使用了低效液压油的机器就好比瘪了胎的车子,不但会慢下来,还会消耗更多的能量。
在液压设备中,液压油是动力传递的媒介。液压泵将外部输入动力以流量(动能)和压力(势能)的形式转化为流体动力,用来执行移动液压油缸、驱动液压马达等动作。
这种能量转换的效率会受到系统内流量与压力损失的影响。泵、阀、马达的缝隙处的内部泄露导致的流量损失减少了可以用来产生机械动作的流体体积,从而降低了液压系统的效率。由机械摩擦和流体摩擦引起的压力损失,则会减小可用于举升或者移动有效载荷的力与扭矩,从而增加了能量消耗。
加拿大某著名石油公司与密尔沃基工程学院流体力学研究所联手,研究了液压油是如何影响机器的生产率以及能量消耗的。
在这项研究中,使用了一台液压测功机对流体效率进行评估。它包含一个可变排量轴向柱塞泵(丹佛斯45系列)和一个固定排量液压马达(丹佛斯90系列),以及定向和比例控制阀。这种泵与马达的组合类似于挖掘机上的回转驱动系统、滑移装载机的推进系统以及液压起重机的卷扬机。
评估对象包括两种液压油:一种是常见的矿物油基单级油,另一种是可以一年四季用于重载荷液压系统的长效抗磨损液压油。后者是一款半合成多级液压油,通过加入剪切稳定性佳的聚合物和精选的添加剂来改善粘度稳定性与长效性。
分别在50℃、60℃、80℃和90℃的条件下对两种液压油进行试验;液压泵的速度设定为800、1200、1800 rpm,液压马达的转速范围为1~600 rpm;借助电液比例补偿控制,以34 bar为间隔,在67~276 bar的范围内调节液压系统的压力。
分别为两种液压油收集了1782个数据点,马达扭矩、泵流量和系统功率的损失是本研究中检查的关键性能特性。这三个参数量化了不做功的能量输入部分。
基于马达扭矩输出的理论值和测量值之间的差异,确定其扭矩损失。在低转速下,扭矩损失是由于运动表面之间的摩擦;在高速运转时,由于需要大量的油来转动液压马达,导致出口产生高压,从而减小了可用于移动负载的扭矩。
在90℃的条件下,多级液压油的扭矩损失比传统的单级液压油降低了10%。对于液压机械来说,降低扭矩损失有什么好处呢?举例说明,它可以让滑移装载机的铲斗更加深入砾石堆,或者增加水平钻机螺旋钻的入地深度。
流体静力损失经常发生在保持不变的间隙界面处,例如定向和压力补偿控制阀内;流体动力损失发生在移动的间隙界面处,例如活塞和气缸壁之间。在这两种情况下,当机器在高压和高温下运行时,流量损失会产生最大的影响。测试结果表明,在60℃、80℃和90℃下,单级液压油的平均流量损失均高于多级液压油。那么,降低流量损失又有什么好处呢?对于挖掘装载机而言,它可以加快挖沟的速度。
功率损失是液压机械的输入和输出功率之差。液压系统被设计为最大限度地减少功率损失,从而将最大的能量转换为做功。通常,这可以通过负载敏感控制系统或压力补偿器来调节泵的输入功率来实现。
在测试压力为276 bar时,单级液压油的功率损失高于多级液压油。这些损失不仅降低了机器的输出功,而且导致油温升高,从而提高了机器的冷却要求。由于驱动冷却风扇需要耗费一些功率,整台机器的能量消耗也就自然而然地增加了。这种效率的双重损失,就好比骑着一辆爆了胎的自行车爬坡。
使用高效节能的多级液压油,可以提高液压系统的流量和马达的扭矩输出,并且减小能量损失与消耗。在移动设备上,这必然也让驱动机器的液压控制功能所需的燃料消耗降低。在最高负载和高温下工作时,机器最需要功率,上述好处最显而易见。在当今社会,重型机械往往被用到极致,故选择正确的高效液压油除了能够节省可观的能源,其他优势也不言而喻。
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