综述液压系统的节能设计研究

鲜雪萍

综述液压系统的节能设计研究

机械电子工程  122080202013  鲜雪萍

摘要：通过对国内外液压系统节能设计研究现状的分析，得出一般节能设计的方法，并对目前所面临的问题进行了阐述。

关键词：液压系统 节能 方法 问题

引言：在国家提出要提高生态文明建设的前提下，工程机械行业面临节能环保的重要问题，液压系统的节能设计变得尤为重要。目前国内外基于节能的液压设计正在逐步提高，由于技术和材料的各种限制，加大研发设计液压节能系统成为有效途径。如今，各大工程机械行业也已经加大了人才培养和技术创新，从而促进了节能减排的快速实现和节能环保产品的开发。

一、国内外研究现状

1、国内研究现状

  近年来，在国家政策的激励下，国内各工程机械行业进行了液压系统的节能设计研究。空军航空大学根据某型强击机液压系统故障统计资料，对YB-20AH型液压泵内泄漏故障做了可靠性分析，同时解释了该泵内泄漏的原因是散热差导致了磨损的加剧、使用维修质量差以及油液质量差等。并提出相应的维护和预防措施。长春发电设备有限责任公司从降低液压系统功耗和提高系统效率入手，对大型壁式斗轮堆取料液压系统，进行了优化机构特征参数来降低系统功耗，从而达到节能的目的。威海华东数控股份有限公司通过采用电动变量柱塞泵以实现大型龙门磨床液压驱动的节能。西安交通大学做了将二通插装阀应用于刀盘驱动系统和液压推进系统的节能研究。北京信息科技大学在原有电液动力制动系统的基础上，增加了能量回收系统和动力调解模块，并做了节能试验研究。中国人民解放军总后油料研究所指出使用高粘度指数液压油是实现工程机械液压系统节能的有效途径。中联重科对液压马达转速的控制系统加入积分器进行了探究分析。厦门厦工机械股份有限公司提出了一种自清洗过滤技术，达到节能环保的目的。

2、国外研究现状

  力士乐研究出了液压再生制动（HRB）系统，伊顿提出了PLUS自动机械变速器的混合动力系统，Rexroth的A4VSG/O-PSI可以实现液压能与机械能的相互转化，Voith Tarbo的IPC内啮合齿轮泵，Denison的T7B叶片泵，丹麦的Dandoss公司成套的ESSIE系列纯水液压元件，Bosch的带位置反馈的比例伺服阀，Moog公司生产的与比例阀类似的采用永磁式线性力马达的直接驱动式伺服阀DDV等，都属于节能液压系统研究。

二、液压系统的节能设计方法

1、动力元件的节能设计

  泵将机械能转化为液压能，对系统的总效率影响很大，因此合理选择泵尤为重要。首先要清楚各种泵的物理特性和功能，通常液压泵有齿轮泵、叶片泵、螺杆泵和柱塞泵，在选择是必须对其在特定的速度和压力条件下的特性进行比较，并对同样环境下相同尺寸的同种泵但制造加工有区别的泵进行详细的研究。其次，要记住泵的全部零件所允许的间隙，以获得较高的容积效率。而泵的噪声也是要重点考虑的问题，一般外啮合齿轮泵和柱塞泵噪声最大，而螺杆泵噪声最低，叶片泵和内啮合齿轮泵的噪声在它们之间。

2、控制元件的节能设计

  液压控制元件包括压力、流量、方向控制阀等。液压控制元件应根据其在系统中相应位置和可能出现的最高压力和最大流量来确定其规格，不易过大或过小。连续控制的比例阀，通常采用1MPa以下的阀口压降，而伺服阀阀口压降为7MPa，在相等的负载条件下，选取比例阀可以采用较低的供油压力，从而减少了功率损耗。新型的二通插装阀是集成元件，其内部通道连接使阀体本身无泄漏，插装阀锥口节流损失小，元件集成连接也起到良好的节能作用。

3、执行机构的节能设计

  液压执行机构包括液压缸和液压马达，首先要清楚各种液压马达的物理特性和功能，然后进行综合评价，要考虑节能效果时，应选总效率最高的；如果主要考虑工作寿命时，应选压降最小的。液压马达的转速控制也很重要；设计液压缸时密封是最重要的，提高液压缸的密封性能是有助于节能。

4、液压油的选用与研究

  液压油对环境有一定程度的危害，老化的液压油还会带来经济损失。油液粘度和流动阻力对液压系统压力损失有很大的影响，所以要降低油液粘度、减小流动阻力。还有使用新型液压介质，开发无污染、可降解的液压油，可以减少对环境的影响。

5、液压系统回路的节能设计

  降低液压系统的功耗和提高系统效率，可大大提高节能效益。差动回路、蓄能器回路、双泵双速回路、压力适应回路、多泵比例系数调速回路和流量适应回路是常用的液压高效回路。其次，采用现代液压技术降低液压系统的功耗和提高系统效率的重要方法，负载传感液压系统、功率匹配液压系统、二次调节静夜传动系统等节能效果都很好。

6、机械能的回收利用

  对运动负载的机械能加以回收、存储和重新利用，可为液压系统实现高效节能提供新思路。尤其是在工程车辆的应用中应用极为广泛。在液压缸的能量回收回路中，用蓄能器将多余的油液储存再利用。在液压马达的能量回收回路中，重物下落时的能量可以储存在压力油箱中，并用于使液压马达空载向上返回。

三、存在的问题

  工程机械中，对节能影响最大的是系统的功率匹配，与传统的局部功率匹配相比，全局功率匹配的调节更为灵活简单，单纯的局部功率匹配要实现节能的较好效果是非常困难的，由于在调节过程中，通过调节泵的排量才能促使发动机与泵之间有效匹配，与此同时，负载与泵的匹配也是如此，此时，调节就会出现相应的干涉现象，实现节能也就存在着困难。

  液压系统的控制一般采用正常操作条件设计参数，然而受到环境的影响限制，系统的特性会随环境的变化而变化，干扰的问题也变得较为严重，因此，实际应用时无法获得令人满意的性能。

  在能量的回收利用上，很多都只是简单的从能量守恒的数量关系上考虑，而没有考虑热能的质量变化，即没有考虑能级的匹配问题。

  传统对液压系统清洁度问题，只是保证装配时清洁，经常更换滤芯等，而解决问题的关键在于如何使回油过滤既保证过滤精度又畅通无阻又不需经常跟换滤芯。

  工作时散热差导致磨损、元件寿命和内泄漏严重、以及使用和维修质量差都是效率低的原因。在液压驱动系统中，提高液压驱动的效率、降低液压动力驱动系统的装载功率，减少无效能耗很重要。

  现有插装阀由于受到系统压力、流量的影响，在阀芯关闭时可能会出现不必要的阀芯瞬间开启，并且阀芯的开关过程不是随意可控的。另外，由于插装阀中控制阀芯关闭的先导控制腔容积较大、相应速度较慢，也需要进行改进。

四、总结

  综上所述，目前工程机械中液压技术的节能设计种类很多，且各具节能特色。但追求单个液压元件的节能是困难的，我们应该从整体系统节能出发，研发新的实用化的液压元件和系统。目前电液比例控制的智能化、多路阀多方式组合控制、混合动力系统等都是液压系统的节能研究。在以后的工程机械的研究中，对液压系统的节能设计研究应继续加强，最大程度的解决问题，从而在有效节能环保的基础上提高工程机械的工作效率。

参考文献：

【1】张显余，付长安，葛子厚，YB-20AH型液压泵内泄漏故障可靠性分析[J].空军航空大学，2013.

【2】徐万鑫，大型壁式斗轮堆取料机液压系统节能研究[J].长春发电设备有限责任公司，2013.

【3】杨道科，刘昌民，张亮亮，王伟，电动变量柱塞泵在大型龙门磨床液压驱动节能系统中的应用研究[J],威海华东数控股份有限公司，2013.

【4】冯欢欢，陈馈，张兵，二通插装阀在盾构液压系统中的应用与发展，西安交通大学机械工程学院，2013.

【5】杨明，熊春华，工程机械液压系统节能的另一途径———使用高粘度指数液压油，中国人民解放军总后油料研究所，2013.

【6】曾庆聪，土方机械液压回路的一种自清洗过滤技术，厦门厦工机械股份有限公司，2013.

【7】KWON Tae-Suk,LEE Seon-Woo,SUL Seung-Ki,et al.Power Control  Algorithm for Hybrid Excavator With Supercapacitor[J].IEEE Transactions on Industry Application,2012.