節(jié)能技術在篦冷機液壓傳動系統(tǒng)中的應用

  摘要：介紹了幾種在篦冷機液壓傳動中應用的節(jié)能技術的優(yōu)點與不足。重點對負載敏感控制技術的節(jié)能特點做了分析，闡述了機械式負載敏感技術及電子式負載敏感技術控制方法的不同，以及負載敏感控制原理應用在篦冷機上的研究成果。

  1 引言

  在新型干法水泥生產(chǎn)線熟料冷卻設備中，配套的篦冷機占據(jù)了主導地位，傳動裝置多采用液壓傳動，相比于機械傳動，其優(yōu)勢是功率密度大和可實現(xiàn)單泵多執(zhí)行器并聯(lián)驅(qū)動，因而為近年國內(nèi)外公司推出的新型步進式篦冷機所采用?；谄漭斔驮淼奶厥庑?，使得液壓執(zhí)行器數(shù)量較多，而且各個執(zhí)行器負載往往差別較大，造成的最大問題是液壓系統(tǒng)效率偏低、能耗較大。因此研究節(jié)能的元件和系統(tǒng)集成方法，改善系統(tǒng)能量效率，始終是步進式篦冷機的重要課題。本文將重點介紹篦冷機液壓系統(tǒng)中節(jié)能技術的應用。

  2 壓力控制節(jié)能技術

  定量泵系統(tǒng)提供恒定的流量，系統(tǒng)壓力是由作用于工作介質(zhì)上的載荷決定的。為限制系統(tǒng)的最高工作壓力，必須設置一個高壓溢流閥。當系統(tǒng)工作壓力達到設定值時，液壓泵幾乎全部流量將通過溢流閥流回油箱，因而導致極高的功率損失，并在系統(tǒng)中產(chǎn)生大量的熱損耗，致使系統(tǒng)效率極低（圖1）。由此而發(fā)展出壓力控制變量泵來改善這個問題。

  篦冷機恒壓變量泵傳動系統(tǒng)見圖2，兩油缸置于篦床的兩側(cè)，剛性連接，同步運動。恒壓泵最大工作壓力的控制是通過液壓泵內(nèi)部的補償器實現(xiàn)的，此類補償器可在系統(tǒng)因負載超出額定范圍導致系統(tǒng)受到阻滯的狀態(tài)下，通過限壓變量活塞使泵卸荷，即液壓泵處于高壓運轉(zhuǎn)狀態(tài)，但排量近乎為零。此時液壓泵將進入等待狀態(tài)，并保持較高的工作壓力，直至負載被克服或恢復操作閥的控制狀態(tài)。相對于定量泵系統(tǒng)，因溢流而損失的能量大大降低，如圖3。

  如圖3所示，該系統(tǒng)的缺點是，液壓泵試圖在所有的工況條件下，均欲在限定的最高工作壓力附近實現(xiàn)排量的調(diào)節(jié)。但液壓系統(tǒng)還有這樣一類工況，即期望獲得較大的流量而所要求的工作壓力卻很低，系統(tǒng)在此種工況下導致了較高的壓力降并在能量損失過程中產(chǎn)生大量的熱。

  3 液壓-機械負載敏感控制節(jié)能技術

  20世紀80年代初，液壓-機械式負載敏感控制原理開始用于主機，圖4給出篦冷機液壓-機械閉式負載敏感的控制回路原理，圖5給出了工作過程中的能量消耗分配情況。液壓-機械負載敏感控制是目前多執(zhí)行器并聯(lián)運動系統(tǒng)為降低節(jié)流損失普遍采用的技術。

  系統(tǒng)的工作原理是：通過壓力檢測管網(wǎng)和梭閥檢測出系統(tǒng)中最高的負載壓力，用這一壓力值作為變量泵的控制信號，改變液壓泵的輸出流量，使泵的出口壓力始終高于最高負載 壓 力 一 個 恒定的值，一般為2MPa。當系統(tǒng)處于中位時，系統(tǒng)的壓力和流量都最小，消耗的能量也非常小。如果僅有一個液壓執(zhí)行器工作，則只存在和壓差補償器及控制閥口壓差相關的損失，能量損失也較小。簡而言之，負載敏感系統(tǒng)是一種感受系統(tǒng)壓力—流量需求，且僅提供所需求的流量和壓力的液壓回路。

  一個通用的工程計算公式表明，驅(qū)動液壓泵所需要的功率Hp（kW）等于系統(tǒng)壓力P (MPa)乘以系統(tǒng)流量Q (L/min)，然后除以常數(shù)600。Hp=P·Q/600 （1）

  引用上述公式，以篦冷機的實際工況為例，因為要求液壓缸的推動速度可以調(diào)整，實際負載大小也有變化，在設計時考慮工況系統(tǒng)最大負載20MPa，最大流量200L/min。用公式計算得到66.6kW的功率，根據(jù)前面的描述，這即是驅(qū)動液壓泵的功率。

  通過這個公式可知：無論供油流量或是工作壓力發(fā)生變化，驅(qū)動液壓泵的功率也隨之變化，這也是實際工況所要求的，如在某種情況下，油缸驅(qū)動負載只需要10MPa，流量只需要100L/min。在這種工況下，負載敏感泵傳動系統(tǒng)工作壓力大致為12MPa，流量大致為100L/min，計算得到驅(qū)動功率僅為20kW；而采用恒壓泵，系統(tǒng)壓 力 仍 為20MPa，系統(tǒng)流量100L/min，計算得到驅(qū)動功率33.3kW。相對定量泵比較而言，此種工況下，恒壓泵系統(tǒng)節(jié)能50%，負載敏感泵系統(tǒng)節(jié)能70%，其優(yōu)勢是不言而喻的。

[Page]

  當系統(tǒng)有多個執(zhí)行器同時工作時，只有壓力最高一聯(lián)執(zhí)行器所對應的節(jié)流損失較小，其他聯(lián)的損失則較大，壓力差別越大，引起的節(jié)流損失也越大，這也是負載敏感技術最大的不足。此外存在的問題還有：用機械式比例減壓閥控制液控多路閥、采用機械式控制變量泵和機械式壓力檢測管網(wǎng)，遠距離控制，管路復雜；管道長度、檢測管網(wǎng)引起壓力信號的滯后，降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，容易產(chǎn)生振動；壓力檢測管網(wǎng)復雜，造成機器整體布局困難；為使各執(zhí)行器速度互不影響，要附加壓差補償閥和梭閥，造成高的調(diào)節(jié)力和大的壓力損失，系統(tǒng)性能受環(huán)境變化影響大。為了改善這一系統(tǒng)的性能，采用電子比例閥代替機械式手控減壓閥的負載敏感技術，可省掉先導閥的液壓控制管網(wǎng)，但變量泵仍采用液壓-機械控制方式，獲得了與機械式負載敏感控制類似的效果。

  4 電子負載敏感控制節(jié)能技術

  為克服液壓-機械負載敏感技術的不足，20世紀90年代初，德國研究者率先提出用電子閉環(huán)高性能比例閥與壓力電閉環(huán)比例泵相結(jié)合的電液負載敏感控制原理。與液壓-機械方式相比，電液負載敏感技術用壓力傳感器取代復雜的壓力檢測管網(wǎng)，消除了檢測環(huán)節(jié)的滯后，改善了系統(tǒng)的響應特性；用電閉環(huán)比例閥，通過閥口流量計算公式控制閥的流量，無需壓差補償器，降低了作用在每一聯(lián)控制閥的工作壓差，提高了系統(tǒng)能量利用率，同時增加了系統(tǒng)的柔性，簡化了系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)，而系統(tǒng)的能量利用情況與圖5中液壓-機械控制方式相同。

  圖6是步進式篦冷機電子式負載敏感控制系統(tǒng)原理，步進式篦冷機的特點是篦床分列運動，圖示篦床為3列，每列由兩缸同步驅(qū)動，由比例換向閥控制方向和速度。3列篦床由一臺電子式負載敏感泵提供動力源，該泵序號1.1為比例閥，序號1.2為電感式位移傳感器，用電液比例閥控制泵的流量和壓力，通過改變泵的斜盤傾角來控制其流量。泵的壓力和變數(shù)機構(gòu)的位置，通過壓力傳感器和感應式位移傳感器轉(zhuǎn)換成電信號，輸入放大板進行閉環(huán)控制。從安全角度講，還裝有溢流閥，保護工作壓力不超過最大允許壓力。

  高效、節(jié)能的特點使負載敏感控制成為所有傳動及控制系統(tǒng)的理想設計方案。對于復雜的系統(tǒng)，它能夠與電子操縱系統(tǒng)聯(lián)合工作，精確地控制和提供所需的液壓動力?？梢灶A見，負載敏感系統(tǒng)可用于協(xié)同電子操縱系統(tǒng)進行復雜液壓系統(tǒng)精確、可調(diào)的能量控制。各種類型的傳感器可為微處理器提供反饋信息，微處理器進行偏差比較及處理后輸出控制電流給比例電磁控制閥，其控制作用使得負載敏感變量泵根據(jù)執(zhí)行器的需求按比例提供準確的壓力和流量。

  5 結(jié)語

  近年來，篦冷機液壓傳動技術獲得了很大發(fā)展，系統(tǒng)的能量效率和控制特性獲得了很大的提高，伴隨著液壓技術的發(fā)展與進步，為適應行業(yè)節(jié)能降耗的要求，我們不斷將新型節(jié)能技術應用于篦冷機液壓系統(tǒng)，并獲得了很大的經(jīng)濟效益。當然，為滿足日益嚴格的排放標準和低碳經(jīng)濟的需求，進一步提高篦冷機液壓系統(tǒng)能量效率是未來的發(fā)展趨勢。

  參考文獻：

  [1]王守城，段俊勇. 液壓元件及選用[M]. 北京:化學工業(yè)出版社，2007.

  [2]高鳳陽，等.篦冷機篦床液壓驅(qū)動比例速度控制系統(tǒng)[J].液壓與氣動2006.11.