節(jié)能型高節(jié)拍液壓機(jī)控制技術(shù)的幾個(gè)重要設(shè)計(jì)變量研究

榮兆杰

（合肥合鍛智能制造股份有限公司，安徽 合肥 230601）

1 幾個(gè)重要設(shè)計(jì)變量

作為《基于蓄能器和增壓缸的節(jié)能型高節(jié)拍液壓機(jī)控制技術(shù)》一文的續(xù)篇，筆者認(rèn)為，為了進(jìn)一步研究基于蓄能器和增壓缸的節(jié)能型高節(jié)拍液壓機(jī)控制技術(shù)，有必要引進(jìn)以下幾個(gè)重要的設(shè)計(jì)變量：

（1）增壓比(增壓缸無桿腔面積/增壓缸有桿腔面積）。在設(shè)計(jì)增壓油缸時(shí)，首先要選定增壓比，本文推薦的常用的增壓油缸增壓比有1:1.8，1:1.9523，1:2.0417，1:2.7018 等。當(dāng)設(shè)備僅有一個(gè)增壓油缸時(shí)，增壓比的選擇是多樣化的；當(dāng)設(shè)備含有多個(gè)增壓油缸時(shí)，各個(gè)增壓缸可選擇各不相同的增壓比。

（2）每個(gè)單次循環(huán)動作中，通過各相關(guān)油缸被動腔向蓄能器增補(bǔ)輸入的非泵供油液總?cè)莘e，簡稱“補(bǔ)能容積”。傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)中，從各油缸被動腔排出的這部分能量通常是排入油箱無所作為的。而在節(jié)能型高節(jié)拍液壓機(jī)控制技術(shù)中，這部分非泵供容積卻成了增補(bǔ)輸入蓄能器的有效能量，發(fā)揮出節(jié)能降耗的重要作用。在多種情況下，蓄能器均可獲得非泵供油液的增補(bǔ)輸入。例如：在快速油缸的推動下，滑塊支承腔油液被動排出，存儲進(jìn)入蓄能器。又例如：在頂出缸的主動頂出作用下，頂出缸有桿腔被動排油，補(bǔ)充進(jìn)入蓄能器。又例如：在主滑塊的主動下行拉伸作用下，液壓墊被動下行排油，排油全部或部分存儲進(jìn)入蓄能器，等等。

（3）每個(gè)單次循環(huán)動作中，向蓄能器增補(bǔ)輸入的非泵供油液總?cè)莘e與蓄能器有效輸出油液總?cè)莘e之比，簡稱“補(bǔ)能容積占比”。

（4）每個(gè)單次循環(huán)動作中，公稱力加壓總耗時(shí)與單次循環(huán)總耗時(shí)之比，簡稱“力耗時(shí)占比”。定義：凡大于或等于90%公稱力的加壓時(shí)間均計(jì)為公稱力耗時(shí)。

（5）每個(gè)單次循環(huán)動作中，卸荷總耗時(shí)與單次循環(huán)總耗時(shí)之比，簡稱“卸荷耗時(shí)占比”。

這里所說的卸荷總耗時(shí)以案例四為例，包括：①滑塊卸壓時(shí)間；②頂出缸頂出到位后保持靜止的時(shí)間；③上下料時(shí)間（本文的分析不考慮上下料裝置和冷卻裝置的能耗）。

2 案例分析

下面引入三個(gè)案例：案例四、案例五和案例六。案例四涉及一臺公稱力為3200kN、帶液壓墊的中小噸位液壓機(jī)。其所涉設(shè)備的技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 案例四液壓機(jī)技術(shù)參數(shù)

案例五涉及一臺公稱力為10000kN、帶全噸位沖裁緩沖機(jī)構(gòu)的汽車沖壓生產(chǎn)線上的主打液壓機(jī)。其所涉設(shè)備的技術(shù)參數(shù)如表2 所示。

表2 案例五液壓機(jī)技術(shù)參數(shù)

案例五中，緩沖油缸在循環(huán)動作過程中排出的液壓油也被利用起來，補(bǔ)充進(jìn)入蓄能器，而非排入油箱。因此在本案例中，蓄能器除了靠油泵供油之外，還另有4 個(gè)補(bǔ)油環(huán)節(jié)，即：①主缸下腔下行補(bǔ)油；②液壓墊拉伸補(bǔ)油；③液壓墊快頂時(shí)，快頂缸有桿腔補(bǔ)油；④緩沖缸超越程運(yùn)行時(shí)補(bǔ)油。以上所述的多環(huán)節(jié)補(bǔ)油，使得案例五的補(bǔ)能容積占比達(dá)到了較高的0.39（39%）。

案例六涉及一臺公稱力為25000kN 的冷擠壓液壓機(jī)，其所涉設(shè)備的技術(shù)參數(shù)如表3 所示。

表3 案例六液壓機(jī)技術(shù)參數(shù)

下面將針對上述三個(gè)案例做兩項(xiàng)工作。

（1）重復(fù)曾對案例一、二、三做過的分析比較工作，通過理論計(jì)算基于蓄能器和增壓缸的節(jié)能型高節(jié)拍液壓設(shè)備的年耗電量（即設(shè)備運(yùn)行4000h 耗電量），并將該耗電量與同噸位的使用伺服電機(jī)控制的節(jié)能型高節(jié)拍液壓機(jī)、同噸位的傳統(tǒng)快速液壓機(jī)以及同噸位伺服電機(jī)控制的直供液壓機(jī)的年耗電量進(jìn)行比較。注意，在這里，參與每個(gè)案例年耗電量比較的四種設(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。從而估算出在案例四、五、六中,采用高節(jié)拍液壓機(jī)控制技術(shù)的兩種設(shè)備所能獲得的經(jīng)濟(jì)效益。

（2）通過理論計(jì)算獲得各案例的五個(gè)重要設(shè)計(jì)變量具體數(shù)值。

第一項(xiàng)工作的結(jié)果是：獲得了各案例所涉各自4種設(shè)備的主電機(jī)裝機(jī)功率、主油箱容積、能耗數(shù)據(jù)和節(jié)電數(shù)據(jù)等的多個(gè)數(shù)據(jù)表。

針對案例四，可以得到如下表4 數(shù)據(jù)。針對案例五，可以得到表6 數(shù)據(jù)。

表4 案例四能耗數(shù)據(jù)比較之一（頂出缸作頂出器使用）

表5 案例四能耗數(shù)據(jù)比較之二（頂出缸作液壓墊使用）

表6 案例五能耗數(shù)據(jù)比較（帶全噸位沖裁緩沖功能）

針對案例六，可以得到表7 數(shù)據(jù)。

表7 案例六能耗數(shù)據(jù)比較

對于先前的案例一～案例三，節(jié)能型高節(jié)拍液壓機(jī)與傳統(tǒng)快速液壓機(jī)相比較，運(yùn)行4000h，節(jié)約用電量最低27 萬kW·h，最高167 萬kW·h。節(jié)約電費(fèi)最低16.212 萬元，最高100.2 萬元。

對于先前的案例一～案例三，節(jié)能型高節(jié)拍液壓機(jī)與直供伺服電機(jī)控制液壓機(jī)相比較，運(yùn)行4000h，節(jié)約用電量最低0，最高14.8 萬kW·h。節(jié)約電費(fèi)最低0 元，最高8.88 萬元。

對于本文的案例四～案例六，節(jié)能型高節(jié)拍液壓機(jī)與傳統(tǒng)快速液壓機(jī)相比,運(yùn)行4000h,節(jié)約用電量最低30.829 萬kW·h，最高377.2 萬kW·h。節(jié)約電費(fèi)最低18.4974 萬元,最高226.3246 萬元。

對于本文的案例四～案例六，節(jié)能型高節(jié)拍液壓機(jī)與直供伺服電機(jī)控制液壓機(jī)相比較，運(yùn)行4000h，節(jié)約用電量最低1.5645 萬kW·h，最高34.929 萬kW·h。節(jié)約電費(fèi)最低0.9387 萬元，最高20.9574 萬元。

對于本文的案例四～案例六，若節(jié)能型高節(jié)拍液壓機(jī)也使用伺服電機(jī)則：與傳統(tǒng)快速液壓機(jī)相比較，運(yùn)行4000h，節(jié)約用電量最低31.4914 萬kW·h，最高384.2 萬kW·h。節(jié)約電費(fèi)最低18.8949 萬元，最高230.53 萬元。

對于本文的案例四～案例六，若節(jié)能型高節(jié)拍液壓機(jī)也使用伺服電機(jī)，則與直供伺服電機(jī)控制液壓機(jī)相比較，運(yùn)行4000h，節(jié)約用電量最低2.2269 萬kW·h，最高41.9383 萬kW·h。節(jié)約電費(fèi)最低1.3361 萬元，最高25.163 萬元。

上述數(shù)據(jù)表明：只要參數(shù)搭配適當(dāng)，節(jié)能型高節(jié)拍液壓機(jī)即使是與直供式伺服電機(jī)控制的液壓機(jī)相比較，即使是局限于中小型液壓設(shè)備，也并非如先前的案例一那樣，僅能實(shí)現(xiàn)所謂的基本持平。其實(shí)，其節(jié)能效果相當(dāng)可觀。

做第二項(xiàng)工作的結(jié)果獲得如表9 所示數(shù)據(jù)。

表9 各案例有關(guān)重要設(shè)計(jì)變量數(shù)據(jù)

3 粗略估算節(jié)能百分比的試用公式

為了快速便捷的粗略估算出節(jié)能型高節(jié)拍液壓設(shè)備與直供伺服電機(jī)控制的液壓機(jī)相比，大致有多大的節(jié)能效果，可以使用下列公式：

式中：JN為節(jié)能型高節(jié)拍液壓設(shè)備比直供伺服電機(jī)控制液壓機(jī)用電量節(jié)約百分比；

Q1為修正系數(shù)；Q2為保底系數(shù)；Q3為隨動系數(shù)；B1為向蓄能器(指配備氮?dú)馄康幕钊叫钅芷?增補(bǔ)輸入的非泵供油液總?cè)莘e與蓄能器有效輸出油液總?cè)莘e之比。即補(bǔ)能容積占比；B2為表示公稱力加壓總耗時(shí)與單次循環(huán)總耗時(shí)之比。即公稱力耗時(shí)占比。B3為最大回程力（kN）；B4為卸荷總耗時(shí)與單次循環(huán)總耗時(shí)之比，即卸荷耗時(shí)占比；B5為每一單次循環(huán)中，設(shè)備框定的氮?dú)馄繗怏w容積最大變化量與本次動作中氣體容積實(shí)際變化量之比，即△Vmax/△Vx,簡稱氮?dú)馊莘e增量比。例如對于案例四，作頂出缸使用時(shí)，若B5=1.52174，則Q3=0.76447。作液壓墊使用時(shí)，若B5=1，則Q3=1。當(dāng)B5變動時(shí)，Q3也相應(yīng)隨動變化。

表8 各案例節(jié)電數(shù)據(jù)

作為選擇設(shè)計(jì)參數(shù)的重要參考，筆者推薦：適用于案例四的試用公式保底系數(shù)Q2=0.222；適用于案例四的修正系數(shù)Q1要依據(jù)不同的工藝路線來選取不同的數(shù)值。作頂出缸時(shí)，Q1=0.611；作液壓墊時(shí)，Q1=0.67155。

隨著理論分析數(shù)據(jù)的不斷積累，以上公式的版本也將與時(shí)俱進(jìn)。

案例不同，系數(shù)選取就會不同。當(dāng)節(jié)能型高節(jié)拍液壓設(shè)備使用伺服電機(jī)取代普通電機(jī)時(shí)，用電量節(jié)約百分比還會有所上升（參看表格4～6）。此時(shí)修正系數(shù)Q1和隨動系數(shù)Q3都還要作相應(yīng)變動。

4 結(jié)束語

作為一種創(chuàng)新型液壓控制技術(shù)，一年來對節(jié)能型高節(jié)拍液壓設(shè)備的理論研究取得了可喜的進(jìn)展。本文選擇三款市場常用實(shí)用的液壓設(shè)備（案例四、五、六）作為研究對象，演算分析結(jié)果顯示：本文案例四、五、六比前文案例一、二、三有更加顯著的節(jié)能效果，節(jié)約用電量百分比從前文案例一、二、三的0.2%～9.5%大幅上升到本文案例四、五、六的4.54%～29.66%。若節(jié)能型高節(jié)拍液壓設(shè)備也采用伺服電機(jī)控制，則案例四、五、六的節(jié)電百分比還可略微再提升，達(dá)到6.46%～30.76%。迄今為止，節(jié)能型高節(jié)拍液壓機(jī)控制技術(shù)的節(jié)能潛力遠(yuǎn)未挖掘殆盡，還有待于進(jìn)行更深入的研究。

要想獲得優(yōu)良的節(jié)電效果，設(shè)備各參數(shù)的選擇絕不能隨意，應(yīng)反復(fù)耐心地進(jìn)行多輪次的優(yōu)化比較，從而擇優(yōu)選定。本文推出的幾個(gè)重要設(shè)計(jì)變量的理論優(yōu)選，以及所推薦的粗略估算節(jié)能水平的試用公式，將有助于設(shè)計(jì)人員快捷篩選出理想的參數(shù)搭配，有助于使基于蓄能器和增壓缸的節(jié)能型高節(jié)拍液壓機(jī)控制技術(shù)盡快推廣應(yīng)用。