液压机液压系统节能技术探讨

陈 雷，单东升，李文钧

（1.中车山东机车车辆有限公司 制备分厂，山东 济南 250022；2.北方重工集团有限公司，辽宁 沈阳 110141；3.济南博尔动力设备有限公司，山东 济南 250022）

液压机液压系统节能技术探讨

陈 雷1，单东升2，李文钧3

（1.中车山东机车车辆有限公司 制备分厂，山东 济南 250022；2.北方重工集团有限公司，辽宁 沈阳 110141；3.济南博尔动力设备有限公司，山东 济南 250022）

本文分析了液压机能源消耗的诸多因素，提出液压机运动能耗的概念和节能方案，并首次提出气液缸和二次调节技术两个能量回收技术方案，是液压机节能技术的新突破。

液压机；运动能耗；节能；能量回收；气液缸；二次调节技术

液压传动与控制技术为机床工具、工程机械、航空航天等各领域提供了一种方便、小型、功率密度高、可控性好的能量传送与控制方式。但是其存在的能耗高、效率低的缺陷也不容忽视，节能技术研发越来越受到广泛重视。

液压机液压系统的能源消耗，其主要表现为带来液压系统油温的升高。其危害是使液压元件的内泄漏和外泄漏增加，加速油液老化，使油液失去原有的润滑性、粘温特性等物理性能，使液压系统中的元件加速磨损、性能降低，影响元件的寿命和系统可靠性，造成设备效率下降甚至失去功能。另外，由于液压系统发热，需要设置冷却系统，将液压系统产生的热量散发出去，而冷却系统也需要一定的功率消耗，这又进一步增加了液压系统的能源消耗和冷却水资源消耗。

液压机是液压技术应用的重要领域，液压机液压系统具有装机功率大、工作压力高、流量大、高频率的特点，由于液压系统的总效率低，大型液压机功率消耗很大，电动机功率的有效利用率有时还不到60%。所以，研究液压机液压系统节能技术，对于节能降耗、保护环境具有重要意义。

本文提出一些在液压机液压系统节能方面的观点，与从事液压机节能技术研究的同仁分享。

1 液压机液压系统能耗分析

液压机液压系统能耗形式主要分为两类：①液压系统能耗，是指液压元件、系统的能源消耗，例如液压能通过元件的内泄漏、外泄漏、压力损失、管道损失、溢流、节流等形式，特别是由于系统设计和元件配置不合理产生的功率损耗；②压机运动能耗，是指一些不对工件做功的机械动作产生的能耗，例如液压机滑块的快速下降，导致滑块的势能转换为热能消耗，滑块的势能并没有为工件成形作出任何贡献。

1.1 液压系统能耗

（1）内泄漏。各类液压元件都是由相对运动的配合零件组成，它们之间存在着间隙，在间隙两端压差的作用下，必然存在着泄漏。

通常系统中所用的溢流阀的阀口经过长期高压油的冲刷，形成了气蚀破坏，阀口存在长期隐性的泄漏，尤其在高压情况下泄漏量很大。

（2）外泄漏。元件、零部件的结合面、管路连接处、相对运动部件等由于密封不严，如阀的结合面、管接头、泵马达的轴封、油缸活塞杆等处，产生外泄漏而导致能耗。

（3）压力损失。压力损失在液压系统中无处不在，阀口处、管路、管路连接处、管路弯头、变径处，等。由于压力损失的存在导致能耗，使油液发热。

（4）溢流、节流损失。系统中的溢流阀若经常处于溢流状态的话，将会造成很大的能量损耗；一些系统采用节流调速，也会产生较大的能量损耗，特别是在一些高压大流量的场合，耗能非常大。

（5）压机的保压过程有时采用开泵保压。

（6）液压油发热后，需要消耗一定的能量将热量散去使油温降低到正常水平。

1.2 压机运动能耗

1.2.1 滑块快速回程

一台液压机的滑块往往几十吨重，每次压制工件完毕后需要回程，此时液压系统所提供的能量仅仅把滑块位置提高了，所消耗的能量仅用于提高了滑块的势能，对制造产品而言，可以认为是无用功。

为了量化这个过程所消耗的能量，用我们最熟悉的功率单位来间接表达能量的消耗。

假设压机的滑块重量是30t，滑块从下端提起，提起速度为250mm/s，在不考虑摩擦损耗和加减速情况下，按功率计算方法，提升这样一个滑块需功率约为74kW，可见其功率消耗非常之大。

1.2.2 滑块快速下降

同上所述，同一个滑块，在滑块快速下降速度与快速上行速度相同时，不考虑摩擦等因素，其势能做功的功率与滑块快速上升所消耗的功率是一样的，只不过耗能形式变为滑块的势能在下降过程中被液压系统的节流阀或背压阀所消耗变成了液压油的热量增加。

1.2.3 压机工作循环间隙

液压机动作循环衔接的间隙，液压泵处于卸荷状态，电动机仍处于运转状态，液压泵在卸荷状态时，液压油经电磁溢流阀卸荷一般会有0.3MPa的残余压力，对于大型液压机，泵的流量比较大，如一台250排量的泵，卸荷空载运行再加上电动机自身的空载运行电流，相当于一台5kW的电动机在运行。对于高速大规格的液压机，通常配置十几台或几十台这样的泵，其空载能耗可想而知。

1.2.4 液压垫

对于单动板冲液压机，下缸的作用除了作为顶出缸使用，其另一主要作用是做液压垫用，在拉伸成形时，液压垫缸在主缸下压的作用下，被动产生压边力以保证工件的成形，同时液压垫缸排出的高压液压油通过溢流阀溢流后回到油箱，这个过程中消耗大量能源，使液压油发热，同时还抵消拉伸缸的有效作用力。这部分消耗的能量通常是拉伸缸消耗能量的30%～40%，是液压机工作循环中耗能最大的环节。

1.2.5 保压

有些压机主缸有较高的保压要求，经常采用开泵保压的方式，这种方式往往伴随着较大的能量消耗。

1.2.6 滑块快降时主缸充液控制

对于快速锻造液压机，为了提高滑块的快速下行速度，有相当一部分压机采用了利用带压力的低压充液罐中的液压油为液压机主缸快速下降时进行充液。这种充液方式往往存在着一些安全隐患，同时这些装置比较庞大，制造成本高。我们通常采取的一种替代方式是用低压大流量的螺杆泵直接输出低压油为压机提供快速下降的动力，这种方式成本低，结构紧凑。由于螺杆泵是用电动机驱动的，为了压机工况的需要，螺杆泵的驱动电机在压机不需要快降时一直在运转，螺杆泵排出的低压油通过旁路回到油箱，这个过程就产生了一部分电机的无用功耗。

2 降低液压机能耗方法探讨

2.1 降低液压机系统能耗的有效方法

2.1.1 尽量选择容积调速方式

2.1.1.1 利用多台泵的流量组合

利用多台泵的流量组合，达到调速的目的。这种方法是较为理想的节能方法，缺点是所用的泵、阀较多、结构庞大，系统造价相对较高，不能无级调速。这种调速方案在较大型系统应用较多。

2.1.1.2 利用变量泵调速

变量泵调速是理想的调速方法，能有效降低能源消耗。可选用液控变量泵、恒功率变量泵、负载敏感变量泵、机液伺服变量泵、数字变量泵、电动变量泵、电液比例变量泵、电液伺服变量泵、伺服电机驱动变量泵等多种变量形式实现容积调速，执行机构需要多少流量，液压泵就向系统提供多少流量，没有多余的流量损失。在需要保压的系统中，利用一些泵的特性，输出非常小的流量补充系统泄漏，达到保压的目的，保压精度要求高的压机，可利用伺服电机驱动的液压油源与主油缸的压力传感器进行闭环压力控制，能实现很高的压力控制精度和保压精度，同时能耗很低。以下介绍几种变量泵的应用实例。

（1）恒功率变量泵。这种泵的特点是，随着工作压力的升高，输出流量逐渐减少，流量的变化呈双曲线规律变化，符合多数液压机的工艺曲线，无流量损耗，装机功率低，恒功率变量泵工作曲线如图1所示。

图1 恒功率变量泵工作曲线

（2）电液比例变量泵。随着泵的输入电信号的变化，泵的输出流量产生相应的变化。与传感技术、电控系统结合起来，可实现执行机构的流量、压力、速度和功率的自动控制，能达到较高的控制精度。电液比例变量泵工作曲线如图2所示。

（3）负载敏感式比例变量泵。这种泵装有两个比例阀，一个是串联在泵出口的比例节流阀，一个是比例溢流阀。比例节流阀进出口油口的压差，被反馈到一个称为压力补偿器的控制阀两端，当比例节流阀的出口压力——即负载压力发生变化时，它会自动调节泵的输出流量，维持比例节流阀进出油口两端的压差保持恒定，从而稳定执行机构的速度。负载敏感式比例变量泵工作曲线如图3所示。

图2 电液比例变量泵工作曲线

图3 负载敏感式比例变量泵工作曲线

只需改变比例节流阀的开口，即可调节执行机构的速度，很显然，这种调速方式不会产生流量损失，节能效果很好。这种泵特别适合多个执行机构、多种速度、需要自动控制的场合。例如塑料注塑机，有多个油缸、油马达，各油缸、油马达的速度各不相同，使用这种泵后，节能效果很显著，使运转费用大大降低，深受用户欢迎，在液压机中我们也推荐使用这种变量泵。

（4）交流伺服驱动的伺服泵。这种泵是由交流伺服电机与定量泵或变量泵的组合。泵的输出流量与伺服电机的转速有关。与传感技术、电控系统结合起来，可实现执行机构的流量、压力、速度的自动控制，能达到较高的控制精度，用于液压机的保压过程，具有良好的表现。电液比例变量泵工作曲线如图4所示。

图4 电液比例变量泵工作曲线

2.1.2 合理选择液压阀

目前液压阀从结构上主要可分为三类：一类是常规滑阀类，第二类是螺纹插装阀，第三类是二通插装阀。安装形式上可分为板式连接、管式连接、叠加式连接、插装式连接。

（1）常规滑阀类，往往阀芯间隙比较大，受到结构限制，密封长度都比较短，内部流道复杂，因此，此类阀的泄漏量和内部的压力损失都比较大，适用于低压小流量的应用场合。

（2）插装阀类，它的结构比较简单，集成度很高，油路块除了阀体功能外，还是系统的流道，阀与阀之间没有管道，只有很短的阀体孔道，显然其阀内的压力损失要比滑阀类元件小得多。它的阀口处采用锥面密封结构，一般情况下可以做到无泄漏，它们的滑动部分密封长度长，再加上阀套与阀芯的间隙控制比较好，很少泄漏，在内泄漏方面，插装阀比常规滑阀有明显优势，因此，在设计液压机液压系统时，要尽量采用插装阀。需要提醒的是，螺纹插装阀由于受体积和结构限制，通流能力差，压力损失比较大，适用于移动机械，在液压机中只适合小型液压机使用。

2.1.3 优化系统设计

2.1.3.1 合理选择液压阀的规格

计算液压机每个动作所需要的流量，梳理在压机动作时每个液压阀实际通过的最大流量，根据每个阀所通过的流量选出阀的规格。

如果阀的规格选小了，会使元件的压力损失增加，使液压油发热消耗能量。阀规格的选择，可按各厂家产品样本所提供的参数，也可按照经验方法选取，一般阀的规格可比照管道通径确定，阀的通径可比管道通径小一档。特别要注意的是，当使用活塞缸时，往往活塞杆回缩时，无杆腔的排油流量最大，要按这个排油量确定液压阀的规格。

2.1.3.2 正确设计油路块

阀的规格确定之后，在可能的情况下尽量加大油路块内部孔径，降低流速；油路块内孔与孔对接时，要控制好钻深，避免出现死角，产生涡流，造成压力损失。

采用二通插装阀时，要核算阀套与插件孔的环形流道的流速，避免流速过高产生过大的流阻使液压油发热或造成油缸动作迟缓。油路块内的流速推荐值：高压流道≤6m/s；低压流道≤3m/s。

2.1.3.3 优化管路设计

尽量缩短管路，使用法兰连接，少用螺纹连接的管接头，因为法兰连接一般不存在流道突然扩大或缩小等突变，并且连接的可靠性非常好，不易松动；而管接头连接，总是存在流道突变问题，会造成不必要的压力损失，这种连接方式的可靠性差，经常出现松动和漏油现象。

合理选择管路内径。管路内的流速不要过高，一般低压管路内流速控制在3m/s以下，高压管路内流速控制在6m/s以下，泵的吸油管道流速不得超过1.5m/s，回油管路流速低于1.5～3m/s。

管路应尽量减少直角转弯以及截面的突然扩大或缩小；弯曲半径不要太小，最好控制在5倍管道内径以上。管路转弯处不要出现褶皱和缩径现象。

2.1.3.4 合理选择液压油的粘度

液压油粘度的变化，对液压泵、马达等执行元件的总效率影响很大，粘度大，运动阻力大，机械效率低，而粘度大，泄漏量小，容积效率高；粘度小，运动阻力小，但粘度小了，泄漏量增大，容积效率下降；粘度对其他元件、管路的影响主要表现在对泄漏量和压力损失的影响。因此液压油粘度的选择，要从总效率的角度综合考虑，选择合适的粘度，使总效率达到最佳值。一般常用的液压油为N30～N68号，高温季节或地区取大值。

2.1.3.5 合理设置过滤器和冷却器

除了选择合适的元件，合理配置必要的油液过滤器，可以有效延缓元件的磨损，降低泄漏损失；设置必要的冷却器，防止油温过高而引起液压油和元件过热，也可以达到延缓元件磨损的目的。

2.1.4 合理使用与维护液压系统

要特别注意油液的清洁度，定期更换滤芯，一般常规系统，过滤精度选20μm，比例系统过滤精度选10μm，伺服系统过滤精度选5μm以下；关注系统温度的变化，如有异常发热的元件或管道，要及时查出发热原因，及时采取有效措施，防止系统过热。液压系统的油液温度一般不要超过55℃，最高不能超过60℃；拆洗零件时，要避免污物进入系统，不要轻易更换和研磨精密的配合零件，以免造成配合间隙过大，使阀在工作时产生较大的内泄漏。

2.2 降低液压机运动能耗的有效方法

2.2.1 滑块空程快速下降或快速回程的节能方法

这是一种能量回收方案。在压机上设置两个气液平衡缸，或将回程缸改为气液缸，缸的无杆腔与蓄能器连接，有杆腔与控制油源连接，无杆腔的充气压力要能够托起整个滑块，并能使滑块产生所需的运动加速度。工作原理如图5所示。

如图5所示，当滑块需要快速下降时，气液回程缸的有杆腔进油，由于蓄能器的压力仅高于支撑压力的10%，所以驱动滑块快速下行的油压力很低。当滑块空程回程时，蓄能器向平衡缸供油，不需要输入任何能源供应。就滑块空程升、降动作而言，采用这种方式，与常规泵直驱方式相比，节能效果超过50%以上。当然随着滑块下行，由于气体的容积在变小，其压力会升高，在整个过程中蓄能器内的气体压力会存在一个压差，导致有杆腔的压力也会随之变化，因此合理配置蓄能器的容积、选择合理的充气压力，是这项技术的关键。

图5 两个气液缸节能原理

2.2.2 液压泵空载运行降耗的方法

（1）把普通电动机换为伺服电机或变频电机，在泵卸荷时，电动机变为低速运转，可降低卸荷状态时50%能量损耗。该方法对于中小型压机比较实用，成本虽有所增加，但权衡下来还可接受。

对于较大排量液压泵的情况，电机功率比较大，使用伺服电机从经济上不合算，建议使用比例变量柱塞泵或伺服变量泵（变量泵的变量机构是用小型的伺服电机驱动），在泵卸荷时，把变量斜盘调整到最小角度，可有效降低能耗。仍以一台250排量柱塞泵为了，泵卸荷时，至少可降低1.5kW能耗。

（2）大型快锻压机，一般配置的电动机功率比较大，通常在500kW，数量在10台或更多，以10台为例，保守计算，空载的功率消耗也在70kW。我们通常建议，将这种电机选为双出轴电机，一端驱动液压泵，另一端通过电磁离合器与一台小型的液压马达连接，当泵需要较长时间卸荷时，电动机就可断电停止工作，需要再启动时，给液压马达供油，由液压马达直接驱动电机启动，电动机迅速达到额定转速后自动切入电机运行电路继续工作。这种方式的优点是节能显著、成本低，电机启动快，在1s内就能达到电动机的额定转速，没有电动机启动时的超大启动电流，大大降低了启动时的能源消耗。

对于大功率的电动机启动，该方法不失为一个替代软启动的好方法。

2.2.3 对1.2.6方案的改进方案

在1.2.6中提到的快锻压机快速下降方案，使用电动机+螺杆泵向主缸提供低压大流量充液方案，我们目前的改进方案是将原来用电动机驱动螺杆泵改用液压马达驱动螺杆泵，改动方案优点是当压机不需要低压大流量充液时，液压马达可以停止运转，而当需要低压大流量供液时，能够快速启动液压马达向主缸充液。如果用电动机驱动螺杆泵，电动机是不能停转的，因为电动机的启动时间很长，不适应压机的动作要求。

2.2.4 液压垫节能方案

运用液压二次调节技术，将拉伸时液压垫缸排出的高压液压能回收利用，回收的能源用于向主缸提供高压油，这是迄今为止液压垫节能的最有效技术。控制原理如图6所示。

图6 液压垫节能方案

用一台比例伺服变量液压马达作为一次调节元件直接驱动一台作为二次调节元件的比例伺服变量的液压泵。二次调节控制器采集来自液压垫油缸和主缸的压力信号。

液压机在拉伸工件时，液压垫油缸首先升起托起板料。主缸开始下降加压，当上模接触板料后继续下压，液压垫油缸内的油压被动上升，排出的液压油驱动一次元件液压马达旋转，液压马达带动二次元件液压泵旋转排出高压液压油进入主缸。

在不考虑效率等次要因素时，二次调节回路的扭矩函数关系应符合下列公式：

p1·q1=p2·q2

式中：p1——液压垫缸压力；

q1——一次元件液压马达排量；

p2——主缸压力；

q2——二次元件液压泵泵的排量。

我们的控制目标是p1不变，或者描述为把p1控制在工艺允许的精度范围内，使p1稳定。

从上式可以看出，调节q1和q2，就可以达到稳定p1的目的。这个控制过程是由图中所示的二次调节控制器来实现的。

二次调节系统的几项关键技术：

（1）一次元件的选型。①确定液压垫的最高工作压力；②确定液压垫下降速度，计算液压垫的排油流量；③选定液压马达的转速，一般控制在1500～2500转/分内（视元件参数而定），最高转速需要兼顾二次元件的转速；④根据工作压力选择液压马达型式；⑤根据液压垫的排油流量和液压马达选用的最高转速计算出液压马达的排量。液压马达宜选用高频响伺服变量型。⑥计算液压马达的最大扭矩。

（2）二次元件的选型。①确定主缸的最高工作压力；②按液压马达的最大扭矩作为二次元件液压泵的输入扭矩，计算泵的排量。液压泵宜选用高频响伺服变量型。

（3）控制思路。①确定压边液压压力p1；②检测液压垫缸的排油量或由滑块的加压速度计算Q1；③预估马达转速和排量q1，计算马达输出扭矩T1。T1=p1·q1；④检测主缸压力p2；⑤泵的输入扭矩T2=T1；⑥根据泵的输入扭矩计算出泵的排量：T2=p2·q2，q2=T2/p2；⑦对q1和q2进行优化；伺服跟随过程，当p2变化时，随时优化q1和q2，使p1保持不变。

2.2.4 二次调节技术的节能优势

在液压垫被动下压时，液压垫油缸不断排出高压液压油，在常规的液压系统中，这部分高压能源通过溢流阀后产生热量全部消耗掉了，液压系统还需要配置冷却器通过再消耗能源的方式对被加热的液压油进行冷却。而利用二次调节技术后，液压垫油缸排出的高压液压能源全部用来给主缸加压，除掉马达和泵之间的能源转换效率损失，并考虑减少的冷却能耗，总节能效率应在60～70%，随着二次调节技术以及配套元件的不断成熟，这项技术必将得到广泛应用。

3 结论

近年来，节能技术在液压机行业越来越受到重视，如果能够综合利用这些节能新技术，将使液压机的能耗显著降低，对拉伸功能的液压机而言，能耗降低至少20～30%。这将明显改善液压机的运行状态，降低每个拉伸产品的单位成本，带来明显的经济效益和社会效益。

以上介绍并分析了液压机能耗产生的过程，重点提出了气液平衡缸和二次调节技术用于液压机节能的新思路，希望能给读者以启发，在实践中不断探索与研究，开发更有效技术为节能事业服务。

[1] 邱召佩，等.模锻压机主液压缸密封的研究和失效分析[J].液压气动与密封，2016，（6）.

[2] 黄胜军，吴福丽.液压油节能性能评定台架的建立及试验方法研究[J].液压气动与密封，2016，（12）.

Discussion about the energy-saving technology of hydraulic system for hydraulic press

CHEN Lei1,SHAN Dongsheng2,LI Wenjun3
（1.CRRC Shandong Co.,Ltd.,Jinan 250022,Shandong China; 2.Northern Heavy Industries Group Co.,Ltd.,Shenyang 110141,Liaoning China; 3.Jinan Power-hydraulic Equipment Co.,Ltd.,Jinan 250022,Shandong China）

The various factors of energy consumption for hydraulic press have been analyzed in the text.The concept of motion energy consumption and energy-saving project for the hydraulic press has been put forward.The two technical projects of energy recovery including air/oil cylinder and the secondary regulation technology have been presented for the first time.It is the new breakthrough in the energy-saving technology for the hydraulic press.

Hydraulic press;Motion energy consumption;Energy-saving;Energy recovery;Air/oil cylinder; Secondary regulation technology

TG315.4

A

10.16316/j.issn.1672－0121.2017.01.004

1672－0121（2017）01－0017－06

2016－10－09；

2016－12－11

陈 雷（1962－），男，工程师，从事技术及管理工作。

E－mail：13805407320@163.com