1、第 48 卷 第 6 期Vol.48 No.6FORGING&STAMPING TECHNOLOGY 2023 年 6 月Jun.2023节能技术快速锻造液压机叠加供液节能技术陈柏金1,张连华2,马海军2,芦光荣3(1.华中科技大学 材料科学与工程学院,湖北 武汉 430074;2.中科聚信洁能热锻装备研发股份有限公司,江苏 盐城 224000;3.陕西嘉恒智能液压技术有限公司,陕西 西安 710000)摘要:根据快速锻造液压机工作过程中的能量需求特性,提出了一种新型能量供给方式,即叠加供液节能技术。采用蓄能器进行中低压储能,在液压机的一个工作循环中,直接利用低压充液罐或高位油箱为快下行程充液
2、,在变形压力较小时利用蓄能器为加压行程提供中低压成形压力,在变形压力较大时利用增压器提供高压成形压力,这 3 个过程由液压及控制系统进行平稳连贯过渡。其次,对叠加供液的相关原理进行了详述,并介绍了采用叠加供液节能技术的 35 MN 快速锻造液压机液压工作原理。该技术已在实际生产中成功应用,且在不降低技术指标的前提下,装机功率低于目前标准机组的 1/3,标准机组空载损耗的电量即能满足该机组的正常运行,节能效果明显且成本低。关键词:锻造液压机;节能;叠加供液;增压器;装机功率DOI:10.13330/j.issn.1000-3940.2023.06.027中图分类号:TG315 文献标志码:A 文
3、章编号:1000-3940(2023)06-0199-05Superimposed liquid supply energy-saving technology on fast forging hydraulic pressChen Baijin1,Zhang Lianhua2,Ma Haijun2,Lu Guangrong3(1.School of Materials Science and Engineering,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China;2.Zhongke Juxin Jieneng
4、Thermal Forging Equipment R&D Co.,Ltd.,Yancheng 224000,China;3.Shanxi Jiaheng Intelligent Hydraulic Technology Co.,Ltd.,Xian 710000,China)Abstract:According to the characteristics of energy demand in the working process of fast forging hydraulic press,a new energy supply method,namely,the superimpos
5、ed liquid supply energy-saving technology,was proposed.This technology used an accumulator for medi-um and low-pressure energy storage,and in a working cycle of the hydraulic press,a low-pressure liquid filling tank or a high-level oil tank was directly used to fill the liquid for the fast-down stro
6、ke.When the deformation pressure was small,the accumulator was used to provide medium and low-pressure forming pressure for the pressurizing stroke,and when the deformation pressure was larger,the super-charger was used to provide high-pressure forming pressure.These three processes were smoothly an
7、d coherently transitioned by the hy-draulic pressure and control systems.Then,the relevant principles of superimposed liquid supply were described in detail,and the hy-draulic working principle of 35 MN fast forging hydraulic press adopting superimposed liquid supply energy-saving technology was int
8、ro-duced.Furthermore,this technology was successfully applied in the actual production.The results show that under the premise of not re-ducing technical indicators,the installed power using this technology is lower than 1/3 of the current standard unit,and the power con-sumption of the standard uni
9、t without load can meet the normal operation of the unit with significant energy-saving effects and low cost.Key words:forging hydraulic press;energy saving;superimposed liquid supply;supercharger;installed power收稿日期:2021-11-22;修订日期:2022-02-18作者简介:陈柏金(1965-),男,博士,教授E-mail:chenbaijin 快速锻造液压机是机电液一体化的高
10、技术装备,广泛应用在机械、特殊钢、有色冶金、船舶、能源等行业,具有装机功率高、能耗大和技术复杂等特点。随着生产竞争的加剧以及节能减排、低碳制造、绿色发展理念的不断深入,企业对快速锻造液压机组的经济性、生产效率等提出了新要求。降低快速锻造液压机组的能量消耗、提高能量利用率是快速锻造液压机组发展过程中面临的主要问题。目前,快速锻造液压机的液压传动系统主要有两大类:一类是泵控系统,另一类是阀控系统。泵控系统为 Wepuko PAHNKE 公司的技术,其液压控制原理为该公司的修正正弦直接驱动 PMSD(Pahnke Modi-fied Sinus Direct Drive)技术,这种传动方式不使用控制
11、阀门来控制液压机运动,而是利用该公司的可快速响应的双向变量径向柱塞泵控制液压机的压力、速度和运动方向,使液压机的位移轨迹为修正的正弦曲线,该传动系统的特点是运行平稳、无冲击,与其他阀控传动系统相比,可节能 20%30%1。阀控系统是另一类广泛应用的液压传动系统,SMS、辛北尔康普、Oilgear 以及国内厂家均应用该类系统。快速锻造液压机的锻造速度快,液压系统输出流量大,阀控系统利用各种控制阀来进行流量调节,阀口节流造成大量能量损失,浪费能源。国外厂家开始将阀控节流系统改变成变量泵容积控制系统,如 SMS 近期推出的几套快速锻造液压机,液压系统所有的主泵均采用比例控制变量泵,通过比例泵输出流量
12、来调节压机的运行速度,压机处于停止状态时基本不输出流量,尽量减少系统的能量损失2。辛北尔康普智能动力系统 IPS(Intelligent Power System)根据工况控制主泵的输出,提高压机对能量效率的新需求,其获得专利的传动系统已经在实践中证明节能高达 30%3。上述新型传动系统只是使液压系统的输出流量与压机的工作速度相匹配,减少了系统中的节流损失,提高了能量利用率,但无法改变其装机功率大的问题。如一套 31.5/35 MN 快速锻造液压机组,总装机功率在 4000 kW 以上,电机的能耗仍然很高。快速锻造液压机组中的能量损失有多种,系统的装机功率与负载功率不匹配产生的能量损失比机械能
13、-压力能的转换损失以及压力能传输过程中的能量损失大很多4-6。1 快速锻造液压机能量特性快速锻造液压机的基本动作为快下、加压、快回、停止等动作,如图 1 所示。由于其运动部分(活动横梁、主缸柱塞、回程缸、上砧等)质量在数十乃至数百吨以上,运动惯量大,为使活动横梁运动平稳、换向冲击振动小,压机的每个动作之间都有一个速度转换过程,如从停止开始进行一个动作循环:活动横梁从停止加速转慢下、慢下加速转快下、快下减速转加压、加压到锻造尺寸后转慢速卸压回程、卸压到一定压力后转快速回程、接近上停点时转减速慢回至停止。图 1 快速锻造液压机动作循环与功率关系图Fig.1 Relationship diagram
14、s between action cycle and power of fast forging hydraulic press 在图 1 中,压机快下时回程缸油液直接排回油箱,压机依靠运动部分自重加速下行,主缸通过充液罐或高位油箱补充低压油,快下行程可不消耗电机的能量;在压机运动部分接触坯料时转入加压行程,坯料的成形能量完全由电机提供;在坯料加压至锻造尺寸时,压机停止加压,转入卸压慢回阶段,主缸卸载阀开启,主缸排油,当主缸压力下降至设定压力时,压机开始慢速回程,这一阶段所需能量很少;主缸压力进一步下降,回程缸压力上升,压机开始快速回程,回程时压机驱动的负载为活动横002锻压技术 第 48 卷
15、梁等运动部分重量,压机所消耗的能量较少;在压机回程到接近上停点时,回程缸流量减小,压机减速停止。快速锻造液压机完成各种金属坯料在热态下的自由锻造,包括镦粗、拔长等多种自由锻工序,各工序间存在坯料的送进、翻边、掉头、剁切、上下料等辅助动作,压机在工作过程中有较多的停止时间。从图 1 压机工作过程中所需能量及功率分布可以看出,压机多数时刻处于低负荷或空载状态,仅在加压状态需要高能量7-9。快速锻造液压机为满足加压行程的高能量要求,压机的装机功率按最大功率需求配置,造成装机功率大、空载损耗大、能量利用率低,以及企业的电力增容成本高,在一个常锻工作循环中压机的能量有效利用率只有 14.3%10。2 快
16、速锻造液压机叠加供液实现方法在压机的 1 个工作循环中,有 3 种不同级别的能量需求,对应液压传动系统的 3 种压力状态:快下时为空载、低负荷加压及回程时为中低压力、满负荷加压时为高压力,且多数时刻均在空载及中低压力状态下工作。液压系统如能根据需要提供这 3种不同的压力,则系统的能量利用率可以有效提高。采用中低压储能方式,配以压力调节装置,满足不同压力需求,则能够显著降低机组的装机功率,降低能量消耗。液压系统中能量储存由蓄能器实现。目前的快速锻造液压机中,蓄能器仅用来实现快锻回程动作,减少压机回程的建压时间,提高快锻时的锻造频次。在传统水压机中,蓄能器用来储存能量,泵将液体输出至蓄能器储存,采用的是 30 MPa 左右的高压储能方式,储能效率低,同时压机多数时刻为低负荷工作,大量的高压液体产生节流损失,浪费能量,水压机中的泵-蓄能器传动效率低。采用 1516 MPa 的中低压储能方式能够提高储能效率,降低泵组的要求,同时,蓄能器储存的中低压能量能够满足压机多数时刻的压力需求,也能满足机组中其他辅助装置和控制阀组的压力需求,可省去相应的专用泵组。压机使用传统高压蓄能供液的弊端是其工作速度
