液压系统的能量损失与节能对比分析.pdf

2 0 1 2年 1月 第 4 0卷 第2期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAULI CS J a n ．2 01 2 Vo 1 ． 4 0 No ． 2 D O I i 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 0 2 ． 0 1 1 液压系统的能量损失与节能对比分析 雷秀，赵凯亮，倪萌，李冬，马艳美 内蒙古工业大学机械学院，内蒙古呼和浩特 0 1 0 0 5 1 摘要在分析液压系统能量损失的基础上，建立了系统的能量损失表达式。以单执行元件的液压系统为研究对象，绘 制了系统图谱，包括 1个非节能的系统 N o E n e r g y S a v i n g ，N E S 和 1 4个采取了不同节能措施的系统 E n e r g y S a v i n g ， E s 。在工作参数相同的条件下 ，计算了 N E S和 E s系统在待命 、工作 快进、工进、保压 和快退时的功率损失。分析 对比说明就液压系统本身而言， 1 4个 E s系统 比 N E S系统相对减少功率损失为 2 8 ． 6 ％ 一 9 9 ． 0 4 ％。讨论 了液压节能系统 E S在工程 应用 中的相关 问题 。 关键词能量损失；系统图谱 ； 节能对比 中图分类号T H 1 3 7 文献标识码B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 2 0 3 0 5 An a l y s i s o f Ene r g y Lo s s a nd Ene r gy - s a v i n g Co n t r a s t o n Hy d r a u l i c Sy s t e m L EI Xi u，ZHAO Ka i l i a n g，NI Me n g，L I Do n g，MA Ya n me i C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，I n n e r M o n g o l i a U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， H o h h o t I n n e r Mo n g o l i a 0 1 0 0 5 1 ，C h i n a Ab s t r a c t Ba s e d o n t h e a n a l y s i s o f t h e e n e r g y l o s s i n t h e h y d r a u l i c s y s t e m ，e n e r g y l o s s e x p r e s s i o n o f s y s t e m w a s e s t a b l i s h e d ． T a k i n g s i n e a c t u a t o r s y s t e m a s r e s e a r c h o b j e c t ，t h e s y s t e m a t l a s w a s d r a w n ，i n c l u d i n g a n o n e n e r gy s a v i n g s y s t e m N E S and f o u r - t e e n s y s t e ms w h i c h h a d b e e n t a k e n v a r i o u s e n e r g y s a v i n g m e a s u r e s E S ． U n d e r t h e c o n d i t i o n s o f s a n l e o p e r a t i n g p ara me t e m， the p o w e r l o s s e s w e r e c alc u l a t e d w h e n t h e N E S and E S s y s t e ms w e r e i n s t a n d b y s t a t e ， w o r k i n g s t a t e r a p i d f e e d ， w o r k i n g f e e d ， p r e s s u r e - k e e p i n g a n d r a p i d r e t u r n s t a t e ．T h e a n aly s i s a n d c o mp a r i s o n s h o ws t h a t f o u r t e e n ES s y s t e ms c a n r e d u c e p o we r l o s s t o 2 8 ． 6 ％～9 9 ． O 4 ％ t h a n NE S s y s t e m．F i n a l l y t h e r e l a t e d p r o b l e ms a b o u t h y d r a u l i c e n e r g y s a v i n g s y s t e ms i n e n g i n e e r i n g印 p l i c a t i o n w e r e d i s c u s s e d ． Ke y wo r dsEn e r g y l o s s；Sy s t e m a t l a s；Ene r g y- s a v i ng c o n t r a s t 液压传动技术与纯机 、电传动相比具有鲜明的特 点和优势，其应用领域越来越广泛。但是 ，液压传动 系统的能量损失大、效率低，其节能问题一直受到业 内的高度重视。在过去三十多年里 ，国内外研究人员 从不同方面进行了液压节能研究 ，取得了许多成果并 应用于工程实 际。其 中基于能源元件的有功率匹配 泵⋯、电液 比例泵- z 、负荷传 感泵 、电液伺服 泵 、变频驱动泵 、数字泵 “ 等。基于液压系 统的有压力流量反馈负荷传感液压系统u 、P L C 控制系统 、变频 调 速液 压 系统 、数 控 变量 泵功率 匹配液压系统 m J 、高效液压传动技术 等。基于工作介质 的有纯水或海水液压泵或传动系 统 卜。 等。虽然这些成果对提高效率起到了积极作 用，但仍有很大的节能潜力没有开发出来。基于此， 作者在液压系统能量消耗分析的基础上给出了系统能 耗表达式，并以单执行元件的系统为例，绘制了系统 图谱 N E S ，E s 1 一E s l 4 。在工作参数相同的条件 下，按系统工作循环分工况进行了功率损失计算，并 绘制了功率损失图谱 鉴于篇幅所限，从略 。 通过计算 、对比分析和功率损失图谱说明就液 压系统本身而言 ，采取了一定节能措施的系统 E s与 没有采取任何节能措施 的系统 N E S相 比，相对减少 功率损失为2 8 ． 6 ％ ～ 9 9 ． 0 4 ％ ，E S 1 4具有最大节能效 果 。 1能量损失分析 综合液压节能技术成果和作者长期的研究认 为， 液压传 动系统能量损失 主要 包括 以下几个方 面 1 机械摩擦和泄漏 内泄漏和外泄漏 的能 量损失。其所占比例与所选元件本身的机械效率、容 积效率、介质黏度 、密封性能以及元件的复杂程度等 有关。 2 传输管路的能量损失 沿程损失和局部损 收稿 日期 2 0 1 01 2 2 6 基金项目内蒙古 自治区自然科学基金项 目 2 0 0 1 0 9 0 2 0 2 作者简介雷秀 1 9 5 2 一 ，男，教授，硕士研究生导师，主要研究方向为流体传动与控制、机电装备技术。E m a i l c ar e - f r e e i mut ．e d u ．C B。 第 2期 雷秀 等液压系统的能量损失与节能对比分析 3 1 失 。其所 占比例与回路组成、系统复杂程度和控制 形式有关。 3 控 制 阀 的能量 损失 。控 制 阀 中孔 口和 缝 隙 的损失和为了给某元件提供控制压力信号而设置的阻 尼器 液阻的损失。其所 占比例与阀的复杂程度 和控制形式有关。 4 液体介质压缩的能量损失。其所 占比例与 压力过剩有关。 5 压力 冲击 管道扩张振动 的能量损失。 其所占比例与管道选择、设计参数等有关。 6 电气控制器的能量损失。其所 占比例与控 供油系统、限压式变量泵供油系统、负荷传感系统、 比例阀或数字阀控系统、数控变量泵供油的开式液压 系统的节能技术都不同程度地存在溢流损失，或节流 损失 ，或换 向阀阀口损失，或阻尼器损失，或沿程及 局部管路损失。 所以，在满足负载运行的驱动力 或力矩 、运 行速度 或转速 、工作循环、安全性、响应性、易 操作性、易维护和长寿命等基本要求的同时，正确选 用工作介质，简化液压系统结构 减少或消除控制 阀、阻尼器 ，简化管路 ，是减少能量损耗的有效措 施 。 制原理、电路和采用的元件有关。 由以上分析可知，液压系统能量损失是多方面 7 系统输人 和输 出功率不 匹配 的能量损失。 的，且每一方面又受到多个参数的影响，要建立一个 其所占比例与控制策略有关。以定量泵供油，溢流阀 反应全部内涵的表达式是比较困难的。根据能量守恒 调压稳压 ，流量阀调速的传统液压系统的能量损失最 定理 ，当不计算原动机 如 电动机传动效率时， 大，通常效率不足 5 0 ％。即使 目前采用 的多定量泵 一个液压系统的能量方程可以写成 J 。 尸 pl t d J 。 l i P l i P t d J 。 P t d J 。 P v d ∑f P t d t ∑f P c i t d t ∑J P 。 ￡ m 1 式 1 描述了液压系统在一个工作循环内的能 阀口损失的能量，右边第六项为液体压缩损失的能 量平衡关系。等式左边为液压泵输出的能量，右边第 量，右边第七项为冲击振动损失的能量 ，右边第八项 一 项为执行元件的输出能量，右边第二项为控制元件 为包括电磁阀在内的控制器损失的能量。 的损失能量 ，右边第三项为等径直管道的损失能量， 由式 1 看出，系统越复杂，元件越多，损失 右边第四项为局部件的损失能量 ，右边第五项为控制 的能量越大。一个工作循环内总的损失能量是 A E J 。 P 一 J 。 P t d t J 。 P vi t l i P “ J 。 d l i P v t ∑f P t d t ∑f P t d t ∑J P i t d t 2 液压系统 的能量损失实际上与设计者的知识水 平 、设计思想和实践经验紧密相关。当只考虑实现功 能而没有考虑节能问题时，设计的液压系统的工作效 率就可能很低。 2 液压 系统 图谱 为了对 比说 明节能系统与非节能 系统之 间能量 损 失的差异，作者采用图谱法绘制了系统图谱。 2 ． 1 系统 图谱 液压系统因工程应用的不同，系统复杂程度有极 大的差异 ，在分析对比中不可能一一绘制出来 ，但必 须具有典型性、代表性和可比性。为了简化问题 ，便 于比较，绘制的系统图谱是以单液压缸为执行元件， 完成开机待命一快速空程进给一慢速工作进给一保 压- 快速空程退回的工作循环。各类型系统的液压缸 公称尺寸相等，负载相等；快进距离、快进速度、工 进距离、工进速度、运行时间对应相等。基于此，绘 制的系统图谱见表 1 所示。表 1中 N E S是没有采取 任何节能措施的系统 ，E S 1 --E S 1 4是采取了一定节能 措施 的系统 。 2 ． 2 功率损失计算 由于讨论的系统结构 比较简单，管路损失近似 ， 为了计算方便 ，只考虑了控制阀口和阻尼器造成的损 失 。计算 中采用 了分工况计算 法 ，系统 功率损 失的统 计结果见表 2 限于篇幅，计算过程略 。表中给出 了N E S系统和 E S 1 --E S 1 4系统在各工况的功率损失、 一 个循环周期内各系统功率损失的总和 ，以及相对于 N E S减少的功率损失百分比。相对减少功率损失的算 式是 AP 鲁垫 1 3 APN r s 式中 ∑A P 是没 有采取任何节能措施的系统N E S 在一个工作循环内的功率损失总和， ∑△ P 蹦是 第i 种 采取了节能措施的系统在一个工作循环周期内的功率 3 2 机床与液压 第 4 0卷 损失 总和。 表 1 系统 图谱 图号 类 型 系统 图号 类型 系统 吁 襄 萎 油 的 申 V l 开 式 系 统 群 lⅣ 豳 ．』 几 ． 开 式 系 统 ” _ 1 _ _J 塞 翥 、 ，r{6 Ⅱ N E S 沿 右 何 节 能 { _f 了 f - E s 液压泵通过溢基 ’ ．r『 【 卜 _工 Q __1 ． 黼臁 一 流阀卸荷 u 萱 r l 瀑1 节 能 2 ／_ 、 } 舌 f 开 式 系 统 网{9 l V 4J l I 。 d Ⅱ v l 限 压 式 变 量 泵_ 一[二 1 E S 1保压时，液压 ． f l r 1 l 1 ／I．I 万 鬲 ’ ， 址阔 l ， T r 1l ■ 、 中位卸荷V 2 l 流量过剩 。 } _ 一_ ￡ ． 节能上 { ． 节 能 ￡ 眦 开 式 系 统 J 舟 奔开 式 系 统 lIIr f E s 孽 ， f f _I 1 厂 E S 7 流 量 感 控 泵 供r {6 I I 『 ， ． 肇 霎 芋 系 统 V ’ L 丁 节能 一 I ；凸 J ⋯ 。 ⋯ VJ口 开 式 系 统 一_ ] _ T 一 ，． 开 式 系 统丑 一 I4 l E s 3 荸 进 ． 待 1 l E S 8 角 荇 佶 腋 杏 量 V 虹 卫 】 ’V 5 l H J l ， 口x0。 0十1 1 t ‘-_ 一 液压泵通过溢 V L 丘 l 系 统 藤 A l赢 l 流 阀 卸 荷 了 ■ 节 能 一 -V 节 能 f f 口 f I 定 量 泵 供油 的 L一⋯ ⋯[E} Es4 蓁 筹 一 ． 亡 牛 一丁1__弭 ES9 萎 黍 油 的 III v- 嚣 藉 鎏 }{。 流阀卸荷 撤 ～ I 阀控系统 l 【 ．I 节能 ■ _ _ 7 巨 J 节能 ． l j 第 2期 雷秀 等 液压系统的能量损失与节能对 比分析 3 3 续表 1 图号 类 型 系 统 图 号 类 型 系 统 v 叮 广 F 一 变量泵供油的 赶 V 5 ]ii 开 式 系 统 翻 T I 开 式 系 统 V 1 ．f 了 山 2 Y A V 1 E S I O 负载敏感泵供 { 配阀控系统 一 _ _- 油 的 阀 控 系 统 } ． _ _ 应 V l 节 能 流 量 J J 节 能 LL _ J 山 v 三 卜 变 量 泵 供 油 的 t ]X v 全 闭式 数 字 泵 ” 枢 开式 系 统 占 fl 控 系统 ， 粤 ESll 蜃 薏 篌 -1 苗 蛰 Es 翻l谛 秆 的谛 蜜 油 的 阀控 系 统 动方向 n sF S I | l 目 节能 、 节 能 Y、 ／ 小大 变 频 调 速 定 量 吁 系统 T J 一 ． I Esl 毒 孳 曩 ； ，，_ 节 能 。。 【 表2 系统功率损失的统计结果表 由表 2可知在一个工作循环 内 N E S的功率损 失达 1 4 ． 3 1 3 k W ，而 E S 1 一 E S 1 4的功率损失均 比 N E S 的小 ，E S 1 4的只有 0 ． 1 3 8 k W。从减少功率损失的相 对值来看，E S 1 4比 N E S减少损失 9 9 ． 0 4 ％。总的看 来 ，阀控系统的功率损失都大于泵控系统。 2 ． 3 节能 系统在 工程 中的应用讨论 从表 2可以清楚地看出不同液压系统的功率损耗 的数值 ，这给工程应用提供 了参考依据。也就是说， 当设计的液压系统是只有一个执行元件的简单系统 时 ，根 据实际 情况 可 以直接 选用 E s 1 一E s 1 4 。然 而 ， 工程实 际中的液压 系统可能是 由多个执行元件组成的 复杂 系统 ，对 于阀控 系统的方案来说 ，需要根据这些 系统在回路上进行 串联或并联来满足系统功能 的需 要 。 E S 1 4具有相对高的节能效益 ，但是对于多执行 元件的系统来说，则需要多个 E S 1 4进行重组，协同 工作 。 液压节能系统设计应该是一个系统工程。设计中 应综合考虑其功能、结构、成本、能耗、安全、环境 3 4 机床与液压 第4 O卷 和寿命 等问题。要设计 出综合指标高 的液压系统， 需要优化和决策理论支持 。 3结论 在液压系统能量损失分析的基础上，给出了系统 能耗表达式。以单执行元件的系统为研究对象 ，绘制 了节能对比的系统图谱。在工作参数相同的条件下 ， 按系统工作循环 ，分工况进行了功率损失计算 。分工 况功率损失的计算结果、系统图谱为液压系统设计提 供了参考依据。 功率损失的计算结果表 明采取节能措施 的E s 系统 比没有采取 节 能措 施 的 N E S系 统具 有 明显 的节 能效果。虽然 E s l E s 3与 N E S在工进中的功率损失 接 近 ，但 一个工作循环 内的功率损失则相差较 大。因 此 ，在液压 系统设计 中 ，在尽量挖掘每一工况 节能措 施的同时，更应注重其总的节能效果。 基于容积调速基本理论发展起来的数字控制节能 系统 E S 1 4可 以分工况程序控制，是今后发展 的方 向。将 E S 1 4设 计 成 传 动 单 元 T u T r a n s m i s s i o n U n i t ，根据工程需要 ， 通过合理配置或重组 T u即可 满足复杂 系统 的要 求。 参考文献 【 1 】 刘庆和， 姜继海． C Y型轴向柱塞变量泵功率匹配控制的 理论分析与实验研究[ C] ／ ／ 流体动力的节能与比例技 术， 广州 华南工学院出版社， 1 9 8 6 9 2 0 ． 【 2 】 沈之敏 ， 刘其元， 周洪． X B B H 6 3电液比例变量柱塞泵 的设计和特性 [ C] ／ ／ 流体动力的节能与 比例技术 ， 广 州 华南工学院出版社， 1 9 8 6 1 4 81 5 5 ． 【 3 】 刘玉琦 ， 王庆国， 宋俊． 电液比例控制流量轴向柱塞泵的 研究[ C ] ／ ／ 流体动力的节能与比例技术， 广州 华南工 学 院出版社 ， 1 9 8 6 1 6 41 6 9 ． 【 4】K A Z U O N a k a n o ， Y U T A K A T a n a k a ． E n e r g y S a v i n g T y p e E l e c t r o h y d r a u l i c S e r v o S y s t e m[ J ] ． J o u r n a l o f F l u i d C o n - 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