關于液壓系統設計中的節能問題

在液壓系統的設計中，不但要實現其拖動與調節功能，還要 盡可能地利用能量，達到高效、可靠運行的目的。液壓系統的功率 損失會使系統的總效率下降、油溫升高、油液變質，導致液壓設備發生故障。因此，設計液壓系統時必須多途徑地考慮降低系統的 功率損失。 幾種控制回路的功率損失 1 選用傳動效率較高的液壓回路和適當的調速方式 目前普遍使用著的定量泵節流調速系統，其效率較低(<0.385)， 這是因為定量泵與油缸的效率分別為85%與95%左右，方向閥及管路等損失約為5%左右。所以，即使不進行流量控制，也有25%的功 率損失。加上節流調速，至少有一半以上的浪費。此外，還有泄漏 及其它的壓力損失和容積損失，這些損失均會轉化為熱能導致 液壓油溫升。所以，定量泵加節流調速系統只能用于小流量系統。為了提高效率減少溫升，應采用高效節能回路，上表為幾種回路功率損失比較。另外，液壓系統的效率還取決于負載。同一種回路，當負載流量QL與泵的最大流量Qm 比值大時回路的效率高。例如可采用手動伺服變量、壓力控 制變量、壓力補償變量、流量補償變量、速度傳感功率限制變 量、力矩限制器功率限制變量等多種形式，力求達到負載流量Q L與泵的流量的匹配。 2 對于常用的定量泵節流調速回路，應力求減少溢流損失 2.1采用卸荷回路 機械的工作部件短時停止工作時，一般都讓液壓系統中的液 壓泵空載運轉(即讓泵輸出的油液全部在零壓或很低壓力下流回油箱)，而不是頻繁地啟閉電機。 這樣做可以節省功率消耗，減少液壓系統的發熱，延長泵和電機的使用壽命，一般功率大于3kw的液壓系統都設有卸荷回路。下面介紹幾種典型的卸荷回路。 2.1.1采用三位閥的卸荷回路 采用具有中位卸荷機能的三位換向閥，可以使液壓泵卸荷。 這種方法簡單、可靠。中位卸荷機能是M、H、K型。圖1為采用 具有M型中位機能換向閥的卸荷回路。這種方法比較簡單，閥 處于中位時泵卸荷。它適用于低壓小流量的液壓系統；用于高壓 大流量系統，為使泵在卸荷時仍能提供一定的控制油壓[(2~3)× 105Pa]，可在泵的出口處(或回油路上)增設一單向閥(或背壓閥)。 但這將使泵的卸荷壓力相應增加。 2.1.2采用二位二通閥的卸荷回路 圖2為采用二位二通閥的卸荷回路，圖示位置為泵的卸荷狀 態。這種卸荷回路，二位二通閥的規格必須與泵的額定流量相適 應。因此這種卸荷方式不適用于大流量的場合，且換向時會產生 液壓沖擊。通常用于泵的額定流量小于63L/min液壓系統。 2.1.3用先導式溢滾閥的卸荷回路 如圖3所示，在先導式溢流閥1的遙控口接一小規格的二 位二通電磁閥2。其卸荷壓力的大小取決于溢流閥主閥彈簧的 強弱，一般為(2~4)×105Pa。由于閥2只須通過先導式溢流閥1 控制油路中的油液，故可選用較小規格的閥，并可進行遠程 控制。這種型式卸荷回路適用于流量較大的液壓系統。 卸荷回路還有很多，如雙聯泵供油系統中常用外控制序閥的 卸荷回路；壓力補償變量泵的卸荷回路；液壓泵卸荷時系統仍需 保持壓力的保壓卸荷回路；適應于大流量系統的二通插裝閥卸荷 回路；“蓄能器＋壓力繼電器＋電磁溢流閥”構成的卸荷回路 等。 2.2采用雙泵雙壓供油回路 圖4是雙泵供油的快速運動回路。 液壓泵1為高壓小流量泵， 其流量應略大于最大工作速度所需要的流量，其工作壓力由溢流 閥5調定。泵2為低壓大流量泵(兩泵的流量也可相等)，其流量 與泵1流量之和應等于液壓系統快速運動所需要的流量，其工作 壓力應低于液控順序閥3的調定壓力。 這種快速回路功率利用合理，效率較高，缺點是回路較復雜，成本較高。 3 采用容積調速回路和聯合調速回路 1)利用改變量泵或變量液壓馬達的排量來調節執行元件運動速度的回路，稱為容積調速回路。這種調速回路無溢流損失和節流損失，故效率高、發熱少，適用于高壓大流量、大功率設備的液壓系統。 2)聯合調速回路無溢流損失，其效率比節流調速回路高。在采用聯合調速方式中，應區別不同情況而選不同方案：對于進給速度要求隨負載的增加而減少的工況，宜采用限壓式變量泵節流調速回路；對于在負載變化的情況下進給速度要求恒定的工況，宜采用穩流式變量泵節流調速回路；對于在負載變化的情況下，供油壓力要求恒定的工況，宜采用恒壓變量泵節流調速回路。 4 發揮蓄能器的功用 4.1作輔助動力源 總的工作時間較短的間歇工作系統或在一個工作循環內速度差別很大的系統，使用蓄能器作輔助動力源可降低泵的功率，提高效率，降低溫升，節省能源。圖5 所示為一液壓機的液壓系統。當液壓缸帶動模具接觸工件慢進和保壓時，泵的部分流量進入蓄能器1被儲存起來，達到設定壓力后，卸荷閥2打開，泵卸荷。此時，單向閥3使壓力油路密封保壓。當液壓缸快進快退時，蓄能器與泵一起向缸供油，使液壓缸得到快速運動。故系統設計時，只需按平均流量選用泵，使泵的選用和功率利用比較合理。 4.2回收能量 蓄能器在液壓系統節能中的一個有效應用是將運動部件的動能和下落質量的位能以壓力能的形式回收和利用，從而減小系統能量損失和由此引起的發熱。如為了防止行走車輛在頻繁制動中將動能全部經制動器轉化為熱能，可在車輛行走系的機械傳動鏈中加入蓄能器，將動能以壓力能的形式回收利用。 5選用高效率的節能液壓元件 在液壓元件的選用方面，應盡量選用那些效率高、能耗低的。如：選用效率高的變量泵，根據負載的需要改變壓力，可節約能源的損耗；選用集成閥以減小管連的壓力損失；選擇壓降小、可連續控制的比例閥等等。 6 合理選用控制元件及系統管路 各類控制元件應根據其在系統中相應位置可能出現的最大壓 力和流量來確定其規格，不宜過大或過小。對于系統管路，應盡量 縮短管長，減小彎頭，彎頭處的角度不宜過小(通常應≥90 o) ；應根據管道類型合理選擇管中流速，管路系統應盡量采用集成化方式進行連接。設計方案中還應注意優化管路系統，在滿足功能要求的前提下，力求系統簡單可靠，避免多余的元件和油路，以達到節能效果。