李廣周 （天津重鋼機械裝備股份有限公司 天津300459）

蓄能器在Y41-500型油壓機中的節(jié)能應(yīng)用實踐

李廣周 （天津重鋼機械裝備股份有限公司 天津300459）

蓄能器作為液壓系統(tǒng)中的重要輔件，對于間歇性負荷且瞬間需提供大量壓力油的油壓機而言，蓄能器的應(yīng)用必不可少。簡單介紹了Y41-500型單柱油壓機的設(shè)計背景、思路以及應(yīng)用效果，并就蓄能器的分類、功能及選用，以及對油壓機典型的液壓回路和帶有蓄能器液壓源回路的性能及其流量進行了比較。結(jié)果表明，配置蓄能器的Y41-500型單柱油壓機的液壓源回路具有明顯的節(jié)能效果。

蓄能器 節(jié)能 油壓機 液壓系統(tǒng) 虛擬樣機

0 引言

我公司業(yè)務(wù)主要以承接重型裝備和高端鋼制品的生產(chǎn)制造為主，經(jīng)常會遇到板材、型材及構(gòu)件需沖壓、彎曲、翻邊薄拉伸或校直等多種工藝操作，而本公司又沒有油壓機，基本上所有需冷加工工件全部外包，每年僅外包冷加工費就在200萬元左右。設(shè)備的缺失、費用的高昂，在一定程度上影響了公司業(yè)務(wù)的快速健康發(fā)展。

結(jié)合公司生產(chǎn)實際和油壓機種類及性能，Y41-500型單柱油壓機基本可以滿足實際生產(chǎn)需要。如購置費用大概在130萬/臺左右，但該機器間歇性操作能源浪費大、瞬間增大壓力較差、機型和結(jié)構(gòu)都達不到公司實際生產(chǎn)所需?？紤]到公司經(jīng)過近幾年的生產(chǎn)經(jīng)營和技術(shù)儲備，廠區(qū)內(nèi)部余存大量廢舊鋼板、報廢結(jié)構(gòu)件，同時公司技術(shù)研發(fā)實力的不斷提高，因此，2009年初，公司決定自主研發(fā)一臺帶懸臂吊的蓄能型Y41-500噸單柱油壓機以滿足生產(chǎn)所需。

1 Y41-500型單柱油壓機主體虛擬設(shè)計與技術(shù)參數(shù)

Y41-500（Y代表油壓機，41代表4個導(dǎo)向桿和1主缸，500代表許用最大壓力500 t）型單柱油壓機由主機及控制機構(gòu)兩大部分組成。油壓機主機部分包括機身、主缸、頂出缸、充液裝置及懸臂吊等。動力機構(gòu)由油箱、高壓泵、低壓控制系統(tǒng)、電動機及各種壓力閥和方向閥等組成。動力機構(gòu)在電氣裝置的控制下，通過泵和油缸及各種液壓閥實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換，調(diào)節(jié)和輸送，完成各種工藝動作的循環(huán)。

1.1 Y41-500型單柱油壓機主體虛擬設(shè)計

重新利用廠區(qū)余存大量廢鐵和報廢結(jié)構(gòu)件，運用虛擬樣機技術(shù)設(shè)計Y41-500型單柱油壓機機身、懸臂吊、梯子欄桿等主體結(jié)構(gòu)，虛擬樣機詳見附圖1。

圖1 Y41-500型單柱油壓機模型

機身為C型結(jié)構(gòu)；主缸采用單缸布置，其結(jié)構(gòu)為活塞式，分別由缸體、活塞桿、導(dǎo)套等組成，活塞桿下端與滑塊通過螺栓連接；滑塊采用4根導(dǎo)向桿導(dǎo)向，導(dǎo)向桿通過導(dǎo)套與機身配合；兩個懸臂吊主要由H型鋼和板材拼制而成，結(jié)構(gòu)簡單，承重較大，并采用液壓伸縮缸直接控制懸臂吊的旋轉(zhuǎn)，節(jié)省了人力，提高了效率。另外，本機行程控制位于主機機身右側(cè)，由機架、撞塊及行程開關(guān)組成，調(diào)節(jié)上下限位置，即可調(diào)節(jié)滑塊上下運動位置。

1.2 Y41-500型單柱油壓機主體結(jié)構(gòu)主要技術(shù)參數(shù)

將主體結(jié)構(gòu)虛擬樣機模型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化成DWG格式的平面圖，主要技術(shù)參數(shù)如圖2所示：

圖2 Y41-500型單柱油壓機主體結(jié)構(gòu)

2 蓄能器的分類、功能及選用

蓄能器是液壓系統(tǒng)中的重要輔件，對保證系統(tǒng)的正常運行，改善其動態(tài)品質(zhì)、保證工作穩(wěn)定性、延長工作壽命、降低噪聲等起著不可替代的作用。按儲能方式的不同，蓄能器可分為重力式、彈簧式和氣體式。重力式和彈簧式蓄能器在應(yīng)用上都有一定的局限性，因而很少使用，目前大量使用的是氣體加載式蓄能器。

氣體蓄能器的工作原理建立在波義耳定律（V=k/P,k為常數(shù)）上，通過壓縮氣體完成能量轉(zhuǎn)化。使用時首先向蓄能器充入預(yù)定壓力的氣體，當系統(tǒng)壓力超過蓄能器內(nèi)部壓力時，油液壓縮氣體，將油液中的壓力轉(zhuǎn)化為氣體內(nèi)能；當系統(tǒng)壓力低于蓄能器內(nèi)部壓力時，蓄能器中的油液在高壓氣體的作用下流向外部系統(tǒng)，釋放能量。選擇適當?shù)某錃鈮毫κ菤怏w加載式蓄能器的關(guān)鍵。

氣體蓄能器按結(jié)構(gòu)可分為管路消陣器、氣液直接接觸式、活塞式、隔膜式、氣囊式等。管路消陣器是直接安裝在高壓系統(tǒng)管路上的短管狀蓄能器，這種蓄能器響應(yīng)良好，能很好地消除高壓高頻系統(tǒng)中的高頻震蕩，多應(yīng)用于高壓消陣系統(tǒng)中。氣液直接接觸式蓄能器充入的是惰性氣體，其容量大、反應(yīng)靈敏、運動慣性小、沒有機械磨損，但因為氣液直接接觸，所以氣體消耗量大、元件易氣蝕、容積利用率低，附屬設(shè)備多、投資大?；钊叫钅芷骼没钊麑怏w和液體隔開，活塞和筒狀蓄能器內(nèi)壁之間有密封，所以油不易氧化，其壽命長、重量輕、安裝容易、結(jié)構(gòu)簡單、維護方便，但反應(yīng)靈敏性差、不適于低壓吸收脈動、尺寸小、充氣壓力有限、密封困難、氣液相混的可能性大。隔膜式蓄能器是兩個半球形殼體扣在一起，兩個半球之間夾著一張橡膠薄膜，將油和氣分開，其重量和容積比最小、反應(yīng)靈敏、低壓消除脈動效果顯著，但橡膠薄膜面積小、氣體膨脹受到限制、充氣壓力有限、容量小。氣囊式蓄能器由耐壓殼體、彈性氣囊、充氣閥、提升閥、油口等組成，可做成各種大小規(guī)格、適用于各種大小型液壓系統(tǒng)、膠囊慣性小、反應(yīng)靈敏、不易漏氣、沒有油氣混雜的可能、維護容易、附屬設(shè)備少、安裝容易、充氣方便，是目前使用最多的一種蓄能器。

通過以上分析，我們最終選擇氣囊式蓄能器，內(nèi)充氮氣或其他惰性氣體，作為我公司設(shè)計制造的Y41-500型單柱油壓機的節(jié)能減排、瞬間提供較大壓力的輔助系統(tǒng)。

3 蓄能器在Y41-500型單柱油壓機中的節(jié)能應(yīng)用實踐

Y41-500型單柱油壓機液壓回路中安裝氣囊式蓄能器，在減少液壓泵的驅(qū)動功率、節(jié)約能源、降低噪聲、消除脈動等方面效果非常明顯，另一方面還可以提高液壓系統(tǒng)的安全性和可靠性，特別對間歇操作、瞬時需提供較大流量的油壓機液壓系統(tǒng)來說，其節(jié)能效果更好。[1]

典型的液壓源回路，如圖3所示。配置蓄能器的液壓源回路，如圖4所示。這兩種回路表面區(qū)別只是是否帶有蓄能器，其實兩個回路性能差別非常大，這主要由蓄能器引起的。

下面我們就通過我公司自主研制的Y41-500型單柱油壓機液壓系統(tǒng)為例，對上述兩種液壓源回路進行分析計算。[2]已知該液壓系統(tǒng)最低工作壓力p1=16 MPa，最高工作壓力p2=31.5 MPa，一個工作循環(huán)需要時間1.3 min，系統(tǒng)中共有3個支路，控制3個液壓缸工作，當系統(tǒng)有一個支路工作時，此時系統(tǒng)處于最大流量，最大流量=78.8 L/min。此刻液壓缸動作所需的最大液壓油為15.7 L，一個工作循環(huán)液壓缸動作所需液壓油為35 L，液壓油工作溫度在-10～+55℃之間。

3.1 對于典型液壓源回路來說，液壓泵的流量可根據(jù)下式計算

式中：qp——液壓泵流量，L/min；κ——漏損系數(shù)，一般取1.1～1.2，此處取1.1；qmax——工作循環(huán)中某一時刻所需最大流量，qmax=78.8 L/min。

根據(jù)計算結(jié)果，系統(tǒng)所選定量泵的流量規(guī)格應(yīng)為qp=80 L/min。此時液壓泵的輸出功率為：

圖3 典型液壓源回路

圖4 配置蓄能器的液壓源回路

式中：pmax——系統(tǒng)最高壓力，MPa；η——泵的總效率，η=85%。

液壓泵的驅(qū)動功率根據(jù)電機標準選為55 kW。

3.2 對于配置蓄能器的液壓回路來說，液壓泵的流量可根據(jù)下式計算

式中：qp——液壓泵流量，L/min；κ——漏損系數(shù)，一般取1.1～1.2，此處取1.1；ΣV——一個工作循環(huán)中液壓缸動作所需油液體積總和，ΣV=35 L；Τ——一個工作循環(huán)所需時間，Τ=1.3 min。

根據(jù)計算結(jié)果所選取的液壓泵的流量規(guī)格應(yīng)規(guī)整為q'p=30 L/min，此時液壓泵的輸出功率為：

式中：pmax——系統(tǒng)最高壓力，MPa；η——泵的總效率，η=85%。

液壓泵的驅(qū)動功率根據(jù)電機標準選為22 kW。

當系統(tǒng)中一個支路動作時所需的最大有效體積為15.7 L，可由蓄能器瞬時提供壓力油。

在55℃時蓄能器的充氣壓力為：

在-10℃時蓄能器的充氣壓力為：

3.3 蓄能器的體積可用下面公式計算出

式中：V0——蓄能器的體積，L；Vx——蓄能器有效體積，L；p1——系統(tǒng)最低工作壓力，MPa；p0——蓄能器充氣壓力，應(yīng)在p10＜p0＜p55范圍之內(nèi)選取，此處取p0=13 MPa；n——指數(shù)（等溫時，n=1；絕熱時，n=1.4）。

根據(jù)計算結(jié)果選用40 L蓄能器2個，體積為80 L，滿足Y41-500型單柱油壓機系統(tǒng)要求，充氮壓力根據(jù)《液壓傳動與氣動》一書中規(guī)定為最小工作壓力的60%～70%和最高工作壓力的25%之間。經(jīng)過推算80 L的蓄能器有效工作體積為19.8 L。在進行工況核算中，需逐一對工作循環(huán)中的每個工況進行有效體積的校核。蓄能器在本油壓機中的應(yīng)用實踐見圖5。

圖5 蓄能器在油壓機中的應(yīng)用

4 結(jié)果分析

兩種液壓源回路的計算結(jié)果比較，如表1所示：

表1 兩種油壓機液壓源回路計算結(jié)果比較

從上述計算的數(shù)據(jù)以及表1中，不難看出Y41-500型單柱油壓機兩種液壓回路在液壓泵流量及電機功率的選擇上結(jié)果相差較大。采用配置蓄能器的Y41-500型單柱油壓機液壓源回路與典型液壓源回路相比，液壓泵的輸出流量可以降低50 L/min，電機驅(qū)動功率也可以縮小33 kW，節(jié)能效果非常明顯，其經(jīng)濟效益和社會效益也極為顯著。

5 結(jié)束語

帶懸臂吊Y41-500蓄能型單柱油壓機于2009年底正式投入使用，如圖6，該機操作簡單，使用方便，更重要的是節(jié)約能源、節(jié)省人力、使用壽命長，系21世紀節(jié)能新產(chǎn)品、新技術(shù)、新工藝的應(yīng)用、創(chuàng)新與實踐。制造用料大部分為公司內(nèi)部廢料，可以說是變廢為寶，且創(chuàng)造了不可估量的經(jīng)濟和社會價值，體現(xiàn)了我公司推行綠色制造技術(shù)進步和創(chuàng)建資源節(jié)約環(huán)境友好型企業(yè)的具體舉措。

圖6 Y41-500型單柱油壓機

蓄能器作為具有間歇性工況要求的Y41-500型油壓機液壓系統(tǒng)中的輔助裝置，給該液壓系統(tǒng)帶來的經(jīng)濟、節(jié)能、可靠、環(huán)保等效果是非常明顯的，值得推廣應(yīng)用?！?/p>

[1]王肇霞，盧長志，趙福生.蓄能器在節(jié)能系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].機械工程師，1989，（3）：34-36.

[2]鄢吉多.蓄能器在液壓源回路中的應(yīng)用于研究[J].貴陽金筑大學(xué)學(xué)報，2005，57（1）：110-112.

2011-09-06