新型节能液压机的结构优化探讨

王建民 邓建国 王玲奇

上海市轴承技术研究所 上海 201801

摘要：在当前生产建设领域中液压机的应用非常广泛，但是受到技术的限制，液压机往往都存在着一定的能源浪费问题。为了解决这一问题，本文对传统液压机与新型节能液压机进行了对比分析，对两者的能源损耗进行比较，可以看出新型节能液压机在节能降耗方面效果显著。

关键词：液压机；节能；损耗；电气；控制

我国液压机品牌有很多，应用到各个领域中。比如汽车工业，其生产过程中会用到大量液压机械，用于拉伸、钣金、挤压等工艺。另外军事工业、航空航天工业、船舶工业等领域的需求量也非常高。随着液压机在我国生产制造业和经济建设中广泛的使用率，对于液压机设备的使用方来说，其生产成本中电能的损耗占主要部分，而液压机的主要能耗是电能的损耗，而电能的损耗占主要部分，因此减少液压机的电能损耗就成为企业降低生产成本、提高产品竞争力的快速有效途径之一。

1新型节能液压机的研究意义

引起液压机电能损耗的主要原因有这几个方面：执行机构（滑块）快速下行行程的液体压缩要带来能量损耗，这就是现阶段国内外所有的液压机的主机结构存在的弊端，而且根据相关数据分能量损耗相当严重。在行业内对于液压机的节能减排问题很早就引起了关注，虽说已经制定了一些可行的方案与改进措施，但是并没有从源头上解决液压机的电能损耗问题，因为它们都没有突破传统普通液压机的工作原理。

在液压机压制工作时，特别是液压机在进行粉末冶金、模锻、玻璃钢、陶瓷等这一类的工艺动作时，工艺动作需要压制模具有很高的模具打开距离，故滑块快速空下行程相对压制工件行程要高出很多，所以电能的损耗很大一部分消耗在了快速空下行程这个阶段，与此同时液压机因为要克服摩擦阻力和压力阻力，滑块会做很大的无用功，间接产生了大量的热能，所以还要设计专门的冷却装置来抵消热能对液压系统带来的影响。为了维持液压系统理想的油温，冷却装置的运行造成了大量能源消耗，从而进一步加剧了能量的无功损耗，造成液压机工作效率大大降低。

液压机主机本体结构的优化和改进在液压机节能减排的研究范围内相对来讲属于空白档，近年来绝大部分研究都集中在优化和改进液压系统方向。在节能减排方面，大幅度减少主机快速空下行程、减少液压动力系统冷却装置的能量损耗，都是文中提出的节能方案。这样提高了液压机在国际市场上的竞争力，减小了主机的装机功率，使液压机具有更宽广的适应型和更大的灵活可操作性，可以提高我国加工制造业对能源的利用率，降低企业制造生产成本和节约能源。

2新型节能液压机的结构分析

新型节能液压机的机身组成如图1所示。回程缸安装在上梁，其由缸体、密封、活塞杆组成，活塞杆的下端与滑块由螺栓紧密相联接。回程缸的无杆处有下进油孔B，下进油孔B油路不仅是滑块回程油路，也是抵消滑块及安装在滑块上的所有连接在一起的活塞杆和零件的总质量的油路。

新型节能液压机的重点在于：在传统普通液压机原有液压主缸的位置用停止器装置代替。停止器装置是由停止杆装置、停止片装置组成。停止杆装置组成有停止杆和下缸体，停止杆在底部有下进油孔A；下缸体安装在滑块内并与停止杆底部连接。高压油由下进油孔A进入下缸体并进行加压。停止杆装置由停止片和上缸体组成，停止片用来制动停止杆装置；上缸体安装在上梁内并有上进油孔C。在停止杆装置快速下行时上进油孔C没有高压油，使停止杆装置快速下行。在停止杆装置到压制位置时，高压油进入上进油孔C，在停止片外侧与上缸体内形成高压使停止片起作用，制动停止杆装置。

1上梁；2回程杆；3停止片；4回程缸；5停止杆；6滑块；7下梁

图1 新型节能液压机示意图

新型节能液压机正式工作前，停止杆装置的下油孔A和停止片装置的上油孔C都没有压力，回程缸下进油孔B进高压油，使滑块停止并锁定在上死点位置，此时状态如图2a所示。工艺动作开始循环时，回程缸下进油孔B泄到低压，滑块做快速下行运动，快速下行到H 1处。高压油进入停止片装置的上油孔C，使停止片装置工作并制止停止杆装置，此时状态如图2b所示。

开始工作行程H 2时，高压油进入停止杆装置的下油孔A推动滑块向下运动并加压，使工件压制成功，此时状态如图2c所示。

停止杆装置的下油孔A和停止片装置的上油孔C都没有压力，止片装置松开，回程缸下进油孔B进高压油，回程缸工作使滑块回到上极限位置，以上为工作循环结束。

1上梁；2回程杆；3停止片；4回程缸；5停止杆；6滑块；7下梁

图2节能液压机工作过程

3新型液压机节能分析

当整个主缸内变为高压状态时，液压机整个行程S结束，其压力 就是泵的压力值。当考虑到液体不是绝对刚性，它是可以被压缩的，所以在体积 （设主缸截面积为 ）内积蓄了巨大的液体压缩弹性能 。压缩弹性能E值可通过如下方法推导：

设有一截面积为A，原始体积为 的液压缸，如果不考虑缸的泄漏，当活塞压缩液体时，液体压力由零逐渐上升。设此时活塞已由原始状态的位置运动了S距离时，系统增加的能量为 ， 。

根据液压原理： （1）

式中: :原始的液体体积；

:被压缩的液体体积；

:液体压力的升高值，因假设原始压力为零，故 ；

:液体的压缩系数，液压油的 。

根据液体能量公式和式（1）得： （2）

变形功W是有用功，弹性能E（积蓄于液体内部）是无用功，从公式实际上看这部分弹性能E是损耗的电能。在滑块开始回程时，这部分弹性能E就被释放出来，给动力系统带来震动，使液压系统不稳定并造成噪声污染。从式（2）看，工作行程S 2相对越小，主缸压力P越高，则能量的浪费越严重。

4结束语

现阶段如何在工业生产过程中提高能源利用率降低生产能耗已经引起广泛的社会关注，加强液压机节能减排的设计理念即提高液压机压制工作效率就是提高能源利用率的最直接手段。本论文设计的液压机主机结构完美解决了液压机需求高压力和高能量两者间的矛盾，进一步充分解决了当今时代发展的问题，并为设计节能减排、高效率的液压机提供了新的思路。

参考文献

[1]张欣达.基于有限元分析对液压机结构的优化设计[J].机械管理开发.2020,35(03)

[2]卜匀,王晓东,龚清华.液压机液压缸改造研究液压气动与密封.2017(08).

[3]李改华.液压机滑块的结构设计及其计算[J].中国高新技术企业.2016,(36).

作者简介：王建民（1984年12月-），男，汉，籍贯：上海，职称：设备主管/工程师，研究方向：轴承