姚 靜 李 瑤 翟富剛 朱漢銀 張 寅

1.燕山大學(xué)河北省重型機(jī)械流體動力傳輸與控制實驗室，秦皇島，066004 2.燕山大學(xué)先進(jìn)鍛壓成形技術(shù)與科學(xué)教育部重點實驗室，秦皇島，066004 3.燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,秦皇島，066004 4.秦皇島職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，秦皇島，066100

0 引言

節(jié)能與環(huán)保是各行各業(yè)重視的主題，綠色鍛造已成為鍛壓生產(chǎn)的發(fā)展趨勢。鍛造操作機(jī)是鍛造車間實現(xiàn)機(jī)械化和自動化的重要設(shè)備。由于具有工作平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊以及便于與液壓機(jī)實現(xiàn)聯(lián)動和自動化等一系列優(yōu)點，液壓式鍛造操作機(jī)已經(jīng)成為發(fā)展的主流。但液壓系統(tǒng)中存在大量的能量損耗[1]，因此研究鍛造操作機(jī)液壓系統(tǒng)的能耗對降低能量損耗、提出優(yōu)化控制方法具有重要的現(xiàn)實意義。

國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于機(jī)械設(shè)備液壓系統(tǒng)節(jié)能的研究成果豐碩。HO等[2]采用蓄能器作為回收能量元件設(shè)計了新型液壓系統(tǒng)，YOON等[3]在挖掘機(jī)上使用電液混合系統(tǒng)，LI等[4]在挖掘機(jī)上運(yùn)用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行節(jié)能控制，何春棟[5]研究了正弦泵控操作機(jī)液壓控制系統(tǒng)位置閉環(huán)控制和流量補(bǔ)償位置閉環(huán)控制節(jié)能特性。針對機(jī)械設(shè)備液壓系統(tǒng)的節(jié)能控制的研究成果[6-10]還有很多，如：負(fù)載敏感系統(tǒng)、正流量系統(tǒng)、負(fù)流量系統(tǒng)、比例變量泵系統(tǒng)、變頻液壓控制技術(shù)、二次調(diào)節(jié)靜液傳動技術(shù)的應(yīng)用等。上述研究從元件、系統(tǒng)、控制各個層面對機(jī)械設(shè)備液壓系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)進(jìn)行了探索和應(yīng)用，但針對液壓系統(tǒng)能耗分析的研究卻極為少見，針對鍛造操作機(jī)液壓系統(tǒng)的能耗分析的研究更為少見。其中，ZHAO等[11]提出了計算液壓機(jī)系統(tǒng)的能量流的分析方法，并以大型液壓機(jī)驗證了該方法的有效性，找到了低效率的根源是負(fù)載與驅(qū)動模塊的不匹配；郭悅[12]利用功率鍵合圖建立了22 MN快鍛壓機(jī)關(guān)鍵元件的數(shù)學(xué)模型，從功率流的角度直觀地得出了系統(tǒng)各元件上的功率消耗情況。

本文在典型鍛造操作機(jī)閥控液壓系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，建立整機(jī)的能量流模型和能耗計算模型，分析鍛造操作機(jī)拔長工藝中主要動作液壓系統(tǒng)的控制特性和能耗特性，并通過100 kN鍛造操作機(jī)進(jìn)行實驗驗證。

1 液壓驅(qū)動系統(tǒng)原理

針對鍛造生產(chǎn)中耗時最多的拔長鍛造工序,分析常鍛工況下鍛造操作機(jī)夾鉗旋轉(zhuǎn)、夾鉗升降、大車行走3個主要動作。由于拔長工藝主要由這3個動作組成，此時其他執(zhí)行器能耗對整機(jī)能耗影響很小，所以暫不考慮。

鍛造操作機(jī)液壓系統(tǒng)如圖1所示，閥組1通過控制兩個夾鉗旋轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)，并聯(lián)驅(qū)動夾鉗夾持鍛件旋轉(zhuǎn)，并控制其方向和速度。閥組2通過控制夾鉗升降缸來控制夾鉗的升降位移和動作速度。閥組3驅(qū)動低速大扭矩液壓馬達(dá)，通過控制車輪、傳動鏈輪、傳動鏈軌等來實現(xiàn)大車的運(yùn)動和定位。

圖1 鍛造操作機(jī)液壓系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic of hydraulic system for forging manipulator

2 能耗建模

2.1 整機(jī)能量流模型

鍛造操作機(jī)系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化是電能—機(jī)械能—液壓能—動能/重力勢能/內(nèi)能的轉(zhuǎn)化。為了直觀表達(dá)出鍛造操作機(jī)在工作過程中的能量流動狀態(tài)，基于鍛造操作機(jī)拔長工藝，建立整機(jī)的能量流模型(圖2)。

如圖2所示，電機(jī)從電網(wǎng)中獲得的能量分為有功能量和無功能量，其中無功能量僅用于建立和維護(hù)磁場和電場之間的關(guān)系，這部分能量將返回到電網(wǎng)中。有功能量則轉(zhuǎn)換為熱能和驅(qū)動液壓泵所需的機(jī)械能。液壓泵將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能和液壓能，通過流量控制閥、壓力控制閥、方向控制閥構(gòu)成的控制閥組實現(xiàn)了能量流控制，從而控制各執(zhí)行元件動作，通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為鍛造操作機(jī)夾鉗的位姿變化。在夾鉗位姿變化過程中，各執(zhí)行元件將輸入能量轉(zhuǎn)化為熱能和機(jī)械能。

2.2 能耗計算模型

針對系統(tǒng)各單元能量消耗情況，列出各單元能量損失計算公式。

(1)電機(jī)的能量損失功率(kW)為

(1)

圖2 鍛造操作機(jī)整機(jī)的能量流模型Fig.2 Energy flow model for the whole forging manipulator

式中，ηij1m為第i個工作階段第j1個電機(jī)的總效率；ηij1p為第i個工作階段第j1個泵的總效率；pij1p為第i個工作階段第j1個泵的輸出壓力,MPa；qij1p為第i個工作階段第j1個泵的輸出流量,L/min。

(2)液壓泵的能量損失功率(kW)為

(2)

式中，ηij2p為第i個工作階段第j2個泵的總效率；pij2p為第i個工作階段第j2個泵的輸出壓力,MPa；qij2p為第i個工作階段第j2個泵的輸出流量,L/min。

(3)液壓閥的能量損失功率(kW)為

(3)

式中，Δpij3v為第i個工作階段第j3個液壓閥的壓降,MPa；qij3v為流經(jīng)第i個工作階段第j3個液壓閥的流量,L/min。

其中液壓閥包括壓力控制閥、流量控制閥和方向控制閥。

(4)液壓管路的能量損失功率(kW)為

(4)

式中，Δpij4pp為第i個工作階段第j4段管路的壓降,MPa；qij3pp為流經(jīng)第i個工作階段j4段管路的流量,L/min。

(5)夾鉗升降機(jī)構(gòu)的能量損失功率(kW)為

Pc=pcinqcin-pcoutqcout-Fcvc

(5)

式中，pcin為兩液壓缸的進(jìn)口壓力,MPa；qcin為兩液壓缸的總進(jìn)口流量,L/min；pcout為兩液壓缸的出口壓力,MPa；qcout為兩液壓缸的總出口流量,L/min；Fc為液壓缸輸出力,N；vc為液壓缸輸出速度。等式右邊第三項代表夾鉗升降缸及機(jī)構(gòu)所做的有用功功率。

需要注意的是，在鍛造操作機(jī)夾鉗升降系統(tǒng)中，夾鉗上升動作是靠系統(tǒng)高壓油提供能量，而下降動作是靠負(fù)載自身的重力。因此在計算液壓缸的能量損失功率時需分上升階段和下降階段。以力的方向向上為正，上升階段Fc的方向為正，下降階段Fc的方向為負(fù)。液壓缸的輸出力可以表示為

Fc=ηcm(pcinA1-pcoutA2)

(6)

式中，ηcm為液壓缸的機(jī)械效率；A1、A2分別為液壓缸進(jìn)油腔和出油腔的有效作用面積,m2。

(6)大車行走機(jī)構(gòu)的能量損失功率。大車行走采用4個變量馬達(dá)和減速機(jī)驅(qū)動，通過鏈輪與軌道的嚙合實現(xiàn)大車行走。則液壓馬達(dá)、減速機(jī)和行走機(jī)構(gòu)的總能量損失功率(kW)為

(7)

式中，f為行走馬達(dá)總數(shù)；pij為第j個行走馬達(dá)的進(jìn)油側(cè)的壓力，MPa；qij為第j個行走馬達(dá)的進(jìn)油側(cè)的流量，L/min；poj為第j個行走馬達(dá)的出油側(cè)的壓力，MPa；qoj為第j個行走馬達(dá)的出油側(cè)的流量，L/min；Fd為作用在鏈輪上的驅(qū)動力，N；vm為大車行走速度，m/s。等式右邊第二項為大車行走馬達(dá)及機(jī)構(gòu)所做的有用功功率。

(7)夾鉗旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的能量損失功率。夾鉗旋轉(zhuǎn)動作采用2個馬達(dá)和減速機(jī)驅(qū)動夾鉗旋轉(zhuǎn)。則2個馬達(dá)和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的能量損失功率(kW)為

(8)

式中，l為馬達(dá)總數(shù)；pij為第j個夾鉗馬達(dá)的進(jìn)油側(cè)的壓力，MPa；qij為第j個夾鉗馬達(dá)的進(jìn)油側(cè)的流量，L/min；poj為夾鉗馬達(dá)的出油腔的壓力MPa；qoj為兩個夾鉗馬達(dá)的出油腔的總流量，L/min；Tdm為作用在夾鉗上的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，N；ωrm為夾鉗旋轉(zhuǎn)速度，rad/s。等式右邊第二項為夾鉗旋轉(zhuǎn)馬達(dá)及機(jī)構(gòu)所做的有用功功率。

根據(jù)能量守恒定律，在鍛造操作機(jī)完成工作后，輸入到鍛造操作機(jī)系統(tǒng)的總有功能量可以表示為

(9)

式中，Ecac為輸入到系統(tǒng)中的總有功能量,kJ；z為工作階段的數(shù)目；m(i)為第i個工作階段工作的電機(jī)(泵)的數(shù)目；Eij1m為第i個工作階段第j1個電機(jī)產(chǎn)生的能量損失,kJ；Eij2p為第i個工作階段第j2個泵產(chǎn)生的能量損失,kJ；s(i)為第i個工作階段工作的液壓閥的數(shù)目；Eij3v為第i個工作階段第j3個液壓閥產(chǎn)生的能量損失,kJ；r(i)為第i個工作階段油液流經(jīng)管路的段數(shù)，其中，將兩個液壓元件之間連接的管路的長度歸為一段，每段的長度可能不相同;Eij4pp為第i個工作階段第j4段管路產(chǎn)生的能量損失,kJ；k(i)為第i個工作階段工作的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的數(shù)目；Eij5e為第i個工作階段第j5個執(zhí)行元件及機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的能量損失,kJ；Eij5u為第i個工作階段第j5個執(zhí)行元件及機(jī)構(gòu)所做的有用功,kJ。

聯(lián)合式(1)～式(9)建立系統(tǒng)能耗與時間關(guān)系函數(shù)可得

(10)

式中，ti-1為第i個工作階段開始的時刻；ti為第i個工作階段結(jié)束的時刻；Pij5u為執(zhí)行元件及機(jī)構(gòu)的有用功功率。

3 仿真模型研究

3.1 仿真模型的建立

為更加準(zhǔn)確地對鍛造操作機(jī)常鍛工況進(jìn)行能耗分析，研究鍛造操作機(jī)能耗特性，以100 kN鍛造操作機(jī)為例，建立其AMESim仿真模型，對鍛造操作機(jī)電液比例系統(tǒng)的控制特性和能耗特性進(jìn)行仿真，并通過工業(yè)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)對其仿真模型進(jìn)行修正。模型中功率的采集是通過采集各功率節(jié)點的力變量與流變量相乘得到。如泵的輸入功率通過采集泵口壓力和流量得出，對時間積分即可得到能量。

100 kN鍛造操作機(jī)物理樣機(jī)如圖3所示，仿真模型參數(shù)設(shè)定如表1所示。

圖3 100 kN鍛造操作機(jī)物理樣機(jī)Fig.3 100kN forging manipulator prototype

表1 仿真模型主要參數(shù)

3.2 仿真模型實驗驗證

由于100 kN鍛造操作機(jī)單獨控制系統(tǒng)控制方式為開環(huán)，所以仿真模型的驗證是在開環(huán)控制下進(jìn)行的?；?00 kN鍛造操作機(jī)加載測試數(shù)據(jù)，與仿真曲線相比較，以修正仿真模型。圖4僅示出了部分仿真和實驗曲線的對比，以表明仿真模型和仿真參數(shù)的準(zhǔn)確性。

圖4 仿真與實驗對比Fig.4 Comparison between simulations and experiments

由圖4a可知，夾鉗旋轉(zhuǎn)位移的仿真和實驗曲線誤差僅為0.1°；由圖4b可知，大車行走位移的仿真和實驗曲線誤差僅為1 mm；由圖4c可知，夾鉗上升位移的仿真和實驗曲線誤差僅為0.2 mm；由圖4d可知，夾鉗升降缸無桿腔壓力的仿真和實驗曲線近似一致，最大誤差0.1 MPa。上述誤差對常鍛工況的能耗分布規(guī)律及影響因素的影響很小，故本文基于此仿真模型開展能耗特性分析。

4 能耗特性分析

在程序鍛造中，鍛造操作機(jī)與壓機(jī)聯(lián)動動作，鍛造操作機(jī)的各動作應(yīng)在閉環(huán)控制方式下進(jìn)行，因此分析閉環(huán)控制方式下鍛造操作機(jī)關(guān)鍵動作液壓系統(tǒng)的能耗，得到系統(tǒng)的能耗分布規(guī)律。

4.1 夾鉗旋轉(zhuǎn)動作

仿真得到夾鉗旋轉(zhuǎn)動作下的位移響應(yīng)曲線和功率曲線,見圖5。由圖5a、圖5b可看出，夾鉗旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的位移控制精度較高。給定3個90°的階躍信號，每次旋轉(zhuǎn)動作約0.7 s即可達(dá)到穩(wěn)態(tài)，且平均穩(wěn)態(tài)誤差僅為0.05°。由圖5c、圖5d可看出，在夾鉗旋轉(zhuǎn)啟動和勻速階段，夾鉗旋轉(zhuǎn)控制閥的功率損失較小。當(dāng)夾鉗旋轉(zhuǎn)制動時，由于夾鉗旋轉(zhuǎn)的慣性，旋轉(zhuǎn)控制閥相應(yīng)地產(chǎn)生極大的瞬時損失功率約45 kW。整個夾鉗旋轉(zhuǎn)動作產(chǎn)生的慣性勢能為1.421 4 kJ，約為泵輸出能量的6.5%。在每個夾鉗旋轉(zhuǎn)動作中，泵的輸出能量為21.811 6 kJ；夾鉗旋轉(zhuǎn)控制閥所消耗的能量為5.241 4 kJ，夾鉗馬達(dá)的輸出能量為15.483 3 kJ，管路、單向閥等能量傳遞元件的能量損失為1.086 9 kJ。

圖5 夾鉗旋轉(zhuǎn)控制特性和能耗特性曲線Fig.5 Control characteristic and energy consumption characteristic curve of clamp’s rotation

4.2 夾鉗上升動作

仿真得到夾鉗上升動作的位移響應(yīng)曲線和功率曲線，見圖6。由圖6a、圖6b可看出，夾鉗升降系統(tǒng)的上升位移控制精度較高。給定200 mm的階躍信號，約1.8 s即可達(dá)到穩(wěn)態(tài)，且穩(wěn)態(tài)誤差僅為0.1 mm；由圖6c、圖6d可看出，在上升動作開始時，升降控制閥的損失功率極大，最高可達(dá)87 kW，約0.2 s后，升降控制閥的損失功率穩(wěn)定在約12 kW。在整個上升動作中，泵的輸出能量為100.406 kJ；升降控制閥所消耗的能量為31.836 kJ，升降缸的輸出能量為63.900 kJ，管路、單向閥等能量傳遞元件的能量損失為4.670 kJ。

圖6 夾鉗上升控制特性和能耗特性曲線Fig.6 Control characteristic and energy consumption characteristic curve of clamp lifting

4.3 夾鉗下降動作

夾鉗升降缸下降動作位移響應(yīng)及能耗曲線見圖7。由圖7a可看出，下降動作的位移跟隨性較好，滿足常鍛工況下的鍛造操作機(jī)夾鉗下降動作要求。夾鉗下降動作能量來源為夾鉗及鍛件自身的重力勢能，由升降控制閥控制下降位移，夾鉗及工件的重力勢能絕大部分由升降控制閥節(jié)流損失。由圖7b可知，整個下降動作中，負(fù)載產(chǎn)生的重力勢能為53.766 kJ，升降控制閥節(jié)流損失52.036 kJ，占重力勢能的96.8%。因此回收夾鉗下降時的重力勢能是鍛造操作機(jī)液壓系統(tǒng)節(jié)能的重要措施。

4.4 大車行走動作

仿真得到大車行走動作的位移響應(yīng)曲線和功率曲線，如圖8所示。

圖7 夾鉗下降控制特性與能耗特性曲線Fig.7 Control characteristic and energy consumption characteristic curve of clamp dropping

由圖8a、圖8b可以看出，大車行走動作的位移控制精度較高。給定3個240 mm的階躍信號，每次行走動作約0.7 s即可以達(dá)到穩(wěn)態(tài)，超調(diào)量為1%，且平均穩(wěn)態(tài)誤差僅為0.05 mm。由圖8e可以看出，在大車加速行進(jìn)階段，大車行走控制閥的損失功率很小，與大車行走馬達(dá)輸出功率相差較大。而當(dāng)大車行走制動時，大車行走控制閥的損失功率極大，絕大部分的大車行走控制閥的能量損失發(fā)生在大車制動時。分析原因為大車行走制動時，馬達(dá)進(jìn)油側(cè)壓力極低，幾乎為0(圖8 d)，而系統(tǒng)壓力為12～15 MPa，大車行走控制閥口產(chǎn)生了極大的壓降，從而產(chǎn)生了極大的節(jié)流損失。大車行走馬達(dá)的輸出功率為負(fù)，是由于負(fù)載的大慣量，動作中的負(fù)載拖動馬達(dá)動作產(chǎn)生的，該部分能量由制動時大車行走控制閥和大車行走回路中溢流閥共同損失掉。在當(dāng)前參數(shù)下每個大車行走動作中，僅有17%的能量用于大車行走動作，其余能量均通過大車行走控制閥和管路、單向閥以及溢流閥等能量傳遞單元損耗掉。在每個大車行走動作中，大車的慣性勢能為9.189 kJ，泵的輸出能量為23.533 1 kJ，大車行走的慣性勢能約占泵輸出能量的39.04%。因此回收大車行走的慣性勢能是鍛造操作機(jī)實現(xiàn)節(jié)能的重要措施。

圖8 大車行走控制特性和能耗特性曲線Fig.8 Control characteristic and energy consumption characteristic curve of the cart walking

5 結(jié)論

本文以某企業(yè)100 kN鍛造操作機(jī)液壓系統(tǒng)為研究對象，通過建模、仿真與實驗，研究了液壓系統(tǒng)的控制特性與能耗特性，得到了液壓系統(tǒng)的能耗分布規(guī)律及系統(tǒng)主要優(yōu)化方向。

(1)對于100 kN鍛造操作機(jī)液壓系統(tǒng)，其夾鉗上升動作和夾鉗旋轉(zhuǎn)動作的能量傳遞效率均可達(dá)到60% 以上，傳遞效率較高。

(2)夾鉗下降動作的能量來源為夾鉗及負(fù)載的重力勢能，在夾鉗下降的過程中，重力勢能幾乎全部轉(zhuǎn)化為升降控制閥的節(jié)流損失，因此可設(shè)計重力勢能回收及再利用系統(tǒng)和相應(yīng)的控制方法，將回收的能量應(yīng)用于鍛造操作機(jī)的后續(xù)動作。

(3)大車行走動作的能量傳遞效率非常低，僅為17%。尤其在大車行走制動時，慣性勢能由大車行走控制閥和大車行走回路中的溢流閥共同損失掉，該部分能量約占泵輸出能量的39.04%?；厥者@部分能量是實現(xiàn)鍛造操作機(jī)液壓系統(tǒng)節(jié)能的重要方法。

(4)由于負(fù)載及響應(yīng)特性要求不同，夾鉗上升動作所需系統(tǒng)壓力高于其余兩個動作。由于原系統(tǒng)只有1個壓力源，鍛造操作機(jī)3個動作的系統(tǒng)壓力只能設(shè)置同一個壓力等級，從而造成大車行走動作和夾鉗旋轉(zhuǎn)動作的負(fù)載壓力與系統(tǒng)壓力不匹配，造成不必要的節(jié)流損失，若在各動作分別進(jìn)行時，按負(fù)載壓力分別匹配系統(tǒng)壓力，將會極大地減少系統(tǒng)能耗。