dǎo)致液壓系統(tǒng)能量損失的原因主要包括以下幾個(gè)方面。①能量轉(zhuǎn)換損失。這主要是由于能量轉(zhuǎn)換元件在進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換時(shí)受到機(jī)械摩擦以及壓力等影響而導(dǎo)致的；②匹配損失。這主要是由于動(dòng)力源與負(fù)載特性難以相互適應(yīng)所引起的；③傳輸損失。這主要是由結(jié)構(gòu)布局所決定的；④由于設(shè)計(jì)方面存在問(wèn)題造成了能量損失情況的發(fā)生；⑤能量損失情況的發(fā)生可能是由于工作介質(zhì)的選擇不合理[1]。

2 恒功率控制型變量柱塞泵在液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用

為了能夠有效減少功率損失，就需要將恒功率控制型變泵量柱塞泵合理應(yīng)用于液壓系統(tǒng)中，此類(lèi)泵的主要特點(diǎn)是在低壓情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)較大流量的輸出，并且會(huì)隨著泵出口壓力而不斷增高，這樣泵的輸出流量也會(huì)隨之而不斷減小，恒功率控制型適泵的工作原理則是將功率調(diào)節(jié)模塊增加于恒壓泵上，這一功率調(diào)節(jié)模塊一定是能夠讓泵輸出流量不斷變小的，而功率閥則能夠發(fā)揮這一效用。泵輸出的特性主要可分為以下幾個(gè)狀態(tài)：①如果泵出口壓力處于較低狀態(tài)時(shí)，那么變量活塞就能夠明顯縮回，而斜盤(pán)的傾角則是最大的，那么輸出流量也是最大的。②如果泵出口壓力不斷升高，并且能夠?qū)β书y的彈簧設(shè)定壓力有效克服，那么斜盤(pán)傾角則能夠在變量活塞的驅(qū)動(dòng)下逐漸變小，這樣與之對(duì)應(yīng)的輸出流量則會(huì)隨之而不斷下降。倘若變量活塞以及功率閥均有機(jī)械反饋?zhàn)饔么嬖冢敲磯毫ι仙约傲髁肯陆禃r(shí)，就會(huì)保持在一定的范圍之內(nèi)，這樣壓力與流量的關(guān)系則為反比關(guān)系，從而能夠使壓力與流量的乘積，也就是液壓功率無(wú)限接近于常數(shù)，從而稱(chēng)之為恒功率。③如果泵出口壓力上升到恒壓閥的設(shè)定壓力，那么斜盤(pán)傾角則會(huì)在變量活塞的驅(qū)動(dòng)下無(wú)限接近于零，此時(shí)泵只能在系統(tǒng)壓力下對(duì)泄漏量予以維持。除此之外，還可以在液壓系統(tǒng)中應(yīng)用負(fù)載敏感泵，這是容積調(diào)速回路的主要構(gòu)成部分。壓力補(bǔ)償（恒壓）控制型柱塞泵的功率特性主要是利用泵出口的恒壓閥手輪進(jìn)行調(diào)節(jié)，倘若泵出口壓力不能與恒壓閥設(shè)定的壓力值相符，這樣的泵就可以作為定量泵；倘若泵出口壓力能夠與恒壓閥設(shè)定的相應(yīng)壓力值相符，并略微超過(guò)，那么泵所輸出的流量就會(huì)逐漸變小，一直到截流方可通知，實(shí)際上就是在維持系統(tǒng)壓力時(shí)，系統(tǒng)不會(huì)接收到相應(yīng)的流量，當(dāng)然在這樣的情況之下，也不會(huì)出現(xiàn)溢流損失情況。而負(fù)載敏感控制型柱塞泵的功率特性則是將流量調(diào)節(jié)模塊增加于恒壓泵上，這一流量調(diào)節(jié)模塊則能夠讓泵變量機(jī)構(gòu)動(dòng)作。

3 液壓系統(tǒng)的節(jié)能措施

壓力損失與旁路損失是導(dǎo)致液壓系統(tǒng)能耗損失的兩個(gè)主要原因，為了能夠?qū)⑦@兩種損失大大減少，以促進(jìn)整個(gè)系統(tǒng)效率的提高，就需要優(yōu)化利用節(jié)能技術(shù)。以下為液壓系統(tǒng)的主要節(jié)能措施。

3.1 液壓泵選用高效率、低能耗產(chǎn)品

作為初次能量轉(zhuǎn)換的裝置，泵會(huì)極大地影響液壓系統(tǒng)的總效率。要想促進(jìn)能源利用率的提高，就需要對(duì)動(dòng)力源進(jìn)行合理選擇，這是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。根據(jù)相關(guān)的調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，栓塞泵在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中中，不僅能夠達(dá)到良好的節(jié)能目的，而且運(yùn)行效率相對(duì)最高；螺旋泵雖然也具有良好的節(jié)能效果，不過(guò)運(yùn)行效率相比于栓塞泵要略低一些；葉片泵雖然運(yùn)行效率與螺旋泵不相上下，不過(guò)節(jié)能效果與預(yù)期目標(biāo)有著一定差距；齒輪泵相比于其他三種類(lèi)型的泵，不管是節(jié)能效果，還是運(yùn)行效率都是相對(duì)較低的，但不管是哪種泵，都有著各自的優(yōu)勢(shì)與不足。在選擇這些泵時(shí)，需要根據(jù)液壓系統(tǒng)的復(fù)雜程度、流量精度要求等實(shí)際需求，進(jìn)行泵源的優(yōu)化組合，而且為了能夠不斷提高其運(yùn)行效率，就要適當(dāng)進(jìn)行變頻調(diào)速，并適時(shí)調(diào)節(jié)輸出功率[2]。

不同功能的液壓回路對(duì)于動(dòng)力源有著不同的要求，通常情況下，可將其分為三大類(lèi)。第一類(lèi)，壓力接近或者是壓力相同的壓夜系統(tǒng)，其流量變化是相對(duì)較大的，那么動(dòng)力源則需要使用恒壓變量泵；第二類(lèi)，如果是泵保壓系統(tǒng)、蓄能器系統(tǒng)等液壓系統(tǒng)，其功率都相對(duì)較大，且負(fù)載逐漸緩慢性地增大、有較長(zhǎng)保壓時(shí)間要求的，那么就需要選擇恒壓恒功率變量泵；第三類(lèi)，如果是多執(zhí)行元件系統(tǒng)，那么其壓力不同、流量也不同，在這種情況下，就可以采用雙壓、雙流量恒壓變量泵或者是負(fù)載傳感變量泵。

3.2 合理設(shè)計(jì)液壓回路

液壓系統(tǒng)功率損失對(duì)于系統(tǒng)總功率會(huì)帶來(lái)不同程度上的影響，而且還極有可能引起油液變質(zhì)、油溫升高等其他現(xiàn)象的發(fā)生，從而會(huì)導(dǎo)致液壓設(shè)備在實(shí)際運(yùn)行中會(huì)發(fā)生一系列故障問(wèn)題。所以，在進(jìn)行液壓系統(tǒng)的液壓設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，一定要始終貫徹落實(shí)節(jié)能這一原則，并且在不會(huì)對(duì)系統(tǒng)各項(xiàng)功能指標(biāo)帶來(lái)影響的情況下，要高效、經(jīng)濟(jì)地利用各種能量?？偠灾?，要想將液壓系統(tǒng)的功率損失有效降低，就一定要綜合對(duì)各種措施進(jìn)行利用，一定要選用高效且節(jié)能的動(dòng)力源系統(tǒng)。根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)探究發(fā)現(xiàn)，在不同工況下液壓設(shè)備的能量消耗會(huì)呈現(xiàn)出極大差異性。導(dǎo)致液壓設(shè)備能量消耗比較大的原因主要為壓力過(guò)大，而動(dòng)力源的輸出流量比具體的系統(tǒng)需求明顯大很多。所以，為了能夠達(dá)到動(dòng)力源的節(jié)能效果，就需要采取具有針對(duì)性的措施將匹配效率逐漸提高。以下為節(jié)能型的動(dòng)力源系統(tǒng)簡(jiǎn)介。①采用兩臺(tái)油泵組成供油回路。組成供油回路的兩臺(tái)油泵不管是壓力方面與流量方面，還是類(lèi)型方面，都有著極大的不同，多數(shù)情況下，油泵的工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換則是利用電磁閥來(lái)實(shí)現(xiàn)的，以助于實(shí)現(xiàn)能源的節(jié)約，并且能夠?qū)⒁簤合到y(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率提高。液壓泵是一種高壓小流量變量泵，使其流量遠(yuǎn)遠(yuǎn)比具體需求更大，所以，就應(yīng)該通過(guò)安全閥對(duì)其工作壓力來(lái)進(jìn)行合理調(diào)定。而另一個(gè)液壓泵則屬于低壓大流量定量泵，為了能夠滿(mǎn)足整個(gè)液壓系統(tǒng)快速運(yùn)動(dòng)需求，就需要將兩個(gè)液壓泵流量相加，這樣該液壓泵的工作壓力則明顯更小于液控順序閥的調(diào)定壓力。根據(jù)相關(guān)的實(shí)踐研究表明[3]，這種快速回路是十分復(fù)雜的，而且成本相對(duì)較高，不過(guò)其功率利用率也非常高。②供油回路采用二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)。二次元件、恒壓源以及控制調(diào)節(jié)裝置等都屬于二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)的重要組成部分。在恒壓回路中，為了能夠使二次元件排量得到有效改善，僅僅將二次元件的斜盤(pán)傾角進(jìn)行合理改變就行。不過(guò)為了能夠有效調(diào)整變量泵排量，就需要對(duì)系統(tǒng)壓力進(jìn)行充分利用。倘若是在液壓泵工況下工作的二次元件，就需要將相應(yīng)的能量回饋給系統(tǒng)，這樣這些回收的能量就能夠儲(chǔ)存在蓄能器中。所以，二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)的壓力則會(huì)處于一個(gè)恒定狀態(tài)中，這樣在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中就不會(huì)存在節(jié)流損失情況發(fā)生，以極大地提高液壓系統(tǒng)的效率。所以，供油回路所應(yīng)用的二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)則能夠?qū)⒐?jié)能效果充分發(fā)揮出來(lái)。

3.3 合理配置油箱

為了能夠使節(jié)能技術(shù)在液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用效果更加顯著，就需要合理配置油箱。首先，要合理對(duì)油箱容量進(jìn)行配置。眾所周知，貯油以及散熱是油箱的主要功能，另外，還能夠把空氣以及雜物等都從油中分離出去。要想能夠使油料資源被有效節(jié)約，就需要在進(jìn)行油箱設(shè)計(jì)時(shí)確保其能夠與液壓系統(tǒng)的容量要求相適應(yīng)[4]。倘若在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，油箱容量過(guò)大，那么設(shè)備容量與設(shè)備占地范圍也會(huì)隨之而不斷增大。倘若在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，油箱容量過(guò)小，又與預(yù)期散熱效果不相符，那么就極為容易導(dǎo)致油溫大大升高，這會(huì)嚴(yán)重影響液壓油的使用壽命。根據(jù)相關(guān)的實(shí)踐研究發(fā)現(xiàn)，倘若油溫超過(guò)550攝氏度，那么每升高90攝氏度，液壓油一半左右的壽命就會(huì)縮短，所以，對(duì)于油箱的有效容量一定要合理設(shè)計(jì)與確定。其次，對(duì)于液壓油的使用管理也要進(jìn)一步加強(qiáng)。為了能夠使油液的使用壽命有效延長(zhǎng)，就需要合理使用液壓油，與此同時(shí)，還需要將液壓油的現(xiàn)場(chǎng)管理工作做到位。具體而言，主要包括以下幾個(gè)方面的工作內(nèi)容：①要優(yōu)化并改善油箱的周邊環(huán)境；②定期檢查油液質(zhì)量以及油面高度；③要將油液溫度的相應(yīng)監(jiān)控工作做好，并及時(shí)進(jìn)行記錄，以確保油溫能夠始終在規(guī)定的指標(biāo)值范圍內(nèi)；④對(duì)于液壓油的污染要進(jìn)行嚴(yán)格控制。

3.4 基于功率匹配的節(jié)能手段

在設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)時(shí)，主要是將各種功能作為基礎(chǔ)。功率匹配的液壓系統(tǒng)，其負(fù)載特性曲線與輸出功率通常都是相適應(yīng)的，這樣所產(chǎn)生的流量或者是壓力并不會(huì)過(guò)度，更不會(huì)通過(guò)溢流閥溢出。簡(jiǎn)單來(lái)理解，也就是在沒(méi)有負(fù)載的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)保持低速轉(zhuǎn)動(dòng)，從而能夠使泵的輸出功率變得最?。蝗绻窃谟胸?fù)載的情況下，那么發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速則需要由不同工況的實(shí)際需要所決定，并且要對(duì)泵的工作方式進(jìn)行控制。這樣泵不管是在什么情況下（空載或滿(mǎn)載）都不會(huì)實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)轉(zhuǎn)，這樣不僅會(huì)導(dǎo)致燃油大大浪費(fèi)，使液壓泵的磨損大大增加，而且又會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)生熱過(guò)多，密封圈損壞，從而增加了泄漏的概率以及裝備的不安全性，比如采用的是變量柱塞泵的功率匹配液壓系統(tǒng)。首先，要將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的負(fù)載逐漸轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)，而對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的油門(mén)開(kāi)口度進(jìn)行控制時(shí)，就需要利用微機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣還有助于控制發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而能夠?qū)α鞒鲆簤罕糜鸵旱牧髁颗c壓力進(jìn)行優(yōu)化控制，再對(duì)油門(mén)位置以及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，這樣就能夠?qū)⑴c負(fù)載相匹配的功率自動(dòng)輸出出來(lái)。這樣更有利于控制流量，而隨著負(fù)載的變化，泵的壓力也能夠隨之自動(dòng)變化，所以能夠?qū)崿F(xiàn)更理想的節(jié)能效果?，F(xiàn)階段的節(jié)能控制技術(shù)主要是對(duì)自動(dòng)控制技術(shù)與比例控制技術(shù)進(jìn)行綜合利用，其價(jià)格相對(duì)高昂，只在自動(dòng)化程度較高的系統(tǒng)中相適應(yīng)，而PID控制器的形式則主要是離散形式[5]。

3.5 采用能量回收措施節(jié)能

在液壓系統(tǒng)中應(yīng)用節(jié)能技術(shù)，還可以使用能量回收措施，也就是將蓄能器安裝在液壓系統(tǒng)中。這樣能量就能夠被有效地貯存或者回收，在系統(tǒng)運(yùn)行中就能夠成為其中的輔助動(dòng)力源，系統(tǒng)所需的油則是與液壓泵一起來(lái)完成。要想在不影響系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上將液壓泵以及原動(dòng)機(jī)的容量大幅度減少，就需要合理匹配蓄能器參數(shù)與液壓泵參數(shù)，這樣更有利于合理應(yīng)用系統(tǒng)能量，并使系統(tǒng)發(fā)熱與升溫情況大大減少，從而促進(jìn)系統(tǒng)效率的大幅度提升?，F(xiàn)階段，在各類(lèi)液壓設(shè)備中基本上都將蓄能器作為輔助動(dòng)力源進(jìn)行廣泛應(yīng)用，這是當(dāng)前液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)節(jié)能的一個(gè)重要手段。不同的執(zhí)行器，在能量回收時(shí)其油路也具有較大差異。如果是液壓缸執(zhí)行器，則能夠有效回收負(fù)載機(jī)械能，而定量泵或者是馬達(dá)則具有4個(gè)象限功能，分別為正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、泵、馬達(dá)等，此時(shí)所選用的結(jié)構(gòu)則是柱塞式結(jié)構(gòu)。倘若變量泵或者馬達(dá)處于工況時(shí)，就需要由液壓缸驅(qū)動(dòng)外負(fù)載做功；如果是將變量泵作為泵時(shí)，就可以在進(jìn)行能量回收時(shí)，把負(fù)載的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液體的壓力能，這樣蓄能器中就能夠儲(chǔ)存系統(tǒng)多余的壓力油液。在進(jìn)行能量回收時(shí)，需要對(duì)變量泵的排量進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，這樣就能夠產(chǎn)生一定的阻力，以平衡外負(fù)載，從而能夠避免超速運(yùn)行的情況發(fā)生。如果是液壓馬達(dá)執(zhí)行器，那么負(fù)載落下時(shí)的能量則能夠在壓力油箱中儲(chǔ)存，再利用起重機(jī)也就是液壓馬達(dá)空載向上返回，同時(shí)將制動(dòng)作用充分發(fā)揮出來(lái)。而泵則能夠使負(fù)載提升得更加緩慢，在將二通換向閥后就能夠接通，這樣負(fù)載下落之后，就能夠使液壓馬達(dá)作為相應(yīng)的泵，在壓力油箱中輸入油箱中的油，隨著液面的逐漸升高以及壓力的逐漸上升，連續(xù)制動(dòng)效果就能夠逐漸產(chǎn)生[6]。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，隨著經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)速度的日益加快，各種能源資源都變得比較緊缺，為了能夠有效緩解這一問(wèn)題，就需要注重節(jié)能技術(shù)的發(fā)展。在液壓系統(tǒng)中，應(yīng)用節(jié)能技術(shù)的主要目的是在確保不會(huì)對(duì)系統(tǒng)功能產(chǎn)生影響的情況下，將溢流損失盡可能減少，并且能夠讓泵的流量與負(fù)載所要求的流量保持一致性。以往只追求功能的設(shè)計(jì)思想與現(xiàn)代化液壓系統(tǒng)的實(shí)際需求并不相符，所以要積極轉(zhuǎn)變這一思想，緊隨時(shí)代發(fā)展步伐，注重功率匹配以及初始能量轉(zhuǎn)換效率的提高，這樣既有利于能源的有效節(jié)約，又能夠在確保運(yùn)行效率與安全性和可靠性的前提下節(jié)約運(yùn)行成本。