何汝迎，何榮志，周志強(qiáng)

(寧波寶新不銹鋼有限公司，浙江 寧波 315807)

0 前言

在冶金行業(yè)，大量生產(chǎn)是間隙工作制，液壓系統(tǒng)能量實際利用率普遍在30%以下，尤其在冷軋不銹鋼這樣全連續(xù)慢節(jié)奏生產(chǎn)中，其頭尾設(shè)備液壓系統(tǒng)平均利用率僅10%左右，大量能量消耗在電機(jī)-泵、執(zhí)行元件空載，液壓系統(tǒng)內(nèi)泄和循環(huán)冷卻系統(tǒng)上，能耗損失嚴(yán)重。如何通過分析冷軋工藝運(yùn)行的特點(diǎn)，找出一套改進(jìn)液壓設(shè)計的新方法，達(dá)到進(jìn)一步節(jié)能降耗的目的。

1 冶金行業(yè)液壓系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)

冶金行業(yè)全連續(xù)機(jī)組的工作特點(diǎn)是:頭尾設(shè)備輔助運(yùn)行時間短，來料越薄，產(chǎn)品質(zhì)量要求越高，每卷生產(chǎn)的時間越長，液壓系統(tǒng)有用做功時間越短;設(shè)備運(yùn)行時序化，且每步運(yùn)行所需的液壓系統(tǒng)的壓力和流量均不相同;由于冶金產(chǎn)品單位卷重大，在提升過程中需要高壓，但下降時實際是做功，沒有有效利用。因此傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)雖然在設(shè)計上使用了許多的節(jié)能運(yùn)行手段，但對于冷軋薄板全連續(xù)機(jī)組而言，效果并不理想，主要存在4大能耗:電機(jī)-泵空載能耗、負(fù)載空載能耗、內(nèi)泄能耗、循環(huán)冷卻系統(tǒng)能耗。根據(jù)現(xiàn)場統(tǒng)計，不銹鋼冷軋行業(yè)液壓系統(tǒng)能耗分析如圖1所示。由此看出，空載能耗占了較大比重，如何實現(xiàn)節(jié)能快贏關(guān)鍵在此。

圖1 能耗分析圖Fig.1 hydraulic energy consumption analysis

2 液壓系統(tǒng)能耗原因分析

冶金行業(yè)液壓系統(tǒng)對外作功呈如圖2所示的典型周期性特征，其中T為單位產(chǎn)品生產(chǎn)周期，在生產(chǎn)輔助時間t峰內(nèi)系統(tǒng)集中大量對外作功，系統(tǒng)能量和對外功率需求變化快速而劇烈，系統(tǒng)曾現(xiàn)大功率大能量需求，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入正式生產(chǎn)過程t谷時，系統(tǒng)僅需小流量來維持系統(tǒng)內(nèi)泄漏和少量對外作功;一般地，qmax∶q=(2～4)∶1，t谷:t峰=(1 ～15)∶1。

傳統(tǒng)設(shè)計方法是按照系統(tǒng)功率來設(shè)計液壓站的裝機(jī)容量，F(xiàn)1和F2是傳統(tǒng)液壓站泵裝機(jī)容量的2種典型設(shè)計方法，該方法能耗最高。

圖2 負(fù)載流量需求曲線Fig.2 time-sequence flow curves

同時在傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)設(shè)計中，一般由系統(tǒng)單一壓力源來滿足所有液壓執(zhí)行元件作功需求，大量使用壓力控制閥和調(diào)速閥造成負(fù)載空載消耗，這在快節(jié)奏生產(chǎn)周期中，能耗尤為明顯;液壓執(zhí)行元件與其輸入功率不匹配，輸入功率遠(yuǎn)大于負(fù)載實際需求，高壓能經(jīng)閥控元件和管路最終變成熱能損失掉;單一高壓力源也增大了液壓系統(tǒng)內(nèi)泄漏，內(nèi)泄漏與壓力平方根成正比，減小壓力也就減小了系統(tǒng)內(nèi)泄漏。如果系統(tǒng)不發(fā)熱，也就不需要進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，達(dá)到進(jìn)一步節(jié)電效果。

3 解決問題的方法

根據(jù)以上分析，可以按照平均功率需求設(shè)計法 (F3)，該方法可以進(jìn)一步消除泵-電機(jī)空載能耗，具有較小內(nèi)泄漏和無需強(qiáng)制冷卻。主要運(yùn)用三大策略來實現(xiàn):

(1)構(gòu)建多壓力動力源，實行主、輔工作泵制度，以此消除電機(jī)-泵空載損耗;

(2)構(gòu)建多壓力源雙壓力控制回路系統(tǒng)，降壓降內(nèi)泄，降負(fù)載空載損耗;

(3)系統(tǒng)降低能耗后不發(fā)熱，省略強(qiáng)制冷卻功耗。

3.1 負(fù)載時序能耗設(shè)計方法

一般地，液壓執(zhí)行元件對外作功有嚴(yán)格的時間順序性，負(fù)載時序能耗設(shè)計，就是將每個液壓回路執(zhí)行元件，按照實際對外作功需求，將其完整的動作過程進(jìn)行分解成若干段，每一段都有不同的壓力需求，分別記下各壓力P并求出其對外作功理論能量之和。

系統(tǒng)規(guī)定，對外作功，P＞0，Q＞0，記Wt1＞0;不對外作功，壓力P=0，Q＞0，記Wt2=0;系統(tǒng)被外界作功，P＜0，Q＞0，記Wt3＜0，如鋼卷小車在鋼卷重力作用下下降，外界可以對負(fù)載反作功，該能量可以回收利用。每個液壓執(zhí)行元件動作時，這3種情況中的任意一種或幾種都可能貫穿其中，對于每個液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在不同時間，不同行程位置都可能有不同對外作功情況，將單周期內(nèi)單次完整動作作功情況分別統(tǒng)計出來并求和，即W單1=Wt1+Wt2+Wt3。

例如，鋼卷小車運(yùn)輸鋼卷的過程為:空載上升→負(fù)載提升→保壓→負(fù)載下降→空載下降，其對應(yīng)的作功情況為:Wt2→Wt1→Wt2→Wt3→Wt2。

液壓系統(tǒng)對外作功，以P×V來計算其所需要能量，P的單位為MPa，V的單位為L，其能量單位為MPa·L;P為負(fù)載對外作功時的最小壓力需求，不計算其實際損耗值。

在實際生產(chǎn)中，單位產(chǎn)品的生產(chǎn)可能需要這些液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)多次動作，設(shè)以i代表某液壓回路所有執(zhí)行元件，m代表單位產(chǎn)品內(nèi)該機(jī)構(gòu)動作對外作功次數(shù)，Wi代表單位產(chǎn)品內(nèi)該回路對外作功最低需求能量，即Wi=W單i×mi=(Wt1+Wt2+Wt3) ×mi。

設(shè)某系統(tǒng)有n個液壓回路，則這n個回路單位產(chǎn)品周期內(nèi)作功為:

傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)設(shè)計方法為:以某液壓系統(tǒng)為例，該液壓系統(tǒng)由14 MPa壓力源供給全部液壓回路，該液壓回路中，某鋼卷小車提升最大負(fù)載為31 t，平均卷重20.5 t，其提升油缸規(guī)格為:￠250×￠180×1250以該回路對外作功時最小需求壓力和壓力油體積需求PV值來計算。

系統(tǒng)壓力P為14．0 MPa，鋼卷小車提升油缸V為有桿腔和無桿腔全部最大體積之合，V=76.5 L，傳統(tǒng)設(shè)計方法，單次動作所需要的能耗約為:

但如果按小車運(yùn)輸鋼卷過程:空載上升→負(fù)載提升→保壓→負(fù)載下降→空載下降，油缸首先空載上升450 mm后接觸鋼卷需要壓力P1，體積V1;然后提升鋼卷再上升600 mm至1 050 mm，需要壓力P2，體積V2;然后保壓水平運(yùn)行需要壓力P3，體積V3;運(yùn)卷到位后，負(fù)載下降到450 mm處需要壓力P4，體積V4;然后小車空載下降回到原位，需要壓力P5，體積V5;其作功之和為:P1×V1+P2×V2+P3×V3+P4×V4+P5×V5。

空載上升時，P1=0，V1＞0;P2保壓時P3=0且V3=0;負(fù)載下降時，P4＜0，V4＞0;空載下降時，P5=0，V5＞0;經(jīng)計算，得到V1=24.5 L，V2=29.4 L，V3=0，V4=15.3 L，V5=11.4 L。

首先，計算出鋼卷最小提升壓力:P小=6.32 MPa，另外還有鋼卷小車自重和運(yùn)動時的摩擦力，按最小提升壓力7.0 MPa計算，即，鋼卷小車只需要7.0 MPa就能滿足所有鋼卷正常提升需要，在下降過程中，鋼卷靠重力下降，負(fù)載對液壓系統(tǒng)可以反作功，按平均卷重20.5 t計算，下降時在無桿腔可以得到最高壓力－4.1 MPa，這個壓力源可以回收利用。

所以W實=P1×V1+P2×V2+P3×V3+P4×V4+P5×V5=143.7 MPa·L

傳統(tǒng)設(shè)計方法計算所需要的能量為:1071.6 MPa·L，新方法實際計算得到最大需求為143.7 MPa×L，兩者比值為:W傳÷W實=1071.6÷143.7=7.5，兩者相差很大，說明可以進(jìn)行節(jié)能改造的空間很大。按實際使用情況計算，可以得到最小液壓輸入能量，進(jìn)行液壓系統(tǒng)節(jié)能改造設(shè)計。

但在實際使用時，空載并不為0，用3.0 MPa低壓源去滿足實際空載驅(qū)動，所以上述鋼卷小車實際能耗為:

按照數(shù)據(jù):75.3、205.8、－96.4、34.2繪制時能耗圖，如圖3所示。

圖3 負(fù)載作功時序能耗分析圖Fig.3 time-sequence energy analysis curves

因此，可以將每一個液壓回路按實際生產(chǎn)中的具體使用情況，逐一統(tǒng)計出實際需求能耗，繪制出每個液壓回路能耗-時間需求圖表，最終得到系統(tǒng)總能耗需求圖，該系統(tǒng)全部負(fù)載對外作功總和W總即為設(shè)計系統(tǒng)能耗理論數(shù)據(jù)。

3.2 多壓力源設(shè)計

由圖3得到一個系統(tǒng)全部能耗需求，根據(jù)分布特征，得到符合統(tǒng)計學(xué)規(guī)律的2～4個明顯特征的壓力源:大部分壓力源適合于低壓和中壓特征，極少數(shù)壓力源符合高壓特征，因此可以用2～4個壓力源來替代原單一壓力源，對于實際設(shè)計而言，可以憑設(shè)計經(jīng)驗方便地得到所需要的幾個壓力源。

壓力源劃分原則:當(dāng)系統(tǒng)最高使用壓力P≤10 MPa時，可以簡單分為低壓和中壓，一般地取P低=2～4 MPa和P中=7～10 MPa;對于使用壓力10 MPa＜P≤16 MPa的液壓系統(tǒng)，可以簡單分為低壓、中壓和中高壓源，即P低、P中和 P中高，一般地取 P低=2～4 MPa、P中=7～10 MPa，P中高=12 ～16 MPa，且 P中高對于系統(tǒng)而言，實際上只有極少數(shù)幾個液壓回路可能會用到，所以可以使用局部增壓回路來滿足其實際需求;對高壓小系統(tǒng)而言，可以簡單劃分為低壓和高壓源，即P低=2～4 MPa，P高=Pmax，Pmax為系統(tǒng)最高正常工作壓力，而對于復(fù)雜高壓大系統(tǒng)，除可設(shè)置低壓、中壓、中高壓外，還可將高于16 MPa的最高一級劃分為最高工作壓力，即P高＞16 MPa;具體劃分要根據(jù)實際需求來確定，使壓力等級最多不超過4個，否則會使液壓系統(tǒng)和液壓站設(shè)計復(fù)雜化。

對于具體液壓回路，可以使用雙壓力源來驅(qū)動，且兩種壓力源并聯(lián)在一起，按照該液壓執(zhí)行元件實際操作需求，在該液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)單個完整動作周期內(nèi)，可自動選取所需要壓力源，一般情況下這兩種壓力源不同時供油;對于大部分回路，對壓力油流量或體積需求很小，且動作并不頻繁，我們?nèi)匀皇褂脝螇毫υ磥眚?qū)動，這樣既簡化了回路又兼顧了節(jié)能需求。

在應(yīng)用各種壓力源的組合方式上，一般選取中壓+低壓、中高壓+低壓或高壓+低壓等模式。圖4為多壓力源雙壓力回路結(jié)構(gòu)原理圖。圖4中主要回路由P低和P中壓力源供給能量，個別回路由局部增壓回路經(jīng)液壓功率轉(zhuǎn)換器由P中轉(zhuǎn)換成P中高壓力源儲存在該回路的負(fù)載蓄能器中，這種思路是采用了“少數(shù)”服從“多數(shù)”的策略，這正是區(qū)別于傳統(tǒng)方法的“多數(shù)”服從“少數(shù)”的壓力選擇原則，其結(jié)果是整體降低了系統(tǒng)壓力，因此減少了系統(tǒng)空載能耗和系統(tǒng)內(nèi)泄漏，是一種高度自適應(yīng)負(fù)載多樣化壓力需求的節(jié)能液壓回路。

圖4 多壓力源雙壓力回路結(jié)構(gòu)原理Fig.4 multi-pressure source hydraulic flow chart

4 某液壓站節(jié)能改造效果對比

該時序能耗液壓系統(tǒng)在某不銹鋼機(jī)組上進(jìn)行了應(yīng)用，圖5是改造前液壓系統(tǒng)圖，圖6是改造后液壓系統(tǒng)圖，相關(guān)主要配置的變化見表1，經(jīng)過一年多運(yùn)行，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，節(jié)能60%以上。

表1 液壓站改造前后主要變化對照表Tab.1 hydraulic station parameters(previous and modified

5 結(jié)束語

液壓時序能耗節(jié)能設(shè)計方法以多壓力源雙壓力控制回路為負(fù)載需求，以超級蓄能器和液壓功率轉(zhuǎn)換器為基本元素組建而成的特殊驅(qū)動器，能充分滿足液壓系統(tǒng)對外作功頻繁、快速多變的需求，在各負(fù)載執(zhí)行器與壓力源之間串聯(lián)一定容量的蓄能站組成的梯級壓力驅(qū)動源，這些蓄能站充分起到緩沖、穩(wěn)壓作用;同時，各梯級蓄能站可看作是一種特殊的液壓驅(qū)動器，該驅(qū)動器短時間內(nèi)能夠提供巨大液壓功率，為充分適應(yīng)負(fù)載流量需求，將液壓站中的工作泵運(yùn)行實行主、輔工作泵制度，這些措施極大地減少了液壓系統(tǒng)四大能量損耗，其節(jié)能效率可以達(dá)60%以上。該方法直接圍繞系統(tǒng)能量需求、能量傳遞、能量儲存及轉(zhuǎn)換為中心，嚴(yán)格區(qū)別于老式負(fù)載功率需求設(shè)計方法，值得推廣和深入研究。

［1］ 雷天覺．新編液壓工程手冊 ［M］．北京:理工大學(xué)出版社，1998。