劉 笑,吳文鋒,孫 強(qiáng),程如朋(浙江海洋學(xué)院 海運(yùn)與港航建筑工程學(xué)院，浙江 舟山 316022)

基于晃蕩平臺液壓系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉 笑,吳文鋒,孫 強(qiáng),程如朋
(浙江海洋學(xué)院 海運(yùn)與港航建筑工程學(xué)院，浙江 舟山 316022)

針對晃蕩模擬平臺的液壓驅(qū)動系統(tǒng)在工作中存在大量能量損耗，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)資源浪費(fèi)、成本增加問題，對液壓系統(tǒng)的節(jié)能問題進(jìn)行了具體的分析和實(shí)驗(yàn)的論證，并提出采取的基礎(chǔ)性措施、方法,例如減少管道彎曲、選擇合適的液壓元件等。將該優(yōu)化方法應(yīng)用于多功能晃蕩模擬平臺試驗(yàn)中，減少了能量損耗，提高了液壓系統(tǒng)的工作效率，對液壓系統(tǒng)節(jié)能領(lǐng)域有一定的指導(dǎo)意義。

晃蕩平臺；液壓系統(tǒng)；節(jié)能；優(yōu)化

1 液壓系統(tǒng)分析

1.1液壓系統(tǒng)的選用

晃蕩平臺是用來模擬船舶在海上航行時(shí)的真實(shí)晃蕩，以研究油船液貨艙熱質(zhì)傳遞規(guī)律，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、理論分析，來指導(dǎo)液貨狀態(tài)優(yōu)化控制操作，實(shí)現(xiàn)安全存儲和運(yùn)輸，其包括機(jī)械結(jié)構(gòu)、液壓驅(qū)動系統(tǒng)、信號輸出與反饋系統(tǒng)。其中選用的開式閉環(huán)液壓驅(qū)動控制系統(tǒng)，包括了電氣和液壓控制2部分，以達(dá)到電能—機(jī)械能—液壓能—機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)化，來實(shí)現(xiàn)模擬平臺的正常運(yùn)行。但是考慮到模擬平臺運(yùn)行過程中存在可能的能量損失與泄漏，對液壓系統(tǒng)進(jìn)行了定量的分析。

1.2能耗損失

晃蕩平臺的液壓系統(tǒng)包括4部分：動力元件液壓馬達(dá)、液壓泵、控制元件液壓控制閥以及執(zhí)行元件，如圖1所示[1]。其能量轉(zhuǎn)換的基本過程是：電機(jī)驅(qū)動液壓馬達(dá)(動力元件)做功把電能轉(zhuǎn)換成液壓能；液壓泵通過液壓控制閥(控制元件)將液壓能傳遞給執(zhí)行元件；通過功能轉(zhuǎn)化使執(zhí)行元件做功將液壓能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。在整個(gè)過程中，有如下幾種能耗損失。

1)能量轉(zhuǎn)換時(shí)的能耗。在電能-液壓能-機(jī)械能的能量轉(zhuǎn)換中，主要能耗是由液壓油的泄漏產(chǎn)生的，造成容積損失消耗一部分能量，特別是在惡劣工作環(huán)境中，產(chǎn)生的泄漏更為嚴(yán)重。

2)能量傳遞過程中的能耗。液壓能傳遞過程中，液壓油與機(jī)械設(shè)備或管路產(chǎn)生相對運(yùn)動且由于液壓油的黏度存在會產(chǎn)生摩擦，并有熱量產(chǎn)生，損耗液壓能，降低轉(zhuǎn)化效率。同時(shí)機(jī)械元件運(yùn)行時(shí)，仍存在機(jī)械磨損，也會有能耗存在。

3)液壓源與負(fù)載不適應(yīng)產(chǎn)生的匹配損失。即液壓系統(tǒng)的輸出能量與執(zhí)行元件所需能量不匹配，低載時(shí)，會出現(xiàn)能量供大于求，造成能源浪費(fèi)。

4)管理因素。包括液壓系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)、布局設(shè)計(jì)、運(yùn)行中人員使用、維修等因素對系統(tǒng)工作效率造成的影響。

以上這些因素大大降低了液壓系統(tǒng)的工作效率，尤其是熱能的產(chǎn)生使油液變質(zhì)，不僅易產(chǎn)生故障還會降低系統(tǒng)使用壽命和工作可靠性。

圖1 液壓系統(tǒng)能量的轉(zhuǎn)換與傳遞示意圖

1.3能效分析

根據(jù)液壓系統(tǒng)能量的轉(zhuǎn)換和傳遞的過程圖，可粗略列出其總效率η的表達(dá)式[2-3]：

η=η1×η2×η3，

(1)

式中：η1為液壓能量轉(zhuǎn)換效率，η1=ηa×ηb×ηc，ηa為電機(jī)的總效率，ηb為液壓泵的總效率，ηc為執(zhí)行元件的總效率；η2為液壓能量傳輸效率，η2=ηp×ηq，ηp為壓力利用率，ηq為流量利用率；η3為匹配效率。

從公式(1)可知，液壓系統(tǒng)的節(jié)能，最根本的是提高能量轉(zhuǎn)換效率、減少流量壓力損耗。

2 節(jié)能優(yōu)化措施

根據(jù)上述能耗損失與效率分析，現(xiàn)可采取2方面措施進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化：一方面，可選擇合適的高效元件，進(jìn)而改善和提高能量轉(zhuǎn)換效率；另一方面，在液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)和技術(shù)層面減少節(jié)流、溢流損失。

2.1選擇液壓設(shè)備

1)選擇液壓泵。液壓泵類型有很多，如：齒輪泵、螺桿泵、葉片泵、柱塞泵等。由泵的工作特性可知，高壓泵在低壓區(qū)內(nèi)工作，其總效率較低；同樣低壓泵在高壓區(qū)內(nèi)工作，其總效率也較低。如果僅僅從節(jié)能的角度著想，應(yīng)依次選擇柱塞泵、葉片泵、齒輪泵，考慮到與負(fù)載的匹配情況和不同類型的液壓泵的工作特點(diǎn)，一般壓力在2.5 MPa以下時(shí)選用齒輪泵，壓力在2.5～6.3 MPa選用葉片泵，壓力在6.3 MPa以上選用柱塞泵[4-5]。這些液壓泵通常情況下效率最高可達(dá)到90%，而許多廠家也正在開發(fā)新機(jī)型，以提高總效率。

2)選擇液壓控制元件。液壓控制元件是指液壓系統(tǒng)中的液壓閥。液壓油在液壓閥內(nèi)有流動阻力，不可避免的產(chǎn)生泄漏，造成壓力損失，降低系統(tǒng)效率。液壓閥的內(nèi)泄漏在一定程度上是允許存在的，它能夠改善液壓閥的工作性能，但又不能夠過度泄漏，因此可從加工工藝、手段和材質(zhì)等方面考慮，選擇滿足具體工作要求的液壓閥。提高閥的容積效率是減少外泄漏的有效手段：液壓閥的滑動表面間隙影響著泄漏量，當(dāng)間隙較大時(shí)，閥內(nèi)部流阻小，但易造成泄漏；而當(dāng)間隙較小時(shí)，可以有效地減少泄漏量，卻又使黏性摩擦阻力增大。保持液壓油連續(xù)、平穩(wěn)的輸送，減少能量沖擊，也能夠保證能量的穩(wěn)定傳輸和轉(zhuǎn)化，減少能量損失。

3)選擇執(zhí)行元件。大多數(shù)液壓系統(tǒng)的執(zhí)行元件都是液壓缸或液壓馬達(dá)，它們都是將液壓能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的機(jī)械元件，區(qū)別在于液壓缸是將液壓能轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動的機(jī)械能，而液壓馬達(dá)則是轉(zhuǎn)換成曲線運(yùn)動的機(jī)械能。對于整個(gè)系統(tǒng)而言，執(zhí)行元件的能耗主要體現(xiàn)在泄漏和摩擦。這是機(jī)械元件均要面對的難題，因此我們應(yīng)該在機(jī)械元件制造的開始就要考慮到從加工技術(shù)方面竭盡全力的改善元件的泄漏和摩擦，當(dāng)然更重要的是，應(yīng)該選擇與泵流量相匹配的執(zhí)行元件，使之能滿足系統(tǒng)的工作需要，且能做到減少能量損耗，提高利用率。

2.2設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)

1)減少管道內(nèi)的壓力損失。管道實(shí)現(xiàn)了各個(gè)環(huán)節(jié)的功能聯(lián)系，但是液體存在黏性，與管壁間有流阻，造成了壓力損失，能耗增加。在設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)布局時(shí)，我們應(yīng)該考慮盡量減少管道的長度，減少彎曲的管道和截面的突出變化，同時(shí)也要保證管道內(nèi)部的光滑，減小黏性摩擦。經(jīng)常被運(yùn)用的鋼管也可以換成無縫鋼管或軟管，在我們的設(shè)計(jì)中管道內(nèi)徑十分重要，內(nèi)徑的大小關(guān)系著內(nèi)部流動的液體的流速大小，影響著壓力損失的多少，必須根據(jù)實(shí)際流速來選擇適合的管道應(yīng)用于液壓系統(tǒng)。

2)液壓回路設(shè)計(jì)是液壓系統(tǒng)節(jié)能一大主題，液壓回路利用了蓄能器、回生(二次調(diào)節(jié))回路對能量進(jìn)行二次利用[6]。蓄能器是儲能元件，能夠控制在壓力、存儲或回收能量，同時(shí)也可以作為輔助動力源與液壓泵一起為系統(tǒng)供油。在晃蕩平臺的液壓系統(tǒng)僅僅是簡單地液壓系統(tǒng)，考慮的要點(diǎn)是設(shè)計(jì)回路，選擇回生回路如圖2。

圖2 液壓系統(tǒng)回生回路圖

2.3管理因素

液壓系統(tǒng)的維護(hù)和保養(yǎng)關(guān)系著其工作效率和使用壽命，其保養(yǎng)工作在人的管理工作范疇之內(nèi)。液壓系統(tǒng)工作頻繁，我們要保證液壓設(shè)備保持在良好的功能狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)工作的準(zhǔn)確度和工作效率。

液壓油是此環(huán)節(jié)的重中之重，液壓系統(tǒng)中的液壓能是利用液壓油傳遞的，同時(shí)還起著潤滑、冷卻的作用。液壓油的黏度和溫度相互影響，當(dāng)黏度過大會使壓力損失和發(fā)熱量變大，而油溫的升高會使黏度降低而造成泄漏量增多，并加速密封件的破損和液壓元件的工作性能降低，系統(tǒng)效率下降；而黏度過低會使泄漏量增大；油溫過低則會使黏度提高，流阻增加。所以工作人員應(yīng)注意保證液壓油工作狀態(tài)的油溫、黏度保持良好的水平，有效地較少能量的損失。液壓油的清潔度也是關(guān)鍵，它間接地影響著液壓油的黏度，低質(zhì)的液壓油會使元件和管路遭到破壞，磨損加劇，泄漏增加，能耗加劇。平時(shí)做好液壓油的過濾、處理，防止變質(zhì)[7]。

實(shí)驗(yàn)過程中的密封工作也十分重要。密封是實(shí)現(xiàn)高壓要求的保證，同時(shí)密封也能避免液壓油泄漏造成工作不力或者液壓油變質(zhì)而使工作失效，甚至?xí)斐森h(huán)境污染。及時(shí)檢查設(shè)備的密封性能，做好預(yù)防工作，并根據(jù)說明書正規(guī)、準(zhǔn)確的操作設(shè)備，竭力保證液壓系統(tǒng)良好的密封性能，為系統(tǒng)良好運(yùn)行，減少能量損失、達(dá)到節(jié)能目標(biāo)提供保障。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

在晃蕩平臺的液壓系統(tǒng)中選擇使用電液比例閥，其閥芯是直流電磁鐵，通過給定的電流大小調(diào)整吸合力或閥芯位移，可按比例控制流量和壓力[8]，保證液壓油的平穩(wěn)輸送。比例閥部分相比于普通閥又可以提高自動化程度，減少油路設(shè)計(jì)。同時(shí)閥芯吸合時(shí)有氣隙存在，能有效地達(dá)到最佳間隙，減少能量損耗。在滿足系統(tǒng)需要的同時(shí)，選用較高質(zhì)量的液壓缸，盡量減少液壓油泄漏，降低液壓能損失。而在系統(tǒng)管理方面，注意對液壓油的管理：合適的存放環(huán)境、合適的保存溫度。運(yùn)行前保證機(jī)械元件、油管間連接處的良好密封性。再次運(yùn)行晃蕩平臺，發(fā)現(xiàn)控制端發(fā)出指令后搖擺的幅度略有增加，調(diào)節(jié)并到達(dá)指定位置的時(shí)間減少了1～2 s，而且在運(yùn)行的過程中噪聲有明顯的減弱。

4 結(jié)束語

晃蕩平臺采用相對簡單的液壓系統(tǒng)，節(jié)能措施也比較簡單，卻給予了晃蕩平臺優(yōu)化和提升的空間。同時(shí)為廣泛應(yīng)用大型液壓系統(tǒng)提供更多科學(xué)、有效的措施，不僅減少能量損失，提高利用率，還節(jié)約能源，保護(hù)環(huán)境。但是面對液壓節(jié)能技術(shù)不足的現(xiàn)實(shí)，必須不斷提高液壓系統(tǒng)和液壓元件使用性能，努力研發(fā)高效液壓系統(tǒng)，改進(jìn)液壓傳動不足，提高節(jié)能效率，以保護(hù)環(huán)境和節(jié)約能源。

[1]韓長儀.液壓系統(tǒng)節(jié)能方法基礎(chǔ)研究[D].沈陽:東北大學(xué),2010.

[2]譚海林.液壓系統(tǒng)節(jié)能問題的探討和分析[J].機(jī)床與液壓,2005(12)99-101，103.

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[4]楊爾莊.日本工業(yè)的液壓系統(tǒng)節(jié)能化動向[J].液壓氣動與密封,2004(4)：1-4.

[5]Steafan Heitzig,Sebastian Sgro,Heinrich Theissen. Energy Efficiency of Hydraulic Systems with Shared Digital Pumps[J].International Journal of Fluid Power, 2012, 13 (3):49-57.

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[8]王劍楠.船舶液艙晃蕩模擬系統(tǒng)研發(fā)[D].浙江:浙江海洋學(xué)院,2014.

A lot of energy losses exist in work in hydraulic driving system for flap about simulation platform,leading to the waste of experimental resources and cost increase.The energy saving of hydraulic system is carried on the concrete analysis and experimental demonstration,and some baseic measures and methods are put forward such as reducing pipe-bending and choosing appropriate hydraulic components.These methods are applied to flap about simulation experiment platform,which reduce the energyloss,improve the efficiency of the hydraulic system and make guiding significance to the field of energy saving of hydraulic system.

flap about simulation platform;hydraulic system;energy-saving;optimization

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2015.06.010

國家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃(201410340008)；浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(LQ16E090003)

劉笑(1993-)，男,安徽宿州人,在讀本科生。

2015-07-08