Research on theory and methods of energy efficiency improvement for hydraulic systems of process machinery oriented to low-loss characteristics

Abstract

EN: Hydraulic systems are widely employed in process machinery such as presses, injection molding machines, rolling mills, and mining equipment due to their high power density, rapid dynamic response, precise force and speed regulation, and excellent adaptability to severe working environments. Nevertheless, conventional hydraulic systems for process machinery commonly suffer from excessive energy consumption, substantial power dissipation, and relatively low energy efficiency, which have become critical bottlenecks restricting the sustainable and lowcarbon development of industrial equipment. Guided by a systematic low-loss design philosophy, this paper presents a comprehensive theoretical and methodological investigation into energy efficiency enhancement by integrating fluid mechanics, modern control theory, and intelligent optimization algorithms. The fundamental working principles and inherent energy consumption characteristics of typical hydraulic systems are systematically analyzed, aiming to accurately identify the primary loss sources and reveal the coupling mechanisms among different components and hydraulic circuits. A full-process low-loss dynamic mathematical model, encompassing key hydraulic components and pipeline networks, is established, and its accuracy, reliability, and practical applicability are thoroughly validated through parameter identification, numerical simulation, and experimental testing. On this basis, an integrated energy consumption optimization control strategy, combining high-fidelity dynamic modeling with an improved genetic algorithm, is proposed to achieve adaptive and real-time dynamic adjustment of system operating parameters. Simulation and experimental results demonstrate that the developed control strategy can effectively mitigate volumetric loss, throttling loss, and pipeline pressure loss under diverse working conditions. Under typical operational scenarios, the overall energy efficiency of the hydraulic system is improved by 18–25 %, while simultaneously enhancing dynamic performance. The research outcomes provide solid theoretical foundations and practical engineering guidance for the low-loss design, performance optimization, and energy-saving retrofitting of hydraulic systems for process machinery.

UA: Гідравлічні системи широко застосовувані в технологічному обладнанні, такому як преси, ін'єкційно-формувальні машини, прокатні стани та гірничодобувне обладнання, завдяки високій питомій потужності, швидкій динамічній реакції, точному регулюванню сили та швидкості, а також чудовій адаптивності до складних умов експлуатації. Проте для традиційних гідравлічних систем технологічного обладнання характерні надмірне енергоспоживання, значні втрати потужності та відносно низька енергоефективність, що стало основною перешкодою для сталого та низьковуглецевого розвитку промислового обладнання. Керуючись системною концепцією проєктування з мінімальними втратами, у статті проведено комплексне теоретичне та методичне дослідження підвищення енергоефективності на основі поєднання гідродинаміки, сучасної теорії керування та інтелектуальних оптимізаційних алгоритмів. Систематично проаналізовано основні принципи роботи і внутрішні особливості енергоспоживання типових гідравлічних систем із метою точного визначення основних джерел втрат і розкриття механізмів взаємодії між окремими елементами та гідравлічними контурами. Побудовано повноциклову динамічну математичну модель із мінімальними втратами, що враховує основні гідравлічні компоненти і трубопровідні мережі; її точність, надійність і практичну придатність повністю підтверджено ідентифікацією параметрів, чисельним моделюванням та експериментальними випробуваннями. На цій основі запропоновано комплексну стратегію оптимізаційного керування енергоспоживанням, яка поєднує високоточне динамічне моделювання та вдосконалений генетичний алгоритм для забезпечення адаптивного оперативного динамічного корегування робочих параметрів системи. Результати моделювання та експериментів підтверджують, що розроблена стратегія керування ефективно зменшує об'ємні втрати, дросельні втрати і втрати тиску в трубопроводах за різних режимів роботи. У типових експлуатаційних умовах загальна енергоефективність гідравлічної системи зростає на 18–25 %, водночас покращуючи її динамічні характеристики. Отримані результати дослідження створюють надійну теоретичну базу та практичні інженерні рекомендації для проєктування гідравлічних систем технологічного обладнання з мінімальними втратами, оптимізації їхніх характеристик і модернізації з метою енергозбереження.