矿山工程机械设备液压节能技术发展探讨

2022-11-21李铮

中国金属通报 2022年6期

李铮

能源供不应求、环境污染等问题影响了社会的发展，使得节能减排观念深入人心。当前国家在积极推动能源革命。矿山工程机械类施工需要消耗较高能源，存在较大的节能空间，因此实现工程机械液压节能技术的有效应用是当前工程发展的主要方向。随着近年来工程机械产品的快速发展，各项创新技术的使用，使得工程机械行业朝着节能与高效的方向发展，而液压传动作为工程机械中的关键技术，对节能减排技术进行深入研究具有重要意义。

1 工程机械液压系统分析

矿山工程机械液压系统具有密度大、输出率高的优点，在机械行业中的应用较为广泛，但在使用中存在着节流阀等元件，在生产过程中，很容易出现节流损失与管道阻尼损失，进而导致工程机械的生产效率降低。近年来随着经济的快速发展，工程机械的需求量也随之上升，当前工程机械行业面临的巨大挑战就是能源消耗问题，落实节能减排具有重要意义。早在20世纪60年代机械液压技术就已得到了发展，随着恒功率泵的问世，能量利用率明显提升，在我国机械领域得到了广泛应用。到了70年代，正流量控制系统进入到工程机械领域，多路阀的阀芯以及泵输出流量呈正比，而泵的排量伴随着阀芯位置而产生变化。到了80年代，在正流量系统中空流损失以及节流损失现象严重，负流量控制系统应运而生。在旁通油路上安装流量检测装置，能够控制泵排量，进而减少旁通油路的损失情况，解决中路回油能耗大的问题。进入90年代以后，负载敏感技术被研发出来，并广泛应用于工程机械之中。此项技术的优点在于外部负载发生变化以后，能够调整泵与阀的流量，使得液压系统能够使用外部的负载流量，进而提高能源利用率。

2 工程机械液压节能技术现状

2.1 变量泵控制

通过调节变量泵的使用，能够满足矿山工程机械设备在复杂环境下的使用需求，结合压力感应装置，能够充分利用功率，使得节流调速能够实现容积调速转换，进而达到降低能量损失的目的。一般情况下每一个变量泵相应的控制对象拥有一个排量，如果控制方式不同，则会导致变量泵的输出特点发生改变。因此应该结合实际情况，选择最为恰当的变量控制方法，进而满足施工技术的使用特点。当前变量的控制方法主要分为三种分别为节流控制、LS负载敏感控制以及LUDV控制。

2.1.1 节流控制

在静压传动控制中节流控制技术的使用，就是对传统系统控制技术，根据泵的变量控制方式将其分为正流量控制与负流量控制。此种控制方式，最早应用于工程机械的液压系统中，所产生的功率损失较小，在具体工作过程中先导压力控制阀芯与泵排量成正比关系，也就是正流量控制。由于先导式的多路阀具有调节作用，能够使得泵排量与实际压力之间保持一致，但由于正流量控制液压系统的阀组结构较为复杂，因此，会影响系统的响应速度。负流量控制能够降低多路阀中的空流损失与节流损失，当阀门位于中位时，控制来自回油节流阀的压力，而泵流量则会随着压力的变化而产生变化，这时控制压力与泵排量之间成反比关系，此种控制方式为负流量控制。

2.1.2 LS负载敏感控制

LS负载敏感控制的主要工作原理是，当外部负载发生变化时，系统能够自动调整泵与阀之间的流量，使得液压系统能够使用负载产生的流量与压力，进而大幅提高液压系统的生产效率。LS负载敏感控制主要是利用压差实现对泵排量的控制，当压力差与控制阀的能力产生不平衡关系时，控制阀的阀芯会发生位置变化，进而使得泵排量也发生变化。LS负载敏感控制能够实现变量泵的负载敏感调速，当泵口压力减去所产生的负载压力时，产生的压力差可以结合负载的大小以及调速需求实现对泵的控制，这样不仅能够实现按需供流，也能够降低调速节流，减少损失与能耗，进而提高生产效率，当然LS负载敏感控制也存在缺点，如果阀开度过大时，泵的供油能力也会产生不足，这时系统所需求流量难以得到满足，在高负载的影响下，使得执行元件难以正常运行。

2.1.3 LUDV控制

LUDV控制在多个系统回路中都得到了应用，机械设备在工作时，都需要应用的液压回流。具体操作中的细节就是操作人员需要在座位上操控液压，以此来控制工程机械，这时工程机械的液压系统由主泵提供所需油量，分别向各个支路提供液压油，而每个支路则会分配三位六通电磁阀，以此来匹配执行器所带来的压力。系统根据先导油路的最大负载力确定负载敏感泵的变量结构以及泵的出口压力，如果负载压力超过泵出口压力时，负载压力则会推动变量结构发生转动，而泵的输出量则会降低。如果负载压力小于泵出口压力时，泵的输出压力则会使得变量结构发生转动，泵的输出量增大。在此负载敏感系统中，多个执行器复合联动时，泵的供应压力会受到多个控制阀的调节，主泵能够提供最高负载压力，最高压力支路也会随之发生匹配。虽然当前LUDV控制能够匹配系统产生的压力使得工程机械设备的运行更加顺畅，但其他压力降低，会产生较大压降，进而使得低压执行器端很容易出现功率损失。

2.2 电液比例控制智能化

随着新科学技术的快速发展，在应用新技术过程中能够实现对电液比例的有效控制，进而强化其应用效果，使其能够与现代化的机械工程进行技术相吻合，提高企业生产过程中的节能环保效果，降低带来的环境污染。电液比例控制技术具有较多优点，能够实现对液压信号传递管道的有效优化，也能够有效借助电信信号传送出相关参数，减少系统响应的时间，使得发掘机的运行更加快捷。随着现代科学技术的发展，电液比例朝着智能化方向发展，在计算机的使用下，液压系统在运行过程中的多个参数，能够实现有效收集整理，并在此基础上实现对工程机械动力系统的有效调整，降低能源消耗。动力系统的构件需要控制电液比例，在新技术的应用下，要符合现代机械的应用流程，使其价值能够充分展现出来，进而为大型机械工程节能减排奠定良好基础。

2.3 现场总线嵌入式系统

在促进液压系统自动化发展的同时，各类传感器、控制器也得到了全面应用，这也就意味着在机械设备内部需要出现大量的导线与线头，使得控制系统的复杂性提高可靠性降低。为了有效减少此类问题的发生，可以选取现场总线以及嵌入式系统来实现控制功能，在确保系统功能齐全的基础上，要充分发挥出其优势，如体积小、结构简单。当代科学技术的快速发展下，使得芯片体积能够缩小，进而增强其功能性，保障其基本使用效果，在机械内部实现对系统的嵌入。

2.4 多路阀多方式控制

在机械工程电路控制中，一般会采取多路阀的方式对工程机械进行有效控制，在企业多元化发展过程中，应用多路阀多方式的控制方式，是当前工程机械发展的必然方向，也是现代化社会对机械行业提出的要求。六通路多路阀在工程机械中的应用率更高，直通供油路可以组成多路阀系统回路，并能够及时反映流量功率以及压力等多项参数，使得负载传感阀的控制范围不断扩大。总之多路阀的智能化发展使得液压系统的建设效果不断提升，随着智能化水平的不断提高，节能效果也随之上涨。在现代化企业发展中，要想实现企业核心生产力的有效提升，就应当结合实际生产效果，将企业的发展与社会责任关联，增强企业内部的环保意识，使得企业的发展能够将节能减排放在首位，进而保护生态环境，履行企业责任。

2.5 混合动力系统控制

在工程机械、汽车等领域都广泛应用了混合动力系统，混合动力系统主要由电力储能以及压力储能两种类型组成，电力储能主要是将电能作为主要动力系统，这一系统的寿命长，能够实现对电能的回收，同时也具有稳定运行的特点，机械使用时间不断延长，能源的利用率不断提高，进而减少能源浪费。而压力性能则能够使得零部件减少磨损，控制尾气排放，在机械操作中实现节能减排。

2.6 回收再利用能量控制

在液压系统中很容易出现能量损失等情况，比如在制动时会需要大量的能量启动设备，这时就会造成容量损失，运行时，工作装置在回流过程中也会产生能量的浪费。而这些损失的能量，则会利用蓄能器将其转化为液压能而后进行储存。在工程机械的泵控系统中就应用了回收再利用能量技术，在液压回路中所安装的蓄能器，能够回收工程机械在运行过程中所产生的能量。比如当实际生产功率高于工程机械工作所产生的能量时，所超出的能量就会被蓄能器储存起来；而实际输出功率小于工程机械的运行需求能量时，则能够充分释放出吸能器的储存能量，使得工程机械正常运行。

3 工程机械液压节能技术具体设计

3.1 液压系统元件节能

在液压系统中造成元件能量损失的主要包括动力元件、执行元件以及控制元件，其中动力元件能量损失主要是由于液压泵在高压下出现溢流现象；直销元件主要是由于液压缸与液压马达出现泄漏并与液压缸出现直线摩擦；控制元件则主要是由于液压阀自身与液压阀组之间出现泄漏，导致与液压阀之间的配置不合理，引发能量损失。而针对这些问题主要操作方式如下。

3.1.1 节能泵

在液压系统中液压能的主要来源为泵，由于能量的大量损耗，使得泵的生产效率对液压系统产生影响，因此在选择液压泵时，应当综合考虑泵的生产效率及成本。如果将节能作为泵选择的主要原则，那么齿轮泵则不适合使用，但近年来齿轮泵的市场占有率较高，因此在选择时企业应当结合工况与成本如何选择。近年来，我国液压泵逐渐朝着集中化的方向发展，在负载敏感式柱塞技术的使用下，使其节能效果明显提升，所负载的压力与流量都能够实现自我调节，最大程度的提高液压泵的工作效率。同时节流阀也能够有效控制溢流损失和节流损失，解决工程机械生产中的主要能耗问题。

3.1.2 液压缸

液压缸生产的主要是将液压能转化为机械能，液压缸的整体结构更为简单，且经历了长时间的发展，但近年来，对其结构以及节能技术等多个方面并没有产生巨大突破，而节能方案主要在于降低摩擦所产生的液压油泄漏。市场中的液压缸主要包括连接面液压缸以及复合增速缸，通过改进缸的本身结构及获取的节能效果不明显，而将液压缸放到能量回收系统中，节能效果明显提升。

3.1.3 阀

在液压控制系统中阀是其主要组成部分，在每一工作环节中都离不开液压阀的参与，因此在液压系统中液压阀的能量消耗也应当给予重视。当前传递效率较高的液压阀，包括多路阀以及叠加阀。多路阀就是指由两个或两个以上的阀组成，将不同种类的阀组合一起，以此来满足液压回路的控制需求。多路阀的集成度更高，结构更为紧凑，所产生的流量损失更小，在工程机械中的应用更为常见。在多路法中能够实现全覆盖，反馈控制效果更强，且具有节能、抗干扰的效果，进而能够提高工程机械设备的利用效率。

3.2 液压回路系统节能

负载敏感控制系统主要有比例换向阀、负载敏感阀以及液压马达、液压缸组成，自动系统属于闭环，控制其压力，能够反馈信号，与泵的输出流量压力之间相匹配。负载敏感控制器都能够根据不同工况、不同负载需求，实现对等输出压力的调节，工作稳定后，所输出的功率能够与负载需求之间相匹配，这时所产生的溢流损失就会降低，工程机械设备的工作效率明显提高，能源消耗问题得以改善。

4 工程机械液压节能技术发展探究

矿山工程机械的应用能够有效提高施工效率，而对液压节能技术的使用，能够有效践行节能减排的发展策略。通过对当前工程机械液压节能技术的应用现状分析，为未来工程机械液压技术的使用进行探索，分析节能技术的发展趋势，保障最终节能效果。

4.1 提高智能化生产水平

随着近年来科学技术水平的不断提升，矿山工程机械液压节能技术，实现了全面发展，同时朝着智能化的方向发展。当前液压节能技术的主要应用，就是将其与现代计算技术充分融合，以此来提高机械设备在运行过程中的检测质量与检测效率，保障检测系统的稳定运行，提高检测系统的可靠性。而工程机械在运行过程中，也要实现对各项参数的转化管理，使得机械工程的节能控制效果明显得到提高。在此种基础上能够实现最大限度内对工作效率的有效提高，进而降低能源产生的消耗。同时也要结合国际发展情况，对现有液压节能技术的智能化发展进行分析，通过经验总结，为我国工程机械液压节能技术水平提高奠定基础。

4.2 提高节能与公平率匹配

工程液压节能技术的使用会受到机械运行功率的制约，在调节过程中要确保泵与工程机械之间的匹配度，通过对泵排量的有效调节，使得节能效果明显提高。同时在调节泵排量过程中，也要注意与系统之间产生的负载配合度，尽量增强二者之间的协调性，减少应用困难。当前负载敏感系统与变量泵在工程机械类的工程机械中应用更为广泛，应当实现负载压力与系统流量之间的匹配，而在未来发展中也要不断完善负载敏感系统与变量泵的使用，增加二者之间的匹配度，提高节能水平。

4.3 液压节能技术的应用

当前我国矿山工程机械呈多样化发展，其中大部分是由液压系统组成，如何实现工程机械液压节能是当前的主要问题。由于节能技术会受到不同机械设备的影响，导致节能效果存在一定的差异，因此需要对液压系统进行不断的完善与改进，通过节能技术的使用、节能特点的分析，使得节能效率有所提高。

4.4 在机械自动化生产中的应用

对于工业发展而言，装备制造具有重要作用，尤其是在机械自动化生产的今天，传统的技术已经难以满足时代发展的需求，因此装备制造企业就应当应用创新型技术。现代液压技术逐渐应用到生产之中，不同规格的零部件对商场都具有重要意义，如何实现节能减排、精准施工具有重要意义。在机械自动化生产的今天，使用的机械设备越来越多，规模越来越大，在生产过程中也会出现诸多能源损耗问题，比如在静压轴中需要添加适量的液压油，并对轴承间的缝隙进行填充，以此达到润滑的目的，轴承在上升过程中存在适量的液体，二者之间的接触几率降低，使得能源消耗明显减少。可见现代液压技术在使用过程中要结合实际工作情况，选择最为恰当的施工技术进行，降低能源消耗，实现节能减排。

另外液压技术在使用过程中，传统性能较大，操作更为便捷，所以在各行各业中都得到了广泛使用，尤其是在现代机械化自动生产中的应用更为常见。除了要实现生产目标以外，工程机械设备也应当增加清洁能源的利用，使得工程机械在运行过程中能够符合节能环保的需求，减轻清洁生产的目的，降低生产成本。在保障产品质量的同时，也能够为企业带来更大的经济效益与生态效益。通过调查研究可以发现，通过对控制系统的合理使用，不仅能够提高液压技术的使用效果，同时也能够为工程机械的使用提供有利条件。为了满足新时代对工程机械生产的节能需求，就需要对其控制系统进行不断优化，比如在调整液体流向时，可以选择活塞，而相关工作人员也应当按照具体尺寸与密闭性综合考虑，减少空气与液体流入的情况，进而提高生产效率，减少能源消耗。