快速锻造液压机高效节能传动技术研究

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快速锻造液压机自动化程度高、成形速度快、尺寸控制精度好,在造船、核电、航天、冶金、机械制造行业得到广泛应用,但其也存在装机功率高、能耗大、能量利用率低等缺点。研究快速锻造液压机的能量传递及节能技术可以有效地促进其技术进步,提高竞争力,对于实现工业制造中的节能减排目标具有重要意义。快速锻造液压机装机功率与负载需求功率不匹配以及能量传输效率低是其能耗高的主要原因,目前的研究没有从本质上解释液压系统为何会产生能量损耗、以及服役过程中产生的能量损耗如何转化;没有解决快速锻造液压机具有周期性与间歇性变负荷特征,而装机功率按最大负载配置所带来的冗余能量多、耗损严重的问题;没有研究如何解决因设备数量多、管路长、迂回多导致的能量传输损失及传输效率低的问题。针对上述问题,本文建立了快速锻造液压机能量耗散模型,从机械储能、液压储能、能量传递以及能量回收利用四个角度出发,提出了快速锻造液压机高效传动策略,具体工作如下:在分析快速锻造液压机设备组成与加工工艺的基础上,建立了快速锻造液压机成形过程的能量流动模型与各个能量传递单元的能量耗损模型,研究了能量传递过程中产生耗损的机理,解决了快速锻造液压机能耗如何产生,以及能耗如何转化的问题,为后续高效节能传动研究提供理论指导。针对快速锻造液压机装机功率和负载需求功率不匹配的问题,从机械储能的角度出发,提出了一种基于飞轮储能的新型液压动力单元,飞轮与电机刚性连接,动力单元采用变频驱动方式。变频器驱动电机带动飞轮在低负载阶段将系统冗余能量储存起来,在高负载阶段进行释放并与电机一起驱动油泵克服负载做功,从而实现液压系统冗余能量的高效利用以及装机功率的降低。实验结果表明,本文所提的新型液压动力单元可以降低30%的装机功率,提高40%的能量利用率。从液压储能的角度出发,提出了一种基于蓄能器-双向增压系统的新型液压储能系统,并根据成形工艺提出协调增压系统的运作策略。空载时主泵为蓄能器充液,低负载时主泵与蓄能器为主工作缸供能,高负载时增压系统为主工作缸供能。通过蓄能器与增压系统相互配合,不仅减少增压过程产生的压力波动、提升增压系统的工作效率与增压稳定性,而且提高了蓄能器的储能效率与液压系统的能量利用率,达到降低装机功率的目的。针对液压能传输管路长、管路迂回以及阀组数量多带来的能量损失大、传输效率低,提出了一种液压机排布结构优化策略,改变传统的平面式布局,将繁杂的液压机组设备分门别类后再按功能需求进行立体式排布与分层布置,使液体压力能在动力单元与执行机构间传输距离最短,减少液压能在传输过程中的损耗,提高液压系统的传动效率和响应速度。与传统平面式排布结构相比,立式压机在一个工作周期内(3s)由管路-阀组系统产生的能量损耗减少了229.66 k J。针对快速锻造液压机在卸压回程时,液压缸、机架、管道内部储存了大量的液压能和弹性势能,提出了一种能量回收与再利用系统实现对这部分能量的重复利用。通过引入过滤缓冲系统,对压机成形卸载后的高压油液进行缓冲减压,作为循环冷却油源,替代传统的冷却循环电机降低系统装机功率,并在快下阶段将储存在充液装置中的低压油液释放为主工作缸供能,从而实现废弃能量的回收与再利用。总之,本文针对快速锻造液压机的高能耗特点,对其高效传动、节能技术进行了研究,研究成果对降低快速锻造液压机能量损耗、提高成形加工的能效水平以及发展低碳绿色经济具有重要意义。
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