机械液压系统节能设计的研究

2023-12-26王广贞李正虎

现代工业经济和信息化 2023年9期

关键词：比例控制机械传动电液

王广贞，李正虎

（小松机械制造（山东)有限公司，山东济宁 272023）

0 引言

为了充分发挥出机械液压系统的作用，全方面体现出节能环保的功效，要在关键环节优化各项细节性设计，保障机械液压系统稳定运行。

1 液压机械传动控制系统的基本内容

1.1 概述

液压机械传动控制系统由硬件与软件两部分组成。硬件部分包括储存器、微处理器和编辑器等，软件部分包括系统程序与用户程序。液压机械传动控制系统通过施加不同的压力，控制系统中的液体平稳，保障系统的平衡。在平衡系统中，需要根据轴承容量选择不同尺寸的活塞施加压力，从而控制液体保持平衡与静态[1]。而不同尺寸的活塞，施加的压力大小有所差异。相同环境下，尺寸较大的活塞，其施加的压力就相对较大。反之，尺寸较小的活塞施加的压力压力较小。通过液体的连续运动，将活塞施加的动能转化为机械能，从而完成相应的工作。

1.2 优点

液压机械传动控制系统主要有以下优点：

1）功率高。相比于传统的液压传动和机械传动，液压机械传动控制系统引入了现代化信息技术，能够高效、精准地控制系统，提高了能量的转化率，具有着功率高的优点。尤其是PLC 技术的应用，实现了系统的集成化、自动化控制，避免了无功消耗，有效功率可以达到最大[2]。

2）小型化。液压机械传动控制系统通过现代化信息技术进行硬件控制，且各种元件采用了轻便的材质，能够实现系统的集成化控制，具有着小型化的优点，系统的整体质量、体积相对较小。同时，系统内部的元件之间，能够实现协调配合，系统的可操作性强，能够基于不同的工作要求，实现高效、平稳运行。

3）稳定性。液压机械传动控制系统，能够将机械运行中产生的热量，通过液压油的流动实现热量的快速传递，减少各种损失与消耗。同时，还可以降低系统的温度，防止因局部过热出现故障现象，保障使用的稳定性。

4）自动化。当前，自动化、数字化已经成为我国工业发展的方向。只有实现自动化与数字化，才能降低成本，提高工作效率，保障生产质量与安全。而液压机械传统控制系统，就是通过现代化信息技术进行硬件元件的控制。比如，通过应用PLC 技术，可以使整个机械操作更加灵活、便捷，有效提高机械运行的效率，实现自动换挡、自动调节。

2 液压传动控制系统应用原理分析

目前，国内液压传动控制系统的工作原理是采用液压泵将原动机的机械能转换成液压能，并通过不同的控制阀和管路进行能量传输，由液压执行机构（液压缸或电机）将流体的压力能转换成机械能，从而驱动工作机构完成直线往复运动以及回转运动。液压驱动时，输送介质以控制系统内的液体为主[3-4]。液压驱动系统的主要构成分为以下三类：

1）执行元件。执行元件的主要功能是完成能力互换，在确保在压力变化的同时，根据不同的需要进行转化，实现对液压系统的控制。液压缸、液压马达等都是执行元件，这两个元件可以根据液压系统的工作原理，将液压油转换到相应的朝向，保证负载驱动做功。

2）动力元件。动力元件是液压传动系统中的重要部件，也是液压传动系统的基本部件。采用动力元件，可以给整个系统提供足够的动力，从而保证系统的正常工作。液压泵是目前应用最广的一种动力元件，其主要功能是保证流体的传递和输送，改变原动机中的机械能，并根据液压油压的方向，进行能量转化和输出，达到液压传动的功能。

3）辅助元件。随着我国的信息化程度越来越高，越来越多的自动控制技术和信息技术得到广泛运用。辅助元件的主要功能就是确保执行元件和动力元件相互联系，从而有效提高系统的控制性能，提高系统的稳定性。

3 优化机械液压系统节能设计研究

3.1 变量泵控制

变量泵的应用控制技术主要是通过使用压力传感器有效提升发电功率，并且使用节流调速对容积调速进行替换，从而达到节能的效果。要根据变量泵的结构，对其特性进行全面的分析，选择最优的节能技术。变量泵控制本身具有反应快、操作便捷以及节能的特点，因此，在机械设计中被广泛应用。变量泵的控制方式分为三种：LUDV 控制、LS 负载明暗控制和排量控制。

1）LUDV 控制方式是在LS 系统的基础研发出来的，与LS 系统相比较，LUDV 系统在敏感性控制方面更加突出。该系统的本质为单泵回路系统，其中配备压力补偿阀，使负载压力信号数值与系统压力值呈现相关性。在环境不会剧烈变化的情况，可以首选LUDV 系统控制。

2）LS 负荷敏感控制可以有效地控制并协调输出压力、负载和流量之间的关系。可以促进液压系统的高效运行。但是，负荷会处在较高的压力之下，对于液压系统的稳定性是一个重大的威胁。因此，在选用LS 控制方法时要十分慎重，需根据环境中的流量进行判断。

3）排量控制主要是根据目标排量对流量进行控制。负流量控制可以有效降低泵的功率损耗量。正流量控制是在负流量的基础上，通过改变操作手柄压力对转向阀门进行控制，更加智能、更加环保。

3.2 电液比例控制技术

电液比例控制方式较多，按照系统控制方式划分可以分为开环控制与闭环控制。按照输入信号的形式可以分为有恒值系统与随动系统。恒值系统输入的参考数据一般是保持恒定值，可以消除干扰信号对系统输出的影响。按照功率调节元件分为阀控系统与泵控系统，阀控系统具备节流的特性，可以有效控制流量损失率，结构简单、便于操作。泵控系统可以自由地调节泵的结构参数，具备系统效率高、发热量低等特点。

电液比例控制在80 年代就开始应用于液压机械，具备很多优点。电液比例控制可以有效地简化液压系统，使用简单的结构即可实现复杂的控制效果，经济实用、可靠性高。在电控器中设置好坡斜函数之后，可以满足较高精度无冲击的减速控制，有效改善控制过程的品质。电液比例的引入不仅能够简化液压信号传输的过程，还能有效提高液压系统的反应速度，提升传输效率。优化后的机械液压系统，在使用时更加灵活、简便。随着网络信息技术的普及，电液比例技术与信息技术进行融合，获得了智能化的特性，凸显出电液比例技术的适应能力，进一步拓宽了电液比例控制技术的应用空间。电液比例控制技术在工程机械中运用，还可以对机械参数、液压信号等进行实时智能监控，保证设备高效运转，有效提高设备的能源利用率。

3.3 多阀路控制技术

多路阀分四通阀和六通阀，在多路阀门有限回路的设计中会受到供油线路的限制，设计人员需要综合考虑，平衡二者之间的关系。多路阀控制方式能够对系统中的压力与功率进行准确监控，该技术已经被广泛地应用到不同行业，负荷传感控制措施就是其中的使用典范。负荷传感技术可以按照人为设定的数据进行自适应控制。在油泵与操作阀之间、操作阀与执行器之间以及执行器与回油路之间安装有负荷传感作用的压力补偿阀，整个机械就具备了自适应能力。在设置补偿压力阀的时候需要注意压力阀的安装位置，安装位置不同，其控制精度与控制效果也会不同。通常情况下，将压力补偿阀放置在油泵与操纵阀之间，可以有效利用其压差，实现按需输出，保证机械运作不受负荷大小的影响。

3.4 混合动力节能技术

传统的液压动力系统存在较多的问题，最主要的缺点就是工作效率低、能耗大，无法实现负载匹配，不能满足可持续发展的要求。为了解决上述问题，设计人员从多方面进行考量，决定采用混合动力节能技术，确保电池与柴油在同一时间工作，最大限度地解决负载能力过低的问题。如果负载能力过低，柴油机就担负起发电任务，将多余的电量储存起来。如果负载过大，就采用混合供能的方式为机械运转提供能量，能够有效节约能源。随着技术的发展，混合动力技术逐渐成熟。例如，小松HB205-1 与卡特彼勒336E型搭配的混合动力节能技术，有效综合了二者的优点，既具备传统动力系统的优势，又能有效降低能耗与噪音，可谓一举两得。混合动力系统还能有效延长机械的运作时间，达到节能的目的。

另外，也可以从改善外部因素的角度入手，改善设备的外部环境。设备的常见问题就是高温，企业可以增加通风设计或者是添加辅助散热的设备，防止设备过载运行，造成巨大的能量损耗。同时，要对设备进行定期维护，尘土过多会产生静电，降低设备的灵敏度，出现负载量较高的问题，产生较大的能量损耗。