机械工程中液压系统节能控制策略研究

一、引言

液压系统是机械工程装备中传递能量和控制运动的基本动力装置，性能指标决定机械装备的生产能力、运营成本和环保性能。资源枯竭和环保压力日趋严峻，机械装备能源消耗降低势在必行。而传统的液压装置是采用“ 定量泵+节流阀” 的设计，其流量控制依靠调节节流阀开度改变，大量能量以热量的形式被消耗掉，整体效率只有 45%～55% ；而系统流量总是超出负载流量，在负载流量满足的前提下，溢流阀溢流，额外浪费 20% ～25% 的能量。

现阶段通过采用变量泵替代定量泵、增加能量回收组件等改进措施，一定程度上可解决上述问题，但由于单一策略在不同复杂工况场景下存在适应性较差、节能效果有限且不稳定等问题，比如采用传统变量泵其低负载工况下反而能耗增大 10%～15% ，单一能量回收组件难以应对多执行器间能量的变化需求。因此深入分析能耗机理及开发集成化节能策略，对提升系统能源利用率、降低成本，满足“ 双碳” 要求等有重要意义，也是机械工程领域绿色创新的重点方向。

二、液压系统能耗产生机理

2.1 节流损失的内在机制

节流损失能耗是主要能耗部分，其产生原因就是由于流量调节过程中节流元件产生较大的压力降。在传统的系统中，定量输出的泵在输出功率一定的情况下，其流量为常数，需要使用节流阀来进行流量的调整来匹配负载的速度。因此节流阀开度减小后节流阀产生的阀口压力降也会越大，这部分压力能将会在管路内部被转化成热能，这一部分能耗大约占总能耗的 30‰

节流损失与阀口开度、系统压力密切相关：开口越小，损失越严重；系统压力从 10MPa 升至 20MPa，损失增加 60‰ 。此外，流量脉动加剧压力波动，增加额外能耗，还降低执行器运动平稳性，形成 “ 能耗 -稳定性” 双重问题。

2.2 溢流损失的作用机制

溢流损失是定量泵系统典型能耗，因泵输出流量与负载需求不匹配。定量泵持续输出恒定流量，执行器需量小于泵输出时，多余流量经溢流阀回油箱，压力能完全转化为热能，占总能耗 20‰

溢流损失与溢流流量、系统压力成正比：溢流流量占泵输出 30% 时，损失达总能耗 15% 以上；压力每升 5MPa，单位时间溢流能耗增25‰ 。长期溢流还导致油温升高，加速液压油老化、缩短密封元件寿命，增加维护成本。

2.3 系统匹配失衡的影响机制

负载与动力源不匹配，造成系统能源浪费。一是负载负荷量的变化（以工程机械为例，如挖掘负载波动 50%-80% ），定量泵恒流量输出，造成“ 大马拉小车” ，能量浪费；二是多执行器同时工作流量需求差异性大，造成传统调节方式下系统能源浪费，加大负荷不匹配性，造成额外 15%-20% 能量消耗。

再者，管路及元件泄露增加能耗：管路 10m ，沿程压力损失增加15%-20% ；元件泄露量从 0.1L/min 到 0.5L/min ，能耗增加 8%-12% ，影响控制精度。

三、液压系统核心节能控制策略

3.1 变量控制策略

变量控制通过实时调整泵输出流量或压力匹配负载，减少节流与溢流损失，是核心节能技术。变量泵控系统主要包括压力补偿与负载敏感两类：压力补偿变量泵检测系统压力，自动调排量，使输出压力略高负载（压差1-2MPa），降节流损失 40%-50% ；负载敏感变量泵检测负载压力与流量需求，精准调节排量与压力，实现 “ 按需供油” ，变负载工况效率比传统系统升 25‰ 。

控制变量最重要的因素是精度和响应速度：电液比例控制变量泵排量调节响应时间减小到 50-100ms ；引入模糊PID 等自适应算法，控制精度到±2% ，减小能量冗余。

3.2 容积控制策略

容积控制通过改变执行器容积特性调节流量，消除节流损失，是高效节能方向。主要包括泵控马达与泵控缸两类：泵控马达系统调变量泵排量控马达转速，无节流元件，效率超 80% ，比传统节流控制节能 30%-40% ；泵控缸系统采用 “ 双向变量泵 + 流量匹配” 设计，消除换向阀节流损失，重载工况能耗降 45‰

核心控制容积匹配、流量平衡及稳定性：流量再生：液压缸无杆腔油液进入有杆腔，节能 10%-15% ；蓄能器辅助供油以缓和负载突变造成的流量突变，从而改善稳定性。

3.3 能量回收控制策略

能量回收通过回收制动、下降等过程的势能、动能再利用，减少浪费，是重要补充技术。常见装置有液压蓄能器、液压马达 - 发电机机组：蓄能器回收执行器下放势能，效率 65%-75% ，工程机械举升机构应用中降能耗20%-25% ；马达 - 发电机机组回收制动动能发电储电，效率 55%-65% ，车辆应用中减燃油消耗 15‰

时机、协同是能源回收的重点：压力传感器传感压力，过限时(如工作压力 1.2 倍)回收；智能算法协调回收与供油，在高峰阶段把能量放出来，提高利用率。

四、液压系统节能控制优化方向

4.1 多策略协同控制

单一策略难应对复杂工况，多策略协同整合三类技术优势，实现全流程节能。典型方案 “ 变量泵控 + 容积调节 + 蓄能器回收” ：变量泵减基础能耗，容积调节提过程节能效果，蓄能器回收能量辅助供油。

协同控制关键为参数匹配、逻辑优化：利用能耗模型仿真各策贡献率，优化蓄能器容积、泵排量范围；PLC 实时切换，低负载( 30% 以下)优先变换单一变量，突变负载下启用协同，保证节能稳定性。

4.2 智能化调控技术

节能环保平台采用人工智能、物联网技术实现精准节能。能耗智能预测分析技术采用大数据算法获取能耗相关的运行数据，分析相关的数据关联规律，预测精度在 90% 以上，自动对节能方案进行提前规避，以避开能耗“ 峰值” ；智能控制自适应优化技术采用深度学习的自适应算法实时对泵的排量、蓄能器的工作时机进行优化，应用到变量工况中，节能波动 <5% ，可适应各类负载的变化。

人工智能的基础是数据、决策：WSN 实时采集，采样率 100Hz ；边缘计算节点减少传输时间，毫秒级的指令响应，提高精度。

4.3 新型元件与材料应用

新型元件与材料从硬件提升能效。元件方面，电液比例变量泵用新型伺服电机，效率升 15%-20% ；低摩擦液压缸用陶瓷涂层活塞，摩擦系数降40‰ 。材料方面，轻量化材料制管路、油箱减自重，低黏度液压油（ISOVG 22）降 30%-40% 黏度，减管路与摩擦损失。

新型应用关键在可靠性与兼容性：疲劳试验验证元件重载高频稳定性；材料兼容性测试避油液与密封件反应，保障系统可靠运行。

五、结束语

装备绿色低碳发展主线是液压系统节能减排工作，要从全寿命周期分析研究。本文提出研判能耗原因、阐述主要解决途径、给出改善思路，以利于理论技术支撑液压系统节能减排工作开展。

目前研究尚不足，极端工况元件劣化、多执行元件节能调配精度等问题待克服。今后，随着人工智能、新材料等和液压技术深度融合，液压节能将向“ 自诊自调—全寿命节能” 迈进，实现复杂工况精准节能，为装备升级、工业“ 双碳” 目标提供护航。

参考文献

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