液壓機(jī)液壓系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)探討

陳 雷，單東升，李文鈞

（1.中車(chē)山東機(jī)車(chē)車(chē)輛有限公司 制備分廠，山東 濟(jì)南 250022；2.北方重工集團(tuán)有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110141；3.濟(jì)南博爾動(dòng)力設(shè)備有限公司，山東 濟(jì)南 250022）

液壓機(jī)液壓系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)探討

陳 雷1，單東升2，李文鈞3

（1.中車(chē)山東機(jī)車(chē)車(chē)輛有限公司 制備分廠，山東 濟(jì)南 250022；2.北方重工集團(tuán)有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110141；3.濟(jì)南博爾動(dòng)力設(shè)備有限公司，山東 濟(jì)南 250022）

本文分析了液壓機(jī)能源消耗的諸多因素，提出液壓機(jī)運(yùn)動(dòng)能耗的概念和節(jié)能方案，并首次提出氣液缸和二次調(diào)節(jié)技術(shù)兩個(gè)能量回收技術(shù)方案，是液壓機(jī)節(jié)能技術(shù)的新突破。

液壓機(jī)；運(yùn)動(dòng)能耗；節(jié)能；能量回收；氣液缸；二次調(diào)節(jié)技術(shù)

液壓傳動(dòng)與控制技術(shù)為機(jī)床工具、工程機(jī)械、航空航天等各領(lǐng)域提供了一種方便、小型、功率密度高、可控性好的能量傳送與控制方式。但是其存在的能耗高、效率低的缺陷也不容忽視，節(jié)能技術(shù)研發(fā)越來(lái)越受到廣泛重視。

液壓機(jī)液壓系統(tǒng)的能源消耗，其主要表現(xiàn)為帶來(lái)液壓系統(tǒng)油溫的升高。其危害是使液壓元件的內(nèi)泄漏和外泄漏增加，加速油液老化，使油液失去原有的潤(rùn)滑性、粘溫特性等物理性能，使液壓系統(tǒng)中的元件加速磨損、性能降低，影響元件的壽命和系統(tǒng)可靠性，造成設(shè)備效率下降甚至失去功能。另外，由于液壓系統(tǒng)發(fā)熱，需要設(shè)置冷卻系統(tǒng)，將液壓系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量散發(fā)出去，而冷卻系統(tǒng)也需要一定的功率消耗，這又進(jìn)一步增加了液壓系統(tǒng)的能源消耗和冷卻水資源消耗。

液壓機(jī)是液壓技術(shù)應(yīng)用的重要領(lǐng)域，液壓機(jī)液壓系統(tǒng)具有裝機(jī)功率大、工作壓力高、流量大、高頻率的特點(diǎn)，由于液壓系統(tǒng)的總效率低，大型液壓機(jī)功率消耗很大，電動(dòng)機(jī)功率的有效利用率有時(shí)還不到60%。所以，研究液壓機(jī)液壓系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)，對(duì)于節(jié)能降耗、保護(hù)環(huán)境具有重要意義。

本文提出一些在液壓機(jī)液壓系統(tǒng)節(jié)能方面的觀點(diǎn)，與從事液壓機(jī)節(jié)能技術(shù)研究的同仁分享。

1 液壓機(jī)液壓系統(tǒng)能耗分析

液壓機(jī)液壓系統(tǒng)能耗形式主要分為兩類(lèi)：①液壓系統(tǒng)能耗，是指液壓元件、系統(tǒng)的能源消耗，例如液壓能通過(guò)元件的內(nèi)泄漏、外泄漏、壓力損失、管道損失、溢流、節(jié)流等形式，特別是由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)和元件配置不合理產(chǎn)生的功率損耗；②壓機(jī)運(yùn)動(dòng)能耗，是指一些不對(duì)工件做功的機(jī)械動(dòng)作產(chǎn)生的能耗，例如液壓機(jī)滑塊的快速下降，導(dǎo)致滑塊的勢(shì)能轉(zhuǎn)換為熱能消耗，滑塊的勢(shì)能并沒(méi)有為工件成形作出任何貢獻(xiàn)。

1.1 液壓系統(tǒng)能耗

（1）內(nèi)泄漏。各類(lèi)液壓元件都是由相對(duì)運(yùn)動(dòng)的配合零件組成，它們之間存在著間隙，在間隙兩端壓差的作用下，必然存在著泄漏。

通常系統(tǒng)中所用的溢流閥的閥口經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期高壓油的沖刷，形成了氣蝕破壞，閥口存在長(zhǎng)期隱性的泄漏，尤其在高壓情況下泄漏量很大。

（2）外泄漏。元件、零部件的結(jié)合面、管路連接處、相對(duì)運(yùn)動(dòng)部件等由于密封不嚴(yán)，如閥的結(jié)合面、管接頭、泵馬達(dá)的軸封、油缸活塞桿等處，產(chǎn)生外泄漏而導(dǎo)致能耗。

（3）壓力損失。壓力損失在液壓系統(tǒng)中無(wú)處不在，閥口處、管路、管路連接處、管路彎頭、變徑處，等。由于壓力損失的存在導(dǎo)致能耗，使油液發(fā)熱。

（4）溢流、節(jié)流損失。系統(tǒng)中的溢流閥若經(jīng)常處于溢流狀態(tài)的話(huà)，將會(huì)造成很大的能量損耗；一些系統(tǒng)采用節(jié)流調(diào)速，也會(huì)產(chǎn)生較大的能量損耗，特別是在一些高壓大流量的場(chǎng)合，耗能非常大。

（5）壓機(jī)的保壓過(guò)程有時(shí)采用開(kāi)泵保壓。

（6）液壓油發(fā)熱后，需要消耗一定的能量將熱量散去使油溫降低到正常水平。

1.2 壓機(jī)運(yùn)動(dòng)能耗

1.2.1 滑塊快速回程

一臺(tái)液壓機(jī)的滑塊往往幾十噸重，每次壓制工件完畢后需要回程，此時(shí)液壓系統(tǒng)所提供的能量?jī)H僅把滑塊位置提高了，所消耗的能量?jī)H用于提高了滑塊的勢(shì)能，對(duì)制造產(chǎn)品而言，可以認(rèn)為是無(wú)用功。

為了量化這個(gè)過(guò)程所消耗的能量，用我們最熟悉的功率單位來(lái)間接表達(dá)能量的消耗。

假設(shè)壓機(jī)的滑塊重量是30t，滑塊從下端提起，提起速度為250mm/s，在不考慮摩擦損耗和加減速情況下，按功率計(jì)算方法，提升這樣一個(gè)滑塊需功率約為74kW，可見(jiàn)其功率消耗非常之大。

1.2.2 滑塊快速下降

同上所述，同一個(gè)滑塊，在滑塊快速下降速度與快速上行速度相同時(shí)，不考慮摩擦等因素，其勢(shì)能做功的功率與滑塊快速上升所消耗的功率是一樣的，只不過(guò)耗能形式變?yōu)榛瑝K的勢(shì)能在下降過(guò)程中被液壓系統(tǒng)的節(jié)流閥或背壓閥所消耗變成了液壓油的熱量增加。

1.2.3 壓機(jī)工作循環(huán)間隙

液壓機(jī)動(dòng)作循環(huán)銜接的間隙，液壓泵處于卸荷狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)仍處于運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，液壓泵在卸荷狀態(tài)時(shí)，液壓油經(jīng)電磁溢流閥卸荷一般會(huì)有0.3MPa的殘余壓力，對(duì)于大型液壓機(jī)，泵的流量比較大，如一臺(tái)250排量的泵，卸荷空載運(yùn)行再加上電動(dòng)機(jī)自身的空載運(yùn)行電流，相當(dāng)于一臺(tái)5kW的電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行。對(duì)于高速大規(guī)格的液壓機(jī)，通常配置十幾臺(tái)或幾十臺(tái)這樣的泵，其空載能耗可想而知。

1.2.4 液壓墊

對(duì)于單動(dòng)板沖液壓機(jī)，下缸的作用除了作為頂出缸使用，其另一主要作用是做液壓墊用，在拉伸成形時(shí)，液壓墊缸在主缸下壓的作用下，被動(dòng)產(chǎn)生壓邊力以保證工件的成形，同時(shí)液壓墊缸排出的高壓液壓油通過(guò)溢流閥溢流后回到油箱，這個(gè)過(guò)程中消耗大量能源，使液壓油發(fā)熱，同時(shí)還抵消拉伸缸的有效作用力。這部分消耗的能量通常是拉伸缸消耗能量的30%～40%，是液壓機(jī)工作循環(huán)中耗能最大的環(huán)節(jié)。

1.2.5 保壓

有些壓機(jī)主缸有較高的保壓要求，經(jīng)常采用開(kāi)泵保壓的方式，這種方式往往伴隨著較大的能量消耗。

1.2.6 滑塊快降時(shí)主缸充液控制

對(duì)于快速鍛造液壓機(jī)，為了提高滑塊的快速下行速度，有相當(dāng)一部分壓機(jī)采用了利用帶壓力的低壓充液罐中的液壓油為液壓機(jī)主缸快速下降時(shí)進(jìn)行充液。這種充液方式往往存在著一些安全隱患，同時(shí)這些裝置比較龐大，制造成本高。我們通常采取的一種替代方式是用低壓大流量的螺桿泵直接輸出低壓油為壓機(jī)提供快速下降的動(dòng)力，這種方式成本低，結(jié)構(gòu)緊湊。由于螺桿泵是用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的，為了壓機(jī)工況的需要，螺桿泵的驅(qū)動(dòng)電機(jī)在壓機(jī)不需要快降時(shí)一直在運(yùn)轉(zhuǎn)，螺桿泵排出的低壓油通過(guò)旁路回到油箱，這個(gè)過(guò)程就產(chǎn)生了一部分電機(jī)的無(wú)用功耗。

2 降低液壓機(jī)能耗方法探討

2.1 降低液壓機(jī)系統(tǒng)能耗的有效方法

2.1.1 盡量選擇容積調(diào)速方式

2.1.1.1 利用多臺(tái)泵的流量組合

利用多臺(tái)泵的流量組合，達(dá)到調(diào)速的目的。這種方法是較為理想的節(jié)能方法，缺點(diǎn)是所用的泵、閥較多、結(jié)構(gòu)龐大，系統(tǒng)造價(jià)相對(duì)較高，不能無(wú)級(jí)調(diào)速。這種調(diào)速方案在較大型系統(tǒng)應(yīng)用較多。

2.1.1.2 利用變量泵調(diào)速

變量泵調(diào)速是理想的調(diào)速方法，能有效降低能源消耗。可選用液控變量泵、恒功率變量泵、負(fù)載敏感變量泵、機(jī)液伺服變量泵、數(shù)字變量泵、電動(dòng)變量泵、電液比例變量泵、電液伺服變量泵、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)變量泵等多種變量形式實(shí)現(xiàn)容積調(diào)速，執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要多少流量，液壓泵就向系統(tǒng)提供多少流量，沒(méi)有多余的流量損失。在需要保壓的系統(tǒng)中，利用一些泵的特性，輸出非常小的流量補(bǔ)充系統(tǒng)泄漏，達(dá)到保壓的目的，保壓精度要求高的壓機(jī)，可利用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的液壓油源與主油缸的壓力傳感器進(jìn)行閉環(huán)壓力控制，能實(shí)現(xiàn)很高的壓力控制精度和保壓精度，同時(shí)能耗很低。以下介紹幾種變量泵的應(yīng)用實(shí)例。

（1）恒功率變量泵。這種泵的特點(diǎn)是，隨著工作壓力的升高，輸出流量逐漸減少，流量的變化呈雙曲線規(guī)律變化，符合多數(shù)液壓機(jī)的工藝曲線，無(wú)流量損耗，裝機(jī)功率低，恒功率變量泵工作曲線如圖1所示。

圖1 恒功率變量泵工作曲線

（2）電液比例變量泵。隨著泵的輸入電信號(hào)的變化，泵的輸出流量產(chǎn)生相應(yīng)的變化。與傳感技術(shù)、電控系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)，可實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的流量、壓力、速度和功率的自動(dòng)控制，能達(dá)到較高的控制精度。電液比例變量泵工作曲線如圖2所示。

（3）負(fù)載敏感式比例變量泵。這種泵裝有兩個(gè)比例閥，一個(gè)是串聯(lián)在泵出口的比例節(jié)流閥，一個(gè)是比例溢流閥。比例節(jié)流閥進(jìn)出口油口的壓差，被反饋到一個(gè)稱(chēng)為壓力補(bǔ)償器的控制閥兩端，當(dāng)比例節(jié)流閥的出口壓力——即負(fù)載壓力發(fā)生變化時(shí)，它會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)泵的輸出流量，維持比例節(jié)流閥進(jìn)出油口兩端的壓差保持恒定，從而穩(wěn)定執(zhí)行機(jī)構(gòu)的速度。負(fù)載敏感式比例變量泵工作曲線如圖3所示。

圖2 電液比例變量泵工作曲線

圖3 負(fù)載敏感式比例變量泵工作曲線

只需改變比例節(jié)流閥的開(kāi)口，即可調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的速度，很顯然，這種調(diào)速方式不會(huì)產(chǎn)生流量損失，節(jié)能效果很好。這種泵特別適合多個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、多種速度、需要自動(dòng)控制的場(chǎng)合。例如塑料注塑機(jī)，有多個(gè)油缸、油馬達(dá)，各油缸、油馬達(dá)的速度各不相同，使用這種泵后，節(jié)能效果很顯著，使運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用大大降低，深受用戶(hù)歡迎，在液壓機(jī)中我們也推薦使用這種變量泵。

（4）交流伺服驅(qū)動(dòng)的伺服泵。這種泵是由交流伺服電機(jī)與定量泵或變量泵的組合。泵的輸出流量與伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速有關(guān)。與傳感技術(shù)、電控系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)，可實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的流量、壓力、速度的自動(dòng)控制，能達(dá)到較高的控制精度，用于液壓機(jī)的保壓過(guò)程，具有良好的表現(xiàn)。電液比例變量泵工作曲線如圖4所示。

圖4 電液比例變量泵工作曲線

2.1.2 合理選擇液壓閥

目前液壓閥從結(jié)構(gòu)上主要可分為三類(lèi)：一類(lèi)是常規(guī)滑閥類(lèi)，第二類(lèi)是螺紋插裝閥，第三類(lèi)是二通插裝閥。安裝形式上可分為板式連接、管式連接、疊加式連接、插裝式連接。

（1）常規(guī)滑閥類(lèi)，往往閥芯間隙比較大，受到結(jié)構(gòu)限制，密封長(zhǎng)度都比較短，內(nèi)部流道復(fù)雜，因此，此類(lèi)閥的泄漏量和內(nèi)部的壓力損失都比較大，適用于低壓小流量的應(yīng)用場(chǎng)合。

（2）插裝閥類(lèi)，它的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，集成度很高，油路塊除了閥體功能外，還是系統(tǒng)的流道，閥與閥之間沒(méi)有管道，只有很短的閥體孔道，顯然其閥內(nèi)的壓力損失要比滑閥類(lèi)元件小得多。它的閥口處采用錐面密封結(jié)構(gòu)，一般情況下可以做到無(wú)泄漏，它們的滑動(dòng)部分密封長(zhǎng)度長(zhǎng)，再加上閥套與閥芯的間隙控制比較好，很少泄漏，在內(nèi)泄漏方面，插裝閥比常規(guī)滑閥有明顯優(yōu)勢(shì)，因此，在設(shè)計(jì)液壓機(jī)液壓系統(tǒng)時(shí)，要盡量采用插裝閥。需要提醒的是，螺紋插裝閥由于受體積和結(jié)構(gòu)限制，通流能力差，壓力損失比較大，適用于移動(dòng)機(jī)械，在液壓機(jī)中只適合小型液壓機(jī)使用。

2.1.3 優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1.3.1 合理選擇液壓閥的規(guī)格

計(jì)算液壓機(jī)每個(gè)動(dòng)作所需要的流量，梳理在壓機(jī)動(dòng)作時(shí)每個(gè)液壓閥實(shí)際通過(guò)的最大流量，根據(jù)每個(gè)閥所通過(guò)的流量選出閥的規(guī)格。

如果閥的規(guī)格選小了，會(huì)使元件的壓力損失增加，使液壓油發(fā)熱消耗能量。閥規(guī)格的選擇，可按各廠家產(chǎn)品樣本所提供的參數(shù)，也可按照經(jīng)驗(yàn)方法選取，一般閥的規(guī)格可比照管道通徑確定，閥的通徑可比管道通徑小一檔。特別要注意的是，當(dāng)使用活塞缸時(shí)，往往活塞桿回縮時(shí)，無(wú)桿腔的排油流量最大，要按這個(gè)排油量確定液壓閥的規(guī)格。

2.1.3.2 正確設(shè)計(jì)油路塊

閥的規(guī)格確定之后，在可能的情況下盡量加大油路塊內(nèi)部孔徑，降低流速；油路塊內(nèi)孔與孔對(duì)接時(shí)，要控制好鉆深，避免出現(xiàn)死角，產(chǎn)生渦流，造成壓力損失。

采用二通插裝閥時(shí)，要核算閥套與插件孔的環(huán)形流道的流速，避免流速過(guò)高產(chǎn)生過(guò)大的流阻使液壓油發(fā)熱或造成油缸動(dòng)作遲緩。油路塊內(nèi)的流速推薦值：高壓流道≤6m/s；低壓流道≤3m/s。

2.1.3.3 優(yōu)化管路設(shè)計(jì)

盡量縮短管路，使用法蘭連接，少用螺紋連接的管接頭，因?yàn)榉ㄌm連接一般不存在流道突然擴(kuò)大或縮小等突變，并且連接的可靠性非常好，不易松動(dòng)；而管接頭連接，總是存在流道突變問(wèn)題，會(huì)造成不必要的壓力損失，這種連接方式的可靠性差，經(jīng)常出現(xiàn)松動(dòng)和漏油現(xiàn)象。

合理選擇管路內(nèi)徑。管路內(nèi)的流速不要過(guò)高，一般低壓管路內(nèi)流速控制在3m/s以下，高壓管路內(nèi)流速控制在6m/s以下，泵的吸油管道流速不得超過(guò)1.5m/s，回油管路流速低于1.5～3m/s。

管路應(yīng)盡量減少直角轉(zhuǎn)彎以及截面的突然擴(kuò)大或縮小；彎曲半徑不要太小，最好控制在5倍管道內(nèi)徑以上。管路轉(zhuǎn)彎處不要出現(xiàn)褶皺和縮徑現(xiàn)象。

2.1.3.4 合理選擇液壓油的粘度

液壓油粘度的變化，對(duì)液壓泵、馬達(dá)等執(zhí)行元件的總效率影響很大，粘度大，運(yùn)動(dòng)阻力大，機(jī)械效率低，而粘度大，泄漏量小，容積效率高；粘度小，運(yùn)動(dòng)阻力小，但粘度小了，泄漏量增大，容積效率下降；粘度對(duì)其他元件、管路的影響主要表現(xiàn)在對(duì)泄漏量和壓力損失的影響。因此液壓油粘度的選擇，要從總效率的角度綜合考慮，選擇合適的粘度，使總效率達(dá)到最佳值。一般常用的液壓油為N30～N68號(hào)，高溫季節(jié)或地區(qū)取大值。

2.1.3.5 合理設(shè)置過(guò)濾器和冷卻器

除了選擇合適的元件，合理配置必要的油液過(guò)濾器，可以有效延緩元件的磨損，降低泄漏損失；設(shè)置必要的冷卻器，防止油溫過(guò)高而引起液壓油和元件過(guò)熱，也可以達(dá)到延緩元件磨損的目的。

2.1.4 合理使用與維護(hù)液壓系統(tǒng)

要特別注意油液的清潔度，定期更換濾芯，一般常規(guī)系統(tǒng)，過(guò)濾精度選20μm，比例系統(tǒng)過(guò)濾精度選10μm，伺服系統(tǒng)過(guò)濾精度選5μm以下；關(guān)注系統(tǒng)溫度的變化，如有異常發(fā)熱的元件或管道，要及時(shí)查出發(fā)熱原因，及時(shí)采取有效措施，防止系統(tǒng)過(guò)熱。液壓系統(tǒng)的油液溫度一般不要超過(guò)55℃，最高不能超過(guò)60℃；拆洗零件時(shí)，要避免污物進(jìn)入系統(tǒng)，不要輕易更換和研磨精密的配合零件，以免造成配合間隙過(guò)大，使閥在工作時(shí)產(chǎn)生較大的內(nèi)泄漏。

2.2 降低液壓機(jī)運(yùn)動(dòng)能耗的有效方法

2.2.1 滑塊空程快速下降或快速回程的節(jié)能方法

這是一種能量回收方案。在壓機(jī)上設(shè)置兩個(gè)氣液平衡缸，或?qū)⒒爻谈赘臑闅庖焊祝椎臒o(wú)桿腔與蓄能器連接，有桿腔與控制油源連接，無(wú)桿腔的充氣壓力要能夠托起整個(gè)滑塊，并能使滑塊產(chǎn)生所需的運(yùn)動(dòng)加速度。工作原理如圖5所示。

如圖5所示，當(dāng)滑塊需要快速下降時(shí)，氣液回程缸的有桿腔進(jìn)油，由于蓄能器的壓力僅高于支撐壓力的10%，所以驅(qū)動(dòng)滑塊快速下行的油壓力很低。當(dāng)滑塊空程回程時(shí)，蓄能器向平衡缸供油，不需要輸入任何能源供應(yīng)。就滑塊空程升、降動(dòng)作而言，采用這種方式，與常規(guī)泵直驅(qū)方式相比，節(jié)能效果超過(guò)50%以上。當(dāng)然隨著滑塊下行，由于氣體的容積在變小，其壓力會(huì)升高，在整個(gè)過(guò)程中蓄能器內(nèi)的氣體壓力會(huì)存在一個(gè)壓差，導(dǎo)致有桿腔的壓力也會(huì)隨之變化，因此合理配置蓄能器的容積、選擇合理的充氣壓力，是這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵。

圖5 兩個(gè)氣液缸節(jié)能原理

2.2.2 液壓泵空載運(yùn)行降耗的方法

（1）把普通電動(dòng)機(jī)換為伺服電機(jī)或變頻電機(jī)，在泵卸荷時(shí)，電動(dòng)機(jī)變?yōu)榈退龠\(yùn)轉(zhuǎn)，可降低卸荷狀態(tài)時(shí)50%能量損耗。該方法對(duì)于中小型壓機(jī)比較實(shí)用，成本雖有所增加，但權(quán)衡下來(lái)還可接受。

對(duì)于較大排量液壓泵的情況，電機(jī)功率比較大，使用伺服電機(jī)從經(jīng)濟(jì)上不合算，建議使用比例變量柱塞泵或伺服變量泵（變量泵的變量機(jī)構(gòu)是用小型的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)），在泵卸荷時(shí)，把變量斜盤(pán)調(diào)整到最小角度，可有效降低能耗。仍以一臺(tái)250排量柱塞泵為了，泵卸荷時(shí)，至少可降低1.5kW能耗。

（2）大型快鍛壓機(jī)，一般配置的電動(dòng)機(jī)功率比較大，通常在500kW，數(shù)量在10臺(tái)或更多，以10臺(tái)為例，保守計(jì)算，空載的功率消耗也在70kW。我們通常建議，將這種電機(jī)選為雙出軸電機(jī)，一端驅(qū)動(dòng)液壓泵，另一端通過(guò)電磁離合器與一臺(tái)小型的液壓馬達(dá)連接，當(dāng)泵需要較長(zhǎng)時(shí)間卸荷時(shí)，電動(dòng)機(jī)就可斷電停止工作，需要再啟動(dòng)時(shí)，給液壓馬達(dá)供油，由液壓馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)，電動(dòng)機(jī)迅速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后自動(dòng)切入電機(jī)運(yùn)行電路繼續(xù)工作。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)能顯著、成本低，電機(jī)啟動(dòng)快，在1s內(nèi)就能達(dá)到電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，沒(méi)有電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的超大啟動(dòng)電流，大大降低了啟動(dòng)時(shí)的能源消耗。

對(duì)于大功率的電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，該方法不失為一個(gè)替代軟啟動(dòng)的好方法。

2.2.3 對(duì)1.2.6方案的改進(jìn)方案

在1.2.6中提到的快鍛壓機(jī)快速下降方案，使用電動(dòng)機(jī)+螺桿泵向主缸提供低壓大流量充液方案，我們目前的改進(jìn)方案是將原來(lái)用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)螺桿泵改用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)螺桿泵，改動(dòng)方案優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)壓機(jī)不需要低壓大流量充液時(shí)，液壓馬達(dá)可以停止運(yùn)轉(zhuǎn)，而當(dāng)需要低壓大流量供液時(shí)，能夠快速啟動(dòng)液壓馬達(dá)向主缸充液。如果用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)螺桿泵，電動(dòng)機(jī)是不能停轉(zhuǎn)的，因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間很長(zhǎng)，不適應(yīng)壓機(jī)的動(dòng)作要求。

2.2.4 液壓墊節(jié)能方案

運(yùn)用液壓二次調(diào)節(jié)技術(shù)，將拉伸時(shí)液壓墊缸排出的高壓液壓能回收利用，回收的能源用于向主缸提供高壓油，這是迄今為止液壓墊節(jié)能的最有效技術(shù)。控制原理如圖6所示。

圖6 液壓墊節(jié)能方案

用一臺(tái)比例伺服變量液壓馬達(dá)作為一次調(diào)節(jié)元件直接驅(qū)動(dòng)一臺(tái)作為二次調(diào)節(jié)元件的比例伺服變量的液壓泵。二次調(diào)節(jié)控制器采集來(lái)自液壓墊油缸和主缸的壓力信號(hào)。

液壓機(jī)在拉伸工件時(shí)，液壓墊油缸首先升起托起板料。主缸開(kāi)始下降加壓，當(dāng)上模接觸板料后繼續(xù)下壓，液壓墊油缸內(nèi)的油壓被動(dòng)上升，排出的液壓油驅(qū)動(dòng)一次元件液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，液壓馬達(dá)帶動(dòng)二次元件液壓泵旋轉(zhuǎn)排出高壓液壓油進(jìn)入主缸。

在不考慮效率等次要因素時(shí)，二次調(diào)節(jié)回路的扭矩函數(shù)關(guān)系應(yīng)符合下列公式：

p1·q1=p2·q2

式中：p1——液壓墊缸壓力；

q1——一次元件液壓馬達(dá)排量；

p2——主缸壓力；

q2——二次元件液壓泵泵的排量。

我們的控制目標(biāo)是p1不變，或者描述為把p1控制在工藝允許的精度范圍內(nèi)，使p1穩(wěn)定。

從上式可以看出，調(diào)節(jié)q1和q2，就可以達(dá)到穩(wěn)定p1的目的。這個(gè)控制過(guò)程是由圖中所示的二次調(diào)節(jié)控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：

（1）一次元件的選型。①確定液壓墊的最高工作壓力；②確定液壓墊下降速度，計(jì)算液壓墊的排油流量；③選定液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，一般控制在1500～2500轉(zhuǎn)/分內(nèi)（視元件參數(shù)而定），最高轉(zhuǎn)速需要兼顧二次元件的轉(zhuǎn)速；④根據(jù)工作壓力選擇液壓馬達(dá)型式；⑤根據(jù)液壓墊的排油流量和液壓馬達(dá)選用的最高轉(zhuǎn)速計(jì)算出液壓馬達(dá)的排量。液壓馬達(dá)宜選用高頻響伺服變量型。⑥計(jì)算液壓馬達(dá)的最大扭矩。

（2）二次元件的選型。①確定主缸的最高工作壓力；②按液壓馬達(dá)的最大扭矩作為二次元件液壓泵的輸入扭矩，計(jì)算泵的排量。液壓泵宜選用高頻響伺服變量型。

（3）控制思路。①確定壓邊液壓壓力p1；②檢測(cè)液壓墊缸的排油量或由滑塊的加壓速度計(jì)算Q1；③預(yù)估馬達(dá)轉(zhuǎn)速和排量q1，計(jì)算馬達(dá)輸出扭矩T1。T1=p1·q1；④檢測(cè)主缸壓力p2；⑤泵的輸入扭矩T2=T1；⑥根據(jù)泵的輸入扭矩計(jì)算出泵的排量：T2=p2·q2，q2=T2/p2；⑦對(duì)q1和q2進(jìn)行優(yōu)化；伺服跟隨過(guò)程，當(dāng)p2變化時(shí)，隨時(shí)優(yōu)化q1和q2，使p1保持不變。

2.2.4 二次調(diào)節(jié)技術(shù)的節(jié)能優(yōu)勢(shì)

在液壓墊被動(dòng)下壓時(shí)，液壓墊油缸不斷排出高壓液壓油，在常規(guī)的液壓系統(tǒng)中，這部分高壓能源通過(guò)溢流閥后產(chǎn)生熱量全部消耗掉了，液壓系統(tǒng)還需要配置冷卻器通過(guò)再消耗能源的方式對(duì)被加熱的液壓油進(jìn)行冷卻。而利用二次調(diào)節(jié)技術(shù)后，液壓墊油缸排出的高壓液壓能源全部用來(lái)給主缸加壓，除掉馬達(dá)和泵之間的能源轉(zhuǎn)換效率損失，并考慮減少的冷卻能耗，總節(jié)能效率應(yīng)在60～70%，隨著二次調(diào)節(jié)技術(shù)以及配套元件的不斷成熟，這項(xiàng)技術(shù)必將得到廣泛應(yīng)用。

3 結(jié)論

近年來(lái)，節(jié)能技術(shù)在液壓機(jī)行業(yè)越來(lái)越受到重視，如果能夠綜合利用這些節(jié)能新技術(shù)，將使液壓機(jī)的能耗顯著降低，對(duì)拉伸功能的液壓機(jī)而言，能耗降低至少20～30%。這將明顯改善液壓機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，降低每個(gè)拉伸產(chǎn)品的單位成本，帶來(lái)明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

以上介紹并分析了液壓機(jī)能耗產(chǎn)生的過(guò)程，重點(diǎn)提出了氣液平衡缸和二次調(diào)節(jié)技術(shù)用于液壓機(jī)節(jié)能的新思路，希望能給讀者以啟發(fā)，在實(shí)踐中不斷探索與研究，開(kāi)發(fā)更有效技術(shù)為節(jié)能事業(yè)服務(wù)。

[1] 邱召佩，等.模鍛壓機(jī)主液壓缸密封的研究和失效分析[J].液壓氣動(dòng)與密封，2016，（6）.

[2] 黃勝軍，吳福麗.液壓油節(jié)能性能評(píng)定臺(tái)架的建立及試驗(yàn)方法研究[J].液壓氣動(dòng)與密封，2016，（12）.

Discussion about the energy-saving technology of hydraulic system for hydraulic press

CHEN Lei1,SHAN Dongsheng2,LI Wenjun3
（1.CRRC Shandong Co.,Ltd.,Jinan 250022,Shandong China; 2.Northern Heavy Industries Group Co.,Ltd.,Shenyang 110141,Liaoning China; 3.Jinan Power-hydraulic Equipment Co.,Ltd.,Jinan 250022,Shandong China）

The various factors of energy consumption for hydraulic press have been analyzed in the text.The concept of motion energy consumption and energy-saving project for the hydraulic press has been put forward.The two technical projects of energy recovery including air/oil cylinder and the secondary regulation technology have been presented for the first time.It is the new breakthrough in the energy-saving technology for the hydraulic press.

Hydraulic press;Motion energy consumption;Energy-saving;Energy recovery;Air/oil cylinder; Secondary regulation technology

TG315.4

A

10.16316/j.issn.1672－0121.2017.01.004

1672－0121（2017）01－0017－06

2016－10－09；

2016－12－11

陳 雷（1962－），男，工程師，從事技術(shù)及管理工作。

E－mail：13805407320@163.com