自由鍛造油壓機常鍛工況能耗特性

姚　靜　魏晨光　李　彬　汪飛雪

1.河北省重型機械流體動力傳輸與控制實驗室，秦皇島，0660042.先進鍛壓成形技術與科學教育部重點實驗室，秦皇島，0660043.燕山大學，秦皇島，066004

自由鍛造油壓機常鍛工況能耗特性

姚靜1,2,3魏晨光3李彬3汪飛雪3

1.河北省重型機械流體動力傳輸與控制實驗室，秦皇島，0660042.先進鍛壓成形技術與科學教育部重點實驗室，秦皇島，0660043.燕山大學，秦皇島，066004

摘要：為分析大功率自由鍛造油壓機電液比例控制系統能量分布規律，以常鍛工況為例，綜合考慮操作工操作影響，研究了操作手柄控制方式及系統控制流程，建立了油壓機電液比例控制系統的能耗計算模型和仿真模型，并通過20 MN快鍛油壓機實測數據驗證了仿真模型的正確性。基于仿真模型，對20 MN自由鍛造油壓機電液比例控制系統的能耗分布規律進行了仿真，重點研究了油壓機不同載荷和操作工操作速度對系統能耗的影響。鍛造油壓機常鍛過程存在較大的速度變化，恒定的流量源不能匹配負載變化，導致20 MN自由鍛造油壓機滿載時能量利用率僅為14.3%。研究結果還表明，載荷越大、操作工操作越熟練，系統的能量利用率越高。

關鍵詞：油壓機；自由鍛；能耗；節能；電液比例控制

0引言

鍛造油壓機廣泛應用于核電、艦船、航空航天以及能源等領域的裝備制造中，具有明確的戰略意義[1-2]。自由鍛造的基本工序包括鐓粗、拔長、沖孔等，由于其所需的鍛造頻次低、行程較大，一般稱其為常鍛工況，這種鍛造工藝大約占鍛件成形過程的90%，即鍛造油壓機液壓控制系統絕大部分時間服務于常鍛工況。而鍛造油壓機液壓控制系統不同于普通的液壓傳動系統，它壓力高、流量大，其輸入功率往往達數千千瓦甚至上萬千瓦，低的傳動效率勢必產生巨大的能源消耗和經濟損失。因此，研究其常鍛工況的能耗機理，探尋影響其能耗的關鍵因素，對實現綠色鍛造具有重要意義。

近年來，國內外學者在如何提高油壓機控制精度[3-5]、減少卸壓卸荷沖擊振動[6-8]等方面做了許多工作，使油壓機的控制性能有了較大的提高，但對其能耗特性的研究仍處于探索階段[9-11]，尤其是廣泛應用的大功率鍛造油壓機電液比例系統更是鮮有報道。目前關于高效率的液壓傳動系統的研究，主要分為兩大類：一類是采用高效率低能耗的液壓元件，如利用低功率電磁鐵[12]，高集成低壓降的液壓單元[13]，采用蓄能器降低泵源輸入功率[14]等；另一類是設計新型節能系統，如二次調節系統[15]、負載敏感系統[16]、變轉速調節系統[17]等。上述研究成果雖然在一定程度上提高了液壓系統的傳動效率，但是其仍舊受制于高能耗的困擾，而且，液壓系統能耗的產生不僅和系統元件、系統形式有關，而且受操作模式、人員操作習慣、控制流程、工藝設計等外界因素的影響，尤其對于大功率鍛造油壓機電液比例控制系統更是如此。因此，綜合考慮液壓系統和外界影響因素，探究液壓傳動系統的能耗機理，明確系統產生能耗的原因，才是解決液壓傳動系統低傳動效率的有效途徑。

對于大功率鍛造油壓機電液比例控制系統，其能量的耗散主要來自液壓元件產生的節流和溢流損失。本文以20 MN快鍛油壓機電液比例控制系統為研究對象，針對自由鍛造油壓機常鍛工況拔長工藝，建立其電液比例系統能耗計算模型，綜合考慮操作人員、液壓控制系統、工藝、負載等因素，通過仿真分析常鍛工況能耗特性及其影響因素，意在揭示大功率自由鍛造液壓系統能耗機理，為自由鍛造設備的綠色改造和新型節能油壓機液壓系統設計提供理論指導。

1常鍛液壓驅動系統原理

自由鍛造油壓機典型的液壓原理示意圖如圖1所示。該系統主要由定量泵2、溢流閥3、比例插裝閥6、液壓缸7與8、活動橫梁9和控制器組成，考慮到投資成本，泵源往往以定量泵為主，變量泵只在鍛造速度極低的工況下使用，如鐓粗的最后階段。為了提高控制精度和操控性，鍛造油壓機液壓控制系統采用大通徑電液比例插裝閥，主要包括主缸進液比例閥6.1，主缸排液比例閥6.2，回程缸進液比例閥6.3和回程缸排液比例閥6.4。

1.電機　2.定量泵　3.溢流閥　4.單向閥　5.高位油箱6.比例插裝閥　7.主缸　8.回程缸　9.活動橫梁10.電磁換向閥　11.操作手柄　12.操作工圖1　自由鍛造油壓機系統簡圖

鍛造油壓機電液比例控制系統一般配置伺服手柄，該伺服手柄既能實現操作手柄推動角度的模擬量控制，又能觸發數字開關量。鍛造過程中，伺服手柄推動的角度和電液比例插裝閥的閥口開度成正比，數字開關量觸發相應的閥組，使其按照一定的邏輯順序動作。伺服手柄運動角度(模擬量和數字量)和各電液比例插裝閥動作關系如圖2所示。下面結合油壓機的典型工作過程闡述其操作原理。

(1)回程缸排液比例閥　(2)主缸進液比例閥(3)主缸排液比例閥　(4)回程缸進液比例閥圖2　鍛造過程中伺服手柄與各閥動作關系圖

油壓機典型的工作過程一般包括空程下降、減速、工進加壓、停止、卸壓、回程。油壓機活動橫梁不動，即在停止位時，手柄在中位，為防止操作人員輕碰手柄而造成油壓機誤動作，一般操作手柄設置3°～5°操作死區。此時，僅主缸卸荷閥保持開啟狀態，主缸通低壓，保證油壓機可靠地處于停止狀態。

(1)空程下降階段。向前推動手柄，主缸進液比例閥和回程缸排液比例閥開啟，通過控制回程缸排液閥開口實現對活動橫梁的無級調速。該階段主要由高位油箱供油，由圖2可知，壓機空程區和加壓區重合，此階段主缸進液比例閥也開啟，主泵可向主缸補充部分流量。

(2)減速、工進加壓、停止階段。當快要接觸工件時，手柄向0°位置移動，回程缸和主缸進液比例閥閥口同時縮小，動梁移動速度降低，緩慢接觸工件。然后向前推動手柄，進入加壓工進階段。此時，工進速度主要由主缸進液比例閥和回程缸排液比例閥來協同調節，這種操作方式要嚴格控制主缸進液比例閥和回程缸排液比例閥的閥口開度大小比例，使兩缸速度滿足流量連續性方程。當壓下到預設位置，操作手柄向后推動，鍛造結束后，向后推動手柄，主缸進液比例閥和回程缸排液比例閥關閉，然后觸發數字開關信號發訊，使主缸排液閥按照一定比例的斜坡開啟，保證卸壓的平穩性，壓機處于停止位。

(3)回程階段。進入回程區域后，操作手柄推動角度僅與回程缸進液閥開口大小成比例，主缸排液閥一直處于最大開口狀態，回程速度完全由回程缸進液閥決定。

2能耗計算模型

基于自由鍛造油壓機液壓控制系統原理，可得常鍛工況壓力流量分布圖，如圖3所示。自由鍛造油壓機泵輸入功率主要由對負載所做有用功、節流損耗和溢流損耗組成，管路能量損失可忽略不計[18]。

圖3　系統壓力流量分布圖

取單個典型工作過程為一個能耗計算周期，時間為T。通過采集圖3所示系統各關鍵元件處的前后壓力及通過該元件的流量，經過計算可得出該元件的能耗，進而求出系統各部分能量的分布狀態。系統的輸入功，即泵總的輸出功為

(1)

式中，ps為系統輸出壓力；qs為所有泵輸出流量之和。

由于采集鍛件受力值存在一定的困難，故計算有用功時采用負載消耗功，其計算公式為

(2)

式中，p2為主缸壓力；p3為回程缸壓力；Az為主缸面積；Ah為回程缸面積；v為活動橫梁移動的速度。

節流損失能耗主要存在于主缸和回程缸油路的電液比例插裝閥，其計算公式為

(3)

式中，Wsv1、Wsv2、Wsv3、Wsv4分別為主缸排液比例閥、主缸進液比例閥、回程缸進液比例閥及回程缸排液比例閥的能耗；p1為主缸進液比例閥及回程缸進液比例閥前壓力；p0為油箱壓力；p2為主缸壓力；p3為回程缸壓力；q2、q3、q4、q5分別為通過主缸進液比例閥、回程缸排液比例閥、主缸排液比例閥、回程缸進液比例閥的體積流量。

溢流損失功由溢流閥壓差及溢流流量計算得出。溢流損失功計算公式為

(4)

式中，q1為溢流閥組體積流量之和。

3仿真模型研究

為更加準確地對油壓機常鍛工況進行能耗分析，研究關鍵參數對油壓機常鍛工況能耗的影響，以20 MN鍛造油壓機為例，建立其仿真模型，并通過工業現場實測數據對其仿真模型進行修正。

3.1控制流程

仿真過程通過手柄位置給定控制信號來模擬，具體控制流程如圖4所示。

圖4　控制流程

假定油壓機按圖4所示預設位移曲線運行，A、B、C、D、F、E點分別對應快速下行、減速下行、壓下、下壓位移設置點、卸壓返程、減速各個階段開始點，當活動橫梁運動到各個階段的起始點時，觸發相應斜坡信號，以控制相應的比例閥的開度，進而控制液壓缸輸入輸出流量大小，使油壓機完成相應動作。另外圖4中不同的比例增益k值決定了斜坡信號的不同斜率，進而決定了比例閥不同的開啟速度。k值大小可根據工藝及操作工操作感調試設定。根據油壓機壓下速度和返程速度的需求，壓下時采用8臺定量泵供給，返程時則采用6臺定量泵，流量稍大于油壓機速度要求。

3.2仿真模型及參數

以20 MN油壓機電液比例控制系統為例，外負載通過AMESim液壓庫中的LSTP00A-elastic contact單元來模擬，利用AMESim建立其仿真模型。因主缸和回程缸固連在活動橫梁上，可簡化為雙作用單出桿液壓缸。

本文中利用AMESim中的活性指數工具進行能量分析，該工具可以對系統能量的分布以及能量的主被動項作直觀系統的評價。AMESim中液壓閥的能耗可以直接從仿真后閥的變量中提取出來。泵的輸入功通過采集泵口壓力和流量得出。

仿真模型中參數設定見表1。空程快下和回程速度最大值為350 mm/s，工進最大速度為100 mm/s，系統壓力設置為31.5 MPa。

3.3實驗驗證

基于20 MN油壓機加載測試數據，與仿真曲線相比較，以修正仿真模型。20 MN油壓機仿真和實驗曲線對比如圖5所示。

從圖5可以看出，實驗過程中，動梁先快速下行，接觸工件前為防止沖擊鍛件產生振動，將回程缸排液比例閥開口減小，此時動梁的速度減小。接觸鍛件，主缸進液比例閥打開，主缸的壓力開始增大至17.5 MPa，進入工進階段，由于回程缸排液比例閥閥口與主缸進液比例閥閥口按比例變化，手柄向前推動隨著閥口開大，回程缸壓力逐漸減小。工進結束后，手柄回置小角度，節流作用造成回程缸壓力迅速增大。卸壓時，主缸的壓力迅速減小，隨后壓機快速回程，回程缸壓力快速增大至24 MPa，由于主缸排液閥的存在壓降，主缸壓力維持在2 MPa。到達上工位點前，回程缸進液比例閥開度減小，動梁減速回到上工位點，回程缸進液比例閥和主缸排液比例閥關閉，鍛造結束。

表1　主要仿真參數設置

(a)位移曲線

1.實驗主缸壓力　2.仿真主缸壓力3.實驗回程缸壓力　4.仿真回程缸壓力(b)壓力曲線圖5　仿真與實驗對比

由圖5可知，實驗和仿真壓力及位移曲線走勢相同，驗證了仿真模型的正確性，但是由于忽略了管道、泄漏等因素的影響，仿真曲線響應稍快于實測曲線，這對研究常鍛工況的能耗分布規律及影響因素影響很小，故本文基于此仿真模型開展能耗特性分析。

4能耗特性分析

4.120 MN油壓機常鍛工況能耗分析

根據能耗計算方法以及仿真結果，可得系統各比例節流閥節流損失及泵口溢流損失，見表2(系統總輸入功為3 482 150 J)。系統的位移壓力曲線如圖6所示。

表2　系統關鍵點元件能耗

1.仿真位移　2.仿真主缸壓力3.仿真回程缸壓力　4.仿真泵口壓力圖6　位移壓力仿真曲線

結合表2和圖6分析可知，主缸進液閥在系統空程下降和停止階段不可避免地存在小開口情況，由于節流作用使泵口壓力升至溢流壓力，導致比例閥壓降過大，造成較大的節流損失，占系統總輸入功的27.83%。

回程缸排液比例閥在空程階段調節下降速度，會產生一定的節流損失，在工進階段閥口全開，不會產生節流損失，因此，回程缸排液比例閥處能耗較小，占系統總輸入功的2.57%。

在回程階段，回程缸進液比例閥快速開啟，產生的節流損失較小。但是在達到上工位點前，為防止急停產生沖擊，回程缸進液比例閥開口減小，動梁減速，造成了5.12%的節流損失。主缸排液比例閥在回程階段直接全部打開，但是由于通過該閥口的流量較大，閥前后存在一定壓差，故該節流損失占系統總輸入功的4.23%。

溢流閥組處能耗損失較大，只要系統的流量輸入大于活動橫梁的速度需求，且兩者差值越大，產生的溢流損失越大，占系統總輸入功的38.21%。

4.2不同負載對能耗特性的影響分析

自由鍛造油壓機通常會工作在部分載荷區，以20 MN自由鍛造油壓機為研究對象，設其工作在1200 t、1700 t、2000 t三種不同負載工況時，分別進行鍛造過程仿真，壓機位移曲線仿真結果如圖7所示。

1.負載1200 t　2.負載1700 t　3.負載2000 t圖7　不同負載下位移曲線

由圖7可以看出，在不同負載、相同的控制流程下，壓機的空程下降過程中位移曲線相同，而接觸工件后小負載鍛件的變形速度快。返程過程中位移曲線的變化不受負載影響，因此，不同負載下返程階段位移曲線走勢相同。在三種不同負載下，各比例閥閥口處節流損失對比如圖8所示。

(a)主缸進液比例閥能耗

(b)回程缸排液比例閥能耗

(c)回程缸進液比例閥能耗

從圖8中各曲線分析可以看出，由于負載的增大，除主缸排液比例閥外，其他三處比例閥兩端壓差均減小，這樣就使得其總能耗值都是隨著負載值的增加而降低。對于主缸排液比例閥，負載較大時返程初始主缸背壓較大，使得主缸排液閥兩端的壓差較大，在流量相同時，能耗較大。不同負載下溢流閥處能耗對比如圖9所示。

1.負載1200 t　2.負載1700 t　3.負載2000 t圖9　不同負載下溢流閥處能耗

從圖9可以看出，負載較小時工進速度較快，工進時間較短，使得停止時間較長，而停止時系統流量全部溢流，這樣就使得溢流閥溢流量增加，造成更多的能量浪費。不同負載作用下的系統能量傳遞效率對比分析見表3。

表3　不同負載下能量傳遞效率對比

通過對比表3中數據可以看出，隨著負載設定值的增加，系統所做有用功增加。同時，使得系統能量傳遞效率隨著負載設定值的增加而有了明顯的提升。因此，在實際工程中，壓機在滿載時工作能量利用率較高，要盡量避免使油壓機“大馬拉小車”，從而提高能量利用率。

4.3操作工操作速度對能耗特性的影響分析

操作工的熟練程度決定其操作速度，而操作速度對壓機的能量傳遞效率也會產生影響。

將負載設定為2000 t，此時調節四個閥的輸入信號比例增益k值，可模擬操作工操作速度的影響。操作越快，k值越大，完成相同閥口開度所用時間較短，反之亦然。

調整操作速度前后的閥輸入信號對比，如圖10所示。由圖10可知，各比例閥的啟閉斜率對比明顯，可以用來進行能耗機理對比研究。通過仿真對比分析，得到操作速度不同時的位移曲線，如圖11所示。

(a)主缸進液比例閥輸入信號

(b)回程缸排液比例閥輸入信號

(c)回程缸進液比例閥輸入信號

(d)主缸排液比例閥輸入信號圖10　操作速度不同時各比例閥的輸入信號對比

圖11　操作速度不同時的位移曲線

由圖11可知，在同一負載下，操作速度不同時，二者位移趨勢相同，下行的行程和工件壓縮量也相同。

操作速度不同時各閥處節流損耗對比如圖12所示。由圖12中的對比分析可以看出，操作速度不同，下行階段的主缸進液比例閥和回程缸排液比例閥能耗值對比較為明顯，主缸進液比例閥在操作快時能耗約為操作慢時能耗的81.32%，回程缸排液比例閥能耗為操作慢時能耗的86.43%，即下行過程在操作慢時能耗值較高。主缸排液比例閥能耗在操作快時與操作慢時的比較，能耗降低了14.1%，回程缸進液比例閥能耗在操作慢時比操作快時能耗多9.63%。

(a)主缸進液比例閥能耗

(b)回程缸排液比例閥能耗

(c)回程缸進液比例閥能耗

(d)主缸排液比例閥能耗圖12　操作速度不同時各比例閥處節流損失對比

從各比例閥的節流能耗對比可以看出，操作慢時系統完成動作所需時間較長，節流損失增大，從而體現出操作工的熟練操作能使系統更加節能。

系統總能耗中溢流閥處溢流損失所占比重較高。操作速度不同時，溢流閥處溢流能耗曲線如圖13所示。

圖13　操作速度不同時溢流閥處能量損失對比

對比圖13中的操作速度不同時溢流閥能耗損失可知，閥啟閉慢時會造成大量的溢流損失，這樣就使得其溢流能耗大大增加，較快啟閉速度時的溢流損失約為較慢啟閉速度時溢流損失的90.21%，降低了系統溢流損失。操作速度不同時的能耗分析見表4。

表4　操作速度不同時能量傳遞效率對比

由前文分析和表3中的能耗值對比可知，在同一負載下，熟練的操作可以使得系統整體節流損失與溢流損失都減少，這樣使得系統能量傳遞效率提高。因此，提高操作工的熟練程度對降低能耗提高能量利用率起著關鍵的作用。

5結論

(1)針對自由鍛造油壓機常鍛工藝，本文建立了其能耗計算模型，給出了其控制流程，并以20 MN自由鍛造油壓機為例，建立了其仿真模型，通過20 MN油壓機實測數據與仿真結果進行對比，驗證了仿真模型的正確性，為常鍛工藝能耗特性研究打下了基礎。

(2)常鍛鍛造過程中，由于活動橫梁速度變化范圍較大，恒定的流量源輸入不能匹配負載的變化，導致20 MN自由鍛造油壓機電液比例控制系統的能量利用率僅為14.3%。

(3)雖然比例閥的使用提高了系統的控制精度和操作工操控感，但是由于伺服手柄與比例閥開口度成比例，在操作手柄前后運動過程中，比例閥不可避免地要經過小開口，在比例閥兩端形成很大壓降，導致較大的能量損失。

(4)常鍛工況時，不同負載下能耗不同，負載越大，能量利用率越高，系統能量傳遞效率越高，所以壓機盡量避免工作在部分載荷工況。操作速度也影響系統能量利用率，其他工作條件相同時，較快的操作可提高系統能量利用率，這樣就要求操作工要熟練操作壓機，從而提高系統能量利用率。

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(編輯陳勇)

Regular Forging Energy Consumption Characteristics for Open-die Hydraulic Forging Press

Yao Jing1,2,3Wei Chenguang3Li Bin3Wang Feixue3

1.Hebei Province Key Laboratory of Heavy Machinery Fluid Power Transmission and Control,Qinhuangdao,Hebei,066004 2.Key Laboratory of Advanced Forging & Stamping Technology and Science,Ministry of Education of China,Qinhuangdao,Hebei,066004 3.Yanshan University,Qinhuangdao,Hebei,066004

Abstract：In order to analyze the energy distribution proportion of electro-hydraulic control system for a open-die forging hydraulic press, taking the regular forging process of 20 MN open-die forging press as the studied object and considering the operator influences, the operating mode and control method were given, the energy consumption calculation model and the hydraulic control system simulation model were established. Then, for the purpose obtaining the more accurate simulation model, the measured data of 20 MN fast forging hydraulic machine was used to verify the simulation model. Furthermore, based on the simulation model, the energy distribution for 20 MN open-die forging hydraulic electro-hydraulic proportional control system was simulated, especially focused on the influence rules of different loads and operator operating speed on the system energy consumption. The simulation results show that the energy utilization rate for 20 MN open-die hydraulic forging press is only 14.3% under conditions of maximum load, the main reasons of low efficiency is the constant flow rate input can not match the varied velocities of the load, and the energy utilization rate proportionally improves with increases of the load and the operating speed.

Key words：hydraulic press; regular forging; energy consumption; energy-saving; electric-hydraulic proportional control

收稿日期：2015-06-29

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51575471)；河北省青年自然科學基金資助項目(E2014203247)；河北省高等學校科學技術研究項目(QN2014147)

中圖分類號：TH137.5

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.11.017

作者簡介：姚靜，女，1978年生。燕山大學機械工程學院副教授。主要研究方向為重型機械流體傳動與控制系統和新型液壓元件。發表論文30余篇。魏晨光，男，1988年生。燕山大學機械工程學院碩士研究生。李彬，男，1991年生。燕山大學機械工程學院碩士研究生。汪飛雪(通信作者)，男，1980年生。燕山大學機械工程學院副教授。