Research on integrated optimization method for power loss and energy efficiency of hydraulic systems

Abstract

EN: Hydraulic systems are widely used in construction machinery and industrial manufacturing due to their high power density and rapid response, but high power loss and low energy efficiency hinder their green low-carbon development. To solve this problem, this paper proposes an integrated optimization method for power loss and energy efficiency of hydraulic systems. Firstly, three core loss sources (throttling, volumetric, mechanical) are analyzed, and a fulldimensional loss model considering their coupling relationships is established. Secondly, a multiobjective optimization model targeting maximum energy efficiency is constructed, with constraints including system dynamic performance (actuator speed, step response time), component operating parameters (rated pressure / flow of pumps / valves, cylinder thrust / stroke), and hydraulic oil characteristics (10–60 °C temperature, viscosity). An improved particle swarm optimization algorithm, featuring adaptive inertia weight, dynamic learning factors, and random boundary resetting, is adopted for solution. Finally, simulations via AMESim (variable pump-multi-way valvedouble-acting hydraulic cylinder model) and experiments are conducted on an excavator boom hydraulic system. Results show the method increases comprehensive energy efficiency by 15.3 % and reduces total power loss by 21.7 %, balancing energy saving and operational stability, and providing theoretical and technical support for efficient hydraulic system operation.

UA: Гідравлічні системи широко застосовують у будівельній техніці, спеціальних транспортних засобах і промисловому обладнанні виробництв завдяки високій щільності потужності та швидкій реакції, але великі втрати потужності та низька енергетична ефективність обмежують їхній зелений низьковуглецевий розвиток. Щоб розв’язати цю проблему, у статті запропоновано інтегрований метод оптимізації втрат потужності та енергетичної ефективності гідравлічних систем будівельних машин. По-перше, проаналізовано три головні джерела втрат (лінійні та місцеві, об'ємні, механічні), а також побудовано повномірну модель втрат, що враховує взаємозв'язок між ними. По-друге, у роботі створена багатометрична модель оптимізації за критерієм досягнення максимуму енергетичної ефективності гідравлічного привода з обмеженнями, зокрема динамічною характеристикою системи (швидкість виконавчої частини, час стрибкового відгуку), робочими параметрами компонентів (номінальний тиск / подача насосів, пропускна спроможність і витоки клапанів, тяга / хід гідравлічного циліндра) і характеристиками гідравлічної рідини (температура 10–60 °C, в'язкість номінальна). Для розв'язання моделі застосовано покращений алгоритм оптимізації роя частинок з адаптивною інерційною вагою, динамічними навчальними факторами і стратегією випадкового скидання меж. Проведено симуляції в середовищі AMESim (модель «змінний насос – багатоходовий клапан – гідравлічний циліндр двосторонньої дії»). Модель верифікована експериментально на прикладі гідравлічної системи стріли одноківшевого екскаватора. Результати демонструють, що запропонований метод оптимізації втрат підвищує загальну енергетичну ефективність на 15,3 % і зменшує загальні втрати потужності на 21,7 %, забезпечуючи баланс між енергозбереженням і робочою стабільністю гідравлічної системи, а також надає теоретичну і технічну підтримку для подальшого розвитку та ефективного функціонування гідравлічних систем будівельних машин і спеціальних транспортних засобів.