1 引言

1.1 研究背景与意义

在“双碳”战略和制造业绿色转型背景下，铸造行业亟需解决高能耗、低能效、自动化不足等瓶颈问题。多工位全自动浇注机凭借高效率、高精度和强协同性，已成为汽车、航空、五金等精密铸件批量生产的核心装备。其液压系统驱动全部执行动作，具有高频次、大负载波动、多机构并联、工况频繁切换等特点。

当前主流设备仍采用定量泵节流调速系统，以恒压供油匹配最大负载需求，导致空载、保压、低速等低负载工况下大量能量通过溢流与节流转化为热能，造成严重能源浪费，并引发油温升高、粘度下降、泄漏加剧、阀芯卡滞等衍生故障，影响稳定性与寿命。同时，多工位并联结构易产生压力耦合、流量争抢与动作干涉，传统恒压系统难以动态匹配负载变化，进一步加剧能耗与扰动。

尽管负载敏感、变频调速、能量回收等节能技术已在通用液压设备中应用，但针对多工位浇注机复杂协同工况的系统性研究匮乏，单一技术存在适配性差、响应滞后、节能有限等问题，缺乏多技术融合的一体化控制体系。

1.2 国内外研究现状

现有液压节能技术主要分为结构优化、控制方式改进和能量回收三类。变量泵控系统已证实优于定量泵恒压供油；负载敏感技术通过梭阀网络实现压力跟随与流量匹配，适用于单工位变负载场景；变频驱动可从源头降低空载能耗，但动态响应不足；势能回收（如蓄能器、再生制动）在工程机械中成效显著，但在浇注机倾转机构中应用较少。

目前浇注机相关研究多聚焦结构设计或单一节能措施，未深入分析多工位压力耦合与流量冗余的能耗机理，亦未构建适配其高协同、快切换特性的智能节能框架，导致节能效果与运行稳定性难以兼顾。

本文基于多技术融合思路，整合负载敏感、变频驱动、电液比例控制与势能回收，构建一体化智能节能控制策略，系统揭示能耗机理，实现按需供能、精准调控与能量循环，为铸造装备绿色智能升级提供理论支撑与技术路径。

2 多工位浇注机液压系统能耗机理与损耗特性

2.1 传统液压系统结构与工作原理

多工位全自动浇注机传统液压系统采用“定量泵+节流阀”调速模式，由定量泵、三相异步电机、溢流阀、节流阀、多路换向阀、液压缸/马达等组成。电机恒速驱动定量泵持续输出恒定流量，通过节流阀调节执行机构速度，溢流阀维持系统恒压，多余油液直接回油箱。

设备工作循环包括快移、慢速定位、倾转浇注、保压锁紧、复位及空载待机等工况，负载压力与流量需求差异显著：行走负载平稳，倾转存在剧烈力矩波动和重力干扰，保压阶段几乎无流量需求。但系统仍以最大工况参数恒压供油，无法动态匹配负载变化，是高能耗的根本原因。

2.2 节流与溢流能耗损耗机理

节流损失源于阀口压差与流量乘积。在低速定位、精细浇注等工况，节流阀开度小，泵出口压力远高于实际负载压力，大量液压能转化为热能，引发油温升高、粘度下降、内泄漏加剧，形成“高耗—高温—高漏”恶性循环。

溢流损失同样突出。为覆盖极限工况，系统设定压力通常高出平均工作压力30%~50%。在占比超60%的低负载工况下，多余流量持续高压溢流，造成显著能量浪费。两类损失本质均为高品质液压能向热能的无效退化，属结构性问题，需从供油模式与控制逻辑上根本解决。

2.3 多工位协同工况耦合能耗规律

多工位并联共享油源，各机构负载特性迥异，导致压力耦合与流量冗余。系统为满足最高负载工位而整体升压，迫使低负载工位长期处于高压冗余状态，只能靠节流泄压，加剧能耗；同时，泵按所有工位最大瞬时流量总和选型，但全工位同步满负荷运行概率极低，常态下流量过剩，持续溢流。

此外，工位切换或启停时流体惯性引发压力尖峰，触发瞬时溢流，产生冲击能耗，并造成“抢流量”、动作不同步、运行抖动等问题。综上，多工位系统形成“压力耦合—流量失配—动态冲击”的复合能耗机制，传统单一调速难以应对，亟需解耦控制、自适应供油与动态流量匹配技术实现节能稳控。

3 基于负载敏感理论的变量泵控节能机制

3.1 负载敏感压力跟随与流量匹配原理

负载敏感控制通过“按需供能”打破传统恒压供油模式，核心由变量柱塞泵、梭阀网络、压力反馈油路及压力补偿器构成。系统实时采集各执行机构负载压力，经梭阀筛选出最高负载信号并反馈至泵调节器，动态调整泵排量，使出口压力始终略高于最高负载压力（维持恒定压差），流量则严格匹配各工位总需求。该机制彻底消除高压冗余与溢流损失，仅保留节流控制所需的最小压差，大幅降低能耗，尤其适配浇注机多变负载与频繁工况切换的运行特点。

3.2 多支路压力补偿与流量独立性保障

在多工位并联系统中，单一负载敏感泵难以避免工位间压力扰动和流量干涉。为此，本文在各支路增设独立压力补偿阀，构建多支路补偿体系。该阀通过自动调节流通阻力，维持节流阀口前后压差恒定，使支路流量仅取决于阀口开度，不受系统压力波动或其它工位负载变化影响。由此实现压力与流量解耦，有效解决“抢流量”、动作不同步、速度漂移等问题，在保障协同精度与运行平稳性的同时，最大化节能效益。

3.3 梭阀网络逻辑与系统动态稳定性优化

梭阀网络作为系统感知核心，其响应速度与逻辑准确性直接影响节能效果与稳定性。针对浇注机工况切换频繁、负载突变随机的特点，本文优化梭阀布局，缩短反馈油路，减少信号滞后与内泄漏；同时匹配补偿阀阻尼、弹簧刚度等参数，抑制高频振荡与低速爬行。通过提升压力反馈精度与闭环响应特性，确保系统在复杂多工位工况下实现压力精准跟随与平滑过渡，兼顾高能效与高稳定性。

4 变频驱动与电液复合节能优化技术

4.1 变频调速流量控制与空载节能机理

负载敏感变量泵通过调节排量实现流量匹配，但电机始终恒速运行，在系统零流量、微流量工况下，电机仍存在空载机械损耗、铁损与铜损，节能效果存在上限。变频驱动技术通过调节电机转速改变液压泵输出流量，依据流体机械相似定律，液压泵输出流量与电机转速呈线性正比关系，电机驱动功率与转速三次方成正比，低速降速运行可实现极致节能。

针对浇注机待机保压、慢速浇注、工位微调等低流量工况，变频控制器可根据系统流量需求自动降低电机转速，零流量工况下可实现电机低速待机或停机，彻底消除传统恒速运行的空载能耗。相较于变量泵排量调节，变频转速调节可从动力源端削减无效能耗，节能效果更为显著。但变频电机存在转动惯量大、转速响应滞后的固有缺陷，无法适配多工位快速启停、负载瞬时突变的工况需求，单一变频控制难以兼顾节能性与动态响应性能。

4.2 变频-变量电液复合控制策略设计

为兼顾系统高能效与快响应特性，本文构建“变频调速粗调+变量排量细调”的电液比例复合控制架构，融合变频驱动与负载敏感变量控制的双重优势，实现动态性能与节能效果的最优平衡。

复合控制核心协同逻辑为：稳态工况、慢变负载工况下，以变频调速控制为主、变量排量调节为辅，通过降低电机转速使系统工作在高效区间，同时保持变量泵最大排量，提升泵体容积效率，最大化降低稳态能耗；瞬时负载突变、工位快速切换、流量急剧波动的动态工况下，以变量泵排量快速调节为主，利用变量机构毫秒级响应速度补偿转速滞后带来的流量缺口，快速适配工况变化、抑制压力冲击，电机转速缓慢跟进调节，规避变频响应滞后缺陷。

该复合控制模式有效解决了单一变频控制响应慢、单一变量控制空载能耗高的技术短板，可适配浇注机全工况运行需求，既保障多工位动作的快速性、平稳性与精准性，又实现全时段能效优化，彻底打破单一节能技术的应用局限。

4.3 电子负载敏感智能控制技术优化

传统机械式负载敏感依赖梭阀网络、液压反馈油路实现压力感知与调节，存在机械滞后、摩擦干扰、参数固化等缺陷，智能化程度与调节精度有限。本文引入电子负载敏感（ELS）智能控制技术，替代传统机械式反馈结构，构建全电液智能调控体系。

电子负载敏感系统通过高精度压力传感器实时采集各工位支路负载压力信号，传输至中央控制器，控制器通过智能算法实时解算系统最高负载压力与最优供油参数，同步输出电信号协同控制变频电机转速与变量泵排量。该技术彻底消除了机械反馈环节的非线性干扰与响应滞后，调控精度、响应速度与工况适配性大幅提升。同时，系统可根据浇注机预设工艺曲线，定制压力-流量动态匹配轨迹，实现工位切换、倾转浇注、复位回程等动作的平滑无冲击过渡，可主动规划系统能量流分布，实现精准化、智能化节能调控，同时支持参数自适应整定、故障自诊断与远程优化，为浇注机液压系统智能化、绿色化升级提供技术支撑。

5 蓄能器势能回收与能量循环利用技术

5.1 浇注机重力势能再生制动机理

多工位全自动浇注机浇包倾转、负载下降、工位复位等动作过程中蕴含大量重力势能，传统液压系统无能量回收机制，该部分势能全部通过节流、制动转化为热能耗散，造成极大的能源浪费。本文引入液压再生制动技术，实现浇注机重力势能的高效捕获与再生利用。

在浇包复位、负载下降的势能释放工况下，通过逻辑阀组切换油路工作模式，使液压缸被动运动驱动液压泵反转，将设备重力势能转化为高压液压能，替代传统节流制动模式，实现势能向液压能的能量转换。再生生成的高压液压油通过单向阀导入蓄能器储存，避免能量无效耗散；在设备启动加速、浇包抬升、工位重载推进等大流量、高负载工况下，蓄能器释放储存的液压能，与主泵并联协同供油，辅助驱动执行机构动作，有效降低主泵与电机峰值功率输出，削减设备峰值能耗。

5.2 蓄能器参数匹配与智能充放电控制

蓄能器的储能效率与工作稳定性直接取决于容积参数、预充压力与充放电控制逻辑。结合浇注机单次动作能量需求、工况循环频率与压力波动范围，优化匹配蓄能器有效容积与预充气体压力，平衡储油容量与工作压力区间，最大化提升能量存储利用率。针对蓄能器充放电时序混乱、释能滞后、充能过度等问题，设计智能充放电控制策略：系统低负载、势能富余阶段，自动开启充能模式，利用系统多余流量与再生势能完成蓄能器充电；系统高负载、大流量需求阶段，预判工况需求提前释能，实现削峰填谷、协同供油。

同时增设压力缓冲与流量调节机制，精准控制蓄能器充放电速率，避免压力突变引发的系统冲击、吸空、抖动等问题，保障设备动作平稳性。蓄能器能量循环系统不仅可回收再生势能、降低能耗，还能有效平抑系统流量脉动与压力波动，提升多工位协同动作的稳定性，兼具节能与稳控双重效益。

6 结论与展望

6.1 研究结论

本文以多工位全自动浇注机液压系统节能降耗为目标，剖析了传统液压系统的能耗机理与多工位协同工况的耦合损耗规律，整合先进液压节能技术，构建了多技术融合的节能控制体系，得出核心结论如下：传统定量泵节流调速系统的结构性损耗是高能耗的核心原因，多工位并联工况加剧无效能耗，是制约浇注机能效提升的关键；负载敏感控制技术可消除溢流与压力冗余损耗，解决工位间流量干涉问题，保障作业稳定；变频-变量电液复合控制可兼顾系统响应与全工况节能效果，突破单一节能技术的局限；蓄能器势能回收系统可回收能量，削减峰值能耗，兼具节能与稳压作用。

多技术融合节能控制策略形成了全流程能效优化体系，解决了浇注机液压系统能耗高、稳定性差等问题，提升了设备能效利用率与运行品质，可为多工位浇注机节能改造和绿色装备研发提供理论支撑。

6.2 未来展望

后续研究可围绕三个方向推进，一是引入智能算法，优化控制参数，实现工况自适应参数整定，提升节能精准度；二是搭建多物理场仿真模型，细化能量流动规律，优化相关参数与控制逻辑；三是开展样机试验与应用迭代，优化控制策略，推进节能控制系统落地，同时结合工业物联网技术，搭建设备能耗监测与运维平台，推动铸造液压装备向绿色低碳智能化方向发展。

参考文献

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