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【摘 要】在人们环保意识逐渐提高的今天，液压系统的节能设计成为大众关注的焦点，本文从液压传动对资源及环境的不利影响分析出发，提出节能环保设计的本质，并从三大方面提出节能环保措施，以为相关技术人员提供参考借鉴。
【关键词】液压传动系统；节能；设计
当前，随着环境污染及能源枯竭问题的日益严峻，节能环保环保成为全世界各国关注的焦点。液压传动与控制技术是工业中应用较为普遍的一种传动技术,具有功率质量比大、工作压力和流量可调性好、可实现无级调速等优点，但另一方面，因液压传动系统主要依靠液体斥力克服负载阻力进行动力传动完成预定工作，因而传统设计中往往更侧重其拖动调节功能及可靠性，对能耗控制和系统效率重视不足，造成很多液压传动系统的运行效率较低，系统能耗较大，既影响机械设备的工作品质，又造成很大的能源浪费及环境污染。我国能源和资源相对短缺，因此，为适应节能环保的要求，如何在液压系统设计中做好能耗控制及环境污染控制,具有重要的现实意义。
1.液压传动对资源及环境的不利影响
1.1液压传动工作过程中功率损失大，能耗高
根据液压传动的工作原理，其在进行能量转换及传递的过程中，必然发生机械摩擦损失、液体流经管路产生的沿程压力损失及流经液压阀类元件产生的局部压力损失，同时由于液压元件内部相对运动的配合间隙，液体工作介质在液压元件内部引起的内泄漏，元件的外泄漏以及执行机构运动体之间的外泄漏所造成的流量损失。以上种种损失构成了原动机的功率损失，降低了系统效率。此外，因一些液压回路在设计上对功率匹配设计考虑不足，无形中增加了系统功率损失，降低系统效率。
1.2液压传动工作介质对环境的污染大
液压传动中采用的工作介质主要是矿物型液压油及难燃性液压油。前者是石油经精炼加入相应添加剂制成，极易燃烧，一旦泄漏到环境中则火灾隐患大。同时，这类液压油可降解率极低，泄漏的液压油或废弃油会严重污染生态环境。加上当前石油资源供应紧张，而液压传统系统所用液压油量极大，势必造成能源的浪费。难燃型液压油虽不易燃性但毒性很强，一旦泄漏环境及人类的危害相当严重。
1.3液压传动中的振动及噪声大
当前，液压技术日渐向高压、高速、大功率方向发展，由此也引发了一些新问题，尤以噪声问题较为严重。液压系统噪声可分机械噪声及流体噪声两种。液压系统中的液压泵、电动机及液压马达的转速都很高，一旦转动部件不平衡，则会造成周期性的不平衡力引起的振动，传至油箱和管路时，在共振作用下噪声极大。机械噪声包括机械零件缺陷和装配不合格而引起的高频噪声。在液压系统噪声中流体噪声为主噪声，其引发的原因有油液的流速、压力的突变、流量的周期性变化以及油泵的困油、气穴等。以液压泵为例，液压系统采用的是容积式泵，工作原理为依靠密封容积的交替变化达到吸油及排油的目的，这势必使泵输出的流量是脉动的。液压泵的流量脉动会引发整个液压系统的压力脉动和噪声。而液压系统的压力脉动可看作是液压振动，进而带来整个液压管路系统的机械振动，造成液压管路及接头松动，造成系统的破坏及液压元件的破坏，致使整个液压系统的性能和使用寿命降低。此外，液压传动中的振动及噪声也污染环境，甚至损害操作者的听觉及精神，危害人体健康。
2.节能环保设计本质
液压传动装置作为一个用能设备，工作中进行三次能量转换，即电能一机械能一液压能一机械能，在能量转换过程中，必然伴随着能量损失，该损失包含如下几方面：1）能量转换元件的能量转换损失，包括机械摩擦、压力和容积损失；2）动力源和负载特性不适应而产生的匹配损失；3）结构布局决定的传输损失，主要为流动损失；4）系统设计缺陷或不合理导致的能量损失；5）工作介质选用不当导致的能量损失。因此，为提高能量的利用率,减少能量浪费,保护环境，必须将能耗控制以及环境污染控制作为设计重点，基于此，笔者认为，液压传动系统节能环保设计的本质，就是要求液压系统工作时对周围生态环境无损害，污染最小，产生的物理、化学和生物废弃物很少，同时也包括对不可再生能源的消耗量、再回收能力和与生态环境的和谐程度等内容。
3.节能环保措施
3.1改善能量转换效率，合理选用控制元件及管路系统
能量转换效率是能量转换过程的能量利用率，决定于能量转换元件液压泵、液动机的效率。主要从提高元件的质量及开发新型节能元件来满足要求。利用压力补偿控制、负载感应控制以及功率协调系统等现代液压技术，也是提高液压系统效率、降低能耗的重要手段。采用定量泵+比例换向阀、多联泵(定量泵)+比例节流溢流阀的系统，效率可以提高28%～45%。用于液压机的系统中定量泵+增速液压缸的快速回路，系统中的溢流阀起安全保护作用，无溢流损失，供油压力始终随负载而变，这种回路具有容积调速以及压力自动适应的特性，能明显提高系统效率。在元件方面，应尽量选用低能耗、高效率的元件，如选用叠加阀或集成块连接以减少管路连接的压力损失；选用压降小、可连续控制的电液比例控制阀；由数一模转换元件直接与计算机相连，利用计算机输出的脉冲数和频率来控制液压系统的压力和流量的数字阀数字缸数字泵等都有节能效果。
3.2选择匹配适应性的动力源，提高系统回路效率
液压系统功率损失的根本原因是液压传动系统过剩的流量损失和过剩的压力损失，因此要提高液压系统的工作效率，就必须使这两块值尽可能地减少。在液压系统中，执行机构输入功率与动力装置(简称动力源)输出功率的比值，称为系统回路效率。即:ηc=■，式中，pLqL分别为执行机构的输入压力、流量，ppqp分别为动力装置的输出压力、流量。
不同工况时，液压设备的能量消耗往往差别很大。供过于求，动力源的输出流量过剩和压力过剩，是造成能耗的根本原因，因此要提高回路效率，最有效办法就是选择匹配适应性的动力源。从节能角度分析，液压传动系统的动力源主要有如下四类可供选择：恒压源动力源、压力适应动力源、流量适应动力源及功率适应动力源。四种液压源的特性及比较详见表 l。
表1 四种液压源比较
注：■表示有用功率；■表示损失功率表示节能功率
选用时压力源时，要先应对液压系统进行工况分析，查明一个工作循环中负载压力、流量及功率的分布及要求，从而为选择与之压力、流量及功率相配的液压源提供技术依据；同时，还要从传动效率及社会总效益两方面分析比较各种可行性方案，综合利弊作做合理取舍。
3.3采用节能回路，提高系统回路效率
图1 二次调节节能回路
节能回路的功用即用最小的输入能量来完成一定的输出。图l所示即为一种兼有回收、贮存功能的二次调节节能回路。二次调节系统的特征在于一次和二次能量转换器件间是通过压力来联系(常规的液压驱动系统是通过流量联系的)，液动机从集中能源系统中获取运转需要的相应能量。其输出性能的改变，主要是通过二次元件的调节来实现。
带蓄能器的管路表示集中式的液压能源。附有变量调节缸3的变量液压马达2就是被驱动的二次能量转换元件。与马达同轴安装的计量泵1和变量调节缸3并联构成闭路，以便向变量机构反馈转速信号。马达的旋转方向由换向阀4切换变量机构来实现，进口节流阀6和背压阀5配合，实现马达转速的预选。当换向阀接通时，通过节流阀的液流同时进入计量泵和变量液压缸，当进入的流量与计量泵吸人和排出的流量不适应时，这一流量差值使液压缸产生变量调节运动，直到节流阀设定的流量完全与计量泵需要相适应变量动作才会终止，使马达保持在与节流阀调定流量相适应的转速下工作。若液压马达转速产生偏离时，同轴驱动的计量泵就会感受到此速差，并转换成流量信号馈入液压缸，使二次元件马达的排量增大或减少，直到转速恢复到正常。若把二次元件的摆角偏转到负方向，还可借助能源系统的阻抗起制动作用，外载动能或位能就可回馈到能源系统中去，并贮存在蓄能器中。蓄能器的加入，还通过回收、释放液压能有效提高了系统的工作效率。
【参考文献】
［１］桑勇，王占林，祁晓野,白国长.液压传动系统中节能技术的探讨[J].机床与液压，2007（3）：83-85.
［２］液压传动与控制系统的新型节能技术探讨[J].沈阳理工大学学报，2010（6）：38-41.
［３］李骥.液压传动控制设备的维护及其节能技术的应用研究[J].科教创新，2009（4）：272.
【关键词】液压传动系统；节能；设计
当前，随着环境污染及能源枯竭问题的日益严峻，节能环保环保成为全世界各国关注的焦点。液压传动与控制技术是工业中应用较为普遍的一种传动技术,具有功率质量比大、工作压力和流量可调性好、可实现无级调速等优点，但另一方面，因液压传动系统主要依靠液体斥力克服负载阻力进行动力传动完成预定工作，因而传统设计中往往更侧重其拖动调节功能及可靠性，对能耗控制和系统效率重视不足，造成很多液压传动系统的运行效率较低，系统能耗较大，既影响机械设备的工作品质，又造成很大的能源浪费及环境污染。我国能源和资源相对短缺，因此，为适应节能环保的要求，如何在液压系统设计中做好能耗控制及环境污染控制,具有重要的现实意义。
1.液压传动对资源及环境的不利影响
1.1液压传动工作过程中功率损失大，能耗高
根据液压传动的工作原理，其在进行能量转换及传递的过程中，必然发生机械摩擦损失、液体流经管路产生的沿程压力损失及流经液压阀类元件产生的局部压力损失，同时由于液压元件内部相对运动的配合间隙，液体工作介质在液压元件内部引起的内泄漏，元件的外泄漏以及执行机构运动体之间的外泄漏所造成的流量损失。以上种种损失构成了原动机的功率损失，降低了系统效率。此外，因一些液压回路在设计上对功率匹配设计考虑不足，无形中增加了系统功率损失，降低系统效率。
1.2液压传动工作介质对环境的污染大
液压传动中采用的工作介质主要是矿物型液压油及难燃性液压油。前者是石油经精炼加入相应添加剂制成，极易燃烧，一旦泄漏到环境中则火灾隐患大。同时，这类液压油可降解率极低，泄漏的液压油或废弃油会严重污染生态环境。加上当前石油资源供应紧张，而液压传统系统所用液压油量极大，势必造成能源的浪费。难燃型液压油虽不易燃性但毒性很强，一旦泄漏环境及人类的危害相当严重。
1.3液压传动中的振动及噪声大
当前，液压技术日渐向高压、高速、大功率方向发展，由此也引发了一些新问题，尤以噪声问题较为严重。液压系统噪声可分机械噪声及流体噪声两种。液压系统中的液压泵、电动机及液压马达的转速都很高，一旦转动部件不平衡，则会造成周期性的不平衡力引起的振动，传至油箱和管路时，在共振作用下噪声极大。机械噪声包括机械零件缺陷和装配不合格而引起的高频噪声。在液压系统噪声中流体噪声为主噪声，其引发的原因有油液的流速、压力的突变、流量的周期性变化以及油泵的困油、气穴等。以液压泵为例，液压系统采用的是容积式泵，工作原理为依靠密封容积的交替变化达到吸油及排油的目的，这势必使泵输出的流量是脉动的。液压泵的流量脉动会引发整个液压系统的压力脉动和噪声。而液压系统的压力脉动可看作是液压振动，进而带来整个液压管路系统的机械振动，造成液压管路及接头松动，造成系统的破坏及液压元件的破坏，致使整个液压系统的性能和使用寿命降低。此外，液压传动中的振动及噪声也污染环境，甚至损害操作者的听觉及精神，危害人体健康。
2.节能环保设计本质
液压传动装置作为一个用能设备，工作中进行三次能量转换，即电能一机械能一液压能一机械能，在能量转换过程中，必然伴随着能量损失，该损失包含如下几方面：1）能量转换元件的能量转换损失，包括机械摩擦、压力和容积损失；2）动力源和负载特性不适应而产生的匹配损失；3）结构布局决定的传输损失，主要为流动损失；4）系统设计缺陷或不合理导致的能量损失；5）工作介质选用不当导致的能量损失。因此，为提高能量的利用率,减少能量浪费,保护环境，必须将能耗控制以及环境污染控制作为设计重点，基于此，笔者认为，液压传动系统节能环保设计的本质，就是要求液压系统工作时对周围生态环境无损害，污染最小，产生的物理、化学和生物废弃物很少，同时也包括对不可再生能源的消耗量、再回收能力和与生态环境的和谐程度等内容。
3.节能环保措施
3.1改善能量转换效率，合理选用控制元件及管路系统
能量转换效率是能量转换过程的能量利用率，决定于能量转换元件液压泵、液动机的效率。主要从提高元件的质量及开发新型节能元件来满足要求。利用压力补偿控制、负载感应控制以及功率协调系统等现代液压技术，也是提高液压系统效率、降低能耗的重要手段。采用定量泵+比例换向阀、多联泵(定量泵)+比例节流溢流阀的系统，效率可以提高28%～45%。用于液压机的系统中定量泵+增速液压缸的快速回路，系统中的溢流阀起安全保护作用，无溢流损失，供油压力始终随负载而变，这种回路具有容积调速以及压力自动适应的特性，能明显提高系统效率。在元件方面，应尽量选用低能耗、高效率的元件，如选用叠加阀或集成块连接以减少管路连接的压力损失；选用压降小、可连续控制的电液比例控制阀；由数一模转换元件直接与计算机相连，利用计算机输出的脉冲数和频率来控制液压系统的压力和流量的数字阀数字缸数字泵等都有节能效果。
3.2选择匹配适应性的动力源，提高系统回路效率
液压系统功率损失的根本原因是液压传动系统过剩的流量损失和过剩的压力损失，因此要提高液压系统的工作效率，就必须使这两块值尽可能地减少。在液压系统中，执行机构输入功率与动力装置(简称动力源)输出功率的比值，称为系统回路效率。即:ηc=■，式中，pLqL分别为执行机构的输入压力、流量，ppqp分别为动力装置的输出压力、流量。
不同工况时，液压设备的能量消耗往往差别很大。供过于求，动力源的输出流量过剩和压力过剩，是造成能耗的根本原因，因此要提高回路效率，最有效办法就是选择匹配适应性的动力源。从节能角度分析，液压传动系统的动力源主要有如下四类可供选择：恒压源动力源、压力适应动力源、流量适应动力源及功率适应动力源。四种液压源的特性及比较详见表 l。
表1 四种液压源比较
注：■表示有用功率；■表示损失功率表示节能功率
选用时压力源时，要先应对液压系统进行工况分析，查明一个工作循环中负载压力、流量及功率的分布及要求，从而为选择与之压力、流量及功率相配的液压源提供技术依据；同时，还要从传动效率及社会总效益两方面分析比较各种可行性方案，综合利弊作做合理取舍。
3.3采用节能回路，提高系统回路效率
图1 二次调节节能回路
节能回路的功用即用最小的输入能量来完成一定的输出。图l所示即为一种兼有回收、贮存功能的二次调节节能回路。二次调节系统的特征在于一次和二次能量转换器件间是通过压力来联系(常规的液压驱动系统是通过流量联系的)，液动机从集中能源系统中获取运转需要的相应能量。其输出性能的改变，主要是通过二次元件的调节来实现。
带蓄能器的管路表示集中式的液压能源。附有变量调节缸3的变量液压马达2就是被驱动的二次能量转换元件。与马达同轴安装的计量泵1和变量调节缸3并联构成闭路，以便向变量机构反馈转速信号。马达的旋转方向由换向阀4切换变量机构来实现，进口节流阀6和背压阀5配合，实现马达转速的预选。当换向阀接通时，通过节流阀的液流同时进入计量泵和变量液压缸，当进入的流量与计量泵吸人和排出的流量不适应时，这一流量差值使液压缸产生变量调节运动，直到节流阀设定的流量完全与计量泵需要相适应变量动作才会终止，使马达保持在与节流阀调定流量相适应的转速下工作。若液压马达转速产生偏离时，同轴驱动的计量泵就会感受到此速差，并转换成流量信号馈入液压缸，使二次元件马达的排量增大或减少，直到转速恢复到正常。若把二次元件的摆角偏转到负方向，还可借助能源系统的阻抗起制动作用，外载动能或位能就可回馈到能源系统中去，并贮存在蓄能器中。蓄能器的加入，还通过回收、释放液压能有效提高了系统的工作效率。
【参考文献】
［１］桑勇，王占林，祁晓野,白国长.液压传动系统中节能技术的探讨[J].机床与液压，2007（3）：83-85.
［２］液压传动与控制系统的新型节能技术探讨[J].沈阳理工大学学报，2010（6）：38-41.
［３］李骥.液压传动控制设备的维护及其节能技术的应用研究[J].科教创新，2009（4）：272.