如何设计出节能、环保的液压系统

李玉忠 郑州煤炭工业集团公司郑州煤炭技工学校

如何设计出节能、环保的液压系统

李玉忠 郑州煤炭工业集团公司郑州煤炭技工学校

液压系统是煤矿机械的一个重要组成部分，为了确保液压系统能够安全、可靠运行，达到节能、环保的最终目的，针对液压系统设计提出一系列具体措施，以实现节能、环保的目的。

液压系统；节能;环保；设计

液压系统是常见煤矿机械的一个重要组成部分，如采煤机、掘进机、液压支架及提升机等煤矿机械都离不开液压系统。为了积极响应我国政府大力提倡的节能、减排号召，确保液压系统能够安全、可靠运行，并达到节能、环保的目的，在设计液压系统时采取一系列措施，是非常有意义的。

1、液压系统节能、环保设计原则

该设计原则是在传统液压系统设计中通常依据的技术原则、成本原则和人机工程学原则的基础上纳入环境原则，并将环境原则置于优先考虑的地位。液压系统设计的原则可概括如下：

（1）资源最佳利用率原则

少用短缺或稀有有原材料，尽量寻找其代用材料，多用废料，余料或回收材料作为原材料；提高产品的可靠性和使用寿命；尽量减少产品中材料的种类，以利于产品废弃后的有效回收等。

（2）能量损耗最少原则

尽量采用相容性好的材料，不采用难以回收或无法回收的材料；在保证产品耐用的基础上，赋予产品合理的使用寿命，努力减少产品使用过程中的能量消耗。

（3）零污染原则

尽量少用或不用有毒有害的原材料。

（4）技术先进性原则

优化产品性能，在结构设计中树立“小而精”的设计思想，有同一性能情况下，通过产品的小型化尽量节约资源的使用量，如采用轻质材料，去除多余的功能、避免过度包装等，减轻产品重量；简化产品结构，提倡“简而美”的设计原则，如减少零部件数目，这样既便于装配、拆卸，又便于废弃后的分类处理；采用模块化设计，此时产品是由各功能模块组成，既有利于产品的装配、拆卸，又便于废弃后的回收处理，在设计过程中注重产品的多品种及系列化；采用合理工艺，简化产品加工流程，减少加工工序，简化拆卸过程，如结构设计时采用易于拆卸的连接方式、减少紧固件用量、尽量避免破坏性拆卸方式等；尽可能简化产品包装且避免产生二次污染。

（5）整体效益最佳原则

考虑产品对环境产生的附加影响，提供有关产品组成的信息，如材料类型及其回收再生性能等。

2、节能、环保的液压系统设计策略

（1）工作介质污染控制

液压系统中的工作介质会有原生污染物、入侵污染物和生成污染物。在产品设计过程中应本着预防为主、治理为辅的原则，充分考虑如何消除污染源，从根本上防止污染。

在设计阶段除了要合理选择液压系统元件的参数和结构外，可采取以下措施控制污染物的影响。在节流阀前后装上精滤油器，滤油器的精度取决于控制速度的要求。所有需切削加工的元器件，孔口必须有一定的倒角，以防切割密封件且便于装配。所有元器件、配管等在加工工序后都必须认真清洗，消除毛刺、油污、纤维等；组装前必须保持环境的清洁，所有元器件必须采用干装配方式。装配后选择与工作介质相容的冲洗介质认真清洗。投入正常使用时，新油加入油箱前要经过静置沉淀，过滤后方可加入系统中，必要时可设中间油箱，进行新油的沉淀和过滤，以确保油液的清洁。

工作介质污染的另一方面是介质对外部环境的污染。应尽量使用高黏度的工作油，减少泄漏；尽快实现工程机械传动装置的工作介质绿色化，采用无毒液压油；开发液压油的回收再利用技术；研制工作介质绿色添加剂等。

（2）液压系统噪声控制

液压系统噪声是对工作环境的一种污染，分机械噪声和流体噪声。在液压系统中，电动机、液压泵和液压马达等的转速都很高，如果它们的转动部件不平衡，就会产生周期性的不平衡力，引起转轴的弯曲振动。这种振动传到油箱和管路时，会因共振而发出很大的噪声，应对转子进行动平衡试验，且在产品设计时应注意防止其产生共振。机械噪声还包括机械零件缺陷和装配不合格而引起的高频噪声。因此，必须严格保证制造和安装的质量，产品结构设计应科学合理。

在液压系统噪声中，流体噪声占相当大的比例，这种噪声是由于油液的流速、压力的突变、流量的周期性变化以及泵的困油、气穴等原因引起的，以液压泵为例，在液压泵的吸油和压油循环中，产生周期性的压力和流量变化，形成压力脉动，从而引起液压振动，并经出油口传播至整个液压系统，同时，液压回路的管路和阀类元件对液压脉动产品反射作用，在回路中产生波动，与泵发生共振，产生噪声。开式液压系统中混入了大约5%的空气。当系统中的压力低于空气分离压时，油中的气体就迅速地大量分离出来，形成气泡，当这些气泡遇到高压便被压破，产生较强的液压冲击。因此在设计液压泵时，齿轮泵的齿轮模数应量取小值，齿数取最大数，卸荷槽的形状和尺寸要合理，以减小液压冲击；柱塞泵的柱塞数的确定应科学合理，并在吸、压油配流盘上对称的开出三角槽，以防柱塞泵困油；为防止空气混入，泵的吸油口应足够大，而且应没入油箱液面以下一定深度，以防吸油后因液面下降而吸入空气，为减少液压冲击，可以延长阀门关闭时间，并在易产生液压冲击的部位附近设置蓄能器，以吸收压力波；另外，增大管径和使用软管，对减少和吸收振动都很有效。

（3）液压元件的连接与拆卸性的设计

液压系统设计应尽量提高液压系统的集成度，采用原则是对多个元件的功能进行优化组合，实现系统的模块化，并尽可能使液压回路的结构紧凑，如减小液压元件间的连接，设计易于拆卸的元件等。在满足其功能的基础上，设计的重点是液压元件的连接技术，不同连接结构的装配和拆卸的复杂程度不同，焊接连接的装配和拆卸的复杂程度最高，易导致零部件破坏性拆卸，螺钉连接的装配容易而拆卸方式要受环境影响，如果生锈则会导致拆卸复杂，铆钉连接的机械装配性较好但拆卸复杂，嵌入咬合是装配性和拆卸性均较好的一种连接方式，但在连接强度要求高的情况下，其连接的安全性降低。

为了使液压系统结构更紧凑，根据其安装形式的不同，阀类元件可制成各种结构；管式连接和法兰式连接的阀；插装阀便于将几个插装式元件组合成复合阀，板式连接的普通液压阀可安装到集成块上，利用集成块上的孔道实现油路间的连接，或可直接将阀做成叠加式结构即叠加阀，叠加阀上的进、出油口及执行元件的接口、接头可做成快速双向接头，提高装配性和可拆卸性。

（4）液压系统的节能设计

液压系统的节能设计不但要保证系统的输出功率要求，还要保证尽可能经济、有效的利用能量，达到高效、可靠运行的目的，液压系统的功率损失会使系统的总效率下降、油温升高、油液变质，导致液压设备发生故障。因此，设计液压系统时必须多途径地降低系统的功率损失。

在元件的选用方面，应尽量选用那些效率高、能耗低的元件，如选用效率较高的变量泵，可根据负载的需要改变压力，减少能量消耗，选成集成阀以减少管连接的压力损失，选择压降小、可连续控制的比例阀等。

采用各种现代液压技术也是提高液压系统效率、降低能耗的重要手段，如压力补偿控制、负载感应控制以及功率协调系统等，采用定量泵与比例换向阀组合、多联泵（定量泵）与比例节流溢流阀组合的系统，效率可以提高28%～45%，采用定量泵增速液压缸的液压回路，系统中的溢流阀起安全保护作用，并且无溢流损失，供油压力始终随负载而变，这种回路具有容积调速以及压力自动适应的特性，能使系统效率明显提高。

实现了节能设计也就实现了减排的目的，相应的环保效应就会显现出来。如果把节能降耗的液压系统都付诸实际，绝对是一笔不小的财富，同时也为子孙后代留下了碧水蓝天，这正是我们所期望的。