機械液壓系統(tǒng)節(jié)能設計的研究

王廣貞， 李正虎

（小松機械制造（山東)有限公司， 山東 濟寧 272023）

0 引言

為了充分發(fā)揮出機械液壓系統(tǒng)的作用，全方面體現(xiàn)出節(jié)能環(huán)保的功效，要在關鍵環(huán)節(jié)優(yōu)化各項細節(jié)性設計，保障機械液壓系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

1 液壓機械傳動控制系統(tǒng)的基本內容

1.1 概述

液壓機械傳動控制系統(tǒng)由硬件與軟件兩部分組成。硬件部分包括儲存器、微處理器和編輯器等，軟件部分包括系統(tǒng)程序與用戶程序。液壓機械傳動控制系統(tǒng)通過施加不同的壓力，控制系統(tǒng)中的液體平穩(wěn)，保障系統(tǒng)的平衡。在平衡系統(tǒng)中，需要根據(jù)軸承容量選擇不同尺寸的活塞施加壓力，從而控制液體保持平衡與靜態(tài)[1]。而不同尺寸的活塞，施加的壓力大小有所差異。相同環(huán)境下，尺寸較大的活塞，其施加的壓力就相對較大。反之，尺寸較小的活塞施加的壓力壓力較小。通過液體的連續(xù)運動，將活塞施加的動能轉化為機械能，從而完成相應的工作。

1.2 優(yōu)點

液壓機械傳動控制系統(tǒng)主要有以下優(yōu)點：

1）功率高。相比于傳統(tǒng)的液壓傳動和機械傳動，液壓機械傳動控制系統(tǒng)引入了現(xiàn)代化信息技術，能夠高效、精準地控制系統(tǒng)，提高了能量的轉化率，具有著功率高的優(yōu)點。尤其是PLC 技術的應用，實現(xiàn)了系統(tǒng)的集成化、自動化控制，避免了無功消耗，有效功率可以達到最大[2]。

2）小型化。液壓機械傳動控制系統(tǒng)通過現(xiàn)代化信息技術進行硬件控制，且各種元件采用了輕便的材質，能夠實現(xiàn)系統(tǒng)的集成化控制，具有著小型化的優(yōu)點，系統(tǒng)的整體質量、體積相對較小。同時，系統(tǒng)內部的元件之間，能夠實現(xiàn)協(xié)調配合，系統(tǒng)的可操作性強，能夠基于不同的工作要求，實現(xiàn)高效、平穩(wěn)運行。

3）穩(wěn)定性。液壓機械傳動控制系統(tǒng)，能夠將機械運行中產(chǎn)生的熱量，通過液壓油的流動實現(xiàn)熱量的快速傳遞，減少各種損失與消耗。同時，還可以降低系統(tǒng)的溫度，防止因局部過熱出現(xiàn)故障現(xiàn)象，保障使用的穩(wěn)定性。

4）自動化。當前，自動化、數(shù)字化已經(jīng)成為我國工業(yè)發(fā)展的方向。只有實現(xiàn)自動化與數(shù)字化，才能降低成本，提高工作效率，保障生產(chǎn)質量與安全。而液壓機械傳統(tǒng)控制系統(tǒng)，就是通過現(xiàn)代化信息技術進行硬件元件的控制。比如，通過應用PLC 技術，可以使整個機械操作更加靈活、便捷，有效提高機械運行的效率，實現(xiàn)自動換擋、自動調節(jié)。

2 液壓傳動控制系統(tǒng)應用原理分析

目前，國內液壓傳動控制系統(tǒng)的工作原理是采用液壓泵將原動機的機械能轉換成液壓能，并通過不同的控制閥和管路進行能量傳輸，由液壓執(zhí)行機構（液壓缸或電機）將流體的壓力能轉換成機械能，從而驅動工作機構完成直線往復運動以及回轉運動。液壓驅動時，輸送介質以控制系統(tǒng)內的液體為主[3-4]。液壓驅動系統(tǒng)的主要構成分為以下三類：

1）執(zhí)行元件。執(zhí)行元件的主要功能是完成能力互換，在確保在壓力變化的同時，根據(jù)不同的需要進行轉化，實現(xiàn)對液壓系統(tǒng)的控制。液壓缸、液壓馬達等都是執(zhí)行元件，這兩個元件可以根據(jù)液壓系統(tǒng)的工作原理，將液壓油轉換到相應的朝向，保證負載驅動做功。

2）動力元件。動力元件是液壓傳動系統(tǒng)中的重要部件，也是液壓傳動系統(tǒng)的基本部件。采用動力元件，可以給整個系統(tǒng)提供足夠的動力，從而保證系統(tǒng)的正常工作。液壓泵是目前應用最廣的一種動力元件，其主要功能是保證流體的傳遞和輸送，改變原動機中的機械能，并根據(jù)液壓油壓的方向，進行能量轉化和輸出，達到液壓傳動的功能。

3）輔助元件。隨著我國的信息化程度越來越高，越來越多的自動控制技術和信息技術得到廣泛運用。輔助元件的主要功能就是確保執(zhí)行元件和動力元件相互聯(lián)系，從而有效提高系統(tǒng)的控制性能，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3 優(yōu)化機械液壓系統(tǒng)節(jié)能設計研究

3.1 變量泵控制

變量泵的應用控制技術主要是通過使用壓力傳感器有效提升發(fā)電功率，并且使用節(jié)流調速對容積調速進行替換，從而達到節(jié)能的效果。要根據(jù)變量泵的結構，對其特性進行全面的分析，選擇最優(yōu)的節(jié)能技術。變量泵控制本身具有反應快、操作便捷以及節(jié)能的特點，因此，在機械設計中被廣泛應用。變量泵的控制方式分為三種：LUDV 控制、LS 負載明暗控制和排量控制。

1）LUDV 控制方式是在LS 系統(tǒng)的基礎研發(fā)出來的，與LS 系統(tǒng)相比較，LUDV 系統(tǒng)在敏感性控制方面更加突出。該系統(tǒng)的本質為單泵回路系統(tǒng)，其中配備壓力補償閥，使負載壓力信號數(shù)值與系統(tǒng)壓力值呈現(xiàn)相關性。在環(huán)境不會劇烈變化的情況，可以首選LUDV 系統(tǒng)控制。

2）LS 負荷敏感控制可以有效地控制并協(xié)調輸出壓力、負載和流量之間的關系?？梢源龠M液壓系統(tǒng)的高效運行。但是，負荷會處在較高的壓力之下，對于液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性是一個重大的威脅。因此，在選用LS 控制方法時要十分慎重，需根據(jù)環(huán)境中的流量進行判斷。

3）排量控制主要是根據(jù)目標排量對流量進行控制。負流量控制可以有效降低泵的功率損耗量。正流量控制是在負流量的基礎上，通過改變操作手柄壓力對轉向閥門進行控制，更加智能、更加環(huán)保。

3.2 電液比例控制技術

電液比例控制方式較多，按照系統(tǒng)控制方式劃分可以分為開環(huán)控制與閉環(huán)控制。按照輸入信號的形式可以分為有恒值系統(tǒng)與隨動系統(tǒng)。恒值系統(tǒng)輸入的參考數(shù)據(jù)一般是保持恒定值，可以消除干擾信號對系統(tǒng)輸出的影響。按照功率調節(jié)元件分為閥控系統(tǒng)與泵控系統(tǒng)，閥控系統(tǒng)具備節(jié)流的特性，可以有效控制流量損失率，結構簡單、便于操作。泵控系統(tǒng)可以自由地調節(jié)泵的結構參數(shù)，具備系統(tǒng)效率高、發(fā)熱量低等特點。

電液比例控制在80 年代就開始應用于液壓機械，具備很多優(yōu)點。電液比例控制可以有效地簡化液壓系統(tǒng)，使用簡單的結構即可實現(xiàn)復雜的控制效果，經(jīng)濟實用、可靠性高。在電控器中設置好坡斜函數(shù)之后，可以滿足較高精度無沖擊的減速控制，有效改善控制過程的品質。電液比例的引入不僅能夠簡化液壓信號傳輸?shù)倪^程，還能有效提高液壓系統(tǒng)的反應速度，提升傳輸效率。優(yōu)化后的機械液壓系統(tǒng)，在使用時更加靈活、簡便。隨著網(wǎng)絡信息技術的普及，電液比例技術與信息技術進行融合，獲得了智能化的特性，凸顯出電液比例技術的適應能力，進一步拓寬了電液比例控制技術的應用空間。電液比例控制技術在工程機械中運用，還可以對機械參數(shù)、液壓信號等進行實時智能監(jiān)控，保證設備高效運轉，有效提高設備的能源利用率。

3.3 多閥路控制技術

多路閥分四通閥和六通閥，在多路閥門有限回路的設計中會受到供油線路的限制，設計人員需要綜合考慮，平衡二者之間的關系。多路閥控制方式能夠對系統(tǒng)中的壓力與功率進行準確監(jiān)控，該技術已經(jīng)被廣泛地應用到不同行業(yè)，負荷傳感控制措施就是其中的使用典范。負荷傳感技術可以按照人為設定的數(shù)據(jù)進行自適應控制。在油泵與操作閥之間、操作閥與執(zhí)行器之間以及執(zhí)行器與回油路之間安裝有負荷傳感作用的壓力補償閥，整個機械就具備了自適應能力。在設置補償壓力閥的時候需要注意壓力閥的安裝位置，安裝位置不同，其控制精度與控制效果也會不同。通常情況下，將壓力補償閥放置在油泵與操縱閥之間，可以有效利用其壓差，實現(xiàn)按需輸出，保證機械運作不受負荷大小的影響。

3.4 混合動力節(jié)能技術

傳統(tǒng)的液壓動力系統(tǒng)存在較多的問題，最主要的缺點就是工作效率低、能耗大，無法實現(xiàn)負載匹配，不能滿足可持續(xù)發(fā)展的要求。為了解決上述問題，設計人員從多方面進行考量，決定采用混合動力節(jié)能技術，確保電池與柴油在同一時間工作，最大限度地解決負載能力過低的問題。如果負載能力過低，柴油機就擔負起發(fā)電任務，將多余的電量儲存起來。如果負載過大，就采用混合供能的方式為機械運轉提供能量，能夠有效節(jié)約能源。隨著技術的發(fā)展，混合動力技術逐漸成熟。例如，小松HB205-1 與卡特彼勒336E型搭配的混合動力節(jié)能技術，有效綜合了二者的優(yōu)點，既具備傳統(tǒng)動力系統(tǒng)的優(yōu)勢，又能有效降低能耗與噪音，可謂一舉兩得?；旌蟿恿ο到y(tǒng)還能有效延長機械的運作時間，達到節(jié)能的目的。

另外，也可以從改善外部因素的角度入手，改善設備的外部環(huán)境。設備的常見問題就是高溫，企業(yè)可以增加通風設計或者是添加輔助散熱的設備，防止設備過載運行，造成巨大的能量損耗。同時，要對設備進行定期維護，塵土過多會產(chǎn)生靜電，降低設備的靈敏度，出現(xiàn)負載量較高的問題，產(chǎn)生較大的能量損耗。

4 結語

機械液壓系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化設計可從兩方面入手：一是直接應用于設備的技術手段，如變量泵控制、電液比例控制技術、多閥路控制技術和混合動力節(jié)能技術等。二是從設備的外部環(huán)境入手，降低設備的能耗。兩個方面相互結合，互為補充，能夠有效降低液壓系統(tǒng)的能耗，降低設備的故障率，保證設備平穩(wěn)運行。