淺談流體傳動中的壓縮能損失

1、淺談流體傳動中的壓縮能損失呂云嵩摘 要：壓縮能損失是容積式流體傳動的固有特性。對于氣壓傳動和液壓蓄能器，壓縮能損失是影響效率的重要因素。壓縮能損失的大小取決于傳動介質(zhì)的壓縮性及循環(huán)壓力比，當(dāng)傳動功率一定時，還和動力元件工作點的選擇有關(guān)。采用閉式氣動回路、蓄能-變壓組合回路等方法可減小壓縮能損失。主題詞：流體 蓄能器 節(jié)能 壓縮能與機械和電氣傳動相比，效率低是流體傳動的一個主要缺點。效率低不僅浪費能源，還會使系統(tǒng)發(fā)熱，惡化工作條件，降低元件和傳動介質(zhì)的使用壽命，因此，節(jié)能技術(shù)一直被視為流體傳動理論研究和技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。為提高流體傳動效率，人們已在元件設(shè)計、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及運行方式等方面作了大量

2、工作，進一步節(jié)能的潛力已十分有限。然而到目前為止，有關(guān)壓縮能損失的研究還很不夠，所以探討壓縮能損失的規(guī)律，尋求使之減小的方法，無疑是一項有益的工作。壓縮能損失可視為一種容積損失， 1 循環(huán)壓縮能損失圖1的低壓介質(zhì)，然后壓縮，當(dāng)壓力達到工作壓力執(zhí)行元件換向時釋放，并轉(zhuǎn)化為熱能。如圖1所示液壓系統(tǒng)。液體壓縮系數(shù)e -dV/VdP，動力缸 圖1 流體傳動系統(tǒng)示意圖 完成一次壓縮動作，壓縮介質(zhì)所作的功Wp 、輸出功Wu 及其比值分別為：Wp =1/2(V 1-V 2(P 2-P 1 Wu =V 2(P 2-P 1 Wp Wu=V 1-V 22V 2=12（1-1）e PP 1 、P 2-低、高壓管路壓

3、力；V 1 、V 2-動力缸初始容積（排量）及壓力剛好達到P 2時的容積。上式表明系統(tǒng)壓縮能損失和液體壓縮系數(shù)及工作壓力成正比。工程上壓縮系數(shù)e 通常取1/700MPa，若工作壓力P 為32MPa ，則：Wp =32(2700 2% （1-2）可見液壓傳動系統(tǒng)的壓縮能損失是很小的。1.2.1 壓縮能損失與壓力比的關(guān)系圖2為空壓機示功圖，若不考慮機械效率和其它損失，壓縮機壓氣過程的輸入、輸出功及其比值分別為：21n Wt =VdP =PdV -(P 1V 1-P 2V 2 =(P 2V 2-P 1V 1（1-3） 12n -1Wu =(P 2-P 1 V 2Wu Wt=n -1n1-1-1-1/

4、n1=0. 280. 58=1n =1. 4n =1. 4=0=1/7（1-4）P1、P 2-進、排氣壓力，P 1/P2-壓縮機進排氣壓力比（取值范圍01），n-氣態(tài)方程多變指數(shù)。pW u /W tv¦Ë 圖2空壓機示功圖 圖3 效率與壓縮比的關(guān)系壓縮機工作循環(huán)可視為絕熱過程，即n 1.4，式（1-4）的函數(shù)曲線如圖3。由圖可見壓縮機輸出、輸入功的比值Wu/Wt隨壓力比的增大而增大。極限情況1時，(Wu/Wtmax 1，此時雖然沒有壓縮能損失，但壓縮機也沒有能量輸出；0時， (Wu/Wtmin 0.2857。 氣動系統(tǒng)工作壓力通常在7bar 左右，即1/7，此時Wu/Wt=

5、0.58，壓縮能損失與輸入功的比值為42。 1.2.2 工作點對壓縮能損失的影響壓縮機工作點對壓力比是有影響的。由式（1-3）及氣態(tài)方程可得：Wu =(P 2-P 1 V 2WuP =P 12n n (P -P V112P 1V 1=P 2V 21-n40 353025201510ÆV 1¦n(n-1/n=Wu PVnV 1n -1（1-5）¦Æ=Wu/PV.n =1式中Wu PV 與工作點無關(guān)， 壓縮機功率確定后5它是個常數(shù)，V 1為初始容積即壓縮機排量。式(1-50¦Ë的函數(shù)曲線如圖4。當(dāng)壓縮機功率確定后，V 1減小P 1必然要提

6、高，即壓縮機示功圖上的工作點左 圖4 壓力比與容積V 1的關(guān)系 移，而由式（1-5）或圖4可知，V 1減小將使壓力比變大，進而使壓縮能損失減小。等溫過程n=1，式（1-5）變?yōu)椋海?）Wu/PVn （1-6） 此時，工作點的變化對因而對壓縮能都沒有影響（p-v 函數(shù)曲線關(guān)于45°射線對稱）。 2 蓄能器壓縮能損失用蓄能器作附助動力源是一種常見的節(jié)能方法。皮囊式蓄能器是利用氣體的壓縮能n為便于分析，設(shè)蓄能器充滿液體時的壓力為P 2，排液時系統(tǒng)的壓力為P 1。令Wt 、Wu 分別為蓄能器充、排液時系統(tǒng)消耗和吸收的能量，V 1、V 2分別為排液開始和結(jié)束時蓄能器的有效容積，不考慮其他損失，

7、可得：11Wt =PdV =(P 2V 2-P 1V 1（2-1） 2n -1Wu =P 1(V 1-V 21Wu 1-=(n -1 1/n -1=0Wt -10. 521/n=1=0n =1. 4（2-2）=0. 3比較式（1-4）可發(fā)現(xiàn)，Wu/Wt隨的變化趨勢和氣動系統(tǒng)相似，Wu/Wt隨增大而增大說明壓縮能損失隨的增大而減小。極限情況，當(dāng)1時，Wu/Wt1，即壓縮能損失為零；0時，Wu/Wt0，即效率為零。在通常情況下，0.3，此時蓄能器單位容積的儲能容量最大1，而蓄能器的壓縮能損失率則為48。 2.2工作點對壓縮能損失的影響 由式（2-1）及氣態(tài)方程可得： P 1=P 2(V 2V 1

8、nWu =P 1(V 1-V 2= 1-Wu PVnV 1n -1 （2-3） 類似于式（1-5），PV n 也和工作點無關(guān)，故當(dāng)蓄能器的儲能容量Wu 已定時，減小蓄能器的初始容積V 1也可提高壓力比，進而減小壓縮能損失。等溫過程n 1，（2-3）變?yōu)椋海?-Wu PV ） （2-4）和工作點無關(guān)，這一結(jié)果與氣壓傳動相同。3 關(guān)于減小壓縮能損失的幾點思考由以上分析可以看出，流體傳動系統(tǒng)的壓縮能損失是很可觀的，為減小這種損失筆者有以下幾點思考。由上文知，提高氣動回路壓力比 失。提高為此可將開式氣路改成閉式。如圖5初級壓縮機壓力，供氣路壓力P 2= P 1P ，壓縮機壓力。調(diào)整初、力比。對開式氣路

9、由式（1-4）知，時，Wu Wt 0.58。若采用閉式氣路，且設(shè)Wu Wt 0.8，壓縮能損失比開式減小了20除了提高傳動效率，閉式回路還具有以下優(yōu)點：1）可在壓縮能損失不增加的情況下提高系統(tǒng)的工作壓力。工作壓力高，功率密度大，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，摩擦損失小。2）傳動介質(zhì)的體積彈性模量增大，有利于提高系統(tǒng)的速度剛度、承載能力及工作穩(wěn)定性。對于氣動伺服系統(tǒng)，由于固有頻率提高了，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度也將相應(yīng)提高。3）壓縮機的容積系數(shù)會因為壓力比的提高而提高，排氣溫度則會因壓縮能的減小而降低2。4）可以簡化氣源處理裝置，改善元件潤滑條件，減小排氣污染等。閉式回路的主要缺點是增加了回氣管路。此外由于壓力高

10、，元件的密封性及耐壓性也要相應(yīng)提高。制造和維護成本較高。3.2蓄能器 作為輔助動力源，人們主要關(guān)心蓄能器單位容積的儲能容量，故通常設(shè)壓力比0.3；而按照上文分析，欲使蓄能器具有較高的效率，越接近1越好，所以的選擇應(yīng)兼顧容量與效率兩方面因素。如對固定式系統(tǒng)，蓄能器的體積和重量對整體性能的影響并不大，故可適當(dāng)提高值以獲得較高的效率；而對移動式系統(tǒng)，的取值就應(yīng)盡量接近0.3，以便減小蓄能器的體積和重量。對某些大型系統(tǒng)，還可以采用蓄能-變壓組合回路3 4。其工作原理大致為，充液時，變壓器將系統(tǒng)的低壓能轉(zhuǎn)化為高壓能并儲存在蓄能器中，因而提高了蓄能器單位容積的容量；排液時，變壓器輸出壓力跟蹤負(fù)載壓力變化，

11、實現(xiàn)壓力匹配，從而可大大減小壓縮能損失。對體積、重量及動態(tài)響應(yīng)要求都不高的系統(tǒng)還可采用重力式蓄能器，這種蓄能器在靜態(tài)條件下沒有壓縮能損失。 4 結(jié)束語 流體具有壓縮性，壓縮能總是伴隨著壓力能的形成而產(chǎn)生。壓縮能不傳遞動力，當(dāng)執(zhí)行機構(gòu)改變運動方向時轉(zhuǎn)化為熱能，它的存在降低了系統(tǒng)的容積效率。壓縮能的大小取決于介質(zhì)的壓縮性和循環(huán)壓力比。液體的壓縮能很小可以忽略；氣體的壓縮能較大，對于開式氣路，若工作壓力為0.7MPa ，氣體的壓縮能可達總能量的40。采用閉式氣路可以方便地選擇壓力比，從而能有效降低壓縮能損失。皮囊式蓄能器作輔助動力源時，因氣體的壓縮能不能被充分利用而造成能量的流失。流失的多少主要取決

12、于充、排液壓力比。作為一個特例，當(dāng)系統(tǒng)只有兩級工作壓力且壓力比為0.3時，蓄能器壓縮能的損失率可達48。利用蓄能-變壓組合回路能較好地解決蓄能器容量與效率的矛盾。參考文獻： 1 2 3何存興，液壓元件M ，北京，機械工業(yè)出版社，1982 林 梅，活塞式壓縮機M ，北京，機械工業(yè)出版社，1987姜繼海等，液壓恒壓網(wǎng)絡(luò)功率完備匹配的結(jié)構(gòu)條件及其控制方案的研究J ，中國機械工程第14卷第1期2003，1。4Achten P, Transforming future hydraulics Proc. Of 5th Scandinavian International Conference on flu

13、id Power, 1997,3: 287310Discuss on Loss of Compressive Energy in Fluids Transmitting PowerLu Yunsong(Dept.of Mechanical Engineering, Nanjing Institute of Techenology,Nanjing210003,ChinaAbstract: The loss of compressive energy is the inherent property of the fluids transmitting power. It is the important factor that affects the efficiency of pneumatic system and hydraulic accumulator. The compressive property of medium and the working point of power component decide the loss of compressive energy when its power is determined. It is po