基于蓄能器和增壓缸的節能型高節拍液壓機控制技術

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節，比參數相近且借助飛輪儲能的機械壓力機耗能更高。近年來，市場上出現的輪轂液壓機，其強有力的蓄能器加增壓缸儲能環節使液壓機的設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能型高節拍液壓機控制技術，現將該控制技術簡述如下。

1 設計思路

本文推出的液壓機控制技術所實施的多環節創新改進措施有：

（1）在設備運行的全過程中，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，但不經過增壓缸。本階段最大壓制力可達公稱力的50%左右；③經過增壓缸，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范圍內全程無級可調。

（4）在滑塊下行過程中，從油缸下腔排出的油液并不像傳統方法那樣排入油箱，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）在主要控制節點，采用多個雙主動高頻響比例插裝閥，減少系統振動，實現滑塊運行控制的平穩與精準。

（6）縮短連接管路長度，提升液壓系統元件的集成度。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。

節能型高節拍液壓機、傳統快速液壓機、機械壓力機三種設備主要技術參數比較如表1所示。

表1 技術參數比較表

通過對上表數據的分析比較，三種壓機各有亮點：

（1）機械壓力機功耗低、節拍高，在公稱力行程較短的工藝領域具有優勢；傳統快速液壓機功耗高、節拍低，優勢在于售價略低。

（2）節能型高節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，節能型高節拍液壓機設計成僅在某一規定的行程段內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）節能型高節拍液壓機的工作節拍可達傳統快速液壓機的1.2～2.5倍。

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

因此節能型高節拍液壓機控制技術用途十分廣泛，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用案例。

我們將通過計算相關設備的年耗電量（即設備運行4000h耗電量），并將該耗電量與同噸位的傳統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備的技術參數、工藝動作曲線均應相同或大體相同。從而估算出采用高節拍液壓機控制技術所能獲得的經濟效益。

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。其技術參數如表2所示。

該設備的工藝動作曲線如圖1所示。

對照上述工藝動作曲線，案例一所涉三種設備的主電機能耗曲線如2所示。

案例一所涉三種設備的主電機裝機功率、主油箱容積和能耗數據如表3所示。

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

表2 小噸位液壓機技術參數

圖1 YH62-200小噸位液壓機工藝動作曲線

表3 三種設備相關數據表

2.2 案例二 YH62-1500型汽車沖壓線高節拍拉伸液壓機

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，才轉而排向油箱。

案例二所涉設備的技術參數如表4所示。

案例二所涉設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，案例二所涉三種設備的主電機能耗曲線如圖4所示。

案例二所涉三種設備的主電機裝機功率、主油箱容積和能耗數據如表5所示。

2.3 案例三 YH14-2000型高節拍下拉式自由鍛造液壓機

表4 技術參數表

表5 相關設備參數表

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

案例三所涉設備的技術參數如表6所示。

案例三所涉設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，案例三所涉三種設備的主電機能耗曲線如圖6所示。

表6 設備技術參數表

圖5 YH4-1600自動鍛造液壓機工藝動作曲線之一

案例三所涉三種設備的主電機裝機功率、主油箱容積和能耗數據如表7所示。

表7 相關設備參數表

3 效益對比

以上三個案例共涉及9種產品，現將每個案例中的傳統快速液壓機的采購成本（含設備用油）設定為基準零線，然后將其他各項成本與傳統快速液壓機的采購成本等進行比較，看一看哪一類產品有更高的經濟效益。

3.1 案例一（表8）

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

圖6 能耗曲線對比

表8 案例一經濟效益對比

3.2 案例二（表9）

不計電費時，案例二之節能型高節拍液壓機的采購成本比傳統快速液壓機高約10.6572萬元，比伺服電機控制的同參數液壓機低約0.6328萬元。當考慮計算設備第一年運行4000h所用的電費之后，情況發生逆轉，節能型高節拍液壓機的A+B合計成本比傳統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液壓機低約9.5128萬元。且從第二年開始，每年可比傳統快速液壓機節約電費70.75萬元，每年可比伺服電機控制的同參數液壓機節約電費約8.88萬元。

表9 案例二經濟效益對比

3.3 案例三（表10）

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

4 結束語

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

表10 案例三經濟效益對比

基于活塞式蓄能器+增壓缸回路的節能控制技術，應用范圍寬廣，應用手段靈活，很有希望成為下一代特色技術和優勢技術。基于蓄能器和增壓缸的節能型高節拍液壓機控制系統具有成為下一代液壓機產品主流控制技術之一的潛質，并將促進相關公司核心競爭力的提升。