自由鍛造油壓機(jī)常鍛工況能耗特性

姚　靜　魏晨光　李　彬　汪飛雪

1.河北省重型機(jī)械流體動(dòng)力傳輸與控制實(shí)驗(yàn)室，秦皇島，0660042.先進(jìn)鍛壓成形技術(shù)與科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，秦皇島，0660043.燕山大學(xué)，秦皇島，066004

自由鍛造油壓機(jī)常鍛工況能耗特性

姚靜1,2,3魏晨光3李彬3汪飛雪3

1.河北省重型機(jī)械流體動(dòng)力傳輸與控制實(shí)驗(yàn)室，秦皇島，0660042.先進(jìn)鍛壓成形技術(shù)與科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，秦皇島，0660043.燕山大學(xué)，秦皇島，066004

摘要：為分析大功率自由鍛造油壓機(jī)電液比例控制系統(tǒng)能量分布規(guī)律，以常鍛工況為例，綜合考慮操作工操作影響，研究了操作手柄控制方式及系統(tǒng)控制流程，建立了油壓機(jī)電液比例控制系統(tǒng)的能耗計(jì)算模型和仿真模型，并通過(guò)20 MN快鍛油壓機(jī)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了仿真模型的正確性?；诜抡婺Ｐ?，對(duì)20 MN自由鍛造油壓機(jī)電液比例控制系統(tǒng)的能耗分布規(guī)律進(jìn)行了仿真，重點(diǎn)研究了油壓機(jī)不同載荷和操作工操作速度對(duì)系統(tǒng)能耗的影響。鍛造油壓機(jī)常鍛過(guò)程存在較大的速度變化，恒定的流量源不能匹配負(fù)載變化，導(dǎo)致20 MN自由鍛造油壓機(jī)滿(mǎn)載時(shí)能量利用率僅為14.3%。研究結(jié)果還表明，載荷越大、操作工操作越熟練，系統(tǒng)的能量利用率越高。

關(guān)鍵詞：油壓機(jī)；自由鍛；能耗；節(jié)能；電液比例控制

0引言

鍛造油壓機(jī)廣泛應(yīng)用于核電、艦船、航空航天以及能源等領(lǐng)域的裝備制造中，具有明確的戰(zhàn)略意義[1-2]。自由鍛造的基本工序包括鐓粗、拔長(zhǎng)、沖孔等，由于其所需的鍛造頻次低、行程較大，一般稱(chēng)其為常鍛工況，這種鍛造工藝大約占鍛件成形過(guò)程的90%，即鍛造油壓機(jī)液壓控制系統(tǒng)絕大部分時(shí)間服務(wù)于常鍛工況。而鍛造油壓機(jī)液壓控制系統(tǒng)不同于普通的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)，它壓力高、流量大，其輸入功率往往達(dá)數(shù)千千瓦甚至上萬(wàn)千瓦，低的傳動(dòng)效率勢(shì)必產(chǎn)生巨大的能源消耗和經(jīng)濟(jì)損失。因此，研究其常鍛工況的能耗機(jī)理，探尋影響其能耗的關(guān)鍵因素，對(duì)實(shí)現(xiàn)綠色鍛造具有重要意義。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在如何提高油壓機(jī)控制精度[3-5]、減少卸壓卸荷沖擊振動(dòng)[6-8]等方面做了許多工作，使油壓機(jī)的控制性能有了較大的提高，但對(duì)其能耗特性的研究仍處于探索階段[9-11]，尤其是廣泛應(yīng)用的大功率鍛造油壓機(jī)電液比例系統(tǒng)更是鮮有報(bào)道。目前關(guān)于高效率的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的研究，主要分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是采用高效率低能耗的液壓元件，如利用低功率電磁鐵[12]，高集成低壓降的液壓?jiǎn)卧猍13]，采用蓄能器降低泵源輸入功率[14]等；另一類(lèi)是設(shè)計(jì)新型節(jié)能系統(tǒng)，如二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)[15]、負(fù)載敏感系統(tǒng)[16]、變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)[17]等。上述研究成果雖然在一定程度上提高了液壓系統(tǒng)的傳動(dòng)效率，但是其仍舊受制于高能耗的困擾，而且，液壓系統(tǒng)能耗的產(chǎn)生不僅和系統(tǒng)元件、系統(tǒng)形式有關(guān)，而且受操作模式、人員操作習(xí)慣、控制流程、工藝設(shè)計(jì)等外界因素的影響，尤其對(duì)于大功率鍛造油壓機(jī)電液比例控制系統(tǒng)更是如此。因此，綜合考慮液壓系統(tǒng)和外界影響因素，探究液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的能耗機(jī)理，明確系統(tǒng)產(chǎn)生能耗的原因，才是解決液壓傳動(dòng)系統(tǒng)低傳動(dòng)效率的有效途徑。

對(duì)于大功率鍛造油壓機(jī)電液比例控制系統(tǒng)，其能量的耗散主要來(lái)自液壓元件產(chǎn)生的節(jié)流和溢流損失。本文以20 MN快鍛油壓機(jī)電液比例控制系統(tǒng)為研究對(duì)象，針對(duì)自由鍛造油壓機(jī)常鍛工況拔長(zhǎng)工藝，建立其電液比例系統(tǒng)能耗計(jì)算模型，綜合考慮操作人員、液壓控制系統(tǒng)、工藝、負(fù)載等因素，通過(guò)仿真分析常鍛工況能耗特性及其影響因素，意在揭示大功率自由鍛造液壓系統(tǒng)能耗機(jī)理，為自由鍛造設(shè)備的綠色改造和新型節(jié)能油壓機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

1常鍛液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理

自由鍛造油壓機(jī)典型的液壓原理示意圖如圖1所示。該系統(tǒng)主要由定量泵2、溢流閥3、比例插裝閥6、液壓缸7與8、活動(dòng)橫梁9和控制器組成，考慮到投資成本，泵源往往以定量泵為主，變量泵只在鍛造速度極低的工況下使用，如鐓粗的最后階段。為了提高控制精度和操控性，鍛造油壓機(jī)液壓控制系統(tǒng)采用大通徑電液比例插裝閥，主要包括主缸進(jìn)液比例閥6.1，主缸排液比例閥6.2，回程缸進(jìn)液比例閥6.3和回程缸排液比例閥6.4。

1.電機(jī)　2.定量泵　3.溢流閥　4.單向閥　5.高位油箱6.比例插裝閥　7.主缸　8.回程缸　9.活動(dòng)橫梁10.電磁換向閥　11.操作手柄　12.操作工圖1　自由鍛造油壓機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

鍛造油壓機(jī)電液比例控制系統(tǒng)一般配置伺服手柄，該伺服手柄既能實(shí)現(xiàn)操作手柄推動(dòng)角度的模擬量控制，又能觸發(fā)數(shù)字開(kāi)關(guān)量。鍛造過(guò)程中，伺服手柄推動(dòng)的角度和電液比例插裝閥的閥口開(kāi)度成正比，數(shù)字開(kāi)關(guān)量觸發(fā)相應(yīng)的閥組，使其按照一定的邏輯順序動(dòng)作。伺服手柄運(yùn)動(dòng)角度(模擬量和數(shù)字量)和各電液比例插裝閥動(dòng)作關(guān)系如圖2所示。下面結(jié)合油壓機(jī)的典型工作過(guò)程闡述其操作原理。

(1)回程缸排液比例閥　(2)主缸進(jìn)液比例閥(3)主缸排液比例閥　(4)回程缸進(jìn)液比例閥圖2　鍛造過(guò)程中伺服手柄與各閥動(dòng)作關(guān)系圖

油壓機(jī)典型的工作過(guò)程一般包括空程下降、減速、工進(jìn)加壓、停止、卸壓、回程。油壓機(jī)活動(dòng)橫梁不動(dòng)，即在停止位時(shí)，手柄在中位，為防止操作人員輕碰手柄而造成油壓機(jī)誤動(dòng)作，一般操作手柄設(shè)置3°～5°操作死區(qū)。此時(shí)，僅主缸卸荷閥保持開(kāi)啟狀態(tài)，主缸通低壓，保證油壓機(jī)可靠地處于停止?fàn)顟B(tài)。

(1)空程下降階段。向前推動(dòng)手柄，主缸進(jìn)液比例閥和回程缸排液比例閥開(kāi)啟，通過(guò)控制回程缸排液閥開(kāi)口實(shí)現(xiàn)對(duì)活動(dòng)橫梁的無(wú)級(jí)調(diào)速。該階段主要由高位油箱供油，由圖2可知，壓機(jī)空程區(qū)和加壓區(qū)重合，此階段主缸進(jìn)液比例閥也開(kāi)啟，主泵可向主缸補(bǔ)充部分流量。

(2)減速、工進(jìn)加壓、停止階段。當(dāng)快要接觸工件時(shí)，手柄向0°位置移動(dòng)，回程缸和主缸進(jìn)液比例閥閥口同時(shí)縮小，動(dòng)梁移動(dòng)速度降低，緩慢接觸工件。然后向前推動(dòng)手柄，進(jìn)入加壓工進(jìn)階段。此時(shí)，工進(jìn)速度主要由主缸進(jìn)液比例閥和回程缸排液比例閥來(lái)協(xié)同調(diào)節(jié)，這種操作方式要嚴(yán)格控制主缸進(jìn)液比例閥和回程缸排液比例閥的閥口開(kāi)度大小比例，使兩缸速度滿(mǎn)足流量連續(xù)性方程。當(dāng)壓下到預(yù)設(shè)位置，操作手柄向后推動(dòng)，鍛造結(jié)束后，向后推動(dòng)手柄，主缸進(jìn)液比例閥和回程缸排液比例閥關(guān)閉，然后觸發(fā)數(shù)字開(kāi)關(guān)信號(hào)發(fā)訊，使主缸排液閥按照一定比例的斜坡開(kāi)啟，保證卸壓的平穩(wěn)性，壓機(jī)處于停止位。

(3)回程階段。進(jìn)入回程區(qū)域后，操作手柄推動(dòng)角度僅與回程缸進(jìn)液閥開(kāi)口大小成比例，主缸排液閥一直處于最大開(kāi)口狀態(tài)，回程速度完全由回程缸進(jìn)液閥決定。

2能耗計(jì)算模型

基于自由鍛造油壓機(jī)液壓控制系統(tǒng)原理，可得常鍛工況壓力流量分布圖，如圖3所示。自由鍛造油壓機(jī)泵輸入功率主要由對(duì)負(fù)載所做有用功、節(jié)流損耗和溢流損耗組成，管路能量損失可忽略不計(jì)[18]。

圖3　系統(tǒng)壓力流量分布圖

取單個(gè)典型工作過(guò)程為一個(gè)能耗計(jì)算周期，時(shí)間為T(mén)。通過(guò)采集圖3所示系統(tǒng)各關(guān)鍵元件處的前后壓力及通過(guò)該元件的流量，經(jīng)過(guò)計(jì)算可得出該元件的能耗，進(jìn)而求出系統(tǒng)各部分能量的分布狀態(tài)。系統(tǒng)的輸入功，即泵總的輸出功為

(1)

式中，ps為系統(tǒng)輸出壓力；qs為所有泵輸出流量之和。

由于采集鍛件受力值存在一定的困難，故計(jì)算有用功時(shí)采用負(fù)載消耗功，其計(jì)算公式為

(2)

式中，p2為主缸壓力；p3為回程缸壓力；Az為主缸面積；Ah為回程缸面積；v為活動(dòng)橫梁移動(dòng)的速度。

節(jié)流損失能耗主要存在于主缸和回程缸油路的電液比例插裝閥，其計(jì)算公式為

(3)

式中，Wsv1、Wsv2、Wsv3、Wsv4分別為主缸排液比例閥、主缸進(jìn)液比例閥、回程缸進(jìn)液比例閥及回程缸排液比例閥的能耗；p1為主缸進(jìn)液比例閥及回程缸進(jìn)液比例閥前壓力；p0為油箱壓力；p2為主缸壓力；p3為回程缸壓力；q2、q3、q4、q5分別為通過(guò)主缸進(jìn)液比例閥、回程缸排液比例閥、主缸排液比例閥、回程缸進(jìn)液比例閥的體積流量。

溢流損失功由溢流閥壓差及溢流流量計(jì)算得出。溢流損失功計(jì)算公式為

(4)

式中，q1為溢流閥組體積流量之和。

3仿真模型研究

為更加準(zhǔn)確地對(duì)油壓機(jī)常鍛工況進(jìn)行能耗分析，研究關(guān)鍵參數(shù)對(duì)油壓機(jī)常鍛工況能耗的影響，以20 MN鍛造油壓機(jī)為例，建立其仿真模型，并通過(guò)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)其仿真模型進(jìn)行修正。

3.1控制流程

仿真過(guò)程通過(guò)手柄位置給定控制信號(hào)來(lái)模擬，具體控制流程如圖4所示。

圖4　控制流程

假定油壓機(jī)按圖4所示預(yù)設(shè)位移曲線運(yùn)行，A、B、C、D、F、E點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)快速下行、減速下行、壓下、下壓位移設(shè)置點(diǎn)、卸壓返程、減速各個(gè)階段開(kāi)始點(diǎn)，當(dāng)活動(dòng)橫梁運(yùn)動(dòng)到各個(gè)階段的起始點(diǎn)時(shí)，觸發(fā)相應(yīng)斜坡信號(hào)，以控制相應(yīng)的比例閥的開(kāi)度，進(jìn)而控制液壓缸輸入輸出流量大小，使油壓機(jī)完成相應(yīng)動(dòng)作。另外圖4中不同的比例增益k值決定了斜坡信號(hào)的不同斜率，進(jìn)而決定了比例閥不同的開(kāi)啟速度。k值大小可根據(jù)工藝及操作工操作感調(diào)試設(shè)定。根據(jù)油壓機(jī)壓下速度和返程速度的需求，壓下時(shí)采用8臺(tái)定量泵供給，返程時(shí)則采用6臺(tái)定量泵，流量稍大于油壓機(jī)速度要求。

3.2仿真模型及參數(shù)

以20 MN油壓機(jī)電液比例控制系統(tǒng)為例，外負(fù)載通過(guò)AMESim液壓庫(kù)中的LSTP00A-elastic contact單元來(lái)模擬，利用AMESim建立其仿真模型。因主缸和回程缸固連在活動(dòng)橫梁上，可簡(jiǎn)化為雙作用單出桿液壓缸。

本文中利用AMESim中的活性指數(shù)工具進(jìn)行能量分析，該工具可以對(duì)系統(tǒng)能量的分布以及能量的主被動(dòng)項(xiàng)作直觀系統(tǒng)的評(píng)價(jià)。AMESim中液壓閥的能耗可以直接從仿真后閥的變量中提取出來(lái)。泵的輸入功通過(guò)采集泵口壓力和流量得出。

仿真模型中參數(shù)設(shè)定見(jiàn)表1?？粘炭煜潞突爻趟俣茸畲笾禐?50 mm/s，工進(jìn)最大速度為100 mm/s，系統(tǒng)壓力設(shè)置為31.5 MPa。

3.3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

基于20 MN油壓機(jī)加載測(cè)試數(shù)據(jù)，與仿真曲線相比較，以修正仿真模型。20 MN油壓機(jī)仿真和實(shí)驗(yàn)曲線對(duì)比如圖5所示。

從圖5可以看出，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，動(dòng)梁先快速下行，接觸工件前為防止沖擊鍛件產(chǎn)生振動(dòng)，將回程缸排液比例閥開(kāi)口減小，此時(shí)動(dòng)梁的速度減小。接觸鍛件，主缸進(jìn)液比例閥打開(kāi)，主缸的壓力開(kāi)始增大至17.5 MPa，進(jìn)入工進(jìn)階段，由于回程缸排液比例閥閥口與主缸進(jìn)液比例閥閥口按比例變化，手柄向前推動(dòng)隨著閥口開(kāi)大，回程缸壓力逐漸減小。工進(jìn)結(jié)束后，手柄回置小角度，節(jié)流作用造成回程缸壓力迅速增大。卸壓時(shí)，主缸的壓力迅速減小，隨后壓機(jī)快速回程，回程缸壓力快速增大至24 MPa，由于主缸排液閥的存在壓降，主缸壓力維持在2 MPa。到達(dá)上工位點(diǎn)前，回程缸進(jìn)液比例閥開(kāi)度減小，動(dòng)梁減速回到上工位點(diǎn)，回程缸進(jìn)液比例閥和主缸排液比例閥關(guān)閉，鍛造結(jié)束。

表1　主要仿真參數(shù)設(shè)置

(a)位移曲線

1.實(shí)驗(yàn)主缸壓力　2.仿真主缸壓力3.實(shí)驗(yàn)回程缸壓力　4.仿真回程缸壓力(b)壓力曲線圖5　仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比

由圖5可知，實(shí)驗(yàn)和仿真壓力及位移曲線走勢(shì)相同，驗(yàn)證了仿真模型的正確性，但是由于忽略了管道、泄漏等因素的影響，仿真曲線響應(yīng)稍快于實(shí)測(cè)曲線，這對(duì)研究常鍛工況的能耗分布規(guī)律及影響因素影響很小，故本文基于此仿真模型開(kāi)展能耗特性分析。

4能耗特性分析

4.120 MN油壓機(jī)常鍛工況能耗分析

根據(jù)能耗計(jì)算方法以及仿真結(jié)果，可得系統(tǒng)各比例節(jié)流閥節(jié)流損失及泵口溢流損失，見(jiàn)表2(系統(tǒng)總輸入功為3 482 150 J)。系統(tǒng)的位移壓力曲線如圖6所示。

表2　系統(tǒng)關(guān)鍵點(diǎn)元件能耗

1.仿真位移　2.仿真主缸壓力3.仿真回程缸壓力　4.仿真泵口壓力圖6　位移壓力仿真曲線

結(jié)合表2和圖6分析可知，主缸進(jìn)液閥在系統(tǒng)空程下降和停止階段不可避免地存在小開(kāi)口情況，由于節(jié)流作用使泵口壓力升至溢流壓力，導(dǎo)致比例閥壓降過(guò)大，造成較大的節(jié)流損失，占系統(tǒng)總輸入功的27.83%。

回程缸排液比例閥在空程階段調(diào)節(jié)下降速度，會(huì)產(chǎn)生一定的節(jié)流損失，在工進(jìn)階段閥口全開(kāi)，不會(huì)產(chǎn)生節(jié)流損失，因此，回程缸排液比例閥處能耗較小，占系統(tǒng)總輸入功的2.57%。

在回程階段，回程缸進(jìn)液比例閥快速開(kāi)啟，產(chǎn)生的節(jié)流損失較小。但是在達(dá)到上工位點(diǎn)前，為防止急停產(chǎn)生沖擊，回程缸進(jìn)液比例閥開(kāi)口減小，動(dòng)梁減速，造成了5.12%的節(jié)流損失。主缸排液比例閥在回程階段直接全部打開(kāi)，但是由于通過(guò)該閥口的流量較大，閥前后存在一定壓差，故該節(jié)流損失占系統(tǒng)總輸入功的4.23%。

溢流閥組處能耗損失較大，只要系統(tǒng)的流量輸入大于活動(dòng)橫梁的速度需求，且兩者差值越大，產(chǎn)生的溢流損失越大，占系統(tǒng)總輸入功的38.21%。

4.2不同負(fù)載對(duì)能耗特性的影響分析

自由鍛造油壓機(jī)通常會(huì)工作在部分載荷區(qū)，以20 MN自由鍛造油壓機(jī)為研究對(duì)象，設(shè)其工作在1200 t、1700 t、2000 t三種不同負(fù)載工況時(shí)，分別進(jìn)行鍛造過(guò)程仿真，壓機(jī)位移曲線仿真結(jié)果如圖7所示。

1.負(fù)載1200 t　2.負(fù)載1700 t　3.負(fù)載2000 t圖7　不同負(fù)載下位移曲線

由圖7可以看出，在不同負(fù)載、相同的控制流程下，壓機(jī)的空程下降過(guò)程中位移曲線相同，而接觸工件后小負(fù)載鍛件的變形速度快。返程過(guò)程中位移曲線的變化不受負(fù)載影響，因此，不同負(fù)載下返程階段位移曲線走勢(shì)相同。在三種不同負(fù)載下，各比例閥閥口處節(jié)流損失對(duì)比如圖8所示。

(a)主缸進(jìn)液比例閥能耗

(b)回程缸排液比例閥能耗

(c)回程缸進(jìn)液比例閥能耗

從圖8中各曲線分析可以看出，由于負(fù)載的增大，除主缸排液比例閥外，其他三處比例閥兩端壓差均減小，這樣就使得其總能耗值都是隨著負(fù)載值的增加而降低。對(duì)于主缸排液比例閥，負(fù)載較大時(shí)返程初始主缸背壓較大，使得主缸排液閥兩端的壓差較大，在流量相同時(shí)，能耗較大。不同負(fù)載下溢流閥處能耗對(duì)比如圖9所示。

1.負(fù)載1200 t　2.負(fù)載1700 t　3.負(fù)載2000 t圖9　不同負(fù)載下溢流閥處能耗

從圖9可以看出，負(fù)載較小時(shí)工進(jìn)速度較快，工進(jìn)時(shí)間較短，使得停止時(shí)間較長(zhǎng)，而停止時(shí)系統(tǒng)流量全部溢流，這樣就使得溢流閥溢流量增加，造成更多的能量浪費(fèi)。不同負(fù)載作用下的系統(tǒng)能量傳遞效率對(duì)比分析見(jiàn)表3。

表3　不同負(fù)載下能量傳遞效率對(duì)比

通過(guò)對(duì)比表3中數(shù)據(jù)可以看出，隨著負(fù)載設(shè)定值的增加，系統(tǒng)所做有用功增加。同時(shí)，使得系統(tǒng)能量傳遞效率隨著負(fù)載設(shè)定值的增加而有了明顯的提升。因此，在實(shí)際工程中，壓機(jī)在滿(mǎn)載時(shí)工作能量利用率較高，要盡量避免使油壓機(jī)“大馬拉小車(chē)”，從而提高能量利用率。

4.3操作工操作速度對(duì)能耗特性的影響分析

操作工的熟練程度決定其操作速度，而操作速度對(duì)壓機(jī)的能量傳遞效率也會(huì)產(chǎn)生影響。

將負(fù)載設(shè)定為2000 t，此時(shí)調(diào)節(jié)四個(gè)閥的輸入信號(hào)比例增益k值，可模擬操作工操作速度的影響。操作越快，k值越大，完成相同閥口開(kāi)度所用時(shí)間較短，反之亦然。

調(diào)整操作速度前后的閥輸入信號(hào)對(duì)比，如圖10所示。由圖10可知，各比例閥的啟閉斜率對(duì)比明顯，可以用來(lái)進(jìn)行能耗機(jī)理對(duì)比研究。通過(guò)仿真對(duì)比分析，得到操作速度不同時(shí)的位移曲線，如圖11所示。

(a)主缸進(jìn)液比例閥輸入信號(hào)

(b)回程缸排液比例閥輸入信號(hào)

(c)回程缸進(jìn)液比例閥輸入信號(hào)

(d)主缸排液比例閥輸入信號(hào)圖10　操作速度不同時(shí)各比例閥的輸入信號(hào)對(duì)比

圖11　操作速度不同時(shí)的位移曲線

由圖11可知，在同一負(fù)載下，操作速度不同時(shí)，二者位移趨勢(shì)相同，下行的行程和工件壓縮量也相同。

操作速度不同時(shí)各閥處節(jié)流損耗對(duì)比如圖12所示。由圖12中的對(duì)比分析可以看出，操作速度不同，下行階段的主缸進(jìn)液比例閥和回程缸排液比例閥能耗值對(duì)比較為明顯，主缸進(jìn)液比例閥在操作快時(shí)能耗約為操作慢時(shí)能耗的81.32%，回程缸排液比例閥能耗為操作慢時(shí)能耗的86.43%，即下行過(guò)程在操作慢時(shí)能耗值較高。主缸排液比例閥能耗在操作快時(shí)與操作慢時(shí)的比較，能耗降低了14.1%，回程缸進(jìn)液比例閥能耗在操作慢時(shí)比操作快時(shí)能耗多9.63%。

(a)主缸進(jìn)液比例閥能耗

(b)回程缸排液比例閥能耗

(c)回程缸進(jìn)液比例閥能耗

(d)主缸排液比例閥能耗圖12　操作速度不同時(shí)各比例閥處節(jié)流損失對(duì)比

從各比例閥的節(jié)流能耗對(duì)比可以看出，操作慢時(shí)系統(tǒng)完成動(dòng)作所需時(shí)間較長(zhǎng)，節(jié)流損失增大，從而體現(xiàn)出操作工的熟練操作能使系統(tǒng)更加節(jié)能。

系統(tǒng)總能耗中溢流閥處溢流損失所占比重較高。操作速度不同時(shí)，溢流閥處溢流能耗曲線如圖13所示。

圖13　操作速度不同時(shí)溢流閥處能量損失對(duì)比

對(duì)比圖13中的操作速度不同時(shí)溢流閥能耗損失可知，閥啟閉慢時(shí)會(huì)造成大量的溢流損失，這樣就使得其溢流能耗大大增加，較快啟閉速度時(shí)的溢流損失約為較慢啟閉速度時(shí)溢流損失的90.21%，降低了系統(tǒng)溢流損失。操作速度不同時(shí)的能耗分析見(jiàn)表4。

表4　操作速度不同時(shí)能量傳遞效率對(duì)比

由前文分析和表3中的能耗值對(duì)比可知，在同一負(fù)載下，熟練的操作可以使得系統(tǒng)整體節(jié)流損失與溢流損失都減少，這樣使得系統(tǒng)能量傳遞效率提高。因此，提高操作工的熟練程度對(duì)降低能耗提高能量利用率起著關(guān)鍵的作用。

5結(jié)論

(1)針對(duì)自由鍛造油壓機(jī)常鍛工藝，本文建立了其能耗計(jì)算模型，給出了其控制流程，并以20 MN自由鍛造油壓機(jī)為例，建立了其仿真模型，通過(guò)20 MN油壓機(jī)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了仿真模型的正確性，為常鍛工藝能耗特性研究打下了基礎(chǔ)。

(2)常鍛鍛造過(guò)程中，由于活動(dòng)橫梁速度變化范圍較大，恒定的流量源輸入不能匹配負(fù)載的變化，導(dǎo)致20 MN自由鍛造油壓機(jī)電液比例控制系統(tǒng)的能量利用率僅為14.3%。

(3)雖然比例閥的使用提高了系統(tǒng)的控制精度和操作工操控感，但是由于伺服手柄與比例閥開(kāi)口度成比例，在操作手柄前后運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，比例閥不可避免地要經(jīng)過(guò)小開(kāi)口，在比例閥兩端形成很大壓降，導(dǎo)致較大的能量損失。

(4)常鍛工況時(shí)，不同負(fù)載下能耗不同，負(fù)載越大，能量利用率越高，系統(tǒng)能量傳遞效率越高，所以壓機(jī)盡量避免工作在部分載荷工況。操作速度也影響系統(tǒng)能量利用率，其他工作條件相同時(shí)，較快的操作可提高系統(tǒng)能量利用率，這樣就要求操作工要熟練操作壓機(jī)，從而提高系統(tǒng)能量利用率。

參考文獻(xiàn)：

[1]高峰, 郭為忠, 宋清玉, 等.重型制造裝備國(guó)內(nèi)外研究與發(fā)展[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2010,46(19): 92-107.

Gao Feng, Guo Weizhong, Song Qingyu,et al. Current Development of Heavy-duty Manufacturing Equipments[J]. Journal of Mechanical Engineering,2010, 46(19): 92-107.

[2]姚保森. 我國(guó)鍛造液壓機(jī)的現(xiàn)狀及發(fā)展[J]. 鍛壓裝備與制造技術(shù), 2005,40(3): 84-86.

Yao Baosen. States and Development of Chinese Hydraulic Forging Press[J].China Metalforming Equipment & Manufacturing Technology,2005,40(3): 84-86.

[3]王峰.12.5 MN快速鍛造液壓機(jī)電液控制系統(tǒng)的研制與開(kāi)發(fā)[D].濟(jì)南：山東大學(xué), 2012.

[4]陳柏金. 16 MN快鍛液壓機(jī)控制系統(tǒng)研究[J].中國(guó)機(jī)械工程, 2008,19(8): 990-993.

Chen Baijin. Development of the Control System for 16 MN Fast Forging Hydraulic Press[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2008, 44(10): 304-307.

[5]Kim S Y, Tsuruoka K,Yamamoto T. Effect of Forming Speed in Precision Forging Process Evaluated Using CAE Technology and High Performance Servo-press Machine[J].Procedia Engineering,2014,81:2415-2420.

[6]Liang Jintao, Zhao Shengdun, Xie Jia. Research on Hybrid-loop Servo Control System of Double Toggle Mechanical Press for Flexible Process[J].Journal of Mechanical Engineering, 2014, 50(7): 120-127.

[7]劉忠偉, 鄧英劍. 巨型模鍛液壓機(jī)同步控制系統(tǒng)建模及仿真[J]. 中國(guó)機(jī)械工程, 2014, 25(13): 1800-1806.

Liu Zhongwei, Deng Yingjian. Modeling and Simulation for Giant Forging Hydraulic Press Synchronous Control System[J]. China Mechanical Engineering, 2014, 25(13): 1800-1806.

[8]Fu Xianbin, Liu Bin, Zhang Yuncun,et al. Fault Diagnosis of Hydraulic System in Large Forging Hydraulic Press[J]. Measurement, 2014, 49(1): 390-396.

[9]郭曉鋒. 自由鍛造液壓機(jī)的發(fā)展與展望[J]. 重型機(jī)械, 2012(3): 29-32.

Guo Xiaofeng. Development and Outlook of Free Forging Hydraulic Press[J]. Heavy Machinery,2012(3): 29-32.

[10]Harald L,Weber J.Simulation-based Investigation of the Energy Efficiency of Hydraulic Deep Drawing Presses[C]//8th International Fluid Power Conference. Dresden,2013:116-124.

[11]Zhao Kai, Liu Zhifeng, Li Xinyu. Analytical Energy Dissipation in Large and Medium-sized Hydraulic Press[J]. Journal of Cleaner Production, 2014,103: 908-915.

[12]張新未, 張宏. PQ閥控液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性模擬[J]. 機(jī)電工程, 2011,28(1): 47-50.

Zhang Xinwei, Zhang Hong. Simulation of Dynamic Performance of the PQ Valve-controlled Hydraulic System[J].Journal of Mechanical & Electrical Engineering, 2011,28(1): 47-50.

[13]崔海峰, 馬岳峰, 王仁廣, 等. 可主動(dòng)調(diào)節(jié)四個(gè)輪缸壓力的ABS/ASR集成液壓系統(tǒng)[J].液壓與氣動(dòng),2005(4): 49-51.

Cui Haifeng, Ma Yuefeng, Wang Renguang,et al.ABS/ASR Integrated Hydraulic System with Active Pressure Regulator for 4 Wheel Cylinders[J].Chinese Hydraulics & Pneumatics, 2005(4):49-51.

[14]楊繼東, 王昌壘, 蘇振華. 31.5 MN快鍛液壓機(jī)蓄能器快鍛控制特性分析[J]. 重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2012,26(5): 33-36.

Yang Jidong, Wang Changlei, Su Zhenhua. Analysis on the Control Characteristics for 31.5 MN Fast Forging Hydraulic Press Using Accumulator[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science), 2012,26(5): 33-36.

[15]孫輝. 二次調(diào)節(jié)靜液傳動(dòng)車(chē)輛的關(guān)鍵技術(shù)及其優(yōu)化研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2009.

[16]劉軍. 基于負(fù)載敏感理論的注塑機(jī)節(jié)能系統(tǒng)研究[D]. 淄博：山東理工大學(xué), 2012.

[17]沈海闊, 金波, 陳鷹.基于能量調(diào)節(jié)的電液變轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2009,45(5): 209-213.

Shen Haikuo, Jin Bo, Chen Ying. Variable Speed Hydraulic Control System Based on Energy Regulation Strategy[J].Journal of Mechanical Engineering,2009,45(5): 209-213.

[18]郭悅. 閥控油壓機(jī)快鍛液壓系統(tǒng)能耗機(jī)理及節(jié)能控制研究[D].秦皇島：燕山大學(xué), 2014.

(編輯陳勇)

Regular Forging Energy Consumption Characteristics for Open-die Hydraulic Forging Press

Yao Jing1,2,3Wei Chenguang3Li Bin3Wang Feixue3

1.Hebei Province Key Laboratory of Heavy Machinery Fluid Power Transmission and Control,Qinhuangdao,Hebei,066004 2.Key Laboratory of Advanced Forging & Stamping Technology and Science,Ministry of Education of China,Qinhuangdao,Hebei,066004 3.Yanshan University,Qinhuangdao,Hebei,066004

Abstract：In order to analyze the energy distribution proportion of electro-hydraulic control system for a open-die forging hydraulic press, taking the regular forging process of 20 MN open-die forging press as the studied object and considering the operator influences, the operating mode and control method were given, the energy consumption calculation model and the hydraulic control system simulation model were established. Then, for the purpose obtaining the more accurate simulation model, the measured data of 20 MN fast forging hydraulic machine was used to verify the simulation model. Furthermore, based on the simulation model, the energy distribution for 20 MN open-die forging hydraulic electro-hydraulic proportional control system was simulated, especially focused on the influence rules of different loads and operator operating speed on the system energy consumption. The simulation results show that the energy utilization rate for 20 MN open-die hydraulic forging press is only 14.3% under conditions of maximum load, the main reasons of low efficiency is the constant flow rate input can not match the varied velocities of the load, and the energy utilization rate proportionally improves with increases of the load and the operating speed.

Key words：hydraulic press; regular forging; energy consumption; energy-saving; electric-hydraulic proportional control

收稿日期：2015-06-29

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51575471)；河北省青年自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(E2014203247)；河北省高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(QN2014147)

中圖分類(lèi)號(hào)：TH137.5

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.11.017

作者簡(jiǎn)介：姚靜，女，1978年生。燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院副教授。主要研究方向?yàn)橹匦蜋C(jī)械流體傳動(dòng)與控制系統(tǒng)和新型液壓元件。發(fā)表論文30余篇。魏晨光，男，1988年生。燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。李彬，男，1991年生。燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。汪飛雪(通信作者)，男，1980年生。燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院副教授。