榮兆杰

（合肥合鍛智能制造股份有限公司，安徽 合肥 230601）

1 幾個重要設(shè)計變量

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)拍液壓機控制技術(shù)，有必要引進(jìn)以下幾個重要的設(shè)計變量：

（1）增壓比(增壓缸無桿腔面積/增壓缸有桿腔面積）。在設(shè)計增壓油缸時，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)備僅有一個增壓油缸時，增壓比的選擇是多樣化的；當(dāng)設(shè)備含有多個增壓油缸時，各個增壓缸可選擇各不相同的增壓比。

（2）每個單次循環(huán)動作中，通過各相關(guān)油缸被動腔向蓄能器增補輸入的非泵供油液總?cè)莘e，簡稱“補能容積”。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)拍液壓機控制技術(shù)中，這部分非泵供容積卻成了增補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）每個單次循環(huán)動作中，向蓄能器增補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“補能容積占比”。

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

（5）每個單次循環(huán)動作中，卸荷總耗時與單次循環(huán)總耗時之比，簡稱“卸荷耗時占比”。

這里所說的卸荷總耗時以案例四為例，包括：①滑塊卸壓時間；②頂出缸頂出到位后保持靜止的時間；③上下料時間（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。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構(gòu)的汽車沖壓生產(chǎn)線上的主打液壓機。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 個補油環(huán)節(jié)，即：①主缸下腔下行補油；②液壓墊拉伸補油；③液壓墊快頂時，快頂缸有桿腔補油；④緩沖缸超越程運行時補油。以上所述的多環(huán)節(jié)補油，使得案例五的補能容積占比達(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，其所涉設(shè)備的技術(shù)參數(shù)如表3 所示。

表3 案例六液壓機技術(shù)參數(shù)

下面將針對上述三個案例做兩項工作。

（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)備運行4000h 耗電量），并將該耗電量與同噸位的使用伺服電機控制的節(jié)能型高節(jié)拍液壓機、同噸位的傳統(tǒng)快速液壓機以及同噸位伺服電機控制的直供液壓機的年耗電量進(jìn)行比較。注意，在這里，參與每個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)拍液壓機控制技術(shù)的兩種設(shè)備所能獲得的經(jīng)濟效益。

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

第一項工作的結(jié)果是：獲得了各案例所涉各自4種設(shè)備的主電機裝機功率、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)拍液壓機與傳統(tǒng)快速液壓機相比較，運行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)拍液壓機與直供伺服電機控制液壓機相比較，運行4000h，節(jié)約用電量最低0，最高14.8 萬kW·h。節(jié)約電費最低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)拍液壓機與傳統(tǒng)快速液壓機相比,運行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)拍液壓機與直供伺服電機控制液壓機相比較，運行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)拍液壓機也使用伺服電機則：與傳統(tǒng)快速液壓機相比較，運行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)拍液壓機也使用伺服電機，則與直供伺服電機控制液壓機相比較，運行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)拍液壓機即使是與直供式伺服電機控制的液壓機相比較，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，僅能實現(xiàn)所謂的基本持平。其實，其節(jié)能效果相當(dāng)可觀。

做第二項工作的結(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)備與直供伺服電機控制的液壓機相比，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)備比直供伺服電機控制液壓機用電量節(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(指配備氮氣瓶的活塞式蓄能器)增補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。即補能容積占比；B2為表示公稱力加壓總耗時與單次循環(huán)總耗時之比。即公稱力耗時占比。B3為最大回程力（kN）；B4為卸荷總耗時與單次循環(huán)總耗時之比，即卸荷耗時占比；B5為每一單次循環(huán)中，設(shè)備框定的氮氣瓶氣體容積最大變化量與本次動作中氣體容積實際變化量之比，即△Vmax/△Vx,簡稱氮氣容積增量比。例如對于案例四，作頂出缸使用時，若B5=1.52174，則Q3=0.76447。作液壓墊使用時，若B5=1，則Q3=1。當(dāng)B5變動時，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，Q1=0.611；作液壓墊時，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)備使用伺服電機取代普通電機時，用電量節(jié)約百分比還會有所上升（參看表格4～6）。此時修正系數(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。本文推出的幾個重要設(shè)計變量的理論優(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)拍液壓機控制技術(shù)盡快推廣應(yīng)用。