基于负载敏感与势能回收系统的液压精冲机节能研究

2023-08-28刘艳雄韩森波徐志成

液压与气动 2023年8期

刘艳雄, 韩森波, 徐志成

(1.武汉理工大学现代汽车零部件技术湖北省重点实验室, 湖北武汉 430070;2.武汉理工大学汽车零部件技术湖北省协同创新中心, 湖北武汉 430070; 3.武汉理工大学汽车工程学院, 湖北武汉 430070)

引言

液压精冲机因其高能量密度、高负载能力、高生产效率和高自动化程度的特点而被广泛应用于汽车、家电、航空航天等领域。然而随着节能减排与绿色制造要求的不断提高,液压精冲机高能耗、低能效的问题严重阻碍了其进一步的发展和应用。研究表明,传统液压机能量利用效率不足10%[1-2],造成极大的电能浪费,同时造成较大碳排放,因此为了满足工业制造领域绿色发展的需求,亟需开展液压精冲机节能增效等方面的研究。

传统液压精冲机一般采用三相异步电机与定量泵的组合作为动力源,利用控制阀组实现高压油液的方向、压力和流量控制,进而输入执行元件完成动作。在控制方面,阀控液压系统具有响应迅速、控制简单、稳定性高、成本低等优点,但阀控系统本质是节流掉盈余的供给压力和流量,造成了较大系统节流和溢流损失[3-4]。

针对上述问题,不少研究人员提出采用变转速泵控的方式,通过调节电机转速来改变泵的输出排量,进而匹配系统的压力与流量需求以减少甚至消除系统的节流和溢流损失。郭浩等[5]针对传统水下装备采用阀控系统能耗过大的问题,提出一种变频直驱定量泵系统,该系统相较于阀控系统能耗降低70%以上。CALISKAN O等[6]将液压折弯机恒转速驱动改造为变转速驱动,通过液压测试台进行实验分析改造后折弯机的节能与减排效果,结果表明,采用变转速驱动的液压折弯机可以节省电能3%～19%。洗灿标等[7]使用永磁同步交流电机和定量泵作为动力源的伺服直驱泵控液压机,通过调节电机转速来匹配系统压力流量需求,并分析拉伸工艺的节能效果,样机试验结果表明直驱泵控液压机相较于普通阀控液压机可以节能约20%。李鹏和等[8]提出一种基于伺服电机与定量泵液压机驱动方法,仿真结果表明,该系统可以有效降低电动机转矩,液压机整机能耗节约6.9%。上述变转速泵控方法均具有较好的节能效果,但也存在控制复杂、成本高的问题,不利于液压机实际应用。

此外,研究人员在液压系统结构和加工策略方面也进行了相关研究,颜笑鹏等[9]通过优化液压机整机结构排布形式以最大限度地降低系统控制阀、管道等元件的数量,进而减少系统能耗。GAO M D等[10]提出一种双执行器节能液压系统,该系统通过管道和阀组连接两个执行器的腔室,在工作过程中其中一个执行器的快下阶段与另一执行器的快上阶段同步以此减少系统势能损失,与传统系统相比可以有效节约能耗,提高生产效率。LI L等[11]提出一种采用一个驱动系统驱动多台液压机的节能方法,该驱动系统可划分为多个驱动单元,每个驱动单元负责多机组的特定工作阶段,通过协调控制可充分利用系统的输入能量,有效降低工作过程中待机时间,结果表明,机组单台液压机能效可提高约20%,平均能耗降低43%。YAO J等[12]提出一种液压机多级压力源系统,根据负载需求动态调控输出以匹配系统压力和流量需求。薄晓楠等[13]将蓄能器应用于挖掘机动臂势能回收,仿真分析结果表明,该势能回收系统可以有效回收再利用动臂下降时的势能,减少溢流损失,降低能耗。上述研究在一定程度上实现了系统的节能增效,但未能从本质上解决液压系统能效低的问题,且系统结构相对较为复杂。

针对以上问题,本研究以KHF-500型液压机为研究对象,对原液压系统进行重新匹配设计,提出采用负载敏感泵实现精冲机液压系统的变排量泵控,以较低的控制难度和成本匹配系统压力和流量需求,同时采用液压蓄能器对滑块势能回收再利用,实现系统节能增效。先后建立了液压精冲机能耗数学模型和机电液仿真模型,对比分析了优化前后系统的工作性能和能量耗散分布。

1 液压精冲机工作原理介绍

1.1 液压精冲机简介

KHF-500型液压精冲机主机机械结构如图1所示,包括主油缸、快速油缸、压边油缸、反顶油缸、模具等主要工作模块,以及送料装置、废料剪装置、导向机构等辅助工作模块。

KHF-500型精冲机的主要工作参数如表1所示。

表1 主要工作参数

1.2 液压精冲机工作过程介绍

如图2所示,可根据滑块行程将液压精冲机单个工作周期划分为快上、检测、冲裁、返程四个工作阶段,其中快上阶段通过快速油缸带动滑块从下死点以较高速度运动到检测点,检测阶段滑块从检测点运动至第一加压点,其运动速度降低以检测是否出现叠料现象,冲裁阶段滑块由第一加压点运动至上死点,此阶段通过主油缸作动克服工件变形抗力以实现冲裁过程,冲裁完成后,快速油缸有杆腔进油,滑块以较快的速度从上死点返回至下死点为下一个工作周期做准备。

图2 液压精冲机不同工作阶段

1.3 精冲机液压系统组成

精冲机液压系统由不同功能的子系统组成,按照功能主要可划分压力源回路、主油缸回路、快速油缸回路、压边油缸回路、反顶油缸回路子系统。在不同工作阶段,各子系统相互配合实现对应的动作。

其液压原理图如图3所示,其中压力源回路子系统由电机、液压泵、建压阀、蓄能器等元件组成,为系统提供所需的高压油液;主油缸回路子系统由主油缸、开关阀、调速阀、充液阀、卸荷阀等元件组成,其主要在冲裁阶段工作,通过克服工件变形抗力实现成形;快速油缸回路子系统由快速油缸、开关阀、伺服阀等元件组成,其主要实现快速合模、废料检测、快速返程动作;压边油缸回路和反顶油缸回路子系统由压边油缸、反顶油缸、开关阀、背压阀等元件组成,压边缸与反顶缸在冲裁阶段通过背压为系统提供压边力与反顶力,使工件处于三向应力状态以实现精密冲裁,并在快速返程工作阶段顶出零件与废料。

图3 精冲机主液压系统液压原理图

2 液压精冲机能耗数学模型

精冲液压系统元部件众多按照功能可分为驱动元件、控制元件、执行元件和辅助元件四种,不同功能的液压元件协同工作以实现高压油液的传递,进而完成零件成形。在高压油液传递的过程又涉及不同属性能量之间的转化与损耗,本节将搭建不同功能液压元件的能量损耗模型。

2.1 精冲机液压系统能量流分析

如图4所示,精冲机液压系统中驱动元件的输入为电能,电机将电能转化为机械能并传递到液压泵,液压泵将机械能转化为液压能并通过控制元件和辅助元件输入到各回路的执行元件,最终输入到执行元件的液压能通过液压缸进一步转化为机械性用以克服工件的抵抗变形力,实现零件成形。输入电能在不同属性的能量转化和传递过程中会产生机械损耗、容积损耗、节流损耗、溢流损耗等多种形式的能量损耗。

2.2 能量损耗数学模型

1) 驱动元件功率损失

精冲机液压系统驱动元件主要包括三相异步电机和液压泵,电机在将电能转化为机械能的过程中由于自身属性会产生定子铜损、转子铜损、定子铁损、杂散损失以及运动副之间机械损耗,其简化计算模型如下式所示[14]：

(1)

式中,Pe—— 电机损失功率

Pn—— 电机额定功率

Pu—— 电机负载功率

k1,k2—— 电机耗能参数

液压泵在将机械能转化为液压能的过程中,由于泵压缩油液产生的泄漏以及运动副之间的摩擦作用会产生容积损失和机械损失,其具体的计算公式如下[14]：

(2)

(3)

Pp=Pu(1-ηvηm)

(4)

PDU=Pe+Pp

(5)

式中,qvt,qv—— 泵理论输出流量和实际输出流量

Δqvt—— 泵泄漏流量

ηv,ηm—— 泵容积效率与机械效率

Tt,T—— 泵理论转矩与实际转矩

ΔT—— 泵损失转矩

Pp—— 泵损失功率

PDU—— 驱动元件损失功率

2) 控制元件功率损失

控制元件的作用是实现压力源输出高压油液的方向、压力、流量控制,在实现上述功能的过程各类液压阀会产生节流损失和溢流损失,但本质上不同功能的液压阀在工作过程中均是通过调节阀芯上的弹簧力或者直接调节阀芯的位置来实现控制,油液流过阀口的压力损失以及液压阀的损失功率如下式所示[15]：

(6)

Pv=Δpvq

(7)

PCU=Pv

(8)

式中,ρ—— 油液密度

AT—— 节流口通流截面积

m—— 节流指数

Cq—— 流量系数,一般为0.8-0.82

q—— 通过阀口的流量

Δpv—— 阀口两端压差

Pv—— 液压阀损失功率

PCU—— 控制元件损失功率

3) 执行元件功率损失

液压系统执行元件主要指液压缸,液压缸在将液压能转化为机械能的过程中,由于多个运动副之间的间隙和摩擦会使得液压缸工作过程产生机械损失和容积损失,执行元件的功率损失如下式所示[16]：

(9)

PEU=Pc

(10)

式中,Cic—— 液压缸内泄系数

p1,p2—— 液压缸有杆腔与无杆腔压力

Bc—— 活塞与活塞杆间阻尼系数

Aj—— 活塞杆与缸体接触面积

Y—— 活塞位移

Pc—— 液压缸损失功率

PEU—— 执行元件损失功率

4) 辅助元件功率损失

液压系统的辅助元件主要包括液压管道、蓄能器等元件,油液流经管道过程中因黏性摩擦会产生沿程压力损失,在流经变径管道、弯管、管道连接处时因流速和流向的变化会产生局部压力损失,蓄能器在液压系统可以降低冲击振动、提高系统响应速度,但在高压液体流经蓄能器进出口时会产生一定压力损失,上述压力损失的计算公式如下[17]：

(11)

(12)

Pa=Δpaqa

(13)

PAU=Pλ+Pζ+Pa

(14)

式中,λ,ζ—— 沿程阻力与局部阻力系数

l—— 液压管道的沿程长度

d—— 液压管道直径

v—— 液体平均流速

qp—— 流经管道的流量

Δpa—— 流经蓄能器时产生的压力降

qa—— 蓄能器的流量

Pλ,Pζ—— 沿程损失和局部损失功率

Pa—— 蓄能器损失功率

PAU—— 辅助元件损失功率

基于上述不同功能液压元件的功率计算模型,则液压精冲机单个子系统在一个工作周期总的能量损失如下式所示:

(15)

式中,m—— 工作阶段数量

i—— 第i个工作阶段

ti—— 第i个工作阶段时刻

Ek—— 第k个子系统单周期总能耗

精冲机液压系统所有子系统在单个周期内的总能量损失如下式所示:

(16)

式中,n—— 子系统数量

j—— 第j个子系统

Etotal—— 精冲机液压系统单周期总能量损失

3 仿真与实验

3.1 新型节能系统结构

如图5所示,针对传统精冲机液压系统进行部分节能改造,其中高压源部分利用负载敏感泵代替原定量泵与高压蓄能器组合,保证系统性能的前提下更好地匹配负载需求,降低系统能量损耗。快速回路中利用蓄能器回收返程阶段高压油液并在快上与检测阶段释放,通过能量回收再利用提高系统能量利用效率,降低系统能量输入。新系统液压原理图如图6所示。

负载敏感泵液压原理如图7所示,在变量泵输出油液进入到执行缸克服负载运动时,负载敏感阀阀芯左侧受到输出压力p作用,阀芯右侧受到负载压力pLS和弹簧力作用,当阀芯两侧受力平衡时负载匀速运动,若负载压力增大,则阀右位工作,变量缸与油箱接通,在缸内弹簧力的作用下变量泵排量增大,使得输出压力增大,直至阀芯两侧受力平衡;若负载压力减小,则阀左位工作,压力油液进入变量缸,变量泵排量减小,输出压力减小,直至阀芯两侧受力平衡,总之,负载敏感泵随负载压力变化均可根据自身调节功能以固定压差跟随,减少不必要的节流损耗。

1.变量泵 2.变量活塞缸 3.压力补偿阀4.负载敏感阀 5.节流阀

此外,在返程阶段,滑块和主活塞的重力作用于快速油缸,通过压缩油液使其势能转化为无杆腔油液的液压能,利用蓄能器回收返程过程中无杆腔排出的压力油液并在快上和检测释放, 以实现能量的回收再利用,降低低压源的能量输入。

3.2 仿真模型搭建

如图8所示,依据改造后精冲机液压系统,基于AMESim平台搭建KHF-500型液压精冲机仿真模型,包括压力源回路、主缸回路、快速缸回路、压边反顶回路以及机械与控制模块,其中控制模块用于实现电磁阀开闭,精冲机采用基于位置的开环控制,当滑块运动到各特征点时控制模块向电磁阀发出相应的控制信号。仿真步长设置为0.01 s。

图8 新系统AMESim仿真模型

仿真模型中主要参数设置如表2所示。

表2 仿真模型主要参数

3.3 实验

KHF-500型液压精冲机实验台如图9所示,其中控制器用于采集加工过程中的位移、速度、压力等数据,冲压零部件厚度为10 mm,具体加工工艺参数如表3所示。

表3 主要工艺参数

图9 KHF-500型液压精冲机实验台

4 结果分析

4.1 工作性能分析

如图10所示为液压精冲机新旧系统仿真模型以及旧系统实验主缸活塞单个周期位移对比图, 从图中可知新旧系统主缸活塞仿真位移结果与实验结果吻合较好,表明仿真模型具有较高的准确度。新系统一个工作周期时间为3.22 s,其中快上、检测、冲裁和返程阶段耗时分别为1.1, 0.56, 1.04, 0.52 s。

图10 新旧系统主活塞位移对比图

如图11所示为新旧系统主缸活塞运动速度对比图,在快上阶段,新旧系统平均速度为60 mm/s左右,其中新系统由于快速回路蓄能器持续放液使得压力不断降低,进而导致进入快速油缸的流量较少使得速度不断降低,在检测与冲裁新旧系统主缸活塞运动速度较为接近,在返程阶段,新系统主缸活塞速度相较于旧系统波动变大,新旧系统平均返程速度达到150 mm/s左右。

图11 新旧系统主活塞速度对比图

如图12所示为新旧系统主泵输出压力与负载压力对比图,旧系统高压源采用定量泵和高压蓄能器组合在冲裁阶段持续向系统高压油液且始终维持在25 MPa 左右,其使得系统产生了较大的节流损耗。与旧系统相比,新系统采用负载敏感泵感知系统压力和流量需求,输出压力以固定压差跟随负载需求压力,进而大幅降低系统的节流损耗。

图12 新旧系统主泵输出压力与负载压力对比图

如图13所示为新旧系统主泵输出压力和流量随主活塞位移变化对比图,旧系统主泵为定量泵,其单周期流量输出为固定值,造成了一定的溢流损失,而新系统主泵为负载敏感变量泵,其在快上、检测和返程阶段输出流量达到最小仅用于满足内部泄漏需求无溢流损失,在冲裁阶段输出流量随负载变化而不断变化以调节泵的输出压力,匹配负载压力需求。

图13 新旧系统主泵输出压力与流量对比图

如图14所示为快速回路蓄能器单个工作周期流量与压力变化图,从图中可知,在快上与检测阶段蓄能器持续向系统提供流量,在此过程蓄能器压力从9 MPa 左右逐渐降低到7 MPa左右,在冲裁阶段,快速回路蓄能器压力保持恒定不参与系统工作,在返程阶段蓄能器回收快速缸无杆腔排出的高压油液压力逐渐升高到9 MPa。快速回路蓄能器通过能量回收再利用提高了系统的能量利用效率,降低系统能量输入。

图15 旧系统单周期输入能量与损耗

图14 新系统快速缸回路蓄能器压力与流量变化图

4.2 能耗分析

如图15所示为精冲机旧系统在负载为2500 kN时单个工作周期系统能量输入与损耗情况,在快上与检测阶段通过低压源与高压源输入到系统的能量大于系统损耗的能量,多余的能量以势能和液压能的形式存储在机械运动元件和蓄能器中,并在冲裁和返程阶段释放到系统中参与工作,冲裁与返程阶段系统输入能量小于系统损耗能量,前期存储的能量在此阶段释放到系统中以完成零件冲裁与滑块返程。

在整个工作周期中,主缸回路子系统能量损耗为28.99 kJ,占系统总输入能量的25.16%,其主要损耗发生在冲裁阶段,因上述提到的供需不匹配问题造成了较大的节流损耗。快速缸回路子系统能量损耗为15.34 kJ,占系统总输入能量的13.31%,其主要发生在快上与返程阶段。

如图16所示为精冲机新系统在负载为2500 kN时单个工作周期系统能量输入与损耗情况,快上阶段系统输入能量大于损耗能量,多余的能量存储起来并在检测、冲裁与返程阶段释放到系统中,系统采用蓄能器进行能量回收再利用,因此在检测阶段系统利用快速回路蓄能器释放的高压油液进行工作,此时负载敏感泵与定量泵均处于待机工况系统在此阶段输入的能量较小。在冲裁阶段通过采用负载敏感泵使得系统输出压力以1.4 MPa压差跟随负载需求,系统节流损失大大降低,因此相较于旧系统主缸回路子系统能量损耗大幅降低。

图16 新系统单周期输入能量与损耗

在整个工作周期中,主缸回路子系统能量损耗为3.51 kJ,占系统总输入能量的5.01%,与旧系统相比降低25.48 kJ。快速缸回路子系统能量损耗为10.60 kJ,占系统总输入能量的15.11%,与旧系统相比降低4.74 kJ。如图17所示为精冲机新旧系统在同一负载条件下系统能量总输入与成形有用功对比,旧系统在一个工作周期内总输入能量为116.56 kJ,其中低压源输入39.22 kJ、高压源输入77.34 kJ,占总输入能量比重分别为33.65%和66.35%,系统成形有用功为18.02 kJ,因此系统能量利用效率为15.46%。新系统低压源与高压源单周期输入能量以及总输入能量分别为32.54,37.68,70.22 kJ,相较于旧系统分别下降6.68,39.66,46.34 kJ,系统总输入能量降低39.76%,系统成形有用功不变,系统能量利用效率为25.69%,相较于旧系统提高10.23%。

图17 新旧系统单周期总输入能量与成形有用功

如图18所示为旧系统在不同负载条件下系统总能量损耗与能量利用效率,可知随着负载由1000 kN逐步提高到3500 kN系统总能量损耗变化较小,负载不断提高的过程中,系统需求压力逐渐增大,主缸回路子系统节流损失不断减小进而能量损耗不断减小,成形有用功不断增大,系统能量利用率由10.77%近乎线性提高到21.10%。

图18 旧系统不同负载条件下能耗与能效

如图19所示,新系统在不同负载条件下总能量损耗不断增大,其中在负载逐渐增大的过程中,系统输出压力不断增大,因此压力源回路子系统能量损耗不断增大,其他子系统能量损耗变化不大,成形有用功随着负载增大而逐渐增大,系统能量利用效率由19.10%逐步提高至31.61%。与旧系统相比,在不同负载条件下,新系统单周期能量损耗平均降低47.42 kJ,能量利用率平均提高9.62%。