張久林，谷　碩

（寶鋼工業(yè)爐工程技術(shù)有限公司，上海201900）

升降及步進(jìn)機(jī)構(gòu)液壓勢能回收技術(shù)研究

張久林，谷碩

（寶鋼工業(yè)爐工程技術(shù)有限公司，上海201900）

針對冶金行業(yè)中大量升降及步進(jìn)設(shè)備下降過程中釋放的勢能被白白浪費(fèi)的現(xiàn)況，研發(fā)了勢能回收技術(shù)，同時(shí)建立了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并從實(shí)驗(yàn)和理論分析的角度驗(yàn)證了本勢能回收技術(shù)的可靠性和節(jié)能效果。本技術(shù)在多種實(shí)施方式下，都會(huì)產(chǎn)生可觀的節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)效益。

升降及步進(jìn)機(jī)構(gòu)；勢能回收技術(shù)；實(shí)施方式

能量回收技術(shù)在各個(gè)行業(yè)一直受到特別關(guān)注，一旦成功應(yīng)用，都會(huì)對本行業(yè)起到巨大的推動(dòng)作用。例如：汽車行業(yè)的制動(dòng)能量回收技術(shù)是實(shí)現(xiàn)汽車節(jié)能的重要途徑，已經(jīng)成為現(xiàn)代電動(dòng)汽車的重要技術(shù)之一，它將汽車在制動(dòng)過程的部分動(dòng)能回饋給蓄電池以對其充電，對延長電動(dòng)汽車的行駛距離至關(guān)重要，有效地回收制動(dòng)能量，可使電動(dòng)汽車的行駛距離延長10%到20%［1］，大大降低汽車運(yùn)行成本。

在冶金行業(yè)，升降及步進(jìn)設(shè)備占有很大比重，且大部分都屬于重載、連續(xù)生產(chǎn)工況，如步進(jìn)加熱爐、步進(jìn)梁運(yùn)輸機(jī)、步進(jìn)式冷床等，這些設(shè)備大部分采用液壓作為動(dòng)力源：設(shè)備上升時(shí)由液壓缸驅(qū)動(dòng)，液壓能被轉(zhuǎn)化為勢能存儲(chǔ)起來；下降時(shí)，勢能逐步釋放并（大部分）最終轉(zhuǎn)化為熱量被白白浪費(fèi)，而此部分勢能占提升時(shí)能耗總量的60%到70%，甚至更高。以步進(jìn)式加熱爐為例，其液壓系統(tǒng)根據(jù)步進(jìn)機(jī)構(gòu)上升時(shí)的最大載荷（步進(jìn)機(jī)構(gòu)自重+爐內(nèi)鋼坯載荷）進(jìn)行配置，而步進(jìn)機(jī)構(gòu)依靠自重下降，步進(jìn)機(jī)構(gòu)以及爐內(nèi)鋼坯的勢能基本都被轉(zhuǎn)化為熱量（液壓節(jié)流損失、摩擦損失）被白白消耗，同時(shí)，按最大載荷配置的液壓系統(tǒng)在非上升期間也會(huì)由于主泵的空轉(zhuǎn)而會(huì)消耗35%左右的能量。

通過對這些升降及步進(jìn)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)原理進(jìn)行分析，研發(fā)了一種新型的液壓勢能回收技術(shù)和一套完整的計(jì)算方法，在確保設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，能夠有效回收設(shè)備下降過程中的大部分勢能，經(jīng)轉(zhuǎn)化后用于上升時(shí)的輔助動(dòng)力，本技術(shù)具有以下優(yōu)勢：（1）可有效降低主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)節(jié)能至少30%以上；（2）采取自身消化利用勢能的方式，不需要尋求額外能量使用對象；（3）使設(shè)備始終處于一種“懸浮狀態(tài)”，能夠有效吸收設(shè)備在運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的沖擊，大大改善設(shè)備的受力狀態(tài)；（4）分擔(dān)了部分載荷，可使主驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)的配置降低（減少工作主泵數(shù)量、降低液壓缸規(guī)格或數(shù)量、降低配套液壓元件規(guī)格等），節(jié)省一次性投資成本，同時(shí)也會(huì)大大降低空載能耗。

1　實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)組成及原理分析

為驗(yàn)證本勢能回技術(shù)的可行性和使用效果，搭建了勢能回收實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以采用液壓驅(qū)動(dòng)、設(shè)備在斜坡上運(yùn)動(dòng)的升降形式進(jìn)行示范（見圖1）。該平臺(tái)由升降裝置、液壓系統(tǒng)及配套電控系統(tǒng)三部分組成。

圖1　勢能回收實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

1.1升降裝置

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的升降裝置組成見圖2。

圖2　升降裝置原理圖

重物放置在固定框架上，升降小車停止在下位。上升時(shí)，升降小車運(yùn)動(dòng)到中位時(shí)將重物抬起繼續(xù)運(yùn)動(dòng)到上位；下降時(shí)，升降小車到達(dá)中位后將重物放置在固定框架上繼續(xù)運(yùn)動(dòng)到下位。勢能缸和升降缸都與升降小車相連，推動(dòng)其沿升降斜坡作升降運(yùn)動(dòng)。

1.2液壓系統(tǒng)

本勢能回收實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的液壓系統(tǒng)包括主提升系統(tǒng)和勢能回收系統(tǒng)兩部分（見圖3）。

（1）主提升系統(tǒng)。其主要作用是為升降小車的運(yùn)行提供動(dòng)力，主要包括：

a）主泵：6 L/min×2臺(tái)，2.2 kW；

b）升降缸及配套閥組：升降缸為分“雙缸”、“單缸”，可分別推動(dòng)小車運(yùn)動(dòng)，其規(guī)格為：

雙缸：Φ50×36，2支

單缸：Φ50×36，1支

（2）勢能回收系統(tǒng)。用于回收升降小車及重物下降過程中的勢能，主要包括：

a）勢能回收缸

包括勢能缸1、2，其中勢能缸1用于回收小車下降時(shí)的部分勢能，在整個(gè)行程起作用；勢能缸2用于回收重物下降時(shí)的勢能，僅在“中位”以上起作用，其規(guī)格為：

勢能缸1：Φ40×28-400 mm，1支

勢能缸2：Φ50×36-400 mm，1支

勢能缸設(shè)計(jì)時(shí)需注意以下幾點(diǎn)：

①勢能回收缸的數(shù)量和規(guī)格根據(jù)回收重力勢能的多少及設(shè)備布置情況確定；

②勢能缸的角度、行程需與升降缸一致；

③勢能缸有桿腔與油箱相連，下降過程中從油箱補(bǔ)油，無桿腔與蓄能器相連；

④如采用皮囊式蓄能器，設(shè)備在升降運(yùn)動(dòng)過程中，勢能缸無桿腔壓力會(huì)在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，為確保運(yùn)行平穩(wěn)，需最低壓力與最高壓力的比值不超過0.8。

b）蓄能裝置

由蓄能器1、2及配套閥組組成，分別用于存儲(chǔ)勢能缸1、2傳來的液壓能，根據(jù)蓄能器的容積、充氣壓力和最高工作壓力對能量存儲(chǔ)能力的影響［2］，確定其規(guī)格為：

蓄能器1：6.3 L，1個(gè)

蓄能器2：6.3 L，1個(gè)

c）補(bǔ)油裝置

向勢能回收系統(tǒng)中補(bǔ)充液壓油，抵消液壓系統(tǒng)內(nèi)漏，保證蓄能器的壓力變化范圍。補(bǔ)油泵的流量選擇需滿足在盡量短的時(shí)間內(nèi)補(bǔ)充勢能回收系統(tǒng)的內(nèi)泄漏，確保勢能回收負(fù)荷不受影響。

d）壓力檢測點(diǎn)

可實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵點(diǎn)的壓力實(shí)時(shí)監(jiān)控以及參與連鎖控制，詳見表1。

2　實(shí)驗(yàn)狀態(tài)及數(shù)據(jù)分析

2.1實(shí)驗(yàn)平臺(tái)基本數(shù)據(jù)

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的基本數(shù)據(jù)，詳見表2。

圖3　液壓系統(tǒng)原理圖

表1　壓力檢測點(diǎn)布置表

2.2實(shí)驗(yàn)狀態(tài)

選擇比較典型的8種狀態(tài)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，詳見表3。

表2　實(shí)驗(yàn)平臺(tái)基本數(shù)據(jù)表

2.3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)以上8種實(shí)驗(yàn)狀態(tài)，對關(guān)鍵點(diǎn)的壓力值進(jìn)行采集，具體數(shù)據(jù)詳見表4。

由實(shí)驗(yàn)狀態(tài)1、2、3、4可知：

（1）勢能缸1在整個(gè)工作行程起作用，可輔助升降缸推動(dòng)小車上升，使升降缸的無桿腔壓力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%），而其動(dòng)力全部由蓄能器組1提供，不需額外提供動(dòng)力源；

（2）勢能缸2僅在“中位”以上工作行程起作用，可輔助升降缸推動(dòng)小車上升，使升降缸的無桿腔壓力PT02降低（中位以上：由87.86×105Pa降至45.89×105Pa，降幅47.8%），而其動(dòng)力全部由蓄能器組2提供，不需額外提供動(dòng)力源；

（3）當(dāng)勢能缸1、2同時(shí)起作用時(shí)，可使升降缸的無桿腔壓力PT02進(jìn)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）“雙缸”動(dòng)作時(shí)，為保證小車的運(yùn)行速度，需同時(shí)開啟1#、2#主泵；

（5）當(dāng)勢能缸1投人時(shí)，其無桿腔壓力PT07在約（50～58）×105Pa范圍內(nèi)波動(dòng)；

（6）當(dāng)勢能缸2投人時(shí)，其無桿腔壓力PT06在約（80～92）×105Pa范圍內(nèi)波動(dòng)；

由實(shí)驗(yàn)狀態(tài)5、6、7、8可知：

（1）由“單缸”單獨(dú)推動(dòng)小車上升時(shí)，由于受系統(tǒng)壓力（主泵出口溢流閥設(shè)定壓力為～100×105Pa）的限制，升降缸無桿腔壓力PT03達(dá)到101.2×105Pa，靠一個(gè)升降缸無法同時(shí)推動(dòng)小車和鋼坯；

（2）當(dāng)增加勢能缸1時(shí)，由于勢能缸1僅用于回收小車自身的部分重力勢能，仍然無法同時(shí)推動(dòng)小車和鋼坯，但能在“中位”以下降低升降缸無桿腔的壓力PT03（中位以下：由62.04×105Pa降至31.99× 105Pa，降幅48.4%）；

（3）當(dāng)增加勢能缸2時(shí)，由于勢能缸2用于回收鋼坯下降時(shí)的部分重力勢能，較勢能缸1相比能提供較大的輔助推力，可同時(shí)推動(dòng)小車和鋼坯，并在“中位”以上降低升降缸無桿腔的壓力PT03（中位以上：降至88.37×105Pa，在系統(tǒng)壓力100×105Pa之下）；

（4）當(dāng)增加勢能缸1、2，且不增加任何額外動(dòng)力源時(shí)，靠“單缸”就可單獨(dú)推動(dòng)小車及鋼坯同時(shí)動(dòng)作，使升降缸的無桿腔壓力PT03進(jìn)一步降低，且小車的運(yùn)行速度均不受影響；

（5）“單缸”動(dòng)作時(shí)，僅需開啟一臺(tái)主泵，就可保證小車的運(yùn)行速度；

（6）當(dāng)勢能缸1投人時(shí)，其無桿腔壓力PT07在約（50～58）×105Pa范圍內(nèi)波動(dòng)；

（7）當(dāng)勢能缸2投人時(shí)，其無桿腔壓力PT06在約（78～91）×105Pa范圍內(nèi)波動(dòng)；

（8）當(dāng)勢能回收系統(tǒng)投人時(shí)，需開啟補(bǔ)油泵，用于補(bǔ)充由于液壓系統(tǒng)內(nèi)泄造成的壓力損失，其驅(qū)動(dòng)功率較小。

表3　實(shí)驗(yàn)狀態(tài)表

表4　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

3　液壓系統(tǒng)能耗及節(jié)能率

根據(jù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證以及數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，本勢能回收技術(shù)的節(jié)能效果顯著，同時(shí)亦可大大降低投資成本。下面從液壓系統(tǒng)能耗的角度，分析本勢能回收技術(shù)在不同時(shí)實(shí)施方式下能達(dá)到的節(jié)能效果。

3.1液壓系統(tǒng)總能耗W計(jì)算

（1）液壓系統(tǒng)帶載能耗W1

式中：n—主泵數(shù)量

Δp—系統(tǒng)工作壓力

Q—每臺(tái)主泵流量

t1—液壓系統(tǒng)帶載總時(shí)間

（2）液壓系統(tǒng)空載能耗W2

式中：t2—液壓系統(tǒng)空載總時(shí)間

P—主泵電機(jī)功率

S—空載能耗系數(shù)，一般S=0.2～0.4

（3）液壓系統(tǒng)總能耗W

3.2勢能回收系統(tǒng)的實(shí)施方式

結(jié)合液壓系統(tǒng)的總能耗計(jì)算公式（3），勢能回收系統(tǒng)具有以下幾種實(shí)施方式。

（1）實(shí)施方式一：液壓系統(tǒng)配置均不變

增加勢能回收系統(tǒng)后，系統(tǒng)壓力Δp可降低k（見實(shí)驗(yàn)狀態(tài)1、2、3、4），由式（2）可知，此時(shí)系統(tǒng)帶載時(shí)能耗為

如k=0.4，W2/W1=2，則節(jié)能率為13.3%。

（2）實(shí)施方式二：降低主泵電機(jī)功率

增加勢能回收系統(tǒng)后，系統(tǒng)壓力Δp可降低k（見實(shí)驗(yàn)狀態(tài)1、2、3、4），由式（2）可知，主泵電機(jī)功率P可相應(yīng)降低，即：

P=（1-k）·Δp·Q

此時(shí)系統(tǒng)能耗為：

W′=（1-k）·n·Δp·Q·（t1+S·t2）=（1-k）·W

（3）實(shí)施方式三：降低液壓系統(tǒng)配置

增加勢能回收系統(tǒng)后，亦可在保證系統(tǒng)壓力△p基本不變或降低的情況下，減少升降缸的規(guī)格或數(shù)量以及工作主泵的數(shù)量（見實(shí)驗(yàn)狀態(tài)4、5、6）。

a）升降缸在整個(gè)工作行程上承擔(dān)的載荷均大幅降低，因此在確保小車正常運(yùn)行的前提下，將升降缸（Φ50×36-400 mm）的數(shù)量由兩個(gè)（實(shí)驗(yàn)狀態(tài)3）變?yōu)橐粋€(gè)（實(shí)驗(yàn)狀態(tài)6），系統(tǒng)壓力由85.74×105Pa降為62.46×105Pa（降幅27.2%）；

b）升降缸數(shù)量減少一半，升降小車正常升降時(shí)所需的最大流量也降低一半，此時(shí)系統(tǒng)主泵的數(shù)量由兩臺(tái)（2.2×2 kW）降為一臺(tái)（2.2 kW），由式（3）可知，系統(tǒng)節(jié)能率為：

c）由于系統(tǒng)所需最大流量降低一半，主泵數(shù)量減少一半，因此對應(yīng)的油箱體積、循環(huán)泵規(guī)格、冷卻器規(guī)格、配置控制閥組（比例閥、插裝閥等）規(guī)格等均可大大降低，節(jié)省一次性投資成本20%以上。

4　結(jié)語

針對不同的設(shè)備和使用工況，勢能回收技術(shù)的應(yīng)用還涉及許多關(guān)鍵性的核心問題：如非穩(wěn)定載荷或連續(xù)變化載荷狀態(tài)下的勢能回收技術(shù)、勢能回收負(fù)荷的自動(dòng)調(diào)節(jié)技術(shù)以及與異常狀態(tài)下的無縫切換技術(shù)等。本技術(shù)已成功應(yīng)用于寶鋼2050熱軋2#步進(jìn)式加熱爐中，并取得了既定的節(jié)能效果。勢能回收技術(shù)屬于新興的節(jié)能技術(shù)，將對行業(yè)發(fā)展產(chǎn)生變革性的推動(dòng)作用，其經(jīng)濟(jì)效益和行業(yè)影響將是十分巨大的。

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

張久林（1980—），男，工程師，主要從事機(jī)械、液壓及電控技術(shù)的相關(guān)設(shè)計(jì)及科研工作.

［1］劉博，杜繼宏，劉國光.電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收控制策略的研究［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2004（1）：34-36.

［2］吳訓(xùn)成，張玨成，羅素云.液壓儲(chǔ)能式車輛制動(dòng)能量回收系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)研究［J］.上海工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，22（2）：125-128.