Improving Hydraulic System Energy Efficiency With High-Performance Hydraulic Fluids
Franklin L. Quilumba, Student Member, IEEE, Lyndon K. Lee, Wei-Jen Lee, Fellow, IEEE, and Alan Harding
Abstract—Hydraulic fluids are commonly used for mechanical power transfer and lubrication. New hydraulic fluids are commonly compared to benchmark products with respect to qualities which include energy transfer efficiency and corrosion resistance. In this case, an energy transfer efficiency performance comparison was conducted on an injection molding system when it used a conventional fluid and when it used an alternative synthetic hydraulic fluid. Data analysis demonstrated a potential 16.7% overall energy consumption reduction when the conventional fluid was replaced by the alternative synthetic hydraulic fluid.
Index Terms—Energy efficiency hydraulic fluids, hydraulic fluids, hydraulic injection molding, hydraulic pump motor, hydraulic systems, hydraulically driven injection molding machine, synthetic hydraulic fluids.
I. INTRODUCTION
Energy consumption is a critical component in evaluat- ing costs of operation, especially with heavy machinery.In the case of machinery that utilizes hydraulic pumps, reducing mechanical power loss due to factors such as friction and pump inefficiency while ensuring long-term continuous operation is a critical objective. New synthetic hydraulic fluids, such as the one evaluated in this study, have the potential to reduce overall energy consumption and expenses by reducing friction and enhancing mechanical power transfer.
A hydraulically driven injection molding machine uses a hydraulic transmission mechanism to transmit indirectly the force of an electric motor. Some researchers demonstrated energy savings in injection molding machines by implementing new control strategies on the electric motor drives [1]–[4]. Others state that, in general, in manufacturing equipment, daily operations and machine maintenance play even more important roles in improving energy efficiency [5], [6]. Permanent magnet synchronous motors have been proposed to be used in mediumsized injection molding [7] and in an electrohydraulic forklift [8] as a means of improving efficiency. Another alternative for improving hydraulic system energy efficiency is by using highperformance hydraulic fluids.
Significant improvements in fuel economy and productivity have been reported in [9] when using a highly efficient hydraulic fluid on a skid steer loader and an excavator. Likewise,energy efficiency gains in operating hydraulic equipment like skidsteer, excavator, and plastic injection molding are indicated in [10] using this kind of advanced technology hydraulic fluid.
According to reports, a preform injection molding system was experiencing servo valve failures, resulting in downtime and the need for component replacement. To address this issue, an alternative synthetic hydraulic fluid was used with the system, which not only reduced the equipment downtime but also achieved significant energy savings. Overall, the alternative synthetic hydraulic fluid has proven to be an excellent option to extend drain intervals, to reduce energy consumption, to reduce bottom line costs, and to be environmentally intelligent and appropriate for use in a food/beverage plant.
This paper applies a side-by-side approach to evaluate the potential improvement of energy transfer efficiencies when replacing conventional fluid with alternative synthetic fluid by comparing the energy consumption of a real-world operating hydraulic system.
II. PREFORM INJECTION MOLDING SYSTEM OVERVIEW
A preform injection molding consists of injecting a thermoplastic material melt into a mold cavity and around a core rod,after which it cools, producing a hollow test-tube-like shape,called preform [11], [12]. Polyethylene terephthalate (PET) is a thermoplastic polymer commonly used in producing beverage,food, or other liquid containers [13]. A molding system, in this study, is used to produce preforms which are further molded to produce a variety of recyclable plastic sized containers for bottled water (Fig. 1).
Fig. 1. Preform and plastic bottled water.
While molding machines can differ substantially in design and operation, basically, for a hydraulic injection machine,include plasticating, injection, mold clamping, and controlling units [14]. Fig. 2 shows this structure.
Fig. 2. Hydraulic injection machine [14].
A hydraulically driven injection molding machine uses a hydraulic transmission mechanism to transmit indirectly the force of an electric motor. It is the most common driving method for various kinds of injection molding machines [14]. An electric motor drives a hydraulic pump first and circulates hydraulic fluid. Thus, the task of the hydraulic pump is to convert the rotating mechanical shaft power into fluid power [15]. The electric motor is used because it is a compact, efficient, and quietest form of driver [16]. Various valves control the circulating fluid, in terms of pressures and flow rates, to achieve clamping, injection, and other functions [14]. Petroleum-based hydraulic fluid is usually used as the energy-transmitting medium to obtain reciprocating and rotator motions.
III. HYDRAULIC FLUIDS
Hydraulic fluid is a component of the hydraulic systems such as the hydraulic molding injection system. Hydraulic fluids perform many functions in addition to transmitting pressure and energy.
A. Properties
Several key characteristics of hydraulic fluids contribute to the continued and effective operation of machinery. The fluid must be able to transfer mechanical power with minimal loss or pump leakage. Specifically, the fluid must have low compressibility and a high viscosity index. The low compressibility reduces power loss, and the high viscosity index e
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利用高性能液压油改善液压系统的能源效率
Franklin L.Quilumba，Lyndon K. Lee，Wei-Jen Lee，Alan Harding
摘要：液压油通常用于机械动力传递和润滑。新型液压液通常与基准产品在质量上相比较，包括能量传递效率和耐腐蚀性。鉴于此，对注塑系统在常规液压液和可替代的合成液压液这两种情况下对其能量传递效率性能进行比较。数据分析表明，当常规液压液被可替代的合成液压液代替时，总能量消耗降低16.7％。
关键词：液压液能效；液压液；液压注塑；液压泵；液压系统；液压驱动注塑机；合成液压液
Ⅰ.引言
能源消耗是评估运行成本的关键因素，特别是对于重型机械。在使用液压泵的机器中，确保关键目标长期稳定运行的条件下，减少由于摩擦和泵效率低等因素而造成的机械功率损失。新的合成液压油，如本研究中评估的那种，具有通过减少摩擦和增强机械动力传递来降低总体能量消耗和费用的潜力。
液压驱动的注塑机使用液压传动机构间接传递电动机的力。一些研究人员通过在电动机驱动器上实施新的控制策略来证明注塑机的节能[1] - [4]。其他人认为，一般来说，在制造设备中，日常操作和机器维护在提高能源效率方面起着更重要的作用[5]，[6]。已经提出永磁同步电动机用于中等注塑成型[7]和电动液压叉车[8]中作为提高效率的手段。用于提高液压系统能量效率的另一个替代方案是使用高性能液压流体。
当在滑移转向装载机和挖掘机上使用高效液压液时，在[9]中已经报道了燃料经济性和生产率的显着改进。同样，使用这种先进技术液压油，在滑移转向，挖掘机和注塑成型等操作液压设备中能效都有提高[10]。
根据报告，预成型件注塑系统经历伺服阀故障，导致停机以及需要更换部件。为了解决这个问题，一种可替代的合成液压液与该系统一起使用，这不仅减少了设备停机时间，而且实现了显著的能量节省。总的来说，可替代的合成液压流体已被证明是延长排水间隔，降低能量消耗，降低底线成本的极佳选择，并且是环境智能，且适用于食品饮料行业。
本文采用并行方法来评估当用可替代合成流体替换常规流体时，通过比较现实中的操作液压系统的能量消耗以进行对能量传递效率的潜在改进。
Ⅱ. 预成型注塑成型系统概述
预成型件注塑包括将热塑性材料熔体注入模腔和芯棒周围，之后冷却，产生称为预成型件[11]的中空试管状形状。聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）是通常用于生产饮料，食品或其他液体容器的热塑性聚合物[13]。在本研究中，使用模制系统来生产预成型件，其进一步模制以产生用于瓶装水的多种可回收塑料尺寸的容器（图1）。
图1.预制瓶和塑料瓶装水
虽然成型机在设计和操作上基本上可以不同，但是对于液压注射机器，包括塑化，注射，模具夹紧和控制单元[14]。图2示出了该结构。
图2.液压注塑机[14]
液压驱动的注塑机使用液压传动机构间接传递电动机的力。它是各种注塑机的最常见的驱动方法[14]。 电动机首先驱动液压泵并使液压流体循环。因此，液压泵的任务是将旋转机械轴功率转换为流体动力[15]。使用电动机是因为它是一种紧凑，高效，最安静的驱动器形式[16]。各种阀门控制循环流体，在压力和流量方面，实现夹紧，注入和其他功能[14]。石油基液压流体通常用作能量传递介质以获得往复运动和旋转运动。
Ⅲ.液压油
液压流体是液压系统的组成部分，例如液压注塑系统。液压流体除了传递压力和能量之外还执行许多功能。
A.属性
液压流体的几个关键特性有助于机械的持续和有效操作。流体必须能够以最小损失或泵泄漏传递机械功率。具体地来说，流体必须具有低压缩率和高粘度指数。低压缩性降低了功率损失，并且高粘度指数确保流体在操作温度下不会过度稀释。此外，液压流体应当移除系统中机械产生的热量并且用作润滑剂，这意味着其应该减少机器磨损和腐蚀。基于[17] - [19]提供了重要物理性质的简要描述。
粘度：液压流体最重要的基本物理性质之一是粘度。它是对流体在限定温度下的流动阻力的测量。高粘度指数确保相对温度波动下相对适中的粘度变化。通过这种方式，实现了系统的令人满意的适当宽的操作温度范围[20]。
可燃性：闪点是液体在空气（蒸气）中形成可燃混合物的最低温度。闪点越低，越容易点燃材料。
倾点：倾点对应于在规定的实验室条件下冷却时流体流动的温度。倾点是流体在低操作温度下流动的能力的指示器。
图3.典型的液压泵效率曲线[23]
图4.低功耗
图5.不同相电压（从上到下：V-A，V-B和V-C）
图6.不平衡异常功率（从上到下：kW-A，kW-B，kW-C）
B.应用程序
液压机械通常有许多应用。大型建筑设备，重型起重机和压力机都具有突出的液压传动功能。如前所述，常规流体和可替代合成流体都用于注塑机中。
C.能效液压油
高效液压油具有高粘度指数和高剪切稳定性的特点。这些流体通过使总效率最大化而降低了液压系统中的能量消耗，因为它们启动时，在正常操作期间以及在峰值负载条件下提供了优化的粘度，并且扩大了流体粘度在最佳效率范围内的操作温度范围。“节能”流体的化学性质就是被设计来提高液压系统的机械和容积效率。
Ⅳ.液压系统效率
液压泵的效率在任何液压系统的整体性能中都是非常重要的[21]。如果操作条件（包括流体粘度）不允许泵以最佳效率操作，则驱动电机必须执行额外的工作以克服系统损耗[22]。
总体上，效率等于容积效率乘以机械效率。图3示出了液压泵[23]，[24]的容积，机械效率和总效率之间的关系。机械效率是摩擦损失和克服这些损失所需的能量的函数。摩擦损失是由于金属表面摩擦和流体摩擦。当系统在正常操作中流体连续流过管道时，大多数摩擦阻力来自于流体摩擦。容积效率是系统内发生的流量损失的函数。机械和容积效率都受流体粘度的影响[22]。
机械效率随着粘度的降低而提高，而容积效率恰好相反：随着流体粘度的增加而提高。机械效率和容积效率之间的固有折衷是独立的，因为这些在明显矛盾的条件下是最好的。如果系统的体积和机械效率不平衡，则系统将在执行其正常系统功能时消耗并浪费大量能量[22]。
Ⅴ.现场监测概述
注塑机单元设置为每9秒（大约）生产大约100个塑料水瓶PET预成型件。然后将预成型坯送入吹塑机，将预成型坯膨胀成成品水瓶。该操作处于气候“控制”环境中。
基线监测包括收集机器稳态运行的温度和能耗数据。以前，在所有的预成型件注射成型机中使用常规的液压流体。一个注塑机单元储存器用齿轮和液压冲洗器冲洗，然后装入替代的合成液压流体[25]。在流体变化之前，润滑剂分析报告表明没有异常发现，因此，流体处于良好的工作状态。
流体更换日期从2009年6月18日开始。该单元离线，并且添加共混剂并仅使用离线泵使其循环通过储层。在2天后使用新的合成液压油使系统上线。应当指出的是，在更换之前，该系统是清漆的，并且只有储存器用混合剂清洁。
电气数据来自泵驱动器，应与其他能源需求隔离（桶式加热器等）。对于能量监测，使用Dranetz BMI功率签证，并且所有监测根据Dranetz程序和方案进行。
Ⅵ.数据分析
分析了收集的电数据的连续流，以捕获注塑机系统的液压部件的电动机性能和能量消耗。这些数据是从现场测量获得的，并且目的是确定在注入模制单元装填替代的合成液压流体之后对电消耗的改进。在2009年6月18日之前具有测量的文件被作为参考，其中注塑单元利用常规液压流体，并且在2009年6月18日之后的测量与这些参考值进行比较。
图7.原始数据
图8.删除低值
图9.删除异常值
图10. 冲洗后不利条件。合成油需要填充所有的间隙，因此，预期有高的消耗。录制时间范围为2009年6月29日至2009年7月7日。
图11.一个月后（大约），合成油显示出与基本情况类似的消耗。 录音时间为2009年7月24日至2009年8月4日
图12.在四个月后（大约），合成油显示出功率消耗降低的明显改善。录制时间范围为2009年10月20日至2009年10月27日
图13.在1年后（大约），合成油连续地显示出功率消耗降低的改进。录制时间范围为2010年6月4日至2010年6月15日
图14.两年后大约降低16.7％的功耗。录制时间为2011年4月26日至2011年5月3日
图15.两年多后。录制时间为2012年2月17日至2012年2月28日
A.数据排除
一些数据包含异常，取消其使用资格。确定了三种类型的异常。
数据不足：在记录周期产生少量数据点的情况下，由于固有的精度损失，有意义的数据分析是困难的。小数据采集增加了随机误差的影响。因此，具有少于15个不同数据点的数据文件被排除在研究之外。
低平均功耗：某些数据记录显示出一贯和异常低的功耗。典型的平均功耗范围为120至150 kW。然而，在这些情况下，平均功耗小于50kW。图4示出了这种差异。
不寻常的相电压和功率不平衡：几个记录产生了明显的正常功耗读数，但是每个相之间存在相对于电压和功率的很大的差异。丢弃这些数据。图5和图6分别是来自单个记录事件的三个相的电压和功率图。
使用先前提供的排除标准，在最终数据分析中采用使用替代合成液压流体的27个独特数据记录中的18个。两个使用常规液压流体的提供的数据记录不具有这些异常，因此包括在研究中。
B.数据清洗
单个数据记录事件可能需要几天，这意味着当机器被关闭或以降低的功率执行时的读数也被捕获。这些事件构成异常值，在数据分析之前被删除。首先以下列方式处理数据。
首先，去除低值。由于机器关闭，这些数据点显着降低了计算的平均功耗，并增加了标准偏差，使得真正的异常值难以识别。以这种方式去除小于原始数据平均值的10％的数据值。
图16.平均功耗的变化
TABLE I
CHANGE IN AVERAGE POWER CONSUMPTION
之后，重新计算数据集的平均值和标准偏差以解释低值的去除。异常值被识别为除新计算的平均值之外的具有大于一个标准偏差的值的数据点。然后将异常值从数据中排除。图7-9示出了如何使用前述步骤处理原始数据。
C.数据比较
在所有数据比较中，使用双样本t检验，因为它确定存在显著的群体差异是否意味着从中提取给定样本。这里，零假设Ho表示平均值之间没有统计学上的显着差异，而替代假设Ha表明平均值之间存在统计学上的显著差异。拒绝标准由置信度alpha;给出。如果t检验产生不显著的结果（即，p值大于alpha;），则不能拒绝零假设。然而，如果t检验产生显着结果（即，p值小于0.05），则应拒绝零假设。在所有研究数据中，显着性阈值为alpha;= 0.001。数据通过使用的液压流体的类型分离。
常规流体组包含两个单独的记录。首先将这些记录相互比较以确定是否可以采用数据汇集。两个样本t检验显示两个样本之间的平均值（p = 2.59times;10 -57）有显著差异，这意味着数据不能合并。在使用替代的合成液压流体的数据记录之间存在显著差异。结果，将替代组中的数据与各个常规液压流体数据记录单独进行比较。在常规流体和替代流体数据之间总共进行36次比较。
D.结果
在每次比较中，建立了平均值的显著差异。图10-15示出了功率消耗如何随时间逐渐改变，其中两个常规液压流体样本和替代的合成液压流体样本之间的平均功率消耗的表观差异是明显的。可以区分两种极端情况。在图10中，示出了不利的条件，其中功率消耗没有由于替代流体相对于已经冲洗的常规流体的缓慢清洁而减少。如图14所示，显示出了功耗最多降低16.7％的最佳结果。早期记录表明，当使用替代合成液压油时，功率消耗增加，但该值随时间显着降低，导致功率消耗峰值下降了16.7％。图16是显示替代液压流体随时间的功率消耗的一致衰减的曲线图，表I以表格形式呈现该信息。这表明清漆渗透系统的其余部分，液压泵，电动机，特别是具有许多窄通道和缝隙的伺服阀，以及所有的管道和气缸。溶解和洗涤清漆似乎是显示这种长期逐渐降低功耗的原因。
VII. 结论
从给定的数据来看，初步结果已经表明，在PET执行过程中使用替代的合成液压流体之后，功率消耗随时间减少。在统计意义上，当使用替代流体时，确实存在显著差异，并且它绝不是由于随机因素产生的。在使用替代合成液压流体过渡之后不久观察到更高的功率消耗。与参考情况相比，在一个测试周期中观察到高达16.7％的功耗降低。
参考文献：
[1] K. Takahashi, M. Okamoto, E. Hiraki, and T. Tanaka, “Simulation analysis of energy-saving effect of an energy recovery system for electric motor drive system in the injection molding machine,” in Proc. 14th Int. EPEPEMC, 2010, pp. T2-118–T2-122.
[2] H. Akiyoshi, E. Hiraki, T. Tanaka, M. Okamoto, T. Matsuo, and K. Ochi,“Peak power shaving of an electric injection molding machine
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