浅谈液压系统的节能设计0机械轴封
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浅谈液压系统的节能设计
浅谈液压系统的节能设计 2011年12月04日 来源： 节能是液压技术面临的新课题之一，产品在如何满足具有适宜的性能价格比、不提高综合运行成本的前提下达到最大的节能效果，是一个值得探讨的领域。在本厂开发的FYD91系列纺织品专用液压打包机产品的液压系统设计中，采用了一些低成本的节能方案，取得了较为满意的效果。节能是通过降低能量损耗来实现的，液压系统的能量损耗主要包括各种不作用于执行器的压力损耗、流量损耗和原动机损耗，本文将分别就上述3方面的节能途径加以分析探讨，供同行参考。1 降低压力损耗的节能设计降低液压系统压力损耗的途径主要应从合理选择控制类元件的类型、布局及连接形式等方面来考虑。图1为采用内控形式、中位卸载机能电液换向阀的液压系统。图中单向阀的作用为：① 提供换向阀所需最低控制压力，一般为0.5～1 Mpa；② 平衡垂直缸下落部分重力使空载下行动作平稳。经分析可知，上述作用只分别在换向动作瞬间和空载下行时才是必要的，在其余时间是压力损耗，从节能的角度来看，这种为了满足某一局部需求而增加系统额外损耗的设计是不合理的。
图1 液压系统图
图2为仍采用内控形式电液换向阀的液压系统，但没有利用换向阀中位卸载机能而采用电磁溢流阀控制系统加载和卸载，取消了单向阀，避免了相应的压力损耗。在液压缸有杆腔与换向阀间接入单向节流阀，通过调整节流阀开度获得液压缸空载下行平稳所需的背压，避免了其他运行状态的压力损耗。采用单向节流阀的原因是：① 调节范围大，可避免平衡阀控制压力选择不当带来的弊端；② 当采用变量泵系统时可获得更好的节能效果。因平衡阀提供的是固定背压，而节流阀提供的背压与流量有关，当因负载的增加，系统压力增高至泵变量状态时，实际上已无需以背压来保持液压缸下行的平稳性，节流阀与流量同步减小的背压更接近于符合这一要求，所以比采用平衡阀更合理。
图2 液压系统图
在图1或图2所示系统中，换向阀与液压缸油口应选择合理的匹配方案。因换向阀内部流道结构的差异，各油口间具有不同的压降特性，国外产品大多提供这类特性曲线。对于一般油口非对称设置的较大通径的换向阀，其A－T油口压降小于B－T油口压降。对上述系统而言，因液压缸无杆腔排量大于有杆腔排量，故应将液压缸无杆腔与换向阀A口连接，有杆腔与换向阀B口连接，以降低压力损耗。对于系统实际排量接近或短时间大于换向阀额定排量时，这种选择尤为必需，所降低的压力损耗可从阀的流量特性曲线查出。小通径换向阀也存在这类油口选择问题，但一般影响较小。这也是设计者容易忽视的问题。当系统需要流量接近或相同而压力不同的多种功能要求时，应尽可能采用多级恒压泵或由先导式溢流阀、小通径换向阀、远程调压阀或叠加式溢流阀组合控制的多级压力系统，避免采用减压阀获得相应压力，以降低压力损耗。液压系统的管路和过滤器配置不当也会造成过高的压力损耗，应根据具体情况合理确定所需规格。2 降低流量损耗的节能设计降低液压系统流量损耗的途径主要应从合理选择动力源类型方面来考虑，也就是选择与负载要求的压力-流量特性尽可能适应的液压泵。对于要求压力接近或相同，流量变化较大的液压系统，如节流调速系统、泵保压系统、要求快速响应的中位常闭换向阀系统、蓄能器系统、电液伺服系统和电液比例换向阀系统等，一般应采用恒压变量泵作为动力源，避免采用定量泵-溢流阀系统和旁路节流调速系统，以降低溢流或旁流流量损耗。恒压变量泵的主要特征是：在系统压力达到泵的设定压力前为定量泵特性；达到设定压力时，泵的流量随负载需要自动调整；无负载时，泵的流量自动降至0，但其输出压力维持恒定。由于没有多余的流量损耗，故在上述液压系统中能取得良好的节能效果。对于功率较大、负载缓慢增加且有较长保压时间要求的系统，也可采用恒压恒功率变量泵。上述两种泵的压力-流量输出特性见图3。
图3 压力-流量输出特性曲线
对于要求分别具有不同压力、不同流量的多执行器系统，可采用双压、双流量恒压变量泵或负载传感变量泵。双压、双流量恒压变量泵的输出特性可调整为相当于2台不同压力、不同流量的恒压变量泵，利用泵上附设的电磁阀来转换工作状态，适合于双执行器系统。负载传感变量泵的输出特性为：在泵的额定压力和流量范围内，其实际输出压力和流量能同时随负载需要自动调整；无负载时，泵的流量自动降至0，且输出压力亦较低，适合于多执行器系统。由于上述2种泵能同时降低压力和流量损耗，故具有更好的节能效果。上述多执行器系统也可采用电液比例-恒压变量泵，但这种泵及控制系统的成本较高，主要适用于计算机控制的液压系统。附带指出，对于零流量时输出压力较高的各种恒压变量泵，一般仍需设置卸载回路，因这类泵在高压零流量时的功率损耗和磨损均大于零压全流量时的功率损耗和磨损。关于各种恒压变量泵的原理、性能和选用，文献［2］有详细的论述。济南7313工厂可提供大部分品种的国产化产品，价格比进口产品低得多。3 降低电机损耗的节能设计三相异步电机是液压系统应用最广泛的原动机，电机的节能途径主要应从降低空载或轻载运行时的损耗来达到。根据电机原理，额定功率为Δ接法的三相异步电机在低于临界负载率运行时转换成Y接法运行，可降低损耗和提高功率因数。一般电机的临界负载率约为0.33，即电机实际负载功率在额定功率的0.33倍以下运行时采用Y接法具有节能效果。一般液压系统的空载或轻载运行状态在时间上占一定比例。显然，只要在系统需输出较大功率时提供相应的控制信号，使电机接成Δ接法运行，在系统卸载或轻载状态时使电机接成Y接法运行，就能实现上述节能要求。图4为电机Y-Δ自动转换运行控制电路，图中K1-1、K1-2为运行状态转换发信开关。电机起动时为Y接法，当要求系统在达到一定压力电机转换成Δ接法运行时，K1可采用压力继电器；当要求系统在执行某一动作电机转换成Δ接法运行时，K1可直接利用该动作执行电器的一组触点来联锁控制；当要求系统在执行某一动作到达某一位置(行程)电机转换成Δ接法运行时，K1可采用检测该位置的行程开关所控制的继电器的一组触点；亦可采用其他速度、流量信号来控制转换。但对于负载压力不稳定的系统不宜采用压力继电器控制形式。
图4 电机Y-Δ自动转换运行控制电路
上述转换压力可根据电机的临界负载功率、系统流量来计算得到。当系统需要功率较小的其他动作时，应尽可能将所需功率限制在电机的临界负载功率内，以便电机运行在Y接法状态。实践证明，通过分析系统的各种实际功能要求，从节能的角度比较各种控制回路的优劣，合理选择动力源类型，能找到更多的节能途径。