升降及步进机构液压势能回收技术研究

张久林，谷　硕

（宝钢工业炉工程技术有限公司，上海201900）

升降及步进机构液压势能回收技术研究

张久林，谷硕

（宝钢工业炉工程技术有限公司，上海201900）

针对冶金行业中大量升降及步进设备下降过程中释放的势能被白白浪费的现况，研发了势能回收技术，同时建立了实验平台，并从实验和理论分析的角度验证了本势能回收技术的可靠性和节能效果。本技术在多种实施方式下，都会产生可观的节能效果和经济效益。

升降及步进机构；势能回收技术；实施方式

能量回收技术在各个行业一直受到特别关注，一旦成功应用，都会对本行业起到巨大的推动作用。例如：汽车行业的制动能量回收技术是实现汽车节能的重要途径，已经成为现代电动汽车的重要技术之一，它将汽车在制动过程的部分动能回馈给蓄电池以对其充电，对延长电动汽车的行驶距离至关重要，有效地回收制动能量，可使电动汽车的行驶距离延长10%到20%［1］，大大降低汽车运行成本。

在冶金行业，升降及步进设备占有很大比重，且大部分都属于重载、连续生产工况，如步进加热炉、步进梁运输机、步进式冷床等，这些设备大部分采用液压作为动力源：设备上升时由液压缸驱动，液压能被转化为势能存储起来；下降时，势能逐步释放并（大部分）最终转化为热量被白白浪费，而此部分势能占提升时能耗总量的60%到70%，甚至更高。以步进式加热炉为例，其液压系统根据步进机构上升时的最大载荷（步进机构自重+炉内钢坯载荷）进行配置，而步进机构依靠自重下降，步进机构以及炉内钢坯的势能基本都被转化为热量（液压节流损失、摩擦损失）被白白消耗，同时，按最大载荷配置的液压系统在非上升期间也会由于主泵的空转而会消耗35%左右的能量。

通过对这些升降及步进机构的驱动原理进行分析，研发了一种新型的液压势能回收技术和一套完整的计算方法，在确保设备稳定运行的前提下，能够有效回收设备下降过程中的大部分势能，经转化后用于上升时的辅助动力，本技术具有以下优势：（1）可有效降低主驱动系统的负荷，实现节能至少30%以上；（2）采取自身消化利用势能的方式，不需要寻求额外能量使用对象；（3）使设备始终处于一种“悬浮状态”，能够有效吸收设备在运动过程中产生的冲击，大大改善设备的受力状态；（4）分担了部分载荷，可使主驱动液压系统的配置降低（减少工作主泵数量、降低液压缸规格或数量、降低配套液压元件规格等），节省一次性投资成本，同时也会大大降低空载能耗。

1　实验平台系统组成及原理分析

为验证本势能回技术的可行性和使用效果，搭建了势能回收实验平台，以采用液压驱动、设备在斜坡上运动的升降形式进行示范（见图1）。该平台由升降装置、液压系统及配套电控系统三部分组成。

图1　势能回收实验平台

1.1升降装置

本实验平台的升降装置组成见图2。

图2　升降装置原理图

重物放置在固定框架上，升降小车停止在下位。上升时，升降小车运动到中位时将重物抬起继续运动到上位；下降时，升降小车到达中位后将重物放置在固定框架上继续运动到下位。势能缸和升降缸都与升降小车相连，推动其沿升降斜坡作升降运动。

1.2液压系统

本势能回收实验平台的液压系统包括主提升系统和势能回收系统两部分（见图3）。

（1）主提升系统。其主要作用是为升降小车的运行提供动力，主要包括：

a）主泵：6 L/min×2台，2.2 kW；

b）升降缸及配套阀组：升降缸为分“双缸”、“单缸”，可分别推动小车运动，其规格为：

双缸：Φ50×36，2支

单缸：Φ50×36，1支

（2）势能回收系统。用于回收升降小车及重物下降过程中的势能，主要包括：

a）势能回收缸

包括势能缸1、2，其中势能缸1用于回收小车下降时的部分势能，在整个行程起作用；势能缸2用于回收重物下降时的势能，仅在“中位”以上起作用，其规格为：

势能缸1：Φ40×28-400 mm，1支

势能缸2：Φ50×36-400 mm，1支

势能缸设计时需注意以下几点：

①势能回收缸的数量和规格根据回收重力势能的多少及设备布置情况确定；

②势能缸的角度、行程需与升降缸一致；

③势能缸有杆腔与油箱相连，下降过程中从油箱补油，无杆腔与蓄能器相连；

④如采用皮囊式蓄能器，设备在升降运动过程中，势能缸无杆腔压力会在一定范围内波动，为确保运行平稳，需最低压力与最高压力的比值不超过0.8。

b）蓄能装置

由蓄能器1、2及配套阀组组成，分别用于存储势能缸1、2传来的液压能，根据蓄能器的容积、充气压力和最高工作压力对能量存储能力的影响［2］，确定其规格为：

蓄能器1：6.3 L，1个

蓄能器2：6.3 L，1个

c）补油装置

向势能回收系统中补充液压油，抵消液压系统内漏，保证蓄能器的压力变化范围。补油泵的流量选择需满足在尽量短的时间内补充势能回收系统的内泄漏，确保势能回收负荷不受影响。

d）压力检测点

可实现关键点的压力实时监控以及参与连锁控制，详见表1。

2　实验状态及数据分析

2.1实验平台基本数据

本实验平台的基本数据，详见表2。

图3　液压系统原理图

表1　压力检测点布置表

2.2实验状态

选择比较典型的8种状态进行实验，详见表3。

表2　实验平台基本数据表

2.3实验数据分析

根据以上8种实验状态，对关键点的压力值进行采集，具体数据详见表4。

由实验状态1、2、3、4可知：

（1）势能缸1在整个工作行程起作用，可辅助升降缸推动小车上升，使升降缸的无杆腔压力PT02降低（中位以下：由31.59×105Pa降至16.27×105Pa，降幅48.5%，中位以上：由87.86×105Pa降至69.73×105Pa，降幅20.6%），而其动力全部由蓄能器组1提供，不需额外提供动力源；

（2）势能缸2仅在“中位”以上工作行程起作用，可辅助升降缸推动小车上升，使升降缸的无杆腔压力PT02降低（中位以上：由87.86×105Pa降至45.89×105Pa，降幅47.8%），而其动力全部由蓄能器组2提供，不需额外提供动力源；

（3）当势能缸1、2同时起作用时，可使升降缸的无杆腔压力PT02进一步降低（中位以下：由31.59× 105Pa降至14.46×105Pa，降幅54.2%，中位以上：由87.86×105Pa降至29.44×105Pa，降幅66.5%）；

（4）“双缸”动作时，为保证小车的运行速度，需同时开启1#、2#主泵；

（5）当势能缸1投人时，其无杆腔压力PT07在约（50～58）×105Pa范围内波动；

（6）当势能缸2投人时，其无杆腔压力PT06在约（80～92）×105Pa范围内波动；

由实验状态5、6、7、8可知：

（1）由“单缸”单独推动小车上升时，由于受系统压力（主泵出口溢流阀设定压力为～100×105Pa）的限制，升降缸无杆腔压力PT03达到101.2×105Pa，靠一个升降缸无法同时推动小车和钢坯；

（2）当增加势能缸1时，由于势能缸1仅用于回收小车自身的部分重力势能，仍然无法同时推动小车和钢坯，但能在“中位”以下降低升降缸无杆腔的压力PT03（中位以下：由62.04×105Pa降至31.99× 105Pa，降幅48.4%）；

（3）当增加势能缸2时，由于势能缸2用于回收钢坯下降时的部分重力势能，较势能缸1相比能提供较大的辅助推力，可同时推动小车和钢坯，并在“中位”以上降低升降缸无杆腔的压力PT03（中位以上：降至88.37×105Pa，在系统压力100×105Pa之下）；

（4）当增加势能缸1、2，且不增加任何额外动力源时，靠“单缸”就可单独推动小车及钢坯同时动作，使升降缸的无杆腔压力PT03进一步降低，且小车的运行速度均不受影响；

（5）“单缸”动作时，仅需开启一台主泵，就可保证小车的运行速度；

（6）当势能缸1投人时，其无杆腔压力PT07在约（50～58）×105Pa范围内波动；

（7）当势能缸2投人时，其无杆腔压力PT06在约（78～91）×105Pa范围内波动；

（8）当势能回收系统投人时，需开启补油泵，用于补充由于液压系统内泄造成的压力损失，其驱动功率较小。

表3　实验状态表

表4　实验数据表

3　液压系统能耗及节能率

根据实验平台的实验验证以及数据发现，本势能回收技术的节能效果显著，同时亦可大大降低投资成本。下面从液压系统能耗的角度，分析本势能回收技术在不同时实施方式下能达到的节能效果。

3.1液压系统总能耗W计算

（1）液压系统带载能耗W1

式中：n—主泵数量

Δp—系统工作压力

Q—每台主泵流量

t1—液压系统带载总时间

（2）液压系统空载能耗W2

式中：t2—液压系统空载总时间

P—主泵电机功率

S—空载能耗系数，一般S=0.2～0.4

（3）液压系统总能耗W

3.2势能回收系统的实施方式

结合液压系统的总能耗计算公式（3），势能回收系统具有以下几种实施方式。

（1）实施方式一：液压系统配置均不变

增加势能回收系统后，系统压力Δp可降低k（见实验状态1、2、3、4），由式（2）可知，此时系统带载时能耗为

如k=0.4，W2/W1=2，则节能率为13.3%。

（2）实施方式二：降低主泵电机功率

增加势能回收系统后，系统压力Δp可降低k（见实验状态1、2、3、4），由式（2）可知，主泵电机功率P可相应降低，即：

P=（1-k）·Δp·Q

此时系统能耗为：

W′=（1-k）·n·Δp·Q·（t1+S·t2）=（1-k）·W

（3）实施方式三：降低液压系统配置

增加势能回收系统后，亦可在保证系统压力△p基本不变或降低的情况下，减少升降缸的规格或数量以及工作主泵的数量（见实验状态4、5、6）。

a）升降缸在整个工作行程上承担的载荷均大幅降低，因此在确保小车正常运行的前提下，将升降缸（Φ50×36-400 mm）的数量由两个（实验状态3）变为一个（实验状态6），系统压力由85.74×105Pa降为62.46×105Pa（降幅27.2%）；

b）升降缸数量减少一半，升降小车正常升降时所需的最大流量也降低一半，此时系统主泵的数量由两台（2.2×2 kW）降为一台（2.2 kW），由式（3）可知，系统节能率为：

c）由于系统所需最大流量降低一半，主泵数量减少一半，因此对应的油箱体积、循环泵规格、冷却器规格、配置控制阀组（比例阀、插装阀等）规格等均可大大降低，节省一次性投资成本20%以上。

4　结语

针对不同的设备和使用工况，势能回收技术的应用还涉及许多关键性的核心问题：如非稳定载荷或连续变化载荷状态下的势能回收技术、势能回收负荷的自动调节技术以及与异常状态下的无缝切换技术等。本技术已成功应用于宝钢2050热轧2#步进式加热炉中，并取得了既定的节能效果。势能回收技术属于新兴的节能技术，将对行业发展产生变革性的推动作用，其经济效益和行业影响将是十分巨大的。

Hydraulic Potential Energy Recovery Technology of Lirting and Stepping Mechanism

ZHANG Jiulin，GU Shuo
（Baosteel Industrial Furnace Engineering&Technology Co.，Ltd，Shanghai 201900，China）

In metallurgical industry，most of the potential energy which is released by so many lifting and stepping devices in the process of downward movement is wasted.Aim at this situation，the potential energy recovery technology is developed，and the experimental equipment is designed.This experimental equipment could verify the reliability and energy-saving effect of this technology in experiment and theory. The potential energy recovery technology could be implemented in various modes，and it will generate considerable energy-saving and economic benefits.

lifting and stepping mechanism；energy recovery technology；implementation

TH137

B

1001-6988（2016）03-0017-05

2016-02-17

张久林（1980—），男，工程师，主要从事机械、液压及电控技术的相关设计及科研工作.

［1］刘博，杜继宏，刘国光.电动汽车制动能量回收控制策略的研究［J］.电子技术应用，2004（1）：34-36.

［2］吴训成，张珏成，罗素云.液压储能式车辆制动能量回收系统参数设计研究［J］.上海工程技术大学学报，2008，22（2）：125-128.