李廣周 （天津重鋼機(jī)械裝備股份有限公司 天津300459）

蓄能器在Y41-500型油壓機(jī)中的節(jié)能應(yīng)用實(shí)踐

李廣周 （天津重鋼機(jī)械裝備股份有限公司 天津300459）

蓄能器作為液壓系統(tǒng)中的重要輔件，對(duì)于間歇性負(fù)荷且瞬間需提供大量壓力油的油壓機(jī)而言，蓄能器的應(yīng)用必不可少。簡(jiǎn)單介紹了Y41-500型單柱油壓機(jī)的設(shè)計(jì)背景、思路以及應(yīng)用效果，并就蓄能器的分類、功能及選用，以及對(duì)油壓機(jī)典型的液壓回路和帶有蓄能器液壓源回路的性能及其流量進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，配置蓄能器的Y41-500型單柱油壓機(jī)的液壓源回路具有明顯的節(jié)能效果。

蓄能器 節(jié)能 油壓機(jī) 液壓系統(tǒng) 虛擬樣機(jī)

0 引言

我公司業(yè)務(wù)主要以承接重型裝備和高端鋼制品的生產(chǎn)制造為主，經(jīng)常會(huì)遇到板材、型材及構(gòu)件需沖壓、彎曲、翻邊薄拉伸或校直等多種工藝操作，而本公司又沒有油壓機(jī)，基本上所有需冷加工工件全部外包，每年僅外包冷加工費(fèi)就在200萬元左右。設(shè)備的缺失、費(fèi)用的高昂，在一定程度上影響了公司業(yè)務(wù)的快速健康發(fā)展。

結(jié)合公司生產(chǎn)實(shí)際和油壓機(jī)種類及性能，Y41-500型單柱油壓機(jī)基本可以滿足實(shí)際生產(chǎn)需要。如購(gòu)置費(fèi)用大概在130萬/臺(tái)左右，但該機(jī)器間歇性操作能源浪費(fèi)大、瞬間增大壓力較差、機(jī)型和結(jié)構(gòu)都達(dá)不到公司實(shí)際生產(chǎn)所需?？紤]到公司經(jīng)過近幾年的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)和技術(shù)儲(chǔ)備，廠區(qū)內(nèi)部余存大量廢舊鋼板、報(bào)廢結(jié)構(gòu)件，同時(shí)公司技術(shù)研發(fā)實(shí)力的不斷提高，因此，2009年初，公司決定自主研發(fā)一臺(tái)帶懸臂吊的蓄能型Y41-500噸單柱油壓機(jī)以滿足生產(chǎn)所需。

1 Y41-500型單柱油壓機(jī)主體虛擬設(shè)計(jì)與技術(shù)參數(shù)

Y41-500（Y代表油壓機(jī)，41代表4個(gè)導(dǎo)向桿和1主缸，500代表許用最大壓力500 t）型單柱油壓機(jī)由主機(jī)及控制機(jī)構(gòu)兩大部分組成。油壓機(jī)主機(jī)部分包括機(jī)身、主缸、頂出缸、充液裝置及懸臂吊等。動(dòng)力機(jī)構(gòu)由油箱、高壓泵、低壓控制系統(tǒng)、電動(dòng)機(jī)及各種壓力閥和方向閥等組成。動(dòng)力機(jī)構(gòu)在電氣裝置的控制下，通過泵和油缸及各種液壓閥實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換，調(diào)節(jié)和輸送，完成各種工藝動(dòng)作的循環(huán)。

1.1 Y41-500型單柱油壓機(jī)主體虛擬設(shè)計(jì)

重新利用廠區(qū)余存大量廢鐵和報(bào)廢結(jié)構(gòu)件，運(yùn)用虛擬樣機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)Y41-500型單柱油壓機(jī)機(jī)身、懸臂吊、梯子欄桿等主體結(jié)構(gòu)，虛擬樣機(jī)詳見附圖1。

圖1 Y41-500型單柱油壓機(jī)模型

機(jī)身為C型結(jié)構(gòu)；主缸采用單缸布置，其結(jié)構(gòu)為活塞式，分別由缸體、活塞桿、導(dǎo)套等組成，活塞桿下端與滑塊通過螺栓連接；滑塊采用4根導(dǎo)向桿導(dǎo)向，導(dǎo)向桿通過導(dǎo)套與機(jī)身配合；兩個(gè)懸臂吊主要由H型鋼和板材拼制而成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，承重較大，并采用液壓伸縮缸直接控制懸臂吊的旋轉(zhuǎn)，節(jié)省了人力，提高了效率。另外，本機(jī)行程控制位于主機(jī)機(jī)身右側(cè)，由機(jī)架、撞塊及行程開關(guān)組成，調(diào)節(jié)上下限位置，即可調(diào)節(jié)滑塊上下運(yùn)動(dòng)位置。

1.2 Y41-500型單柱油壓機(jī)主體結(jié)構(gòu)主要技術(shù)參數(shù)

將主體結(jié)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化成DWG格式的平面圖，主要技術(shù)參數(shù)如圖2所示：

圖2 Y41-500型單柱油壓機(jī)主體結(jié)構(gòu)

2 蓄能器的分類、功能及選用

蓄能器是液壓系統(tǒng)中的重要輔件，對(duì)保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，改善其動(dòng)態(tài)品質(zhì)、保證工作穩(wěn)定性、延長(zhǎng)工作壽命、降低噪聲等起著不可替代的作用。按儲(chǔ)能方式的不同，蓄能器可分為重力式、彈簧式和氣體式。重力式和彈簧式蓄能器在應(yīng)用上都有一定的局限性，因而很少使用，目前大量使用的是氣體加載式蓄能器。

氣體蓄能器的工作原理建立在波義耳定律（V=k/P,k為常數(shù)）上，通過壓縮氣體完成能量轉(zhuǎn)化。使用時(shí)首先向蓄能器充入預(yù)定壓力的氣體，當(dāng)系統(tǒng)壓力超過蓄能器內(nèi)部壓力時(shí)，油液壓縮氣體，將油液中的壓力轉(zhuǎn)化為氣體內(nèi)能；當(dāng)系統(tǒng)壓力低于蓄能器內(nèi)部壓力時(shí)，蓄能器中的油液在高壓氣體的作用下流向外部系統(tǒng)，釋放能量。選擇適當(dāng)?shù)某錃鈮毫κ菤怏w加載式蓄能器的關(guān)鍵。

氣體蓄能器按結(jié)構(gòu)可分為管路消陣器、氣液直接接觸式、活塞式、隔膜式、氣囊式等。管路消陣器是直接安裝在高壓系統(tǒng)管路上的短管狀蓄能器，這種蓄能器響應(yīng)良好，能很好地消除高壓高頻系統(tǒng)中的高頻震蕩，多應(yīng)用于高壓消陣系統(tǒng)中。氣液直接接觸式蓄能器充入的是惰性氣體，其容量大、反應(yīng)靈敏、運(yùn)動(dòng)慣性小、沒有機(jī)械磨損，但因?yàn)闅庖褐苯咏佑|，所以氣體消耗量大、元件易氣蝕、容積利用率低，附屬設(shè)備多、投資大?；钊叫钅芷骼没钊麑怏w和液體隔開，活塞和筒狀蓄能器內(nèi)壁之間有密封，所以油不易氧化，其壽命長(zhǎng)、重量輕、安裝容易、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便，但反應(yīng)靈敏性差、不適于低壓吸收脈動(dòng)、尺寸小、充氣壓力有限、密封困難、氣液相混的可能性大。隔膜式蓄能器是兩個(gè)半球形殼體扣在一起，兩個(gè)半球之間夾著一張橡膠薄膜，將油和氣分開，其重量和容積比最小、反應(yīng)靈敏、低壓消除脈動(dòng)效果顯著，但橡膠薄膜面積小、氣體膨脹受到限制、充氣壓力有限、容量小。氣囊式蓄能器由耐壓殼體、彈性氣囊、充氣閥、提升閥、油口等組成，可做成各種大小規(guī)格、適用于各種大小型液壓系統(tǒng)、膠囊慣性小、反應(yīng)靈敏、不易漏氣、沒有油氣混雜的可能、維護(hù)容易、附屬設(shè)備少、安裝容易、充氣方便，是目前使用最多的一種蓄能器。

通過以上分析，我們最終選擇氣囊式蓄能器，內(nèi)充氮?dú)饣蚱渌栊詺怏w，作為我公司設(shè)計(jì)制造的Y41-500型單柱油壓機(jī)的節(jié)能減排、瞬間提供較大壓力的輔助系統(tǒng)。

3 蓄能器在Y41-500型單柱油壓機(jī)中的節(jié)能應(yīng)用實(shí)踐

Y41-500型單柱油壓機(jī)液壓回路中安裝氣囊式蓄能器，在減少液壓泵的驅(qū)動(dòng)功率、節(jié)約能源、降低噪聲、消除脈動(dòng)等方面效果非常明顯，另一方面還可以提高液壓系統(tǒng)的安全性和可靠性，特別對(duì)間歇操作、瞬時(shí)需提供較大流量的油壓機(jī)液壓系統(tǒng)來說，其節(jié)能效果更好。[1]

典型的液壓源回路，如圖3所示。配置蓄能器的液壓源回路，如圖4所示。這兩種回路表面區(qū)別只是是否帶有蓄能器，其實(shí)兩個(gè)回路性能差別非常大，這主要由蓄能器引起的。

下面我們就通過我公司自主研制的Y41-500型單柱油壓機(jī)液壓系統(tǒng)為例，對(duì)上述兩種液壓源回路進(jìn)行分析計(jì)算。[2]已知該液壓系統(tǒng)最低工作壓力p1=16 MPa，最高工作壓力p2=31.5 MPa，一個(gè)工作循環(huán)需要時(shí)間1.3 min，系統(tǒng)中共有3個(gè)支路，控制3個(gè)液壓缸工作，當(dāng)系統(tǒng)有一個(gè)支路工作時(shí)，此時(shí)系統(tǒng)處于最大流量，最大流量=78.8 L/min。此刻液壓缸動(dòng)作所需的最大液壓油為15.7 L，一個(gè)工作循環(huán)液壓缸動(dòng)作所需液壓油為35 L，液壓油工作溫度在-10～+55℃之間。

3.1 對(duì)于典型液壓源回路來說，液壓泵的流量可根據(jù)下式計(jì)算

式中：qp——液壓泵流量，L/min；κ——漏損系數(shù)，一般取1.1～1.2，此處取1.1；qmax——工作循環(huán)中某一時(shí)刻所需最大流量，qmax=78.8 L/min。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，系統(tǒng)所選定量泵的流量規(guī)格應(yīng)為qp=80 L/min。此時(shí)液壓泵的輸出功率為：

圖3 典型液壓源回路

圖4 配置蓄能器的液壓源回路

式中：pmax——系統(tǒng)最高壓力，MPa；η——泵的總效率，η=85%。

液壓泵的驅(qū)動(dòng)功率根據(jù)電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)選為55 kW。

3.2 對(duì)于配置蓄能器的液壓回路來說，液壓泵的流量可根據(jù)下式計(jì)算

式中：qp——液壓泵流量，L/min；κ——漏損系數(shù)，一般取1.1～1.2，此處取1.1；ΣV——一個(gè)工作循環(huán)中液壓缸動(dòng)作所需油液體積總和，ΣV=35 L；Τ——一個(gè)工作循環(huán)所需時(shí)間，Τ=1.3 min。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果所選取的液壓泵的流量規(guī)格應(yīng)規(guī)整為q'p=30 L/min，此時(shí)液壓泵的輸出功率為：

式中：pmax——系統(tǒng)最高壓力，MPa；η——泵的總效率，η=85%。

液壓泵的驅(qū)動(dòng)功率根據(jù)電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)選為22 kW。

當(dāng)系統(tǒng)中一個(gè)支路動(dòng)作時(shí)所需的最大有效體積為15.7 L，可由蓄能器瞬時(shí)提供壓力油。

在55℃時(shí)蓄能器的充氣壓力為：

在-10℃時(shí)蓄能器的充氣壓力為：

3.3 蓄能器的體積可用下面公式計(jì)算出

式中：V0——蓄能器的體積，L；Vx——蓄能器有效體積，L；p1——系統(tǒng)最低工作壓力，MPa；p0——蓄能器充氣壓力，應(yīng)在p10＜p0＜p55范圍之內(nèi)選取，此處取p0=13 MPa；n——指數(shù)（等溫時(shí)，n=1；絕熱時(shí)，n=1.4）。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果選用40 L蓄能器2個(gè)，體積為80 L，滿足Y41-500型單柱油壓機(jī)系統(tǒng)要求，充氮壓力根據(jù)《液壓傳動(dòng)與氣動(dòng)》一書中規(guī)定為最小工作壓力的60%～70%和最高工作壓力的25%之間。經(jīng)過推算80 L的蓄能器有效工作體積為19.8 L。在進(jìn)行工況核算中，需逐一對(duì)工作循環(huán)中的每個(gè)工況進(jìn)行有效體積的校核。蓄能器在本油壓機(jī)中的應(yīng)用實(shí)踐見圖5。

圖5 蓄能器在油壓機(jī)中的應(yīng)用

4 結(jié)果分析

兩種液壓源回路的計(jì)算結(jié)果比較，如表1所示：

表1 兩種油壓機(jī)液壓源回路計(jì)算結(jié)果比較

從上述計(jì)算的數(shù)據(jù)以及表1中，不難看出Y41-500型單柱油壓機(jī)兩種液壓回路在液壓泵流量及電機(jī)功率的選擇上結(jié)果相差較大。采用配置蓄能器的Y41-500型單柱油壓機(jī)液壓源回路與典型液壓源回路相比，液壓泵的輸出流量可以降低50 L/min，電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率也可以縮小33 kW，節(jié)能效果非常明顯，其經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益也極為顯著。

5 結(jié)束語

帶懸臂吊Y41-500蓄能型單柱油壓機(jī)于2009年底正式投入使用，如圖6，該機(jī)操作簡(jiǎn)單，使用方便，更重要的是節(jié)約能源、節(jié)省人力、使用壽命長(zhǎng)，系21世紀(jì)節(jié)能新產(chǎn)品、新技術(shù)、新工藝的應(yīng)用、創(chuàng)新與實(shí)踐。制造用料大部分為公司內(nèi)部廢料，可以說是變廢為寶，且創(chuàng)造了不可估量的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值，體現(xiàn)了我公司推行綠色制造技術(shù)進(jìn)步和創(chuàng)建資源節(jié)約環(huán)境友好型企業(yè)的具體舉措。

圖6 Y41-500型單柱油壓機(jī)

蓄能器作為具有間歇性工況要求的Y41-500型油壓機(jī)液壓系統(tǒng)中的輔助裝置，給該液壓系統(tǒng)帶來的經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、可靠、環(huán)保等效果是非常明顯的，值得推廣應(yīng)用?！?/p>

[1]王肇霞，盧長(zhǎng)志，趙福生.蓄能器在節(jié)能系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].機(jī)械工程師，1989，（3）：34-36.

[2]鄢吉多.蓄能器在液壓源回路中的應(yīng)用于研究[J].貴陽金筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，57（1）：110-112.

2011-09-06