在新型干法水泥生产线熟料冷却设备中，配套的篦冷机占据了主导地位，传动装置多采用液压传动，相比于机械传动，其优势是功率密度大和可实现单泵多执行器并联驱动，因而为近年国内外公司推出的新型步进式篦冷机所采用。基于其输送原理的特殊性，使得液压执行器数量较多，而且各个执行器负载往往差别较大，造成的最大问题是液压系统效率偏低、能耗较大。因此研究节能的元件和系统集成方法，改善系统能量效率，始终是步进式篦冷机的重要课题。本文将重点介绍篦冷机液压系统中节能技术的应用。
1 压力控制节能技术
定量泵系统提供恒定的流量，系统压力是由作用于工作介质上的载荷决定的。为限制系统的最高工作压力，必须设置一个高压溢流阀。当系统工作压力达到设定值时，液压泵几乎全部流量将通过溢流阀流回油箱，因而导致极高的功率损失，并在系统中产生大量的热损耗，致使系统效率极低（图1）。由此而发展出压力控制变量泵来改善这个问题。
图1 定量泵能量图
篦冷机恒压变量泵传动系统见图2，两油缸置于篦床的两侧，刚性连接，同步运动。恒压泵最大工作压力的控制是通过液压泵内部的补偿器实现的，此类补偿器可在系统因负载超出额定范围导致系统受到阻滞的状态下，通过限压变量活塞使泵卸荷，即液压泵处于高压运转状态，但排量近乎为零。此时液压泵将进入等待状态，并保持较高的工作压力，直至负载被克服或恢复操作阀的控制状态。相对于定量泵系统，因溢流而损失的能量大大降低，如图3。
图2 取风口改造后煤磨及窑头工艺流程图
图3 恒压泵能量图
如图3所示，该系统的缺点是，液压泵试图在所有的工况条件下，均欲在限定的最高工作压力附近实现排量的调节。但液压系统还有这样一类工况，即期望获得较大的流量而所要求的工作压力却很低，系统在此种工况下导致了较高的压力降并在能量损失过程中产生大量的热。
2 液压-机械负载敏感控制节能技术
20世纪80年代初，液压-机械式负载敏感控制原理开始用于主机，图4给出篦冷机液压-机械闭式负载敏感的控制回路原理，图5给出了工作过程中的能量消耗分配情况。液压-机械负载敏感控制是目前多执行器并联运动系统为降低节流损失普遍采用的技术。
系统的工作原理是：通过压力检测管网和梭阀检测出系统中最高的负载压力，用这一压力值作为变量泵的控制信号，改变液压泵的输出流量，使泵的出口压力始终高于最高负载 压 力 一 个 恒定的值，一般为2MPa。当系统处于中位时，系统的压力和流量都最小，消耗的能量也非常小。如果仅有一个液压执行器工作，则只存在和压差补偿器及控制阀口压差相关的损失，能量损失也较小。简而言之，负载敏感系统是一种感受系统压力—流量需求，且仅提供所需求的流量和压力的液压回路。
一个通用的工程计算公式表明，驱动液压泵所需要的功率Hp（kW）等于系统压力P (MPa)乘以系统流量Q (L/min)，然后除以常数600。
引用上述公式，以篦冷机的实际工况为例，因为要求液压缸的推动速度可以调整，实际负载大小也有变化，在设计时考虑工况系统最大负载20MPa，最大流量200L/min。用公式计算得到66.6kW的功率，根据前面的描述，这即是驱动液压泵的功率。
通过这个公式可知：无论供油流量或是工作压力发生变化，驱动液压泵的功率也随之变化，这也是实际工况所要求的，如在某种情况下，油缸驱动负载只需要10MPa，流量只需要100L/min。在这种工况下，负载敏感泵传动系统工作压力大致为12MPa，流量大致为100L/min，计算得到驱动功率仅为20kW；而采用恒压泵，系统压 力 仍 为20MPa，系统流量100L/min，计算得到驱动功率33.3kW。相对定量泵比较而言，此种工况下，恒压泵系统节能50%，负载敏感泵系统节能70%，其优势是不言而喻的。
图4 负数敏感泵能量图
当系统有多个执行器同时工作时，只有压力最高一联执行器所对应的节流损失较小，其他联的损失则较大，压力差别越大，引起的节流损失也越大，这也是负载敏感技术最大的不足。此外存在的问题还有：用机械式比例减压阀控制液控多路阀、采用机械式控制变量泵和机械式压力检测管网，远距离控制，管路复杂；管道长度、检测管网引起压力信号的滞后，降低了系统的稳定性，容易产生振动；压力检测管网复杂，造成机器整体布局困难；为使各执行器速度互不影响，要附加压差补偿阀和梭阀，造成高的调节力和大的压力损失，系统性能受环境变化影响大。为了改善这一系统的性能，采用电子比例阀代替机械式手控减压阀的负载敏感技术，可省掉先导阀的液压控制管网，但变量泵仍采用液压-机械控制方式，获得了与机械式负载敏感控制类似的效果。
3 电子负载敏感控制节能技术
为克服液压-机械负载敏感技术的不足，20世纪90年代初，德国研究者率先提出用电子闭环高性能比例阀与压力电闭环比例泵相结合的电液负载敏感控制原理。与液压-机械方式相比，电液负载敏感技术用压力传感器取代复杂的压力检测管网，消除了检测环节的滞后，改善了系统的响应特性；用电闭环比例阀，通过阀口流量计算公式控制阀的流量，无需压差补偿器，降低了作用在每一联控制阀的工作压差，提高了系统能量利用率，同时增加了系统的柔性，简化了系统的机械结构，而系统的能量利用情况与图5中液压-机械控制方式相同。
图5 电子式负载敏感控制系统
图5是步进式篦冷机电子式负载敏感控制系统原理，步进式篦冷机的特点是篦床分列运动，图示篦床为3列，每列由两缸同步驱动，由比例换向阀控制方向和速度。3列篦床由一台电子式负载敏感泵提供动力源，该泵序号1.1为比例阀，序号1.2为电感式位移传感器，用电液比例阀控制泵的流量和压力，通过改变泵的斜盘倾角来控制其流量。泵的压力和变数机构的位置，通过压力传感器和感应式位移传感器转换成电信号，输入放大板进行闭环控制。从安全角度讲，还装有溢流阀，保护工作压力不超过最大允许压力。
高效、节能的特点使负载敏感控制成为所有传动及控制系统的理想设计方案。对于复杂的系统，它能够与电子操纵系统联合工作，精确地控制和提供所需的液压动力。可以预见，负载敏感系统可用于协同电子操纵系统进行复杂液压系统精确、可调的能量控制。各种类型的传感器可为微处理器提供反馈信息，微处理器进行偏差比较及处理后输出控制电流给比例电磁控制阀，其控制作用使得负载敏感变量泵根据执行器的需求按比例提供准确的压力和流量。
4 结语
近年来，篦冷机液压传动技术获得了很大发展，系统的能量效率和控制特性获得了很大的提高，伴随着液压技术的发展与进步，为适应行业节能降耗的要求，我们不断将新型节能技术应用于篦冷机液压系统，并获得了很大的经济效益。当然，为满足日益严格的排放标准和低碳经济的需求，进一步提高篦冷机液压系统能量效率是未来的发展趋势。
| 参考文献：
[1]王守城，段俊勇. 液压元件及选用[M]. 北京:化学工业出版社，2007.
[2]高凤阳，等.篦冷机篦床液压驱动比例速度控制系统[J].液压与气动2006.11.
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| 来源：《水泥技术》
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