工程机械液压系统节能优化设计

一、引言

在工程机械领域，液压系统凭借其卓越的动力传递性能与精准的控制能力，广泛应用于各类机械设备中。然而，传统液压系统能耗高的问题愈发凸显，不仅增加了运营成本，还对环境造成较大压力。在此背景下，对工程机械液压系统进行节能优化设计，成为推动行业可持续发展、响应节能减排号召的关键举措，具有重要的现实意义与工程应用价值。

二、工程机械液压系统能耗现状分析

2.1 动力元件的能量损失

液压泵作为动力元件，其能量损失主要源于泄漏导致的体积损失以及摩擦产生的机械损失。以某型号液压泵为例，在额定工况下，容积效率约为 85% ，机械效率约为 90% ，这意味着总效率仅为 76.5% ，大量能量因泄漏和摩擦而白白损耗。

2.2 执行元件的能量损失

执行元件如液压缸和液压马达，在将液压能转化为机械能的过程中，同样存在体积损失与机械损失。在实际工程中，部分液压缸由于密封件老化等原因，泄漏较为严重，导致能量利用率大幅下降，影响设备的正常运行。

2.3 控制元件与辅助元件的能量损失

各类液压阀作为控制元件，在实现信号转换、测试与调整控制时，液体流经会因电阻产生压降。而辅助元件如油管、管接头、油箱等，会产生节流损失。例如，在复杂的管路系统中，局部阻力损失可能占总能量损失的 15%-20% 。

三、节能优化设计方案

3.1 选用高效节能元件

3.1.1 变量泵的应用

选用效率高的变量泵，能够依据负载需求灵活改变压力，有效减少能耗。例如，负载敏感变量泵可根据系统负载变化自动调节排量，使泵的输出流量与负载需求精确匹配，相比定量泵，节能效果可达 20%-30% 。

3.1.2 集成阀与比例阀的优势

采用集成阀能减少管路连接，降低压力损失；选择压降小、可连续控制的比例阀，可实现更精准的流量和压力控制。某工程案例中，使用集成阀和比例阀后，系统整体压力损失降低了约 10% 。

3.2 设计节能回路

3.2.1 卸荷回路

卸荷回路可在液压油泵不停转时，使输出流量在低压状态下流回油箱，降低功率损耗，减少系统发热，延长泵和电动机的使用寿命。在起重机液压系统中应用卸荷回路，可使非工作时段的能耗降低约 15% 。

3.2.2 保压回路

保压回路能在液压缸静止或仅有微小位移时，维持系统压力稳定。在一些需要长时间保压的工况，如液压机，保压回路可避免频繁启动泵，从而降低能耗。

3.3 实施智能控制策略

3.3.1 变频调速技术

通过变频调速技术，根据工程机械的实际运行速度需求调整电机转速，实现节能目的。在升降机液压系统中应用变频调速技术后，能耗降低了约25% 。

3.3.2 负载敏感控制技术

负载敏感控制技术能使液压泵的输出压力和流量与负载需求实时匹配，减少溢流损失和节流损失，提高系统效率。在液压挖掘机中采用该技术，整机节能效果可达 10%-15% 。

四、节能优化设计方案的实施与效果评估

4.1 案例分析

本次选取的案例对象为某大型建筑施工企业常用的 XE215C 型液压挖掘机，该机型在土方作业、矿山开采等场景中应用广泛，但经长期监测发现其液压系统存在明显的能量浪费问题，尤其在轻载和空载工况下，传统定量泵系统的溢流损失占比高达 35% 以上。针对这一问题，技术团队制定了系统性的节能改造方案：首先，将原有的定量齿轮泵更换为具有压力补偿功能的 A4VG125EP 型号负载敏感变量泵，该泵能通过内置的压力传感器实时监测负载变化，在 0.3 秒内完成排量调节，确保输出功率与作业需求动态匹配；其次，对主控制阀组进行升级，采用集成式液压阀块替代传统分散管路连接，将主油路压力损失控制在 0.8MPa 以内，同时选用4WRPEH6 型比例换向阀实现流量的无级调节，提高动作控制精度；在回路设计方面，新增了基于压力继电器控制的卸荷回路，当系统压力超过设定值 18MPa 时自动开启卸荷通道，使空载时的系统压力从传统的 20MPa降至 5MPa 以下。

4.2 改造前后能耗对比

为确保数据的准确性，测试团队选取了该挖掘机典型的土方作业工况进行对比实验，实验场地为某市政工程基坑开挖现场，土壤密度为 1.8t/m³ ，作业循环包括挖掘、提升、旋转、卸载和回位五个步骤，单次循环时间控制在 45 秒左右。改造前，通过安装在燃油箱出油口的流量计监测，该挖掘机在连续 8 小时作业中的平均油耗为每小时 50 升，其中在旋转和回位等轻载阶段，瞬时油耗仍维持在 45 - 48 升 / 小时的较高水平，系统溢流阀的平均开启时间占作业周期的 28% 。改造后，相同作业条件下的连续 8小时监测数据显示，平均油耗降至每小时 35 升，节能率达到 30% ；细分工况来看，重载挖掘时油耗从 52 升 / 小时降至 40 升 / 小时，降幅23% ，而轻载旋转阶段的油耗从 46 升 / 小时降至 28 升 / 小时，降幅高达 39% ，这主要得益于负载敏感变量泵在轻载时的排量自动下调，使溢流阀开启时间占比降至 8% 以下。

4.3 实际应用效果总结

经过为期三个月的实际应用验证，改造后的 XE215C 型液压挖掘机展现出多方面的性能提升：在作业效率方面，由于比例阀的无级调速特性，铲斗的动作响应时间从 0.6 秒缩短至 0.4 秒，单次循环时间减少 3 秒，日均作业量从改造前的 800m³ 提升至 880m³ ，增幅 10% ；操作体验上，智能控制系统实现了动臂和铲斗的复合动作协同控制，操作手柄的力反馈更加平稳，驾驶员的劳动强度明显降低，经问卷调查显示，操作舒适度评分从改造前的 72 分提升至 89 分；在设备维护方面，因系统压力波动减小和油温控制改善（最高油温从 95℃降至 80^∘C ），液压油的更换周期从200 小时延长至 250 小时，密封件的使用寿命延长约 40% ，单台设备年均可减少维护成本约 1.2 万元。从经济效益测算，按当前柴油价格 7.5 元/ 升计算，该挖掘机年均作业 2000 小时，改造后可节省燃油成本 2000×(50 -35)×7.5=22.5 万元，投资回收期仅为 8 个月。

五、结论

综上所述，工程机械液压系统的节能优化设计具有显著的必要性与可行性。通过深入分析系统能耗现状，针对性地选用高效节能元件、设计节能回路以及实施智能控制策略，能够有效降低系统能量损失，提高能源利用效率。实际案例表明，节能优化后的液压系统在能耗降低、性能提升等方面成效显著，为工程机械行业的可持续发展提供了有力支撑。未来，随着技术的不断进步，工程机械液压系统的节能优化仍有广阔的发展空间，需持续探索创新，进一步提升系统性能与节能水平。

参考文献

[1]蒋秀英.工程机械发动机及液压系统的冷却系统的智能控制[J].内燃机与配件,2024,(17):96-98.

[2]罗伟蓬,袁晓静,张泽,等.基于 AMESim 的工程机械臂架液压系统稳定性分析[J].火箭军工程大学学报,2024,38(06):52-57+66.