提高液压传动系统工作效率的有效途径探讨

2012-11-10北方工业学校辽宁盘锦124021

长江大学学报(自科版) 2012年10期

孙婧 (北方工业学校，辽宁盘锦 124021)

提高液压传动系统工作效率的有效途径探讨

孙婧 (北方工业学校，辽宁盘锦 124021)

针对液压传动系统能量消耗大、对整个系统工作的可靠性和液压系统工作元件的使用寿命造成不良影响等问题，从设计和维护方面对提高液压传动系统工作效率的有效途径进行了探讨。提高液压传动系统工作效率的有效途径，可以从正确选取液压元件的类型、提高液压元件的工作效率、尽量减少压力损失、采用减少能量消耗的液压控制回路、科学地布置液压集成阀中所有管网构成的连通管路等方面入手，尽力减少系统工作时造成的能量损失，以期达到有效提高工作效率的目的。

液压系统；工作效率；能量消耗；液压元件；回路；液压集成阀

液压传动由于其传动功率大、体积小、重量轻、传动平稳、又可实现无级调速和自我保护等优点，使其广泛应用于交通运输、矿山机械、机械加工与制造、航空航天等领域。液压传动技术对于机电一体化的建设和发展起着举足轻重的作用，目前已经逐步发展成为诸多领域中的关键技术[1]。但能量损耗(如泄漏损耗、功率损耗等)大是不可忽视的问题，即在液压传动系统处于正常工作状态时，伴随着液压油的不断循环，会有比较多的能量随之发生消耗。而这些消耗的能量会转化为热能，不断提高整个系统的温度。长期处于较高温状态又会对整个系统工作的可靠性以及液压系统工作元件的使用寿命造成不良的影响。因此，必须寻求一些提高液压传动系统工作效率的有效途径。

1 采取效率高、性能优的动力元件

动力元件是整个液压系统正常工作的保障，是将机械能向液体压力能转换的装置。科学的配备和选取高效率、性能优的动力元件，是提高液压传动系统工作效率的最有效途径之一[2]。

1.1正确选取动力元件

应根据工作环境采用合适的液压泵。一般优先考虑选取变量泵作为动力元件[3]。如果液压传动系统是选取定量泵来节流调速，那么会有若干个流量控制阀配置在整个油路中。这种油路工作元件的微速与低速状态是通过旁路大的溢流损耗与流量控制阀大的节流损耗才得以实现，显然整个液压系统将会耗费很大能量，工作效率自然降低[4]。采用变量泵容积节流调速来替代定量泵的节流调速(并且采用调速阀代替节流阀)，整个系统的工作效率便可以得到明显的改善。究其原因，变量泵可以针对工作状态的改变同步进行自我调整，它是参照载荷的大小以及速度的快慢来自动调节输出流量的，这样就不会产生能量损耗。

1.2提高液压泵的工作效率

如果工作时不计系统内部的压力损耗，则液压泵总的工作效率[4]为：

η总=η机·η容

式中，η总为液压泵总的工作效率；η机为液压泵的机械效率；η容为液压泵的容积效率。由上式可知，欲提高液压泵总的工作效率，则需要通过提高其机械效率与容积效率来实现。因此，除了根据使用场合正确选择液压泵的种类(柱塞泵效率最高)以外，在选择液压泵的参数时，还需要考虑尽量使实际工作要求的压力、流量与额定压力、额定流量、转速大小相匹配，即不可扩大或缩小规格使用。

1)液压泵的结构型式以及内部压力大小对其工作效率的影响图1为液压系统中柱塞泵与齿轮泵总的工作效率随压力变化的关系特性曲线。由图1曲线可知，在低压区范围内齿轮泵的效率优于柱塞泵；而在高压区范围内柱塞泵工作效率明显高于齿轮泵。因此，需要按照实际的荷载状态合理的选取液压泵的结构类型，进而可以使其发挥较高的工作效率。内部压力在不超过2.6MPa时可以优先使用低压齿轮泵；压力在2.6～6.2MPa之间时可以优先采用能产生中压的叶片泵；当压力超过了16MPa的时候可以优先考虑使用高压、大流量的柱塞泵[5]。

图1 柱塞泵与齿轮泵总的工作效率示意图

2)液压泵转速大小对其工作效率的影响大量的工程实践以及试验结果表明，液压泵自身转动的速度对其总的工作效率同样有着重要的影响，当转速1100～1900r/min之间时，其工作效率会比较高[4]。

2 提高执行元件的工作效率

执行元件主要是指液压缸与液压马达。影响液压缸或马达工作效率的主要因素是泄漏。选取液压缸时，需要充分考虑它的密封性。最好采用诸如橡胶混合材料的低阻力类型材料制作的密封件。如果液压系统工作状态比较复杂，速度变化范围比较大，采用复合液压缸(有关试验研究显示)，比相同种类普通液压缸最高可以节能约80%，即便是在建筑工程机械以及机床等工作环境中，同样可以达到令人满意的效果。选用液压马达时不可以随意降低其容量规格使用，以提高马达的效率。

3 提高液压控制阀的工作效率

油液在系统中循环，由于压力损失而消耗了大量的能量，尤其以消耗在主控阀上为最。大量的工程实践和室内外试验均表明，液压阀内部的压力损耗与其额定流量存在比较密切的关系，在其实际工作流量低于额定流量的情况下，内部的压力损耗会得到有效的控制，进而其压力效率便能够得到有效的提高。

4 降低液压系统内部的压力损耗

油液在管路和液压元件中流动时会产生压力损失。而这种压力损失表现为沿程压力损失和局部压力损失。沿程压力损失是指油液流经长直管道时产生的压力损失。这种压损较小。而局部压力损失则是油液流经阀体、弯管、管接头时产生的压力损失，该压力损失较大[6]。它与油液的流动速度有关。流动速度越大，产生的压损也越大。减少系统的压力损耗也是有效提高液压系统工作效率的有效途径之一。

4.1降低液压管路内部液体的流动速度

如果对液压管路内部液体的流动速度有一定的控制，使其在某一个范围内变化，便能够降低液压管路内部的压力损耗。一般认为，压油管路内部液体流动速度在2.8～6.2m/s之间、吸油管路内部液体流动速度在0.8～1.3m/s之间变化是比较合理的。若液体粘度较高、管路距离较长以及内部压力较低时，则需要取小的值，反之取大值。

4.2减少局部阻力与控制阀的数量

当油液流经阀体、弯管、管接头或截面积突然变化时会产生冲击，因而导致局部压力损失。在进行液压管路的初步设计时应尽可能减少弯管、变径和阀体的数量，并使管路内壁尽可能加工得光滑，以减少摩擦损耗[7]。而阀体在工作时，在进、出油口都会存在前、后压差。压差越大，局部损失则越大；因此，要尽量减小压差以及阀体的数目。同时采用正确的管路直径，以使管内液体处于较低的流速，进而能够降低整个系统工作时的压力损耗。

4.3选择合适液压油粘度

作为工作介质的液压油不仅是能量的载体，是液压系统中不可或缺的重要组成部分，它还可在整个系统工作过程中有效缓冲各个部件之间的碰撞、摩擦，保证系统顺畅的运行。由此，液压油会受到许多诸如摩擦、剪切、冲击等复杂力的作用。如果其粘度过小或者过大都会影响整个系统的工作效率。所以，根据系统压力和环境温度选用合适粘度、高性能的液压油也是提高整个液压传动系统工作效率有效途径之一。

5 采用减少功率消耗的回路

5.1采用快速运动回路以减少功率损耗

图2 液压缸差动连接快速运动回路

图3 双泵供油回路

图4 卸荷回路

图5 带自动补油的保压、卸荷回路

当系统中执行元件需要快速运动时，可对液压缸实行差动连接(见图2)、或采用双泵供油回路(见图3)。当执行元件快速运动时，可以利用换向阀对液压缸实行差动连接。2个换向阀均处于左位，即液压缸2腔同时进油。活塞就会在2腔因存在有效面积差而产生的推力差的作用下向右运动。这样，右腔流出的油液也同时进入液压缸的左腔，实现了活塞向右的快速运动。快速运动时，泵1和泵2同时供油可以满足快速运动时所需流量。工作进给时，采用泵2单独供油。泵1可以停转或卸荷，节省能量消耗。满足活塞快速运动所需流量。还可以通过采用蓄能器配合小流量液压泵来实现[8]。

5.2采用卸荷回路以减少功率消耗

容积调速回路是液压传动系统中必不可少的组成部分，主要用来控制执行工作元件的运行速率。当液压缸、马达停止工作或系统处于高压、低速运行时，由于容积调速回路的原因，液压泵仍在旋转，这时靠溢流阀的溢流来使多余的油液流回油箱，则会使液压泵消耗大量的能量。如果采用保压和卸荷回路(见图4和图5)，则会大大降低功率的消耗。