节能型35MN 快速锻造液压机组研究

陈柏金，马海军，张连华，芦光荣

（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）

快速锻造液压机组工作速度快、自动化程度高，锻件尺寸控制精度好，已成为自由锻行业的主要装备，广泛应用在机械、特殊钢、有色冶金、船舶、铁路机车等行业。随着液压技术、计算机技术、控制技术的发展，快速锻造液压机的液压传动系统和控制系统基本成熟：液压系统广泛采用高频响比例阀、锻造阀，原有的定量泵逐渐被可以任意调节流量的比例变量泵替代，液压系统的性能不断完善和提高；控制系统应用工业以太网控制总线，各种控制技术、诊断技术广泛应用在快速锻造液压机上，机组可靠性高、维护简单。但到目前为止，快速锻造液压机组存在装机功率高、能耗大等缺点，严重影响了使用企业的生产成本及经济性，国内外现有的研究及实现方法不能有效解决这一问题。减少快速锻造液压机组的能量消耗、降低生产成本，实现绿色生产，提高企业的竞争力对生产企业及快速锻造液压机的发展具有重要意义。

1 常规机组技术参数及装机功率

目前，国内外相同吨位的快速锻造液压机组技术指标基本相当，以兰石重工31.5/35MN 快速锻造液压机为例，其主要技术参数如表1 所示。

表1 兰石重工31.5/35MN 快速锻造液压机技术参数

31.5 /35MN 快速锻造液压机配置200kN、400kN全液压锻造操作机各一台，以DDS 操作机为例，机组的总装机功率为4325kW,具体配置如表2 所示。

表2 31.5/35MN 快速锻造液压机组装机功率

2 节能型机组技术参数及装机功率

节能型35MN 快速锻造液压机技术参数如表3所示。

表3 节能型35MN 快速锻造液压机技术参数

35MN 快速锻造液压机配置200kN、400kN 全液压锻造操作机各一台，机组的总装机功率为1320kW,具体配置如表4 所示。

表4 节能型35MN 快速锻造液压机组装机功率

3 节能型机组液压工作原理及特点

快速锻造液压机生产过程中存在许多辅助工步，很多时刻压机、操作机的所有电机均处于空载运行状态；同时，在一个工作循环中，机组多数时刻处于轻负荷运转，只在极短时间内处于高负荷状态。快速锻造液压机为满足高负荷要求，液压系统的设计按最高工作压力、最大工作速度进行设计制造，造成液压系统的装机功率与实际能耗需求严重不匹配。

节能型快速锻造液压机组采用中低压液压储能技术及充液罐、蓄能器、增压器叠加供液技术，在低装机功率下实现机组的正常运行并达到相同技术指标，节能型35MN 快速锻造液压机液压工作原理如图1 所示。

图1 节能型35MN 快速锻造液压机液压工作原理简图

（1）蓄能器中低压储能

P1～P12 为12 台排量250ml/r 的液压泵，工作压力16MPa，每台由110kW、1480 转/min 电机驱动。12 台主泵同时为6 组蓄能器储能。采用中低压储能方式能降低液压泵需求，减少高压溢流损失，提高储能效率；同时，液压系统的多数回路处于中低压运行，液压系统的安全性提高，泄漏等故障率减少。蓄能器储存的能量不仅提供给压机使用，而且也提供给两台锻造操作机，以及作为机组的比例阀、逻辑阀等控制阀的控制油源，操作机等不需要配置电机及液压泵。

（2）增压器增压

采用6 组增压器为系统提供高压油，增压器为双向工作连续增压器，双向增压的工作转换由闭环控制程序自动实现，在工作过程中由控制系统根据主缸工作压力进行投入或停止工作。以增压器ZYQ1 为例，其工作过程为：逻辑阀ZV1 得电，从蓄能器组来的压力油进入ZYQ1 的C 腔，并通过单向阀ZV2 进入D 腔，阀ZV3 得电，A 腔油液排回油箱，增压器活塞对B 腔油液增压，阀ZV4 得电，B 腔高压油液经阀Z1 输出，增压器实现从上向下增压；逻辑阀ZV5 得电，从蓄能器组来的压力油进入ZYQ1 的A 腔，并通过单向阀ZV6 进入B 腔，阀ZV7 得电，C腔油液排回油箱，增压器活塞对D 腔油液增压，阀ZV8得电，D 腔高压油液经阀Z1 输出，增压器实现从下向上增压。

（3）充液罐低压充液及冷却

压机快下行程油液由充液罐提供，压机在手动、自动等方式执行快下动作时，充液控制阀V4 得电，主缸充液阀打开，充液罐低压油液进入主缸，满足主缸快下行程流量需求。主缸卸载时油液排回充液罐，通过循环控制阀V11 将充液罐的多余油液引入缓冲罐，由缓冲罐对油液进行降压、稳压，然后缓冲罐中具有一定压力的油液进入热交换器，实现油液的循环冷却。

（4）压机工作过程

①快下：逻辑阀V9 得电、比例阀V10 开度较大，回程缸油液直接回充液罐，活动横梁在自重作用下快速下行；主缸充液控制阀V4 得电，充液阀打开，充液罐为主缸充液,提供主缸快下所需的所有流量。

②加压：阀V10 开度变小，回程缸存在排油背压，压机下降速度减慢；阀V4 失电，充液阀关闭；阀V1 得电打开，比例阀V3 控制从蓄能器组进入主缸的油液流量，活动横梁在主缸压力作用下加压下行；在压机加压过程中，主缸压力上升到设定压力时，增压器组按节拍投入，阀V2 打开，增压器出来油液经阀V3 进入主缸，实现主缸的高压加压。

③卸压及回程：压机加压到设定锻造尺寸，主缸进液阀V3 关闭，主缸卸载阀V5、V6 按规律对主缸卸压泄流；当主缸压力下降到一定压力时，阀V9、V10 关闭，阀V7、V8 开启，蓄能器组压力油进入回程缸，压机实现回程动作。

④停止：控制压机动作的阀组失电，压机停止在任意位置。当压机停止动作，蓄能器组的压力达到设定储能压力时，主泵卸荷运行，如持续卸荷一定时间，主泵电机自动停机。

（5）压机自动方式

压机自动方式分为常锻和快锻两种。

4 小结

传统习惯上认为快速锻造液压机的传动效率比泵-蓄能器传动效率高，这一结论基于传统的水压机工作原理，水压机是用泵将高压液体储存到蓄势器，电机-泵长期处于高压满负荷运行，同时高压液体的节流损失也比较大，且在成形过程中工作速度随变形抗力变化。节能型快速锻造液压机组，利用中低压储能技术，电机-泵处于中低负荷状态运行，泵-蓄能器的储能效率高，能量损失少；利用双向连续增压器及相关控制技术，在锻件的变形抗力大于蓄能器组压力时自动投入，其输出流量曲线如同直接油泵直接传动系统中的液压泵，工作速度不随变形抗力变化。蓄能器的储能压力为中低压，这一压力范围与锻造操作机的工作压力区间、各种控制阀的控制压力油区间基本一致，可以直接采用蓄能器为多个不同执行机构供液，省去相关的电机-泵组。

采用相关技术的35MN 快速锻造液压机组，总装机功率不及传统机组1/3，传统机组空载损耗的电量可满足本机组运行，机组的相关技术指标不低于相同吨位的传统快速锻造液压机组；同时，机组的电力增容费、使用成本、维护成本显著降低。

节能型35MN 快速锻造液压机组已在实际中成功应用，并经受了生产考验，取得满意效果，现场应用证明，机组的各项技术指标满足要求，使用运行成本低、节电节能，具有较好的经济效益。