淺析液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中的能耗問題

1、淺析液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中的能耗問題目錄淺析液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中的能耗問題 1摘要1關(guān)鍵詞1、 、-刖言11液壓傳動(dòng)的認(rèn)知21.1液壓傳動(dòng)的組成21.2液壓元件分類31.3液壓傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)32液壓系統(tǒng)的功率損失計(jì)算 42.1泵的功率損失42.2管路系統(tǒng)的損失 42.3馬達(dá)和油缸的損失43減少能耗，充分利用能量53.1減少能量損失53.2泄露控制54液壓系統(tǒng)發(fā)熱的控制55、液壓系統(tǒng)的冷卻66能耗分析的發(fā)展情況7謝辭7參考文獻(xiàn)8淺析液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中的能耗問題摘要：液壓傳動(dòng)是工業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的一部分，其應(yīng)用范圍極其廣 泛，給工業(yè)生產(chǎn)中帶來許多便利，但也有些與不足，由于能耗問題大 大制約了其工作效率。本文就液壓傳動(dòng)系

2、統(tǒng)其結(jié)構(gòu)、工作原理、能耗 原因,對液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中的能耗問題給予分析。關(guān)鍵詞：液壓傳動(dòng)；構(gòu)成；認(rèn)知；原理；分析；結(jié)論液壓傳動(dòng)應(yīng)用非常廣泛，如一般工業(yè)用的塑料加工機(jī)械、壓力機(jī)械、機(jī)床等； 行走機(jī)械中的工程機(jī)械、建筑機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械、汽車等；鋼鐵工業(yè)用的冶金機(jī)械、 提升裝置、軋輥調(diào)整裝置等；土木水利工程用的防洪閘門及堤壩裝置、河床升降 裝置、橋梁操縱機(jī)構(gòu)等；發(fā)電廠渦輪機(jī)調(diào)速裝置、核發(fā)電廠等等；船舶用的甲板 起重機(jī)械（絞車）、船頭門、艙壁閥、船尾推進(jìn)器等；特殊技術(shù)用的巨型天線控 制裝置、測量浮標(biāo)、升降旋轉(zhuǎn)舞臺等；軍事工業(yè)用的火炮操縱裝置、船舶減搖裝 置、飛行器仿真、飛機(jī)起落架的收放裝置和方向舵控制裝置等

3、。我國液壓行業(yè)已形成了門類齊全，有一定生產(chǎn)能力和技術(shù)水平，初級規(guī)模的 生產(chǎn)科研體系。目前全國約有近 300家企業(yè)，還有液壓研究所，國家級液壓元件 質(zhì)量監(jiān)督檢測中心以及國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。目前，液壓元件產(chǎn)品約有1000個(gè)品種,近1000個(gè)規(guī)格。通過科技攻關(guān)和技術(shù)引進(jìn)，產(chǎn)品水平有一定的提高，生產(chǎn)出一些 具有世界水平的產(chǎn)品。另外，在 CAD和CAT技術(shù)、污染控制、故障診斷、機(jī)電一 體化、海水及高水劑溶液的應(yīng)用、現(xiàn)代控制技術(shù)的應(yīng)用等方面取得了令人欣喜的 成果，并以用于生產(chǎn)。我國液壓工業(yè)重視同國外企業(yè)進(jìn)行有效的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)合作， 近年來先后從國外引進(jìn)了很多液壓元件和液壓系統(tǒng)等制造技術(shù)，為提高產(chǎn)品水平 和生產(chǎn)能

4、力起了重要的作用。走向二一世紀(jì)的液壓技術(shù)不可能有驚人的技術(shù)突 破，應(yīng)當(dāng)主要靠現(xiàn)有技術(shù)的改進(jìn)和擴(kuò)展，不斷擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域以滿足未來的要求。液壓傳動(dòng)是工業(yè)的重要的部分，但在液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中不可避免的會出現(xiàn)能耗 問題，能耗問題是無法從根本上避免的，我問要做的事盡可能的減少其危害，盡 量提高其工作效率，從而提高工業(yè)生產(chǎn)力，創(chuàng)造更多的價(jià)值，本文介紹了液壓傳 動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)成應(yīng)用及工作原理等一系列問題借此給液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的能耗問題以分 析，給出一些合理的建議。1液壓傳動(dòng)的認(rèn)知：1795年英國約瑟夫布拉曼（Joseph Braman,1749-1814），在倫敦用水作為工 作介質(zhì)，以水壓機(jī)的形式將其應(yīng)用于工業(yè)上， 誕

5、生了世界上第一臺水壓機(jī)。1905年 將工作介質(zhì)水改為油，又進(jìn)一步得到改善。第二次世界大戰(zhàn)（1941-1945）期間，在美國機(jī)床中有30沁用了液壓傳動(dòng)。應(yīng) 該指出，日本液壓傳動(dòng)的發(fā)展較歐美等國家晚了近 20多年。在1955年前后，日 本迅速發(fā)展液壓傳動(dòng)，1956年成立了“液壓工業(yè)會”。近2030年間，液壓傳動(dòng) 發(fā)展迅速，在機(jī)械方面有廣泛的發(fā)展領(lǐng)域。液壓傳動(dòng)有許多突出的優(yōu)點(diǎn)，因此它的應(yīng)用非常廣泛，如一般工。業(yè)用的塑 料加工機(jī)械、壓力機(jī)械、機(jī)床等；行走機(jī)械中的工程機(jī)械、建筑機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械、 汽車等；鋼鐵工業(yè)用的冶金機(jī)械、提升裝置、軋輥調(diào)整裝置等；土木水利工程用 的防洪閘門及堤壩裝置、河床升降裝置、橋

6、梁操縱機(jī)構(gòu)等；發(fā)電廠渦輪機(jī)調(diào)速裝 置、核發(fā)電廠等等；船舶用的甲板起重機(jī)械（絞車）、船頭門、艙壁閥、船尾推 進(jìn)器等；特殊技術(shù)用的巨型天線控制裝置、測量浮標(biāo)、升降旋轉(zhuǎn)舞臺等；軍事工 業(yè)用的火炮操縱裝置、船舶減搖裝置、飛行器仿真、飛機(jī)起落架的收放裝置和方 向舵控制裝置等。液壓傳動(dòng)的基本原理：液壓系統(tǒng)利用液壓泵將原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為液體的 壓力能，通過液體壓力能的變化來傳遞能量，經(jīng)過各種控制閥和管路的傳遞，借 助于液壓執(zhí)行元件（缸或馬達(dá)）把液體壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，從而驅(qū)動(dòng)工作機(jī)構(gòu)， 實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。其中的液體稱為工作介質(zhì)，一般為礦物油，它的 作用和機(jī)械傳動(dòng)中的皮帶、鏈條和齒輪等傳動(dòng)元件相類

7、似。在液壓傳動(dòng)中，液壓油缸就是一個(gè)最簡單而又比較完整的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)，分 析它的工作過程，可以清楚的了解液壓傳動(dòng)的基本原理。1.1液壓傳動(dòng)的組成液壓系統(tǒng)主要由：動(dòng)力元件（油泵）、執(zhí)行元件（油缸或液壓馬達(dá)）、控制 元件（各種閥）、輔助元件和工作介質(zhì)等五部分組成。1.1.1動(dòng)力元件（油泵）它的作用是把液體利用原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成液壓力能；是液壓傳動(dòng)中的動(dòng) 力部分。1.1.2執(zhí)行元件（油缸、液壓馬達(dá)）它是將液體的液壓能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。其中，油缸做直線運(yùn)動(dòng)，馬達(dá)做旋轉(zhuǎn)運(yùn) 動(dòng)。1.1.3控制元件包括壓力閥、流量閥和方向閥等。它們的作用是根據(jù)需要無級調(diào)節(jié)液動(dòng)機(jī)的 速度，并對液壓系統(tǒng)中工作液體的壓力、流量和流向

8、進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。1.1.4輔助元件除上述三部分以外的其它元件，包括壓力表、濾油器、蓄能裝置、冷卻器、 管件各種管接頭（擴(kuò)口式、焊接式、卡套式）、高壓球閥、快換接頭、軟管總成、 測壓接頭、管夾等及油箱等，它們同樣十分重要。1.1.5工作介質(zhì)工作介質(zhì)是指各類液壓傳動(dòng)中的液壓油或乳化液，它經(jīng)過油泵和液動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn) 能量轉(zhuǎn)換。1.2液壓元件分類動(dòng)力元件 齒輪泵、葉片泵、柱塞泵、螺桿泵 執(zhí)行元件一一液壓缸：活塞液壓缸、柱塞液壓缸、擺動(dòng)液壓缸、組合液壓缸 液壓馬達(dá)：齒輪式液壓馬達(dá)、葉片液壓馬達(dá)、柱塞液壓馬達(dá)控制元件方向控制閥：單向閥、換向閥壓力控制閥：溢流閥、減壓閥、順序閥、壓力繼電器等流量控制閥：節(jié)流閥、調(diào)速

9、閥、分流閥輔助元件 蓄能器、過濾器、冷卻器、加熱器、油管、管接頭、油箱、壓力 計(jì)、流量計(jì)、密圭寸裝置等。1.3液壓傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)1.3.1體積小、重量輕，例如同功率液壓馬達(dá)的重量只有電動(dòng)機(jī)的10%20%因此慣性力較小，當(dāng)突然過載或停車時(shí)，不會發(fā)生大的沖擊；1.3.2能在給定范圍內(nèi)平穩(wěn)的自動(dòng)調(diào)節(jié)牽引速度，并可實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速，且調(diào)速范圍最大可達(dá)1： 2000（ 一般為1： 100）。1.3.3換向容易，在不改變電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向的情況下，可以較方便地實(shí)現(xiàn)工作機(jī)構(gòu)旋 轉(zhuǎn)和直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換；1.3.4液壓泵和液壓馬達(dá)之間用油管連接，在空間布置上彼此不受嚴(yán)格限制;1.3.5由于采用油液為工作介質(zhì)，元件相對運(yùn)動(dòng)表面

10、間能自行潤滑，磨損小，使用 壽命長；1.3.6操縱控制簡便，自動(dòng)化程度高1.3.7容易實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)1.3.8液壓元件實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化、便于設(shè)計(jì)、制造和使用。2液壓系統(tǒng)的功率損失計(jì)算2.1泵的功率損失泵的功率損失主要包括溶積損失和機(jī)械損失。容積損失是泵在工作過程中其 高壓腔有少量壓力油經(jīng)間隙泄漏到底壓腔。壓力越高油的粘度越低，泄漏量越大。 因此泵的實(shí)際輸出流量小于理論流量。機(jī)械損失主要由兩部分組成：一是泵在工 作過程中，泵內(nèi)相對運(yùn)動(dòng)件之間的機(jī)械摩擦引起的轉(zhuǎn)矩?fù)p失：二是泵內(nèi)油液的粘 度所引起的轉(zhuǎn)矩?fù)p失。這量損失分別反映了泵的容積效率n v和機(jī)械效率n m泵的總效率n為：n = n v

11、x n m2.2管路系統(tǒng)的損失管路系統(tǒng)中的損失包括壓力損失和溶劑損失。液壓系統(tǒng)管路通常由若干段管 道串聯(lián)而成，其中每一段形成局部阻力。構(gòu)成管路系統(tǒng)壓力損失是沿程壓力損失 和局部壓力損失。再保證相鄰兩局部阻力處之間有足夠距離的情況下，管路系統(tǒng) 的總壓力損失等于所有沿程壓力損失和所有串聯(lián)起來的局部損失之和，1r 2即：ZAP =2AP k + ZAP r =藝入 y + 1/d x v /2g + 藝 S v/2g2.3馬達(dá)和油缸的損失馬達(dá)的結(jié)構(gòu)和泵相似，工作過程中同樣存在著容積損失和機(jī)械損失，油缸工 作過程中也存在著摩擦阻力、密封阻力及慣性阻力，存在著泄漏和外泄漏。它們 反映了執(zhí)行組件的容積效率

12、和機(jī)械效率。液壓系統(tǒng)的總效率為：n =n p xn c x n 1泵的總效率執(zhí)行組建的總效率n i 回路的總效率n 液壓系統(tǒng)的總效率上訴各項(xiàng)能量損失轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使油液溫度升?液壓系統(tǒng)的總發(fā)熱量為：Q=P(1- n ) 式中Pi-液壓泵的輸出功率液壓系統(tǒng)的總效率系統(tǒng)所產(chǎn)生的熱量主要由郵箱散發(fā)到空氣中。當(dāng)系統(tǒng)工作一段時(shí)間后，處于熱平衡狀態(tài)，油溫不再升高，繼續(xù)工作所產(chǎn)生的熱量將由熱表面散發(fā)。散熱量計(jì) 算可用：Ce=k?A2A t式中k 散熱系數(shù)，取決于通風(fēng)情況和冷卻方法A散發(fā)面積A t 系統(tǒng)溫度系統(tǒng)達(dá)到熱平衡狀態(tài)時(shí)：Q=Q即 p i(l- n )=K?A?A t則 A t= P i(1- n )/

13、K ?A隨著液壓傳動(dòng)的廣泛應(yīng)用，給人們帶來快捷高效率的同時(shí)我們也要面對它本 身所帶來的各種問題，其中能耗問題是液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中不可避免的問題，從能量 守恒定律我們可以知道，能耗問題是無法從根本上避免的，但是隨著科技的發(fā)展 我們可以盡量減小其工作過程中的能量損耗。3減少能耗，充分利用能量3.1減少能量損失 3.1.1減少元件和系統(tǒng)的內(nèi)部壓力損失，以減少功率損失。3.1.2減少或消除系統(tǒng)的節(jié)流損失，盡量減少非安全需要的溢流量。3.1.3采用靜壓技術(shù)，新型密封材料；減少摩擦損失。3.1.4改善液壓系統(tǒng)性能，采用負(fù)荷傳感系統(tǒng)、二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)和采用蓄能器回路3.2泄露控制泄露控制主要包括兩個(gè)方面：既要防止液

14、體泄漏到外部造成環(huán)境污染，又要 防止外部環(huán)境對系統(tǒng)的侵害。今后，將發(fā)展無泄漏元件和系統(tǒng)，如發(fā)展集成化和 復(fù)合化的元件和系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無管連接，研制新型密封和無泄漏管接頭、電機(jī)泵組 合裝置。無泄漏將是世界液壓界今后努力的重要方向之一。設(shè)計(jì)新型的活塞桿防 護(hù)裝置等。4液壓系統(tǒng)發(fā)熱的控制油液的升溫問題是液壓系統(tǒng)大部分故障的主要潛在誘發(fā)原因。油溫升高會引 起油液粘度降低，漏損增大容積效率降低，且影響流量閥的流量特性，造成系統(tǒng) 工作不穩(wěn)定。油溫升高。引起運(yùn)動(dòng)件間的間隙變化，升溫太大會是油質(zhì)發(fā)生變化, 嚴(yán)重時(shí)會使機(jī)床產(chǎn)生熱變形。特別是在炎熱的夏天，往往工作兩小時(shí)后就趕到燙 手，工作就不得不停下來，嚴(yán)重影響了設(shè)

15、備的利用率和企業(yè)的生產(chǎn)率。所以說液 壓系統(tǒng)的發(fā)熱問題。必須控制。液壓系統(tǒng)的能量損失的控制方法有以下幾個(gè)方面:4.1充分利用電機(jī)的容量充分充分利用電機(jī)的容量，盡量使電機(jī)在高效率的狀態(tài)下工作。液壓設(shè)備一 般需要經(jīng)過電能-機(jī)械能-液壓能-機(jī)械能三次能量轉(zhuǎn)換，提高原動(dòng)機(jī)的 效率往往被忽略，目前工程機(jī)械中存在著由于液壓設(shè)備原動(dòng)機(jī)過大或負(fù)載在不同 的工作階段上不均衡導(dǎo)致電機(jī)在較低的功率因素下工作，這是一種浪費(fèi)，必須合 理的選擇電機(jī)容量。4.2提高液壓泵和執(zhí)行組件的效率泵和執(zhí)行組件的效率包括容積效率和機(jī)械效率，我們往往只重視溶積損失的 問題，卻忽略了泵結(jié)構(gòu)的研究、低摩擦問題的研究，近年來國外通過開展各種變

16、量泵低摩擦密封材料的研究，取得了一定的效果。4.3降低管路系統(tǒng)的能量損失提高原動(dòng)機(jī)的效率和提高液壓泵、執(zhí)行組件的效率總是有一定的限制的，降 低管路系統(tǒng)的能量損失是最根本的辦法。當(dāng)明確了設(shè)計(jì)要求后，通過調(diào)查研究， 了解和收集一些先進(jìn)技術(shù)資料，進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)比較，確定合理的管路系統(tǒng)方案， 其中關(guān)鍵是調(diào)速方案。因?yàn)檎{(diào)速問題往往是機(jī)床液壓系統(tǒng)的核心問題。設(shè)計(jì)者應(yīng) 對各種調(diào)速回路的工作原理、性能特點(diǎn)、適應(yīng)范圍深入了解，靈活運(yùn)用。具體措 施為：4.3.1方案應(yīng)力求簡單，在滿足要求的情況下，力求回路簡單、元件數(shù)量少、管路短。4.3.2泵的規(guī)格應(yīng)慎重選擇，盡可能減少流量過剩。4.3.3結(jié)構(gòu)參數(shù)應(yīng)合理設(shè)計(jì)，從而保

17、證原動(dòng)機(jī)的使用效率5、液壓系統(tǒng)的冷卻如果發(fā)熱升溫問題仍然影響到生產(chǎn)，那么可以考慮冷卻系統(tǒng)或冷卻設(shè)備以及 其他辦法。如國產(chǎn)的J113A型壓鑄機(jī)，夏天工作兩小時(shí)以上油箱中的油溫就高達(dá) 45度以上，油溫高必然導(dǎo)致粘度降低，內(nèi)泄漏增加，機(jī)器加壓時(shí)間加長，嚴(yán)重影 響生產(chǎn)。如壓鑄機(jī)采用的是在油箱中安裝蛇形冷卻管，溢溢流閥和卸荷閥的回流 實(shí)現(xiàn)回油箱在冷卻，通過對系統(tǒng)發(fā)熱量的計(jì)算，由溢流閥和卸荷閥所產(chǎn)生的熱量 占系統(tǒng)總熱量的百分之七十以上。如果對該機(jī)進(jìn)行冷卻系統(tǒng)的改進(jìn)，只要多買一 臺多管式水冷卻器，多彎幾根油管就可以解決油管發(fā)熱的問題。綜上所訴，要減少系統(tǒng)的發(fā)熱，必須減少系統(tǒng)的能量損耗，通過合理的設(shè)計(jì)、 選擇，盡量把能量控制在最低程度上。6、能耗分析的發(fā)展情況：自液壓機(jī)誕生以來，能耗問題一直是液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作者深入研究的問題， 效率也是他們必須面對和解決的問題。由于液壓機(jī)使用的介質(zhì)是油液和其他液體 介質(zhì)，這也就決定了其能耗分析的特殊性，比如：雷諾。達(dá)西等人通過對管路中 油液的性能分析，提出了雷諾數(shù)，達(dá)西公式等著名公式，這使得對油壓機(jī)系統(tǒng)的 能耗分析從理論上更近了一步，而后來的一些學(xué)者或工程師也只能停留在原來的 基礎(chǔ)上，只不過對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了分析。比如：波音公司的George R.Keller 他