基于蓄能器和增壓缸的節(jié)能型高節(jié)拍液壓機控制技術(shù)

榮兆杰

（合肥合鍛智能制造股份有限公司，安徽 合肥 230601）

與機械壓力機相比，液壓機往往因為缺乏儲能環(huán)節(jié)，比參數(shù)相近且借助飛輪儲能的機械壓力機耗能更高。近年來，市場上出現(xiàn)的輪轂液壓機，其強有力的蓄能器加增壓缸儲能環(huán)節(jié)使液壓機的設(shè)計理念向前邁進了一大步。所謂“百尺竿頭，更進一步”，本文特推出一種基于蓄能器和增壓缸的新的節(jié)能型高節(jié)拍液壓機控制技術(shù)，現(xiàn)將該控制技術(shù)簡述如下。

1 設(shè)計思路

本文推出的液壓機控制技術(shù)所實施的多環(huán)節(jié)創(chuàng)新改進措施有：

（1）在設(shè)備運行的全過程中，所有油泵均不向油缸直接供油，而是一直在向活塞式蓄能器供油。蓄能器采用中壓儲能（14.5MPa等）。

（2）滑塊快速下行不采用自由落體模式，而是采用快速油缸推進模式。

（3）加壓過程分三個階段：①僅快速油缸上壓，主油缸不上壓。本階段最大壓制力可達公稱力的12%～20%左右；②主油缸、快速油缸同時上壓，但不經(jīng)過增壓缸。本階段最大壓制力可達公稱力的50%左右；③經(jīng)過增壓缸，且主油缸、快速油缸同時上壓，本階段由于增壓缸發(fā)力，最大壓制力可達到公稱力的100%。

整個加壓過程，加壓速度在各自的可調(diào)范圍內(nèi)全程無級可調(diào)。

（4）在滑塊下行過程中，從油缸下腔排出的油液并不像傳統(tǒng)方法那樣排入油箱，而是排入活塞式蓄能器，向活塞式蓄能器補油。這樣排出油液中包含的能量就不會白白浪費。

（5）在主要控制節(jié)點，采用多個雙主動高頻響比例插裝閥，減少系統(tǒng)振動，實現(xiàn)滑塊運行控制的平穩(wěn)與精準(zhǔn)。

（6）縮短連接管路長度，提升液壓系統(tǒng)元件的集成度。例如：把插裝閥集成于主油缸和快速油缸的缸底之中。又例如：若干控制閥塊與油缸缸底的零距離連接。

節(jié)能型高節(jié)拍液壓機、傳統(tǒng)快速液壓機、機械壓力機三種設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)比較如表1所示。

表1 技術(shù)參數(shù)比較表

通過對上表數(shù)據(jù)的分析比較，三種壓機各有亮點：

（1）機械壓力機功耗低、節(jié)拍高，在公稱力行程較短的工藝領(lǐng)域具有優(yōu)勢；傳統(tǒng)快速液壓機功耗高、節(jié)拍低，優(yōu)勢在于售價略低。

（2）節(jié)能型高節(jié)拍液壓機公稱力行程適中。全行程都要求壓制力達到公稱力的壓制工藝是很少見的，因此，節(jié)能型高節(jié)拍液壓機設(shè)計成僅在某一規(guī)定的行程段內(nèi)可使壓制力達到公稱力，但其公稱力行程仍比機械壓力機的公稱力行程要大許多，其廣泛的工藝適用性毋庸置疑。

（3）節(jié)能型高節(jié)拍液壓機的工作節(jié)拍可達傳統(tǒng)快速液壓機的1.2～2.5倍。

（4）當(dāng)技術(shù)參數(shù)相同時，節(jié)能型高節(jié)拍液壓機的主電機裝機功率可比傳統(tǒng)快速液壓機低30%～80%。主電機裝機功率銳減又帶來了主油泵數(shù)量銳減和液壓系統(tǒng)油箱容量銳減。這三項銳減在很大程度上抵消了增加活塞式蓄能器系統(tǒng)和增壓油缸所造成的設(shè)備制造成本上升。

因此節(jié)能型高節(jié)拍液壓機控制技術(shù)用途十分廣泛，值得推廣。

2 案例分析與比較

下面分別敘述本控制技術(shù)在小噸位液壓機、汽車沖壓線和自由鍛造液壓機等三類液壓機中的應(yīng)用案例。

我們將通過計算相關(guān)設(shè)備的年耗電量（即設(shè)備運行4000h耗電量），并將該耗電量與同噸位的傳統(tǒng)快速液壓機以及同噸位伺服電機控制的液壓機的年耗電量進行比較。注意，在這里，參與年耗電量比較的三種設(shè)備的技術(shù)參數(shù)、工藝動作曲線均應(yīng)相同或大體相同。從而估算出采用高節(jié)拍液壓機控制技術(shù)所能獲得的經(jīng)濟效益。

2.1 案例一 YH62-200型小噸位液壓機

案例一涉及一臺公稱力為2000kN的小噸位液壓機。其技術(shù)參數(shù)如表2所示。

該設(shè)備的工藝動作曲線如圖1所示。

對照上述工藝動作曲線，案例一所涉三種設(shè)備的主電機能耗曲線如2所示。

案例一所涉三種設(shè)備的主電機裝機功率、主油箱容積和能耗數(shù)據(jù)如表3所示。

案例一可展示出：一種液壓控制技術(shù)，在特定工藝條件下，比傳統(tǒng)的快速液壓機控制系統(tǒng)節(jié)能近60%；即使與公認的節(jié)能大王——伺服控制的液壓系統(tǒng)相比也毫不遜色，打成平手。筆者認為，這種液壓控制技術(shù)的應(yīng)用前景十分廣闊。

表2 小噸位液壓機技術(shù)參數(shù)

圖1 YH62-200小噸位液壓機工藝動作曲線

表3 三種設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)表

2.2 案例二 YH62-1500型汽車沖壓線高節(jié)拍拉伸液壓機

圖2 能耗曲線對比

案例二涉及一臺公稱力為15000kN的汽車零件沖壓線上的拉伸液壓機。本案特點之一是：在拉伸過程中，除了主油缸下腔的油液并不排入油箱，而是排入活塞式蓄能器，向蓄能器補油之外；從液壓墊缸中被動溢出的油液也并非簡單地排回油箱，而是盡量排入活塞式蓄能器，向蓄能器補油。直到液壓墊的壓邊壓力低于蓄能器的儲能壓力之后，才轉(zhuǎn)而排向油箱。

案例二所涉設(shè)備的技術(shù)參數(shù)如表4所示。

案例二所涉設(shè)備的工藝動作曲線如圖3所示。

YH62-1500含液壓墊液壓機工藝動作曲線對照上述工藝動作曲線，案例二所涉三種設(shè)備的主電機能耗曲線如圖4所示。

案例二所涉三種設(shè)備的主電機裝機功率、主油箱容積和能耗數(shù)據(jù)如表5所示。

2.3 案例三 YH14-2000型高節(jié)拍下拉式自由鍛造液壓機

表4 技術(shù)參數(shù)表

表5 相關(guān)設(shè)備參數(shù)表

圖3 YH62-1500含液壓墊液壓機工藝動作曲線

案例三涉及一臺公稱力為20000kN的整體框架雙立柱高節(jié)拍下拉式自由鍛造液壓機，該機兩立柱連線與移動工作臺移動方向夾角為55°，設(shè)備具有快鍛功能。

案例三的移動工作臺由一個活塞式油缸驅(qū)動，此活塞缸在作無桿腔進油，同時有桿腔排油動作時，并非把有桿腔的油液排入油箱，而是排入蓄能器，即向活塞式蓄能器補油。

圖4 工藝動作曲線對比

案例三所涉設(shè)備的技術(shù)參數(shù)如表6所示。

案例三所涉設(shè)備的工藝動作曲線之一如圖5所示。

對照上述工藝動作曲線，案例三所涉三種設(shè)備的主電機能耗曲線如圖6所示。

表6 設(shè)備技術(shù)參數(shù)表

圖5 YH4-1600自動鍛造液壓機工藝動作曲線之一

案例三所涉三種設(shè)備的主電機裝機功率、主油箱容積和能耗數(shù)據(jù)如表7所示。

表7 相關(guān)設(shè)備參數(shù)表

3 效益對比

以上三個案例共涉及9種產(chǎn)品，現(xiàn)將每個案例中的傳統(tǒng)快速液壓機的采購成本（含設(shè)備用油）設(shè)定為基準(zhǔn)零線，然后將其他各項成本與傳統(tǒng)快速液壓機的采購成本等進行比較，看一看哪一類產(chǎn)品有更高的經(jīng)濟效益。

3.1 案例一（表8）

不計電費時，案例一之節(jié)能型高節(jié)拍液壓機的采購成本比傳統(tǒng)快速液壓機高約2.26萬元，比伺服電機控制的同參數(shù)液壓機高約0.07萬元。當(dāng)考慮計算設(shè)備第一年運行4000h所用的電費之后，情況發(fā)生變化，節(jié)能型高節(jié)拍液壓機的A+B合計成本比傳統(tǒng)快速液壓機低約13.87萬元，比伺服電機控制的同參數(shù)液壓機高約0.0648萬元。對于案例一所指小噸位液壓機來說，節(jié)能型高節(jié)拍液壓機和伺服電機控制的液壓機用電量基本持平，節(jié)能水平彼此相當(dāng)，兩者的經(jīng)濟效益差別不大。而與傳統(tǒng)快速液壓機相比，節(jié)能型高節(jié)拍液壓機的節(jié)能效果非常顯著，每年比前者節(jié)電近60%，達27萬kW·h。

圖6 能耗曲線對比

表8 案例一經(jīng)濟效益對比

3.2 案例二（表9）

不計電費時，案例二之節(jié)能型高節(jié)拍液壓機的采購成本比傳統(tǒng)快速液壓機高約10.6572萬元，比伺服電機控制的同參數(shù)液壓機低約0.6328萬元。當(dāng)考慮計算設(shè)備第一年運行4000h所用的電費之后，情況發(fā)生逆轉(zhuǎn)，節(jié)能型高節(jié)拍液壓機的A+B合計成本比傳統(tǒng)快速液壓機速液壓機低約60.0948萬元，比伺服電機控制的同參數(shù)液壓機低約9.5128萬元。且從第二年開始，每年可比傳統(tǒng)快速液壓機節(jié)約電費70.75萬元，每年可比伺服電機控制的同參數(shù)液壓機節(jié)約電費約8.88萬元。

表9 案例二經(jīng)濟效益對比

3.3 案例三（表10）

不計電費時，案例三之節(jié)能型高節(jié)拍液壓機的采購成本比傳統(tǒng)快速液壓機高約13萬元，比伺服電機控制的同參數(shù)液壓機低約12.23萬元。當(dāng)考慮計算設(shè)備運行4000h所用的電費之后，節(jié)能型高節(jié)拍液壓機的A+B合計成本比傳統(tǒng)快速液壓機低約87.26萬元，比伺服電機控制的同參數(shù)液壓機低約17.7465萬元。且從第二年開始，每年可比傳統(tǒng)快速液壓機節(jié)約電費100.22萬元，可比伺服電機控制的同參數(shù)液壓機節(jié)約電費5.51萬元。

4 結(jié)束語

本文推出的創(chuàng)新型液壓機控制技術(shù)以其高效率的節(jié)能降耗特性嶄露頭角，它不僅明顯大幅度優(yōu)于傳統(tǒng)的快速液壓機（節(jié)約用電量45.24%～59.75%）；甚至與節(jié)能大拿伺服電機控制系統(tǒng)相比也毫不遜色，并且還有所突破（節(jié)約用電量0.22%～9.40%）。這一技術(shù)實踐打破了所謂蓄能器只能蓄能，不能節(jié)能的不公平的說法，既節(jié)電，又省油（就本文三個案例而言，每次換油可節(jié)省液壓油51.94%～71.04%），并大幅降低了設(shè)備電機負荷的波動幅值，改善了電網(wǎng)性能，其廣闊的市場應(yīng)用前景令人期待。

表10 案例三經(jīng)濟效益對比

基于活塞式蓄能器+增壓缸回路的節(jié)能控制技術(shù)，應(yīng)用范圍寬廣，應(yīng)用手段靈活，很有希望成為下一代特色技術(shù)和優(yōu)勢技術(shù)?；谛钅芷骱驮鰤焊椎墓?jié)能型高節(jié)拍液壓機控制系統(tǒng)具有成為下一代液壓機產(chǎn)品主流控制技術(shù)之一的潛質(zhì)，并將促進相關(guān)公司核心競爭力的提升。