提高液壓傳動系統(tǒng)工作效率的有效途徑探討

孫 婧 (北方工業(yè)學校，遼寧 盤錦 124021)

提高液壓傳動系統(tǒng)工作效率的有效途徑探討

孫 婧 (北方工業(yè)學校，遼寧 盤錦 124021)

針對液壓傳動系統(tǒng)能量消耗大、對整個系統(tǒng)工作的可靠性和液壓系統(tǒng)工作元件的使用壽命造成不良影響等問題，從設計和維護方面對提高液壓傳動系統(tǒng)工作效率的有效途徑進行了探討。提高液壓傳動系統(tǒng)工作效率的有效途徑，可以從正確選取液壓元件的類型、提高液壓元件的工作效率、盡量減少壓力損失、采用減少能量消耗的液壓控制回路、科學地布置液壓集成閥中所有管網(wǎng)構(gòu)成的連通管路等方面入手，盡力減少系統(tǒng)工作時造成的能量損失，以期達到有效提高工作效率的目的。

液壓系統(tǒng)；工作效率； 能量消耗；液壓元件；回路；液壓集成閥

液壓傳動由于其傳動功率大、體積小、重量輕、傳動平穩(wěn)、又可實現(xiàn)無級調(diào)速和自我保護等優(yōu)點，使其廣泛應用于交通運輸、礦山機械、機械加工與制造、航空航天等領(lǐng)域。液壓傳動技術(shù)對于機電一體化的建設和發(fā)展起著舉足輕重的作用，目前已經(jīng)逐步發(fā)展成為諸多領(lǐng)域中的關(guān)鍵技術(shù)[1]。但能量損耗(如泄漏損耗、功率損耗等)大是不可忽視的問題，即在液壓傳動系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時，伴隨著液壓油的不斷循環(huán)，會有比較多的能量隨之發(fā)生消耗。而這些消耗的能量會轉(zhuǎn)化為熱能，不斷提高整個系統(tǒng)的溫度。長期處于較高溫狀態(tài)又會對整個系統(tǒng)工作的可靠性以及液壓系統(tǒng)工作元件的使用壽命造成不良的影響。因此，必須尋求一些提高液壓傳動系統(tǒng)工作效率的有效途徑。

1 采取效率高、性能優(yōu)的動力元件

動力元件是整個液壓系統(tǒng)正常工作的保障，是將機械能向液體壓力能轉(zhuǎn)換的裝置?？茖W的配備和選取高效率、性能優(yōu)的動力元件，是提高液壓傳動系統(tǒng)工作效率的最有效途徑之一[2]。

1.1正確選取動力元件

應根據(jù)工作環(huán)境采用合適的液壓泵。一般優(yōu)先考慮選取變量泵作為動力元件[3]。如果液壓傳動系統(tǒng)是選取定量泵來節(jié)流調(diào)速，那么會有若干個流量控制閥配置在整個油路中。這種油路工作元件的微速與低速狀態(tài)是通過旁路大的溢流損耗與流量控制閥大的節(jié)流損耗才得以實現(xiàn)，顯然整個液壓系統(tǒng)將會耗費很大能量，工作效率自然降低[4]。采用變量泵容積節(jié)流調(diào)速來替代定量泵的節(jié)流調(diào)速(并且采用調(diào)速閥代替節(jié)流閥)，整個系統(tǒng)的工作效率便可以得到明顯的改善。究其原因，變量泵可以針對工作狀態(tài)的改變同步進行自我調(diào)整，它是參照載荷的大小以及速度的快慢來自動調(diào)節(jié)輸出流量的，這樣就不會產(chǎn)生能量損耗。

1.2提高液壓泵的工作效率

如果工作時不計系統(tǒng)內(nèi)部的壓力損耗，則液壓泵總的工作效率[4]為：

η總=η機·η容

式中，η總為液壓泵總的工作效率；η機為液壓泵的機械效率；η容為液壓泵的容積效率。由上式可知，欲提高液壓泵總的工作效率，則需要通過提高其機械效率與容積效率來實現(xiàn)。因此，除了根據(jù)使用場合正確選擇液壓泵的種類(柱塞泵效率最高)以外，在選擇液壓泵的參數(shù)時，還需要考慮盡量使實際工作要求的壓力、流量與額定壓力、額定流量、轉(zhuǎn)速大小相匹配，即不可擴大或縮小規(guī)格使用。

1)液壓泵的結(jié)構(gòu)型式以及內(nèi)部壓力大小對其工作效率的影響 圖1為液壓系統(tǒng)中柱塞泵與齒輪泵總的工作效率隨壓力變化的關(guān)系特性曲線。由圖1曲線可知，在低壓區(qū)范圍內(nèi)齒輪泵的效率優(yōu)于柱塞泵；而在高壓區(qū)范圍內(nèi)柱塞泵工作效率明顯高于齒輪泵。因此，需要按照實際的荷載狀態(tài)合理的選取液壓泵的結(jié)構(gòu)類型，進而可以使其發(fā)揮較高的工作效率。內(nèi)部壓力在不超過2.6MPa時可以優(yōu)先使用低壓齒輪泵；壓力在2.6～6.2MPa之間時可以優(yōu)先采用能產(chǎn)生中壓的葉片泵；當壓力超過了16MPa的時候可以優(yōu)先考慮使用高壓、大流量的柱塞泵[5]。

圖1 柱塞泵與齒輪泵總的工作效率示意圖

2)液壓泵轉(zhuǎn)速大小對其工作效率的影響 大量的工程實踐以及試驗結(jié)果表明，液壓泵自身轉(zhuǎn)動的速度對其總的工作效率同樣有著重要的影響，當轉(zhuǎn)速1100～1900r/min之間時，其工作效率會比較高[4]。

2 提高執(zhí)行元件的工作效率

執(zhí)行元件主要是指液壓缸與液壓馬達。影響液壓缸或馬達工作效率的主要因素是泄漏。選取液壓缸時，需要充分考慮它的密封性。最好采用諸如橡膠混合材料的低阻力類型材料制作的密封件。如果液壓系統(tǒng)工作狀態(tài)比較復雜，速度變化范圍比較大，采用復合液壓缸(有關(guān)試驗研究顯示)，比相同種類普通液壓缸最高可以節(jié)能約80%，即便是在建筑工程機械以及機床等工作環(huán)境中，同樣可以達到令人滿意的效果。選用液壓馬達時不可以隨意降低其容量規(guī)格使用，以提高馬達的效率。

3 提高液壓控制閥的工作效率

油液在系統(tǒng)中循環(huán)，由于壓力損失而消耗了大量的能量，尤其以消耗在主控閥上為最。大量的工程實踐和室內(nèi)外試驗均表明，液壓閥內(nèi)部的壓力損耗與其額定流量存在比較密切的關(guān)系，在其實際工作流量低于額定流量的情況下，內(nèi)部的壓力損耗會得到有效的控制，進而其壓力效率便能夠得到有效的提高。

4 降低液壓系統(tǒng)內(nèi)部的壓力損耗

油液在管路和液壓元件中流動時會產(chǎn)生壓力損失。而這種壓力損失表現(xiàn)為沿程壓力損失和局部壓力損失。沿程壓力損失是指油液流經(jīng)長直管道時產(chǎn)生的壓力損失。這種壓損較小。而局部壓力損失則是油液流經(jīng)閥體、彎管、管接頭時產(chǎn)生的壓力損失，該壓力損失較大[6]。它與油液的流動速度有關(guān)。流動速度越大，產(chǎn)生的壓損也越大。減少系統(tǒng)的壓力損耗也是有效提高液壓系統(tǒng)工作效率的有效途徑之一。

4.1降低液壓管路內(nèi)部液體的流動速度

如果對液壓管路內(nèi)部液體的流動速度有一定的控制，使其在某一個范圍內(nèi)變化，便能夠降低液壓管路內(nèi)部的壓力損耗。一般認為，壓油管路內(nèi)部液體流動速度在2.8～6.2m/s之間、吸油管路內(nèi)部液體流動速度在0.8～1.3m/s之間變化是比較合理的。若液體粘度較高、管路距離較長以及內(nèi)部壓力較低時，則需要取小的值，反之取大值。

4.2減少局部阻力與控制閥的數(shù)量

當油液流經(jīng)閥體、彎管、管接頭或截面積突然變化時會產(chǎn)生沖擊，因而導致局部壓力損失。在進行液壓管路的初步設計時應盡可能減少彎管、變徑和閥體的數(shù)量，并使管路內(nèi)壁盡可能加工得光滑，以減少摩擦損耗[7]。而閥體在工作時，在進、出油口都會存在前、后壓差。壓差越大，局部損失則越大；因此，要盡量減小壓差以及閥體的數(shù)目。同時采用正確的管路直徑，以使管內(nèi)液體處于較低的流速，進而能夠降低整個系統(tǒng)工作時的壓力損耗。

4.3選擇合適液壓油粘度

作為工作介質(zhì)的液壓油不僅是能量的載體，是液壓系統(tǒng)中不可或缺的重要組成部分，它還可在整個系統(tǒng)工作過程中有效緩沖各個部件之間的碰撞、摩擦，保證系統(tǒng)順暢的運行。由此，液壓油會受到許多諸如摩擦、剪切、沖擊等復雜力的作用。如果其粘度過小或者過大都會影響整個系統(tǒng)的工作效率。所以，根據(jù)系統(tǒng)壓力和環(huán)境溫度選用合適粘度、高性能的液壓油也是提高整個液壓傳動系統(tǒng)工作效率有效途徑之一。

5 采用減少功率消耗的回路

5.1采用快速運動回路以減少功率損耗

圖2 液壓缸差動連接快速運動回路

圖3 雙泵供油回路

圖4 卸荷回路

圖5 帶自動補油的保壓、卸荷回路

當系統(tǒng)中執(zhí)行元件需要快速運動時，可對液壓缸實行差動連接(見圖2)、或采用雙泵供油回路(見圖3)。當執(zhí)行元件快速運動時，可以利用換向閥對液壓缸實行差動連接。2個換向閥均處于左位，即液壓缸2腔同時進油?；钊蜁?腔因存在有效面積差而產(chǎn)生的推力差的作用下向右運動。這樣，右腔流出的油液也同時進入液壓缸的左腔，實現(xiàn)了活塞向右的快速運動。快速運動時，泵1和泵2同時供油可以滿足快速運動時所需流量。工作進給時，采用泵2單獨供油。泵1可以停轉(zhuǎn)或卸荷，節(jié)省能量消耗。滿足活塞快速運動所需流量。還可以通過采用蓄能器配合小流量液壓泵來實現(xiàn)[8]。

5.2采用卸荷回路以減少功率消耗

容積調(diào)速回路是液壓傳動系統(tǒng)中必不可少的組成部分，主要用來控制執(zhí)行工作元件的運行速率。當液壓缸、馬達停止工作或系統(tǒng)處于高壓、低速運行時，由于容積調(diào)速回路的原因，液壓泵仍在旋轉(zhuǎn)，這時靠溢流閥的溢流來使多余的油液流回油箱，則會使液壓泵消耗大量的能量。如果采用保壓和卸荷回路(見圖4和圖5)，則會大大降低功率的消耗。

6 其他簡單有效的措施

除了以上措施可以有效降低系統(tǒng)功率消耗，還可以選取液壓集成閥[9]?？茖W地布置液壓集成閥中所有管網(wǎng)構(gòu)成的連通管路，盡量降低壓力損失而引起的能量損失，也可以有效提高系統(tǒng)工作效率。

液壓傳動系統(tǒng)還需要有專業(yè)人員定期對其進行清理保養(yǎng)與檢修。如果系統(tǒng)遭受過度污染，那么它的工作可靠性與使用壽命都會受到極大的影響，一旦發(fā)現(xiàn)問題應進行處理。

[1]唐萃微.淺談如何有效提高液壓系統(tǒng)的效率[J]. 科技信息，2007(30):28.

[2]譚麗霞，李桂范. 怎樣提高液壓傳動中的工作效率[J]. 黑龍江交通科技，2007，30(4)：87-88.

[3]張傳福. 起重機液壓系統(tǒng)的效率和功率適應控制[J]. 重慶建筑大學學報， 1983(1):45-53.

[4]劉文明. 如何提高液壓系統(tǒng)的效率[J]. 同煤科技，2007(1)： 18-19.

[5]徐永生. 液壓與氣壓傳動[M]. 北京：高等教育出版社，1998.

[6]張宏燦. 液壓系統(tǒng)運行中常見的故障排除與維修[J]. 職業(yè)，2010(3)：86.

[7]李艷峰，曹飛，李文丁，等. 液壓傳動系統(tǒng)故障預防與排除[J]. 甘肅冶金，2011(1)：108-109.

[8]張宏. 基于管網(wǎng)液流特性仿真的液壓集成塊優(yōu)化設計[D]. 大連：大連理工大學，2007.

[9]張彥廷. 基于混合動力與能量回收的液壓挖掘機節(jié)能研究[D]. 杭州：浙江大學，2006.

[編輯] 洪云飛

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.04.045

TH137

A

1673-1409(2012)04-N129-03

2012-01-26

孫婧(1966-)，女，1990年大學畢業(yè)，高級講師，現(xiàn)主要從事機電設備的傳動與控制方面的教學與研究工作。