節能型35MN 快速鍛造液壓機組研究

陳柏金，馬海軍，張連華，蘆光榮

（1.華中科技大學 材料科學與工程學院，湖北 武漢 430074；2.中科聚信潔能熱鍛裝備研發股份有限公司，江蘇 鹽城 224000；3.陜西嘉恒智能液壓技術有限公司，陜西 西安 710000）

快速鍛造液壓機組工作速度快、自動化程度高，鍛件尺寸控制精度好，已成為自由鍛行業的主要裝備，廣泛應用在機械、特殊鋼、有色冶金、船舶、鐵路機車等行業。隨著液壓技術、計算機技術、控制技術的發展，快速鍛造液壓機的液壓傳動系統和控制系統基本成熟：液壓系統廣泛采用高頻響比例閥、鍛造閥，原有的定量泵逐漸被可以任意調節流量的比例變量泵替代，液壓系統的性能不斷完善和提高；控制系統應用工業以太網控制總線，各種控制技術、診斷技術廣泛應用在快速鍛造液壓機上，機組可靠性高、維護簡單。但到目前為止，快速鍛造液壓機組存在裝機功率高、能耗大等缺點，嚴重影響了使用企業的生產成本及經濟性，國內外現有的研究及實現方法不能有效解決這一問題。減少快速鍛造液壓機組的能量消耗、降低生產成本，實現綠色生產，提高企業的競爭力對生產企業及快速鍛造液壓機的發展具有重要意義。

1 常規機組技術參數及裝機功率

目前，國內外相同噸位的快速鍛造液壓機組技術指標基本相當，以蘭石重工31.5/35MN 快速鍛造液壓機為例，其主要技術參數如表1 所示。

表1 蘭石重工31.5/35MN 快速鍛造液壓機技術參數

31.5 /35MN 快速鍛造液壓機配置200kN、400kN全液壓鍛造操作機各一臺，以DDS 操作機為例，機組的總裝機功率為4325kW,具體配置如表2 所示。

表2 31.5/35MN 快速鍛造液壓機組裝機功率

2 節能型機組技術參數及裝機功率

節能型35MN 快速鍛造液壓機技術參數如表3所示。

表3 節能型35MN 快速鍛造液壓機技術參數

35MN 快速鍛造液壓機配置200kN、400kN 全液壓鍛造操作機各一臺，機組的總裝機功率為1320kW,具體配置如表4 所示。

表4 節能型35MN 快速鍛造液壓機組裝機功率

3 節能型機組液壓工作原理及特點

快速鍛造液壓機生產過程中存在許多輔助工步，很多時刻壓機、操作機的所有電機均處于空載運行狀態；同時，在一個工作循環中，機組多數時刻處于輕負荷運轉，只在極短時間內處于高負荷狀態。快速鍛造液壓機為滿足高負荷要求，液壓系統的設計按最高工作壓力、最大工作速度進行設計制造，造成液壓系統的裝機功率與實際能耗需求嚴重不匹配。

節能型快速鍛造液壓機組采用中低壓液壓儲能技術及充液罐、蓄能器、增壓器疊加供液技術，在低裝機功率下實現機組的正常運行并達到相同技術指標，節能型35MN 快速鍛造液壓機液壓工作原理如圖1 所示。

圖1 節能型35MN 快速鍛造液壓機液壓工作原理簡圖

（1）蓄能器中低壓儲能

P1～P12 為12 臺排量250ml/r 的液壓泵，工作壓力16MPa，每臺由110kW、1480 轉/min 電機驅動。12 臺主泵同時為6 組蓄能器儲能。采用中低壓儲能方式能降低液壓泵需求，減少高壓溢流損失，提高儲能效率；同時，液壓系統的多數回路處于中低壓運行，液壓系統的安全性提高，泄漏等故障率減少。蓄能器儲存的能量不僅提供給壓機使用，而且也提供給兩臺鍛造操作機，以及作為機組的比例閥、邏輯閥等控制閥的控制油源，操作機等不需要配置電機及液壓泵。

（2）增壓器增壓

采用6 組增壓器為系統提供高壓油，增壓器為雙向工作連續增壓器，雙向增壓的工作轉換由閉環控制程序自動實現，在工作過程中由控制系統根據主缸工作壓力進行投入或停止工作。以增壓器ZYQ1 為例，其工作過程為：邏輯閥ZV1 得電，從蓄能器組來的壓力油進入ZYQ1 的C 腔，并通過單向閥ZV2 進入D 腔，閥ZV3 得電，A 腔油液排回油箱，增壓器活塞對B 腔油液增壓，閥ZV4 得電，B 腔高壓油液經閥Z1 輸出，增壓器實現從上向下增壓；邏輯閥ZV5 得電，從蓄能器組來的壓力油進入ZYQ1 的A 腔，并通過單向閥ZV6 進入B 腔，閥ZV7 得電，C腔油液排回油箱，增壓器活塞對D 腔油液增壓，閥ZV8得電，D 腔高壓油液經閥Z1 輸出，增壓器實現從下向上增壓。

（3）充液罐低壓充液及冷卻

壓機快下行程油液由充液罐提供，壓機在手動、自動等方式執行快下動作時，充液控制閥V4 得電，主缸充液閥打開，充液罐低壓油液進入主缸，滿足主缸快下行程流量需求。主缸卸載時油液排回充液罐，通過循環控制閥V11 將充液罐的多余油液引入緩沖罐，由緩沖罐對油液進行降壓、穩壓，然后緩沖罐中具有一定壓力的油液進入熱交換器，實現油液的循環冷卻。

（4）壓機工作過程

①快下：邏輯閥V9 得電、比例閥V10 開度較大，回程缸油液直接回充液罐，活動橫梁在自重作用下快速下行；主缸充液控制閥V4 得電，充液閥打開，充液罐為主缸充液,提供主缸快下所需的所有流量。

②加壓：閥V10 開度變小，回程缸存在排油背壓，壓機下降速度減慢；閥V4 失電，充液閥關閉；閥V1 得電打開，比例閥V3 控制從蓄能器組進入主缸的油液流量，活動橫梁在主缸壓力作用下加壓下行；在壓機加壓過程中，主缸壓力上升到設定壓力時，增壓器組按節拍投入，閥V2 打開，增壓器出來油液經閥V3 進入主缸，實現主缸的高壓加壓。

③卸壓及回程：壓機加壓到設定鍛造尺寸，主缸進液閥V3 關閉，主缸卸載閥V5、V6 按規律對主缸卸壓泄流；當主缸壓力下降到一定壓力時，閥V9、V10 關閉，閥V7、V8 開啟，蓄能器組壓力油進入回程缸，壓機實現回程動作。

④停止：控制壓機動作的閥組失電，壓機停止在任意位置。當壓機停止動作，蓄能器組的壓力達到設定儲能壓力時，主泵卸荷運行，如持續卸荷一定時間，主泵電機自動停機。

（5）壓機自動方式

壓機自動方式分為常鍛和快鍛兩種。

4 小結

傳統習慣上認為快速鍛造液壓機的傳動效率比泵-蓄能器傳動效率高，這一結論基于傳統的水壓機工作原理，水壓機是用泵將高壓液體儲存到蓄勢器，電機-泵長期處于高壓滿負荷運行，同時高壓液體的節流損失也比較大，且在成形過程中工作速度隨變形抗力變化。節能型快速鍛造液壓機組，利用中低壓儲能技術，電機-泵處于中低負荷狀態運行，泵-蓄能器的儲能效率高，能量損失少；利用雙向連續增壓器及相關控制技術，在鍛件的變形抗力大于蓄能器組壓力時自動投入，其輸出流量曲線如同直接油泵直接傳動系統中的液壓泵，工作速度不隨變形抗力變化。蓄能器的儲能壓力為中低壓，這一壓力范圍與鍛造操作機的工作壓力區間、各種控制閥的控制壓力油區間基本一致，可以直接采用蓄能器為多個不同執行機構供液，省去相關的電機-泵組。

采用相關技術的35MN 快速鍛造液壓機組，總裝機功率不及傳統機組1/3，傳統機組空載損耗的電量可滿足本機組運行，機組的相關技術指標不低于相同噸位的傳統快速鍛造液壓機組；同時，機組的電力增容費、使用成本、維護成本顯著降低。

節能型35MN 快速鍛造液壓機組已在實際中成功應用，并經受了生產考驗，取得滿意效果，現場應用證明，機組的各項技術指標滿足要求，使用運行成本低、節電節能，具有較好的經濟效益。