一种六轴含独立增压缸的七轴联动多向热模锻液压机_荣兆杰.pdf

第 58 卷0引 言作为基于蓄能器和增压缸的节能型高节拍液压机控制技术的典型案例之一，本文介绍一种七轴联动控制，且其中六轴含独立增压油缸的多向热模锻液压机（型号 YH39-11800G）。该设备适合于通过热模锻工艺来生产耐高压三通法兰，法兰零件如图 1所示。1主要技术参数该设备包括以下七轴：上合模轴；上穿孔轴；左合模轴；左穿孔轴；右合模轴；右穿孔轴；下顶出轴。各轴主要技术参数如表 15 所示。2设备结构与特性这台七轴联动的大型设备，其中六轴含独立的增压油缸，相关信息如表 6 所示。由于液压控制系统采用了活塞式蓄能器+氮气瓶装置，可获得短时超大流量液压油输出，多轴各油缸的公称力速度因此均可翻倍提高。收稿日期：2022-12-06；修订日期：2023-01-15作者简介：荣兆杰(1950），男，正高级工程师，国家人事部有突出贡献中青年专家，从事液压机设计工作 38 年。E-mail:一种六轴含独立增压缸的七轴联动多向热模锻液压机荣兆杰（合肥合锻智能制造股份有限公司，安徽 合肥 230601）摘要：介绍一种七轴联动多向热模锻液压机。其具有六轴均含独立增压缸的独特结构。通过对本案例液压系统的理论计算和对比分析显示，在多轴联动的大型液压设备领域，基于蓄能器和增压缸的节能型高节拍液压机控制技术与传统液压控制技术相比，在节能降耗方面具有非常明显的优势。与直供式伺服电机控制系统相比，尽管受到补能容积占比偏低的不利影响，仍能在众多工况条件下在省电方面不落下风（基本持平，略有超越），并在节省耗油量、节省电机装机容量和节省企业基本电费方面呈现明显优势。关键词：液压机；多轴联动；蓄能器；增压缸；补能容积占比；伺服电机；能耗分析中图分类号：TG315.4；TH12文献标识码：ADOI：10.16316/j.issn.1672-0121.2023.03.005文章编号：1672-0121（2023）03-0026-05第 58 卷 第 3 期Vol.58 No.3CHINA METALFORMING EQUIPMENT&MANUFACTURING TECHNOLOGY2023 年 6 月Jun.20232551190+0.5180+0.565.124053357.2261R102552图 1三通法兰结构示意图表 1上合模轴单位数值上合模缸公称力kN30000主滑块回程力kN4000主滑块行程mm1350主滑块公称力行程mm30主滑块开口mm2760主滑块快降速度mm/s200450主滑块合模速度mm/s25主滑块快速回程速度mm/s200450主滑块慢速回程速度mm/s256026-第 3 期本设备的设计遵循绿色节能原则，其七轴均含有补能环节，具体补能环节如下：上合模轴下行合模时，两个快速油缸的有杆腔和一个上穿孔油缸的有杆腔同时向活塞式蓄能器补油；上穿孔轴非公称力加压时，上穿孔缸有杆腔单独向活塞式蓄能器补油；左右水平合模轴加压前行时，四个水平回程油缸的无杆腔同时向活塞式蓄能器补油；左右水平穿孔轴前行穿孔时，两个水平穿孔油缸的有杆腔同时向活塞式蓄能器补油；左右水平合模轴脱模和退回时，四个水平回程油缸的有杆腔同时向活塞式蓄能器补油；下顶出轴顶出时，顶出油缸的有杆腔向活塞式蓄能器补油。每个单次循环，其补能容积占比达到 22.2%左右。完成单次循环动作的时间浮动于 5034s 之间，与现有传统设备（单次循环时间120s）相比，工作效率提高了 139.49%245.26%。本设备机身结构由一组多键连接的立式分体框架结构和一组四拉杆连接的卧式分体框架结构，两者融合而成。上横梁作五缸布置，其中上穿孔缸位于上横梁中央，四角布置四个上合模缸。下横梁中央安装有顶出缸。左右侧梁上装有左右水平合模缸，水平合模缸前端装有带导向装置的左右侧压头，侧压头内部还设置有左右水平穿孔缸。水平穿孔缸与上穿孔缸的一个重要区别在于：上穿孔缸不会抵消主滑块合模力，当上穿孔力达到 20000kN 时，主滑块合模力仍可达到 30000kN。水平穿孔缸则不同，当水平穿孔力达到 7000kN 时，侧压头合模力将被部分抵消，从 27000kN 降到 20000kN。设备扩展了增压油缸的应用范围，不仅在锻件成形和保压工步使用增压缸，而且将增压油缸的应用范围扩展到多个冲头或压头的脱模工步。实现多个冲头或压头的增压脱模。设备构件的设计能够满足如下特定工艺动作要求：当主滑块经快速油缸驱动快速下行时，上穿孔油缸的活塞杆也会被动随之快速下行，当主滑块到达表 6增压缸相关信息控制轴序号增压缸名称增压比增压后工作压力1上合模轴增压缸1:1.830.56429.612 MPa2上穿孔轴增压缸1:2.744.35139.593 MPa3左合模轴增压缸1:1.827.98826.267 MPa4左穿孔轴增压缸1:2.0931.35330.629 MPa5右合模轴增压缸1:1.827.98826.267 MPa6右穿孔轴增压缸1:2.0931.35330.629 MPa单位数值上穿孔缸公称力kN20000上穿孔缸脱模力kN5000上穿孔缸回程力kN1890上穿孔缸行程mm1650上穿孔缸加压行程mm480上穿孔缸公称力行程mm310上穿孔缸脱模行程mm50上穿孔缸回程速度mm/s100上穿孔缸加压速度mm/s50100上穿孔缸脱模速度mm/s70表 2上穿孔轴表 5下顶出轴单位数值下顶出缸公称力kN550750下顶出缸行程mm300下顶出缸顶出速度mm/s40160下顶出缸退回速度mm/s240表 3水平合模轴（两处）单位数值水平合模缸公称力kN27000水平合模缸脱模力kN4000水平合模缸回程力kN1600水平合模缸行程mm700水平合模缸公称力行程mm100水平合模缸脱模行程mm30水平合模缸开口mm1680水平合模缸快进速度mm/s200450水平合模缸加压速度mm/s3080水平合模缸慢速回程速度mm/s70水平合模缸快速回程速度mm/s200400表 4水平穿孔轴（两处）单位数值水平穿孔缸公称力kN7000水平穿孔缸脱模力kN2000水平穿孔缸回程力kN1250水平穿孔缸行程mm250水平穿孔缸公称力行程mm120水平穿孔缸脱模行程mm30水平穿孔缸加压速度mm/s60100水平穿孔缸回程速度mm/s60100荣兆杰：一种六轴含独立增压缸的七轴联动多向热模锻液压机27-第 58 卷指定位置，停止下行时，上穿孔油缸的活塞杆仍可按工艺要求继续下行。在回程阶段也会出现类似情况，先是主滑块保持不动，上穿孔油缸的活塞杆独自脱模回程，当回程到达某设定点，上穿孔油缸的活塞杆就会与主滑块一起向上回程，直至回到上限位。整台设备包括主油缸、穿孔缸、快速缸、回程缸、增压缸等，共有 22 个油缸。其中有两个油缸（上穿孔油缸和上穿孔轴增压油缸）是用合金钢材料制造的超高压油缸。为防止模具冷却水渗入顶出缸，顶出缸设计成倒挂缸动式。各油缸的具体配置详见表 7 所示。本设备的液压控制系统除了下顶出轴未使用高频响比例控制阀之外，其余 6 轴每轴均使用了 23件高频响比例控制阀，这就使得设备控制水平与时俱进，从低档走向高档；动作转换平稳迅捷。再加上本液压系统特有的下行高背压，使液压控制系统的振动和噪声得到明显改善。大通径（Dg160）双主动阀的集成应用。一种较少应用的大通径（Dg160）双主动阀在本设备中得到了应用，并且是一种在油缸底部的集成应用。其作用是替代部分充液阀，提高其响应速度。克服了传统快速液压机充液阀响应缓慢的短板。本系统中每个控制轴都配置有至少一件位移传感器，外加一到两件压力传感器。各类传感器的普及应用使设备控制的智能化水平得到提升。3能耗分析与比较通过理论计算，得出使用伺服电机控制的基于蓄能器和增压缸的节能型高节拍液压设备的年耗电量（即设备运行 4000h 耗电量），并将该耗电量与同吨位的传统快速液压机以及同吨位伺服电机控制的直供液压机的年耗电量进行比较（参与比较的三种设备的技术参数、工艺动作曲线均应相同或大体相同），从而估算出本文所述采用高节拍液压机控制技术的设备所能获得的经济效益。需要注意的是，本文所述节能型高节拍液压机使用的是伺服电机，而不是普通电机。在理论计算和分析比较中，为了提高三种不同控制系统设备的工艺过程相似度，对数学模型做了一些细节上的改进，强调了对于每一个工艺分段而言，初始压力与段末压力是有变化的，两者并不相同。假定，本文理论计算要完成的是图 1 所示的三通法兰锻件的锻造成形工艺。该锻件的工艺动作曲线可细分成由 33 步成形工序组成，在经过一系列的计算之后，可以得到如表 8 所示的能耗数据比较。表中输入数据说明如下：A 为主滑块快降速度/快回速度（mm/s）；B 为左右测压头快进速度/快回速度（mm/s）；C 为高节拍系统使用的主油泵数量主电机装机功率（台kW）。例如:9810 表示 9 台泵810kW；D 为直供快速系统和直供伺服电机系统使用的主油泵数量装机功率（台kW）；E 为高节拍系统快降之初关闭油泵电机组的时间（s）；H 为单次循环时间（s）；I 为年产量（按 4000h/年计算）（万件）；J 为配置伺服电机的高节拍系统年耗电量（按 4000h/年计算）（万 kW h）；K 为直供普通电机系统年耗电量（按 4000h/年计算）（万 kW h）；L 为直供伺服电机系统年耗电量（按 4000h/年计算）（万 kW h）；M 为高节拍系统与直供伺服电机系统相比，节约用电百分比（%）；N 为高节拍系统与直供伺服电机系统相比,每油缸名称油缸数量油缸名称油缸数量油缸名称油缸数量油缸数量合计上合模轴上合模柱塞缸4上合模快速活塞缸2上合模增压缸17上穿孔轴上穿孔活塞缸1上穿孔增压缸11左水平合模轴左合模柱塞缸1左合模快速活塞缸2左合模增压缸14左水平穿孔轴左穿孔活塞缸1左穿孔增压缸12右水平合模轴右合模柱塞缸1右合模快速活塞缸2右合模增压缸14右水平穿孔轴右穿孔活塞缸1右穿孔增压缸12顶出轴顶出活塞缸（缸动）11油缸数量合计10快速活塞缸6增压缸622表 7各油缸的具体配置28-第 3 期年节约电费（按 4000h/年计算）（万元）；O 为高节拍系统与直供普通电机系统相比，节约用电百分比（%）；P 为高节拍系统与直供普通电机系统相比,每年节约电费（按 4000h 计算）（万元）；Q 为高节拍系统与直供普通电机或直供伺服电机系统相比,节约电机装机容量百分比（%）；R 为每次换油高节拍系统与两种直供电机系统相比,可节约用油量（万升）；S 为每次换油高节拍系统与各种直供电机系统相比,可节约用油费（万元）。考虑到企业还要为每一台用电设备缴纳一定量的基本电费，则采用新技术节约的电费比表 8 所列数据还会有所增高。由表 8 数据显示，从情况一到情况十，节能型高节拍系统使用的主油泵数量从 9 台上升到 13 台，增加了 44.44%；单次循环时间从 50.107s 缩短到34.76s，缩短了 30.635%；耗电量从 259.790 万 kW h上升到 370.576 万 kW h，增加了 42.644%，年产量从28.7387 万 件 上 升 到 41.4311 万 件，增 加 了44.1648%。4重要设计变量值和节能比估算公式初步研究在上述理论分析的基础上，可获取与案例七相关的重要设计变量数据，如表 9 所示。并由此推出适用于案例七的节能百分比粗略估算试用公式：JN=Q1（B1-Q2）B2/B3式中：JN为节能型高节拍液压设备比直供伺服电机控制液压机用电量节约百分比；Q1为修正系数；Q2为保底系数，本案例 Q2=0.20；B1为单次循环中向蓄能YH39-11800G修正系数补能容积占比功率均/高比卸荷耗时占比情况一情况二情况三情况四情况五情况六情况七情况八情况九情况十0.21060.23410.11060.13790.15990.19270.22780.21150.22990.22310.22330.22340.22260.22260.22200.22200.22200.22200.22200.22200.14740.16120.17750.17920.19260.19400.19530.20820.20960.21210.23790.16420.15780.18930.15330.18110.20970.16250.17360.1639表 9案例七重要设计变量数据表情况一情况二情况三情况四情况五情况六情况七情况八情况九情况十A200/200200/200250/250300/300300/300350/350400/400400/400450/450450/450B200/200200/200250/250300/300300/300350/350400/350400/400400/400400/400C9810109001199011990121080121080121080131170131170131170D303300303300323520323520363960363960363960363960363960363960E/s0.61.251.20.61.20.90.61.251.00.6H/s50.1145.6941.4941.0938.2837.9737.6735.4235.1634.76I/万件28.738731.517634.705135.048037.621037.922838.230740.657440.951541.4311J259.790282.927311.718314.653337.668340.123342.388363.906366.423370.576K554.764565.806613.396615.809688.455691.162691.697704.436707.699710.123L260.581284.455312.597315.583339.166341.673343.992366.091368.677372.948M/%0.30370.53690.28110.29480.44170.45360.46650.59680.61140.6358N/万元0.474880.916390.527270.558220.898810.929940.962891.310931.352361.42283O/%53.171149.995749.181748.904250.952850.789750.500348.340848.223447.8152P/万元176.984169.727181.007180.694210.472210.623209.586204.318204.766203.728Q/%75.4572.7371.87571.87572.7372.7372.7370.4570.4570.45R/万升3.65513.45533.62973.62974.17844.17844.17843.978563.978563.97856S/万元51.7248.951.3651.3659.159.159.156.356.356.3表 8本文案例能耗数据比较荣兆杰：一种六轴含独立增压缸的七轴联动多向热模锻液压机29-第 58 卷器(指配备氮气瓶的活塞式蓄能器)增补输入的非泵供油液总容积与蓄能器有效输出油液总容积之比，即补能容积占比；B2为直供伺服电机控制液压机在单次循环中实际使用的平均功率与单次循环中功率最高的那个工艺分段的平均功率之比,简称功率均/高比；B3为直供伺服电机控制液压机在单次循环中，电机卸荷总耗时与单次循环总耗时之比，即卸荷耗时占比。使用上述公式计算出的节能百分比数值，应与表 7 的 M 行对应情况节电百分比数值基本一致。5结束语节能型高节拍液压机控制技术在多轴联动的大型液压设备领域同样应用前景广阔。本案例也开创了多个增压油缸的应用和多个增压缸同时应用于多轴的先河。就本案例中提及的多种工况而言，与传统快速液压机控制技术相比，节能型高节拍液压机控制技术的节电百分比浮动于 47.8152%53.1711%之间，每年节约用电量 282.879351.039 万 kW h；与俗称节电大王的伺服电机控制的液压机相比，节能型高节拍液压机控制技术也毫不逊色，基本持平，并略有超越，节电百分比浮动于 0.2811%0.6358%之间，每年节约用电量 791523714kW h。除了节电，每次油箱换油，还可节省油料约 3.4554.178 万升，获取经济价值 48.959.1 万元。既节电又节油，经济效益十分可观。就本文案例涉及的多轴联动大型液压设备而言，由于设备没有配置液压垫，整个工艺流程中除补能容积占比偏低之外，功率均/高比也同样偏低，由此导致与俗称节电大王的伺服电机控制的液压机相比，节能型高节拍液压机的节电百分比徘徊于 1%以下，与配置了液压垫的节能型高节拍液压机相比，本案例的节电百分比则明显偏低。但是考虑到基于装机容量的基本电费和工厂变压器配置容量方面的收益，考虑到两者高低不一的耗油量，考虑到直供控制系统需要使用超高压油泵，节能型高节拍液压机的表现还是要比伺服电机直供控制的液压机更加优秀，更值得推广。同时，研究如何提高补能容积占比的工作就成为了液压设备进一步节能挖潜的突破口之一。参考文献：1荣兆杰.基于蓄能器和增压缸的节能型高节拍液压机控制技术J.锻压装备与制造技术，2020，55（6）：24-29.2 荣兆杰.节能型高节拍液压机控制技术的几个重要设计变量研究J.锻压装备与制造技术，2021，56（5）：29-33.A seven-axis linkage multi-directional hot forging hydraulicpress with independent boosting cylinder on six-axisRONG Zhaojie（Hefei Metal Forming Intelligent Manufacturing Co.,Ltd.,Hefei 230601,Anhui China）Abstract:A seven-axis linkage multi-directional hot forging hydraulic press has been introduced.It has aunique structure with independent boosting cylinders on all six-axis.Through theoretical calculations andcomparative analysis of the hydraulic system in this case,it is demonstrated that in the field of large-scalehydraulic equipment with multi-axis linkage,the energy-saving and high rhythm hydraulic press control tech-nology based on energy accumulators and booster cylinders has significant advantages in energy conservationand consumption reduction by comparing to traditional hydraulic control technology.By comparing with thedirect-supply servo motor control system,despite being adversely affected by the low proportion of supple-mentary energy volume,it can still save electricity under many working conditions without falling behind,ba-sically maintaining the same level,and slightly surpassing.And it presents obvious advantages in saving fuelconsumption,motor installed capacity,and basic electricity costs for enterprises.Key words:Hydraulic press control technology;Multi-axis linkage;Accumulator;Booster cylinder;Proportionof energy replenishment volume;Servo motor;Energy consumption analysis30-