浅谈流体传动中的压缩能损失

　　与机械和电气传动相比,效率低是流体传动的一个主要缺点。效率低不仅浪费能源,还会使系统发热,恶化工作条件,缩短元件和传动介质的使用寿命,因此,节能技术一直被视为流体传动理论研究和技术发展的一个重要方向。

　　为提高流体传动效率,人们已在元件设计、系统结构及运行方式等方面作了大量工作,进一步节能的潜力已十分有限。然而到目前为止,有关压缩能损失的研究还很不够,所以探讨压缩能损失的规律,寻求使之减小的方法,无疑是一项有益的工作。

　　压缩能损失可视为一种容积损失,依照损失的性质还可把它进一步区分为循环压缩能损失和蓄能器压缩能损失,下面就其静态特性分别加以讨论。

　　1 循环压缩能损失

　　图1为容积式流体传动系统示意图。动力缸先吸入压力为po的低压介质,然后压缩,当压力达到工作压力p时,单向阀2开启,高压介质输出并推动执行元件做功。行程结束时,换向装置切换,含有压缩能的高压介质卸压,执行元件准备反向运行。在上述传动过程中,动力元件输出的能量一部分以压力和流量外在形态对外做功;另一部分则以压缩能内在形态存储在介质中,当执行元件换向时释放,并转化为热能。

　　1.1 液压传动的压缩能损失

　　如图1所示液压系统,液体压缩系数Vdp,动力缸完成一次压缩动作,压缩介质所作的功Wp、输出功Wu及其比值分别为:

　　式中,p1、p2为低、高压管路压力;V1、V2为动力缸初始体积(排量)及压力刚好达到p2时的体积。

　　上式表明系统压缩能损失和液体压缩系数及工作压力成正比。工程上压缩系数Be通常取1/700 MPa,若工作压力为32 MPa,则:

　　可见液压传动系统的压缩能损失是很小的。

　　1.2 气压传动的压缩能损失

　　按照上文分析,循环压缩能的大小取决于传动介质的压缩性及工作压力。气压传动以压缩空气为介质,气体压缩性的变化规律可用气态方程描述,故可利用气态方程建立压缩能与工作参数间的关系。

　　1.2.1 压缩能损失与压力比的关系

　　图2为空压机示功图,若不考虑机械效率和其他损失,压缩机压气过程的输入、输出功及其比值分别为:

　　式中,p1、p2为进、排气压力为压缩机进排气压力比(取值范围0~1),n为气态方程多变指数。

　　压缩机工作循环可视为绝热过程,即(1-4)的函数曲线如图3a。由图3a可见压缩机输出、输入功的比值Wu/Wt随压力比K的增大而增大。极限情况K=1时,(Wu/Wt)max=1,此时虽然没有压缩能损失,但压缩机也没有能量输出;时,(Wu/Wt)min=0.2857。气动系统工作压力通常在0.7 MPa左右,即=1/7,此时Wu/Wt=0.58,压缩能损失与输入功的比值为42%。