（机械设计及理论专业论文）铝锭连续铸造机液压系统的节能设计与研究.pdf

硕十学位论文 摘要 目前，我国正处于经济发展模式转型的关键时期，许多产品都朝着节能环保 的方向发展。铝锭连续铸造机液压系统的效率问题是影响该设备节能效果的重要 因素，也是其重要的研究工作之一。 本课题以2 0 k g 铝锭连续铸造机为研究对象，针对铝锭连续铸造生产线液压系 统的执行元件较多、工况变化大和效率不高的问题，在保证系统的可靠性前提下， 为提高系统的运行功率，降低装机功率提出可行的解决方案。 本文首先论述了铝锭连续铸造机节能技术研究的目的和意义，介绍了铝锭连 续铸造机的发展现状，以及目前液压节能系统的国内外研究现状。基于对系统节 能目的的研究，文章详细分析了引起液压系统的能量损失的组成和形成原因。针 对能量损失的原因，分析了液压系统节能发展的三个阶段的典型系统，为铝锭铸 造机液压系统的下一步节能设计提供了理论依据。 其次，本文根据对铝锭连续铸造机的组成和功能的分析，设计了能够满足工 况要求的液压系统。就本液压系统而言，以节能为设计重点，分析影响系统效率 的主要因素主要分为两方面：一是多个执行元件动作顺序的合理安排，降低系统 的装机功率；二是对节能元件和系统的选择，应用先进的元件或系统可以减少系 统的溢流量，使系统的能量利用充分，从而提高系统的运行功率。针对这两个问 题，文章提出了新的排序方式，做出多种动力源驱动下的方案比较，从而得出了 变量泵负载敏感控制系统为最佳节能效果的设计方案。 最后确定方案，应用相似系统原理，建立了泵、液压马达、液压缸等主要元 件的数学模型。最后运用a m e s i m 软件对变量泵负载敏感控制的多执行器系统进 行仿真分析。仿真结果表明：采用负载敏感控制方法后系统工作稳定、精确，降 低了铝锭连续铸造机液压系统的运行功率，达到了节能的目的，为其它工程设备 的节能改进提供了参考，具有一定的实际意义。 关键词：液压系统；节能：负载敏感；a m e s i m 仿真 i l l 铝锭连续铸造机液压系统的节能设计与研究 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，i ti st h ek e yt r a n s i t i o np e r i o dt oe c o n o m i cd e v e l o p m e n tm o d e lf o ro u r c o u n t r y , m a n yp r o d u c t sa r em o v i n gt ot h ed i r e c t i o no fe n e r g ys a v i n g h y d r a u l i cs y s t e m o fa l u m i n u mi n g o tc o n t i n u o u sc a s t i n gm a c h i n e ，a sa l li m p o r t a n tf a c t o r , a f f e c t st h e e f f i c i e n c yo fe n e r g ys a v i n ge q u i p m e n t ，a n di ti sa l s oo n ei m p o r t a n tr e s e a r c h t h et o p i c st o 2 0 k ga l u m i n u mi n g o tc o n t i n u o u sc a s t i n gm a c h i n ef o rt h es t u d y , b e c a u s et h eh y d r a u l i cs y s t e mo f2 0 k ga l u m i n u mi n g o tc o n t i n u o u sc a s t i n gm a c h i n eh a s m a n yl o a d s ，a n dw o r k i n gc o n d i t i o n sc h a n g el a r g e l y ，a n dt h ee f f i c i e n c yi sn o th i g h t o e n h a n c et h es y s t e m se f f i c i e n c y , t h ep a p e rp u tf o r w a r df e a s i b l es o l u t i o n su n d e re n s u r i n g t h er e l i a b i l i t yo ft h es y s t e m t h i sp a p e rd i s c u s s e sp u r p o s ea n ds i g n i f i c a n c eo ft h ee n e r g y s a v i n gt e c h n o l o g yo f 2 0 k ga l u m i n u mi n g o tc o n t i n u o u sc a s t i n gm a c h i n e ，a n dd e s c r i b e dt h ed e v e l o p m e n to f a l u m i n u mi n g o tc o n t i n u o u sc a s t i n gm a c h i n ea n dt h ec u r r e n te n e r g ys a v i n gr e s e a r c ho f h y d r a u l i cs y s t e m f o rt h er e s e a r c h i n go ft h ee n e r g ys a v i n gs y s t e m ，t h i sp a p e rm a k e sa d e t a i l e da n a l y s i so fe n e r g yl o s so fh y d r a u l i cs y s t e mu n d e rv a r i o u sr e a s o n s ，d e s c r i b e d t h r e es t a g e so fd e v e l o p m e n to fe n e r g ys a v i n ga b o u th y d r a u l i cs y s t e ma n dm a k e sa t h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rt h en e x ts t e po fa l u m i n u mi n g o tc a s t i n gm a c h i n eh y d r a u l i c s y s t e m s e c o n d ，a c c o r d i n gt oc o m p o s i t i o na n df u n c t i o na n a l y s i so f2 0 k ga l u m i n u mi n g o t c o n t i n u o u sc a s t i n gm a c h i n et h i sp a p e rd e s i g n e dt om e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h e h y d r a u l i cs y s t e mc o n d i t i o n o nt h e i s s u eo f h y d r a u l i cs y s t e m s ，f o c u s i n g o n e n e r g y s a v i n gd e s i g na n da n a l y s i so ft h em a j o rf a c t o r sa f f e c tt h ee f f i c i e n c yo ft h e s y s t e mi sd i v i d e di n t ot w oa s p e c t s ：f i r s t , t h er e a s o n a b l eo r d e ro fs e v e r a l a c t i o n s a r r a n g e m e n t s r e d u c et h e s y s t e m s i n s t a l l e d p o w e r ；s e c o n d l y t h es e l e c t i o no f e n e r g y s a v i n gc o m p o n e n t sa n ds y s t e ma n dt h ea p p l i c a t i o no fa d v a n c e ds y s t e m c o m p o n e n t sa n ds y s t e m sc a l lr e d u c et h eo v e r f l o wt r a f f i c ，s ot h a tt h es y s t e mi sf u l lo f e n e r g yu s i n ga n de n h a n c i n gt h eo p e r a t i o no f t h es y s t e mp o w e r a d d r e s st h e s et w oi s s u e s ， t h ep a p e rp r o p o s e dt h en e ws o r t ，t om a k eav a r i e t yo fp o w e rs o u r c e sd r i v e np r o g r a m c o m p a r e dt oa r r i v ea tav a r i a b l el o a ds e n s i n gp u m pc o n t r o ls y s t e md e s i g nf o rt h em o s t e n e r g y e f f i c i e n t l a s td e t e r m i n i n gp r o g r a m ，t h ep a p e rb u i l d sp u m p s ，h y d r a u l i cm o t o r s ，h y d r a u l i c c y l i n d e r sa n do t h e rm a j o rc o m p o n e n t so ft h em a t h e m a t i c a lm o d e la n da p p l i e ss i m i l a r s y s t e m sp r i n c i p l e a tl a s tu s i n ga m e s i ms o f t w a r em a k eal o a ds e n s i n gv a r i a b l e i v 硕士学位论文 d i s p l a c e m e n tp u m pc o n t r o l l e d ，m u l t i a c t u a t o rs y s t e ms i m u l a t i o n ，a n ds i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a t ：t h el o a ds e n s i n gc o n t r o lm e t h o dc a l lr e d u c et h ea l u m i n u mi n g o tc o n t i n u o u s c a s t i n gm a c h i n eh y d r a u l i cs y s t e mt or u np o w e rt os a v ee n e r g y , t h em e e ts y s t e mi ss t a b l e t h ep a p e rp r o v i d e sar e f e r e n c et oo t h e rm a j o rp r o j e c t st oi m p r o v ee n e r g ye f f i c i e n c y ， a n dh a ss o m em e a n i n go fa c t u a l k e yw o r d s ：h y d r a u l i cs y s t e m ；e n e r g y s a v i n g ；l o a d - s e n s i n g ；a m e s i ms i m u l a t i o n v 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 研嘤 日期：加d 年乡月2e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“) 作者签名： 导师签名： 日期：别d 年月2 日 e l 期：沙口年艿月乙日 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及意义 进入新世纪，我国国民经济得到了究飞猛进的发展，各项经济指标正在赶上 甚至超过世界先进水平。然而能源短缺的问题却日益成为制约我国国民经济增长 的一个瓶颈。目前我国的能源供应相当紧张，同时能源浪费也十分严重1 1 】。我国 万元g d p 消耗能源是世界平均水平的2 倍，是发达国家的1 0 倍。就目前而言， 我们一时还无法找到廉价的可代替能源。“开源”问题一时无法解决，我们只有在 “节流”上多下功夫，以提高能源的使用效率，减少损耗，才可减少对环境的污 染口j 。在这样的背景下，“低碳经济”更成为今年政府工作报告中豹关键词汇之一。 所谓低碳经济，是指在可持续发展理念指导下，通过技术创新、制度创新、产业 转型等多种手段，尽可能地减少煤炭石油等高碳能源消耗，减少温室气体捧放， 达到经济社会发展与生态环境保护双赢的一种经济发展形态。发展低碳经济，一 方面是积极承担环境保护责任，完成国家节能降耗指标的要求；另一方面是调整 经济结构，提高能源利用效益，发展新兴工业，建设生态文明这是实现经济发 展与资源环境保护双赢的必然选择。于是铝锭连续铸造生产线的节能环保性能 成为其进入市场和被用户接受的重要因素，同时也是产品生存和发展的重要条件。 围11 铝锭连续铺造机液压系统部分 随着现代铝业的发展，要求铝锭铸造生产线不断更新阻适应其迅猛发展的需 铝锭连续铸造机液压系统的节能设计与研究 求。兰州理工大学机电工程学院研制了铝锭连续铸造生产线，如图1 1 ，铝锭连 续铸造生产线的液压系统共有四个执行元件t 冷却运输机驱动马达、铝锭牵引缸、 小车水平移动缸和夹具垂直升降缸。由于这种铝锭连续铸造生产线的液压系统是 由一台液压泵带动多个执行元件来完成的，系统运行时存在较大的能量损失。其 主要原因是：系统传递的功率大，负载随机变化，调速范围宽且需要对同时动作 的执行元件进行控制，从而造成较大的节流损失和中位空流损失。这对于如何提 高铝锭铸造机液压系统的工作效率，降低能量的损失，延长设备使用寿命有着十 分重要的意义，同时产生的经济效益也很可观。在这种背景下，“新型高效铝锭连 铸生产线的研制被列为甘肃省重大技术创新项目和重大科技攻关项目。 1 2 铝锭连续铸造机国内外的发展综述 1 2 1 铝锭连续铸造机的发展 铝锭连续铸造生产线是有色冶金工业电解铝生产中的主要关键设备，是专门 用于生产重熔铝锭的自动化生产线，它一次完成铝锭铸造、冷却、堆垛、捆扎打 包和成品运输等生产工序，是集机、电、光、液、气于一体的自动化成套冶金装 备【3 1 。世界上澳大利亚和瑞士等国家在技术上处于领先地位，其开发生产的2 8 t h 铝锭连铸生产线代表了当今世界铝锭连铸生产线行业最高水准，具有生产效率高， 操作人员少、可靠性高等优点，且完全实现了全自动控制和计算机管理，但售价 很高。我国山西华泽铝厂引进了两套瑞士麦茨高奇( m a e r z g a u t s c h i ) 公司生产的 2 8 t h 连续铸造生产线。 2 0 0 0 年以前，我国电解铝行业大多数企业的产能小于5 万吨年，由于规模 小，普遍使用由抚顺铝厂机械厂和沈阳汇丰机械厂生产的6 t h 的半自动铝锭连续 铸造机，只有贵阳铝厂于8 0 年代中期引进了一套1 6 t h 连续铝锭铸造生产线。此 后贵阳铝镁设计院和昆明重型机器厂联合攻关研制了1 6 t h 连续铝锭铸造生产线， 在国内铝厂逐步得到推广应用，但实际生产能力仅能达到1 2 t h ，操作人员达7 8 人，且存在“水波纹 大、“脱模率 低、“堆垛 不整齐、可靠性差等缺点。 2 0 0 0 年后随着我国电解铝技术改造热潮兴起。各大铝厂普遍开始使用1 6t h 连铸生产线，1 6t h 的半连续铸造机逐步被淘汰，我国的铝锭连铸生产线的技术 水平也得到了迅速提高，但仍然存在自动化水平低、需要人工参与和监护、操作 人员需要5 - 6 人：堆垛机效率低、翻转等关键环节可靠性差等缺点，影响了整机 的生产效率；且铝锭铸模、运输链条等易损件寿命低导致使用成本高。随着近两 年我国电解铝行业向规模化、节能、环保方向高速发展，电解铝行业对铝锭连铸 生产线这关键成套设备提出了更高的要求，希望开发出新一代高效铝锭连铸生 2 硕士学位论文 曼皇曼曼曼曼曼皇曼蔓曼蔓曼量曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼皇曼曼鼍皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼舅皇曼曼曼蔓曼皇皇i! l_ , n 3i , 曼曼曼曼皇曼曼曼曼葛 产线满足我国电解铝行业高速发展的需求。同时，随着电解铝工业水平的迅速提 升，我国开始进入海外电解铝厂建设市场，中国有色建设股份有限公司、中兴公 司、中国进出口总公司等主要海外承包商已陆续承接了哈萨克斯坦、印度等国家 的大型电解铝厂项目，亟待要求国内研发出拥有自主知识产权的新型高效铝锭连 铸生产线以满足国内外市场的需要1 4 1 。 近年来，国内许多生产企业家都在极力地对铝锭连续铸造生产线进行研究和 改造，其中比较典型的有： ( 1 ) 山东铝业股份有限公司电解铝厂研制的2 0 k g 铝锭铸造生产线，设计能 力为1 5 t h 。此生产线通过改进电气控制系统，采用当前较流行的c p m i a 可编程 作为控制器，选择基本单元c p m i a - - 4 0 c d r - - a 作为c p u 单元，选用c p m i a 一2 0 e d r 扩展单元以满足系统设计的要求，采用继电器输出。限位开关采用非接 触式的光电开关和接近开关，动作更加准确。编程中结合生产的实际情况，充分 考虑到各种非正常因素，使系统运行更加稳定、可靠和安全1 5 】。 ( 2 ) 贵阳奥特机电公司根据对同类产品的调研，总结了目前国内外该系列机 组的使用经验，针对其存在的问题，通过一系列技术改造，开发出具有技术先进、 高效可靠的新一代2 0 k g 铝锭铸造生产线。该生产线与以往的铝锭铸造生产线相 比，由于采用了进口元件，使得铝锭铸造生产线的寿命延长、性能更加可靠；同 时采用p l c 编程控制，具有节约人力、物力及操作维护方便等特点【们。 ( 3 ) 兰州理工大学于2 0 0 6 年7 月开始，投入力量进行2 2 t h 铝锭连铸生产 线的技术攻关，在2 0 0 7 年3 月成功研制，并与2 0 0 7 年5 月正式通过技术鉴定， 该技术将国产铝锭连铸生产装备的技术水平提升到一个新的层次，已接近国际先 进水平。2 2 t h 铝锭连铸生产线的研制成功，将极大提升我国铝锭连铸技术生产装 备的技术水平，推进其国产化进程，并确立起我国在铝锭连铸生产技术装备中自 己独特的优势地位，增强产品在国际上的竞争力，扭转我国铝锭连铸生产线有可 能重新依赖进口的不利局面，促进我国电解铝工业的发展【7 1 。研制开发的“2 2 t h 新型铝锭连续铸造机组 ，已经得到了使用。 国内目前生产的铝锭连续铸造生产线与国外相比，存在的两大主要问题是【3 l ： ( 1 ) 生产能力低。近二十年来，国外有色冶金的关键技术和装备重点从提升整机 效率上作为研究重点，但国内相关装备生产能力比较低，我国的铝锭连续铸造生 产线的普遍生产能力为1 6 t h ，国外已达2 8 t h 。生产效率是目前国内的近2 倍， 自动化程度高，但售价高达1 3 0 0 万元人民币套。( 2 ) 可靠性较差。与国外同类 型设备相比，国内生产的设备可靠性较差，故障率较高，在一定程度上影响了其 主要功能的发挥。如果不进一步对铝锭连铸生产线的关键技术进行深入研究，加 快国产化的进程，将会使国产化铝锭连铸生产线丧失市场竞争力，有可能导致大 3 铝锭连续铸造机液压系统的节能设计与研究 多数铝厂不得不采用国外全套高额铸造生产线来替代国内铸造生产线，使我国铝 业生产蒙受损失，并受制于人，而且将完全丧失赢得中东、美洲和非洲等发展中 国家的市场主动权的机会。因此，大科新型高效铝锭连铸生产线的研制成了目前 国内需要迫切解决的问题1 8 j 。 1 2 2 液压系统节能的研究现状 液压系统的节能主要分为利用液压元件节能和利用液压回路节能的两种方 式。液压元件节能主要是在元件的选择方面，应尽量选用那些效率高、能耗低的 元件。如选用效率较高的变量泵，可根据负载的需要改变压力和流量，减小能量 消耗；选集成阀以减小管路连接的压力损失；选择比例阀可使压降减小、做连续 控制等【9 】【1 0 1 。 但是液压元件的节能效果是有限的，使用设计合理的液压回路可以取得良好 的节能效果。液压传动控制系统节能发展可分为阀控制阶段、泵排量控制( 容积) 控制阶段和泵转速控制阶段。 1 流量控制措施：在液压系统中，当主控多路阀置于中位时，液压泵输出流 量最小，当工作装置需要流量时，液压泵输出流量与其相匹配，避免多余流量超 载溢流，以减少流量损失。如图1 2 所示为日本小松p c 5 型挖掘机采用开式中心 负荷传感系统，该系统是在主控多路阀回油路设置节流传感阀，由该阀产生的压 差控制反向控制阀，使液压泵流量大小实现按需变化。 图1 2 开式中心负荷传感系统 4 硕十学位论文 2 负载传感控制措施：负荷传感控制技术不受负荷压力变化和液压泵流量变 化的影响，能按人为设定的特点自适应。负荷传感控制液压系统中有定量泵、变 量泵系统之分。压力补偿阀的布置位置不同，其控制精度及性能也有所变化，但 均能实现流量按需提供。德国r e x r o t h 公司研制的由m 4 系列多路阀组成的控制 系统，为流量与负载压力无关，其负荷传感控制压力补偿阀布置在泵与操纵阀之 间1 1 1 l 。 3 液压泵功率控制措施：液压泵功率控制是动力在满足工况要求下，尽量使 发动机在允许的功率范围内工作。韩国大宇d h i i i 型挖掘机液压泵功率控制嵌 入挖掘、装车、提升等作业模式。液压泵的输出功率及流量受液压泵控制器的电 流控制。指令电流的大小取决于作业内容、方式。p c 电液控制阀接受指令电流， 指令电流的大小可改变液压泵伺服活塞的推力，伺服活塞的运动使液压泵的输出 功率及流量按需提供。 4 机、电、液一体控制措施：目前采用机、电、液一体控制技术已较普遍， 在挖掘机行业更为特殊。如日本神钢s k 6 型挖掘机，操作采用电脑模糊控制技 术，发动机采用全功率控制( e s s ) 系统，作业采用智能控铝i ( i t c s ) 系统。作业过程 中可以随时监控操纵的动作，自动调整液压泵流量，并控制发动机输出功率，从 而实现燃耗低、作业率高和性能好【l 引。 图1 3 蓄能器缓冲吸能系统 5 蓄能器缓冲吸能措施：蓄能器缓冲吸能在较大型工程机械液压泵、液压马 达组成的闭式回路中采用较普遍。如图1 3 ，在系统中设置合适的蓄能器能有效 回收制动能量，并减少制动压力冲击，使回转作业平稳，其方法如图所示。该系 统由液压泵、液压马达和蓄能器组成闭式回路，工作时由液压马达带动的机构产 生的制动惯性依靠蓄能器能有效吸收，采取一些措施也可将吸收的能量释放或回 收利用1 1 3 - 1 6 1 。 5 铝锭连续铸造机液乐系统的节能设计与研究 随着计算机技术，微电子技术和比例控制技术的发展。国外目前又研究了几 种新型的液压节能回路。 日本油研公司采用a c 伺服马达控制泵转速系统的新型液压回路运用到液压 注塑机上，与传统的液压注塑机比较，可节能3 0 4 0 1 7 j 。我国浙江大学和宁 波华液机械有限公司也开展了此项研究，并研制出了“华液能宝 大功率注塑机 节能控制系统，其节能效果显著，解决了大功率注塑机高能耗的问题。此外，宁 波华液公司还自主研发了比例压力流量复合阀( 简称p q 阀) ，它可将电信号分 别控制液压系统的压力和流量，与定压节流调整系统相比，能耗较小，在一些液 压设备上使用的效果令人满意。 日本采用通用液压元件组成的c p s 回路。驱动侧和被驱侧采用变量液压泵和 马达，由变量机构控制液压泵和马达的正反转，当被驱动侧减速时，驱动侧的高 压油返回高压回路，而被驱动侧的高压进行能量储存，由其组成再循环回路【1 5 】。 该回路与蓄能器并用，其节能效果十分显著。目前，国外广泛宣传和推广该系统 的应用，我国浙江大学、哈尔滨工业大学、北京华德液压公司分别开展了c p s 回 路的研究工作1 1 8 l 。 我国浙江大学液体传动及控制国家重点实验室顾临怡等人还对多执行器负载 敏感系统中泵输出流量不足以全速驱动所有执行器动作的问题进行分析，总结出 多种兼顾系统工作效率和多执行器动作协调性的分流控制方法。 根据铝锭连续铸造生产线液压系统的实际运行情况和考虑经济因素，本研究 倾向于采用变量泵控制的负载传感回路。 1 3 本课题来源、主要研究内容 本课题来源于工程项目。根据国内外铝锭连续铸造机节能控制的研究现状和 发展趋势，以提高铝锭铸造机液压系统的功率利用率、降低能耗损失为目的，以 满足降低系统总功率，提高系统运行效率的要求。对于铝锭连续铸造机液压系统 的设计主要考虑三方面因素： 减少系统能耗； 提高系统配合，合理布置动作时序； 在提高系统效率的前提下，保证动作精度。 本文围绕铝锭连续铸造机液压系统节能进行如下研究： 1 ) 对铝锭连续铸造机进行系统分析，找出铝锭铸造机液压系统能量损失的主 要因素，根据国内外所采用的节能控制措施，提出新的液压控制系统模式。将铝 锭铸造机的变量泵、负载作为一个动态系统来全面研究，通过变量泵与负载、负 载与工况的合理分配，做出新的系统工作时序表，以解决铝锭铸造机运行功率高， 能量损失严重等问题。 6 硕士学位论文 2 ) 针对液压系统节能的发展方向，利用负载敏感变量泵控制系统的优点，借 用现代传感技术对系统运行时的负载变化进行检测，克服传统的定量泵溢流阀液 压系统的缺点，通过数值计算得出各个工序所需功率，结合二级梭阀网络，设计 新的铝锭铸造机负载敏感控制系统。 3 ) 建立系统的变量泵、马达和液压缸的数学模型和传递函数，通过对系统的 仿真，分析系统的性能，为设计铝锭铸造机的变量泵负载敏感控制系统提供理论 基础。 4 ) 采用液压仿真软件a m e s i m 进行研究，对系统的响应、稳定性及抗干扰 能力进行分析，最终确定最佳节能效果的液压系统。 7 铝锭连续铸造机液压系统的节能设计与研究 第2 章铝锭连续铸造机液压系统的能耗分析 2 1 液压传动系统效率问题 液压传动是工程装备理想的传动装置，工程装备的发展影响液压技术的进步； 液压技术的水平主要体现在工程装备上，因此两者相互促进、共同发展。 液压系统的能源利用率很低，是高能耗产业。液压系统利用液压泵将原动机 输出的机械能，转换成液体的压力能，通过液压压力能的变化来传递能量，经过 各种控制阀和管路的传递，借助于液压执行元件( 缸和马达) 把液体压力能转换 为机械能，从而驱动工作机构，实现直线往复运动和回转运动。几次转换能量损 失较多，加之液压传动本身的效率就低，因此液压系统的节能问题成为液压控制 系统发展的关键问题i l9 。 就本系统而言，减小系统能量损失的主要途径有：一是合理选择原动机的类 型及规格，使液压源和原动机功率匹配，提高原动机的效率；二是选择合适的液 压元件，改善系统的能量转换效率；三是合理设计液压系统的结构，提高液压回 路的效率。 2 2 铝锭铸造机的能量损失分析 根据第一章中对铝锭连续铸造机的介绍，可知铝锭铸造机的功率流向是由电 机将电能转化为机械能，驱动液压泵转动抽吸液压油，将机械能转化为介质的压 力能，然后由各种控制阀和执行元件将液压能转换成为机械能，驱动各工作机构 实现直线运动和回转运动。在这样的功率流向过程中，主要存在各零部件自身的 机械损失，液压系统的压力，流量损失以及液压泵和负载、发动机和液压泵之间 的匹配损失等。 2 2 1 机械摩擦损失 在铝锭连续铸造机液压系统中，由于机械摩擦引起的功率损失主要包括液压 缸活塞上的摩擦功率损失、马达和液压泵上的摩擦功率损失。对于铝锭铸造机是 连续工作系统，这种功率损失并不可以有效避免。 2 2 2 液压系统中的压力损失 液体流动时管道产生阻力，为了克服阻力，流动的液体需要消耗掉一部分能 量，这种损失称为压力损失。铝锭连续铸造机上采用三位四通型换向阀作为四个 执行元件的换向与制动元件，控制阀的进、出口均加有单向阀和节流阀，控制系 统压力与流量，保证液压缸的运动速度。系统可采用定量泵或变量泵供油。在系 统中的压力损失分为沿程压力损失和局部压力损失。 8 硕士学位论文 液体流经管道的弯头、接头、突变截面以及阀口、滤网等局部装置时，液流 方向和流速发生变化，在这些地方形成漩涡、气穴，并发生强烈的撞击现象，产 生局部压力损失。 液体在等径直管中流动时，因摩擦和质点的相互作用会产生沿程压力损失； 铝锭连续铸造机的快速工况往往是空载运动，而且等截面直管数量很少，所以沿 程压力损失比较小。但液压系统的沿程压力损失所造成的功率损失也是不可小视 的。解决的办法是尽量采用大通径液压管路，同时合理布置液压管，采用阻力小 的管接头。 2 2 3 液压系统中的流量损失 溢流损失是本液压系统的重要流量损失，随着负载压力的增加，泵输出压力 也逐渐增加，当超出溢流阀设定压力时，系统开始溢流。当执行器因负载过大而 停止动作时，如果不采取措施，液压泵输出的全部流量都会通过溢流阀回油箱， 此时电动机的输出功率都将消耗在溢流阀上变成热能，导致油温升高，大大降低 液压油和设备的使用寿命。铝锭铸造机的液压系统由于其工况较简单，工作环境 稳定，系统的压力不会超出溢流阀的设定压力，系统溢流产生的功率损失可以估 计。除了过载产生的溢流损失外，系统中的冷运马达在其间歇式的启动转动制 动过程中也会产生多余流量通过溢流阀溢出。 另外，由于液压元件的运动副之间不可避免地存在间隙，油液在液压元件中 流动时就会产生内、外泄漏，造成流量损失。液压泵、液压马达和液压缸都存在 着这样的内、外泄漏。 2 2 4 液压泵与负载的匹配不当引起能量损失 铝锭连续铸造机的液压泵输出应该与负载的变化和动力要求相适应。但在实 际中，这种绝对的适应匹配是做不到的，液压泵提供的流量和出口压力都会高于 实时负载的需求。特别像铝锭铸造机这种多执行器的液压系统，它经常要求多个 动作同时执行。这时，液压泵的出口压力会高于负载最大时的执行器所需要的压 力。当多个执行器之间的压力差别很大时，能量的损失也将相当可观【2 0 2 4 1 。 2 3 液压控制系统的类型 为了满足本液压系统对压力和流量在不同工作状况下的要求，需要对液压系 统进行压力和流量调节，以保证系统安全和良好的操作性、节能性。 2 3 1 压力控制回路 压力控制回路是液压控制系统中的基本回路，它利用压力阀、变量泵等元件 控制系统中的压力，以满足执行元件对力或转矩的要求。 调压回路分为连续调压回路、多级调压回路、恒压控制回路等，能够控制系 9 铝锭连续铸造机液压系统的节能设计与研究 统的压力，使系统压力不超过预先调定好的数值，或使工作机构在运动过程的各 个阶段具有不同的工作压力。 图2 1 溢流阀单级调压回路图2 2 比例溢流阀调压回路 图2 1 所示的即为溢流阀单级调压回路，溢流阀开启压力可通过调压弹簧调 定，通过调定溢流阀调压弹簧的预压缩量，便可以设定供油压力的最高值。系统 的实际工作压力由负载决定，当外负载力大于溢流阀调定压力时，溢流阀开启， 产生溢流损失，此时的溢流阀起到安全作用。但系统在一个工作循环中，溢流压 力不能调整。 图2 2 为最基本的比例溢流阀调压回路，可以根据要求，通过调整输入比例 阀的电流，简单方便地改变系统的供油压力。 2 3 2 速度控制回路 在系统中，执行机构运动速度的调节，是通过控制输入执行机构的流量来实 现的。分为节流调速、容积调速两种主要形式。 1 节流调速回路原理 节流调速的工作原理是通过改变回路中流量控制元件通流截面积的大小来控 制流入执行元件的流量，以调节其运动速度。此种调速回路结构简单、工作可靠、 调速范围广，但是能量损失大、效率低、发热量大，且负载特性较差，一般多用 于功率低、负载变化小的场合。根据流量控制阀在回路中的位置，可以分为进口 节流、出口节流和旁路节流三种形式，如图2 3 所示。 l o 硕十学位论文 ( a ) 进口节流( b ) 出口节流 ( c ) 旁路节流 图2 3 节流调速回路 2 容积调速回路原理 容积调速回路的工作原理是通过改变回路中变量泵或变量马达的输入输出 流量来进行调速，使系统的流量与执行元件的负载流量相适应。尤其通过改变液 压泵的输出流量使之与执行元件的负载流量相适应的调速回路，避免了溢流能量 损失，系统的效率较高，不易发热，多用于功率较大的场合，如图2 4 所示。由 于可通过调节泵或马达来改变速度，所以调速范围比较大。 3 容积节流调速回路 容积调速回路虽然效率高，但是随着负载增加液压泵和液压马达的泄漏也相 应增加，即速度随负载的变化而变化的缺点，在低速时更为突出。节流调速回路 的回路效率低，但是速度负载特性好。因此，对于某些功率较大，要求发热小、 低速稳定的供油系统，常采用如图2 5 所示容积一节流联合调速回路。在这种回 路中，使液压泵的供油量和供油压力与工作机构所需的压力和流量相适应，效率 高，速度稳定性也比单纯的容积调速回路好【2 5 。2 7 】。 图2 4 容积调速回路图图2 5 容积节流调速回路 1 1 铝锭连续铸造机液乐系统的节能设计与研究 2 4 液压节能系统的分析 铝锭铸造机的液压传动系统由液压泵、液压马达、液压缸、控制阀和油管等 液压元件组成。并且采用叠加单向阀集成块等控制阀来控制各机构的运动。液压 传动是用液体作为介质来传递能量和进行控制的传动方式【2 8 1 。液压传动的效率既 与液压元件及其控制方式带来的能量损失有关，也与系统的类型有关，有时由于 系统回路本身的因素造成的损失大于液压元件因有的能量损失。通过分析液压系 统的类型及特点，能够充分认识和理解铝锭连续铸造机节能技术的发展和趋势。 从液压传动控制系统节能发展阶段，可分为阀控制阶段、泵排量控制阶段和泵转 速控制阶段。国内目前普遍采用阀控制系统，而国外正在普及泵排量控制系统【2 9 1 。 2 4 1 阀控液压传动系统 阀控系统又称节流控制系统，其主要控制元件是液压控制阀，实现系统速度 调节的 口 q - l , o np 图2 6 定量泵一溢流阀控制系统和特性 控制系统，具有响应快、控制精度高的优点，因此阀控系统因已经广泛应用 于液压系统中，但缺点是效率低。 图2 6 为典型的定量泵溢流阀控系统液压原理和系统输出的压力流量特性。 图2 7 为阀控系统的压力流量特性分析，系统的流量输出线段为d c ，c d 为 溢流阀的设定压力，系统的最大输出功率为d c e o 所包围的面积如果系统实际 的工作为l ，则系统的总效率仇为b 1 l e t o 所包围的面积与d c e o 所包围的面积 之比。 把聃作出等效曲线( 图2 8 ) 可以看出，这种系统的效率是很低的，例如即 使当输出流量为最大流量的8 0 ，输出压力也为最高压力的8 0 时，系统的总效 率只有6 4 。 硕十学位论文 g q 嗽 p 眦 p 丑 求 妞 g 嘲 爝 k 堪 上 占最高压力的百分比 图2 7 压力流量特性分析图2 8 阀控系统的等效率曲线 前面所讲述的阀控系统功率损失并不是阀控系统的全部损失，它只代表系统 的阻力( 含节流) 损失、漏损损失和溢流损失对系统效率的影响。实际上阀控系 统在运行过程中，产生的能量损失归纳起来有以下几方面【3 m 3 2 】： ( 1 ) 原动机( 包括电动机和柴油机等) 运行的效率损失和空运转损失。 ( 2 ) 泵、马达( 液压缸) 的效率( 含容积效率和机械效率) 损失。 ( 3 ) 阻力( 包括节流) 损失。液流通过控制阀、附件、管路和接头的损失。 ( 4 ) 漏损损失。包括压力油通过各控制阀产生的内漏，控制阀门越多，总的 内漏量越大。 ( 5 ) 溢流损失。在许多液压系统中，如时间发讯控制和行程发讯控制的刚性 定位系统，溢流损失占的比重较大，特别是一些发热严重的系统，往往是溢流损 失造成的。 ( 6 ) 空运转损失。在阀控系统中，泵以1 0 0 的流量、0 4 0 8 m p a 的压力( 电 磁溢流阀的卸荷压力一般为0 4 m p a ，电液换向阀内控压力为o 8 m p a ) 空循环， 如果系统的工作压力2 0 m p a ，则泵空循环功率消耗将占使用功率的2 8 。如 果考虑5 左右的机械损失，则液压系统的空运转损失( 不包括原动机空运转损 失) 消耗的能源将达传动功率的7 1 0 左右。 由分析可见，阀控系统耗能高、温升快，增加了液压系统的制造成本和运行 成本。但目前的铝锭连续铸造机多应用这种定量泵溢流阀控制系统，主要原因是： 结构简单、价格低，多个执行器同时运动时，工作性能可靠；由于定量泵经常在 非满负载下工作，其寿命比变量泵相对要长；同时由于定量泵溢流阀控制系统流 量固定，执行元件的速度也稳定，拉锭、堆垛过程的动作时间可以保证。 定量泵液压系统中单定量泵供油是最简单的回路。但这种回路只适用于恒压 力、恒流量的载荷类型，且系统效率较低。如果用在多负载多速度的工作循环中， 液压泵仍工作在最大负载压力下，造成低压或低速执行机构液压回路上的功率损 铝锭连续铸造机液压系统的节能设计与研究 曼曼皇皇i i 鼍皇曼皇詈曼曼篡皇曼皇曼曼曼曼曼曼皇皇鼍量曼皇詈皇曼皇曼曼皇曼皇曼曼曼皇鼍舅皇曼曼曼曼皇曼曼舅曼曼皇曼量量皇量曼曼曼鼍皇曼曼曼鼍鼍皇曼皇舅鼍 失，效率在3 5 以下。因此根据功率匹配的原理，对多负载多速度液压系统的机 械设备可选用多泵驱动回路。图2 9 是由三个定量泵组成的驱动回路，由控制阀 4 、5 、6 控制总系统的供油，可得到7 种流量组合( 若用四台泵，则可得出十五 种不同流量) 以适合不同负载所需流量。这种多泵驱动的回路用于多负载、多种 速度的液压机械设备，可实现有级变量调速，实现一定节能效果。 1 高压小流量泵；2 、3 低压大流量泵；4 、5 、6 控制阀 图2 9 三泵驱动回路 2 4 2 泵控液压传动系统 泵排量控制系统简称泵控系统，又称容积控制系统，其实质是当系统达到设 定压力时，高压油不从溢流阀溢流，而是用减少泵流量输出的方式实现系统的安 全保护当液压油需要换向时，可用双向变量泵对泵的进出油口换向，不需要换向 阀，实现系统的液压油换向；当需要加速或减速时，采用增加或减少泵输出流量 的方式来实现，从而使系统不使用节流阀且减少系统的节流阻力损失【3 4 1 。故这种 控制系统效率较高，但响应速度慢、结构复杂，适用于功率和响应速率要求不高 的控制场合【4 4 1 。 泵排量控制系统的典型回路有二次调节系统，负载敏感控制系统、恒压泵控 制系统、恒功率恒压泵控制系统 p o 图2 1 0 二次调节系统 1 4 硕士学位论文 1 二次调节系统 二次调节静液传动系统( 简称二次调节系统) 原理如2 1 0 图所示，一般由恒 压油源、二次元件( 液压泵或马达) 、工作机构和控制调节机构等组成。二次调节 系统是工作于恒压网络的压力耦联系统，其工作原理是：在恒压网络中，通过调 节二次元件变量机构来改变二次元件排量，以适应负载( 工作机构) 的转矩变化， 使负载按设定的规律变化【3 5 1 。 2 恒压泵控制系统 恒压泵控制系统的原理图如图2 1 1 所示。从输出特性看，恒压泵控系统与定量泵 溢流阀控系统相同。不同的是恒压泵控制系统达到设定压力后，泵的排量减小， 系统压力不变，只有少量的漏损而没有流量的溢流。从而减轻了系统的发热，节 省了能耗。 口 口一 图2 1 1 恒压泵控系统的原理和特性 图2 1 2 恒压泵控系统的压力流量图。在图中，系统的最大流量由泵的最大 输出流量决定，最大压力由恒压阀设定，负载所需的压力和流量均位于此压力和 流量所包围的区域内，系统的最大输出功率由c 点决定，为d c e o 所包围的面积 假如l 点为负载的工作点，则系统的实际有用功率为b l l e l o 所包围的面积，实 际消耗的功率为b 1 b e o 面积，故l 点的总效率仇为这两个面积的比值。明显可 以看出，不论系统的输出流量有多大，恒压泵控系统与阀控系统相比有很高的效 率，具有很好的节能效果。 铝锭连续铸造机液压系统的节能设计与研究 口 q w 刃 压力和流量 1 c 文曰纛霹添阑“ 滋毒划f o p m x p 图2 1 2 恒压泵控系统压力一流量图 3 负载敏感控制系统 负载敏感控制系统( 1 0 a d s e n s i n g ，简称l s ) 一般指系统能自动地将负载所需 的压力或流量变化的信号传到敏感控制阀或泵变量控制机构的敏感腔，使其压力 流量参量发生变化( 这个功能就是所谓的负荷传感，或叫负载敏感) ，