直驅(qū)泵控伺服液壓機節(jié)能分析及試驗研究

冼燦標，齊水冰，孫友松，李連和，李可，李惠萌

(1.廣東環(huán)境保護工程職業(yè)學院，廣東佛山528251;2.廣東工業(yè)大學，廣東廣州510006)

隨著我國經(jīng)濟多年來的持續(xù)高速增長，能源利用率低的問題也日益凸顯，國務(wù)院提出了“建設(shè)節(jié)約型社會”的號召以來，機械設(shè)備的能源和節(jié)能問題日益受到人們重視，其中液壓機械的節(jié)能設(shè)計也成為液壓技術(shù)工作者所關(guān)注的重大課題，液壓系統(tǒng)節(jié)能的目的是提高系統(tǒng)的能量利用率或提高系統(tǒng)的效率，液壓系統(tǒng)效率的高低是其重要性能指標之一［1－2］。

液壓技術(shù)憑借其突出的優(yōu)點，成功用于功率偏大、運動過程需要控制和調(diào)節(jié)的地方。但一般液壓系統(tǒng)的實際工作效率不高，大多只有50% 左右，這通常是由于設(shè)計和使用液壓系統(tǒng)時，只側(cè)重于系統(tǒng)的工作能力、可靠性和成本，而忽視了系統(tǒng)工作效率所致。隨著能源供應(yīng)日趨緊張，開展液壓系統(tǒng)節(jié)能研究，對液壓系統(tǒng)設(shè)計過程中應(yīng)注意的問題進行分析，開發(fā)節(jié)能環(huán)保型的液壓機械是非常必要的［3］。

1 直驅(qū)泵控伺服液壓工作原理及動作循環(huán)

1.1 直驅(qū)泵控伺服液壓機工作原理及特點

直驅(qū)式容積控制(Direct Drive Volume Control，DDVC)電液伺服系統(tǒng)也叫無閥電液伺服系統(tǒng)［4］，即用調(diào)速電動機直接驅(qū)動液壓泵。這種系統(tǒng)不是靠改變泵的排量而是靠改變泵的轉(zhuǎn)速來改變其輸出的流量達到調(diào)節(jié)執(zhí)行元件速度的目的，從而實現(xiàn)對液壓系統(tǒng)的控制［5］。它具有電機控制的靈活性和液壓出力大的雙重優(yōu)點，而且與傳統(tǒng)電液伺服系統(tǒng)相比，節(jié)能高效、小型集成化、環(huán)保、操作方便、價格經(jīng)濟，目前已經(jīng)在多個領(lǐng)域的裝置上得到應(yīng)用并取得了很大的經(jīng)濟效益。

YC28-200 伺服液壓機液壓原理如圖1所示，采用永磁同步電動機驅(qū)動螺桿泵為油源，該螺桿泵是轉(zhuǎn)子式容積泵，具有脈動小、流量穩(wěn)定、噪聲小、吸入能力高的優(yōu)點。螺桿泵分別給主缸和壓邊缸供油。系統(tǒng)工作時，液壓機控制器將機器動作的速度和壓力的設(shè)定值轉(zhuǎn)換為模擬信號輸出至伺服驅(qū)動器。伺服驅(qū)動器按指令信號要求驅(qū)動伺服電機帶動液壓油泵工作。液壓機的速度和壓力控制要求，與伺服電機的轉(zhuǎn)速控制和轉(zhuǎn)矩控制對應(yīng)。在保壓過程需要進行壓力控制，其他動作過程均為速度控制。

直驅(qū)泵控伺服液壓機特點［6］:(1)泵控伺服系統(tǒng)主油路采用容積調(diào)速、調(diào)壓，減少液壓動力元件能量損耗;(2)較普通液壓機性能提高:主缸、壓邊缸的壓力可實時控制;變負荷變壓邊力拉深時，主缸速度可實時控制，完成變速壓制，同時主缸的位置可實現(xiàn)高精度控制，提高產(chǎn)品的精度;(3)充分利用伺服電機可頻繁啟動、可變速的特性，實現(xiàn)伺服控制和取消待機工況消耗。

1.2 液壓機動作循環(huán)及工藝設(shè)置

以Y28-200 四柱式多功能液壓拉深機為例，液壓原理圖如圖2所示，具體分析普通液壓機與泵控伺服液壓機能量消耗分布。

文中以盒形件拉深加工為實例，加工工件如圖3所示，拉深材料為08 鋼，抗拉強度為325 MPa，材料厚度2 mm。查詢相關(guān)計算公式可得［7－8］，毛坯直徑，壓邊力。

(1)毛坯直徑:

(2)壓邊力

由此可得出液壓機主缸所需壓力為737.66 kN。

根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，在一個工作循環(huán)中的動作順序為:(1)主缸的工作循環(huán)為:快速下行→慢速下行→頂住壓邊缸，和壓邊缸一起慢速下行拉伸→保壓延時→快速返回→原位待機。(2)副缸的工作循環(huán)為:向上頂出→向下退回→原位待機。(3)下缸實現(xiàn)浮動壓邊，以滿足板料拉深工藝的需要。

2 多功能拉深液壓機能耗分析

普通多功能液壓拉深機的效率是衡量系統(tǒng)能量利用率的指標［9－10］能量損失主要有4 個方面:(1)能量轉(zhuǎn)換損失(容積損失和機械能損失);(2)沿程損失;(3)系統(tǒng)壓力損失(局部、沿程);(4)因負載不匹配造成的壓力損失。如圖4所示。

圖4 多功能拉深液壓機能量損失分布示意圖

從整個能量分布圖4 可見，一個工作循環(huán)中由于液壓機主缸的壓力負載變化很大，整個系統(tǒng)在不同工況下能量損失情況不同，結(jié)合圖1 普通液壓機液壓原理圖分析可得，普通機能量損失主要集中在兩部分:(1)液壓缸隨著主缸下行，液壓缸下腔的油通過溢流閥溢流，這是造成液壓系統(tǒng)發(fā)熱的主要原因;(2)主缸保壓過程，高壓油基本從溢流閥溢流，造成能量損失，但是由于保壓過程工藝時間較短，總體耗能并不大。

3 泵控伺服液壓機節(jié)能試驗分析

3.1 實驗研究

為了了解直驅(qū)泵控伺服液壓機具體能耗情況，驗證直驅(qū)泵控液壓機能耗仿真模型是否正確，分別在YC28-200 直驅(qū)泵控伺服液壓機與Y28-200 普通多功能液壓拉深機上，進行拉深工藝能耗對比實驗，分別測試出兩款液壓機在一個單位周期內(nèi)的功率曲線，從而進行數(shù)值對比。

(1)工作原理

分別在普通多功能拉深液壓機和直驅(qū)泵控伺服液壓機上，進行模擬板料拉深工藝能耗對比實驗，拉深深度100 mm，具體板料拉深工藝參數(shù)見表1，負載缸壓力調(diào)至20 MPa，普通多功能拉深液壓機和直驅(qū)泵控伺服液壓機在同等條件下，分別進行連續(xù)試驗1 h，用電力質(zhì)量分析儀記錄實際耗電量、容性無功功率、感性無功功率、峰值功率、峰值電流。與此同時將電流變送器和壓力傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換送入PLC，用定時中斷的方式記錄瞬時值并存放在數(shù)據(jù)寄存器中，用專用軟件MXsheet 取出形成曲線圖像。

表1 能耗試驗數(shù)據(jù)對比

(2)測量設(shè)備

GAT-12 型電流變送器、電力質(zhì)量分析儀MI2292可記錄實際耗電量、容性無功功率、感性無功功率、峰值功率、峰值電流。測試原理如圖5所示。

圖5 液壓機能耗測試原理圖

(3)實驗負載裝置

測試用負載裝置為自制負載缸，采用模擬拉深負載，負載行程250 mm，壓力表壓力為0 ～25 MPa，其負載壓力可在0 ～25 MPa 之間任意調(diào)節(jié)，油缸直徑d =275 mm，壓邊力F=0 ～1 100 kN，其原理圖見圖6。

圖6 液壓測試負載系統(tǒng)原理

3.2 試驗結(jié)果分析

3.2.1 電流有效值對比

在工作過程中，對液壓機進行電流檢測，即可得到普通多功能拉深液壓機和直驅(qū)泵控伺服液壓機在一次拉深工藝周期中各時間點上的電流變化情況，具體看圖7。

圖7 一個工作周期兩款液壓機電流有效值比較圖

(1)直驅(qū)泵控伺服液壓機試驗結(jié)果分析

曲線2 為直驅(qū)泵控伺服液壓機一個工作周期的電流曲線，剛開始時由于液壓機啟動時作速度較快，所以電流變化較大，在0 ～2.3 s 為快進過程，由于沒有負載，液壓機電流較小，最大值約為28 A;2.3 ～12.3 s 液壓機處于工進狀態(tài)，此時各個執(zhí)行器同時工作，電流在整個工作過程中最大，最大值約為70 A;12.3 ～14.3 s 工進過程結(jié)束，進入保壓階段，電機轉(zhuǎn)速很低，電流最大值約為6 A;在14.3 ～17 s 時液壓機回到初始位置，準備下一次的拉深，此時由于速度較快，并且多個執(zhí)行器同時工作，電流也比較大，約43 A;在17 ～20 s 時，液壓機待機裝卸工件，由于電機基本不轉(zhuǎn)，故電流很低，基本為0。

(2)普通多功能拉深液壓機試驗結(jié)果分析

曲線1 為普通多功能拉深液壓機一個工作周期的電流曲線。在t=0 ～2.3 s 為快進階段，盡管沒有負載，但是由于三相異步電動機不調(diào)速，所以電流基本保持在32 A;t=2.3 ～12.3 s 左右液壓機處于工進狀態(tài)，此時各個執(zhí)行器同時工作，電流在整個工作過程中最大，最大值約為70 A;t =12.3 ～14.3 s 工進過程結(jié)束，進入保壓階段，同時溢流閥開始工作以便液壓機卸載，此過程能耗大部分轉(zhuǎn)化為溢流損失，而電流基本不變，保持在70 A 左右;t=14.3 ～17 s 時液壓機回到初始位置，準備下一次的拉深，此時由于速度較快，并且多個執(zhí)行器同時工作，電流也比較大，約40 A;t=17 ～20 s 時，液壓機待機裝卸工件，由于電機轉(zhuǎn)速基本不變，溢流閥動作，電流基本為28 A。

3.2.2 功率對比

圖8 一個工作周期兩款液壓機功率比較圖

一個工作周期兩款液壓機功率比較圖見圖8，能耗對比分析數(shù)據(jù)見表1，表2 為兩種液壓機不同工作階段的能耗數(shù)據(jù)對比。

表2 不同工藝階段耗能對比 kW·h

由一個工作周期功率對比曲線消耗試驗結(jié)果及表1、2 可以看出:快進動作消耗功率基本不變，由13.8 kW·h 降低為13.2 kW·h;工進階段消耗功率基本不變，由19.5 kW·h 降低為19.1 kW·h;保壓過程消耗功率由4.24 kW·h 降低為0.78 kW·h;快回階段消耗功率基本不變，由2.45 kW·h 降低為2.21 kW·h;待機過程消耗功率由0.41 kW·h 降低為0.03 kW·h。由于直驅(qū)泵控伺服液壓機伺服機功率因數(shù)高達0.963，而且其無功功率是容性的，對電網(wǎng)的功率因數(shù)有補償作用;普通機功率因數(shù)只有不到0.8，待機時更是低至0.4。在整個拉深過程中，控制系統(tǒng)根據(jù)負載的變化，對電機采用變頻控制，提高了電機效率，減小了功率損耗，實現(xiàn)了節(jié)能控制。最后，通過分析可得出，直驅(qū)泵控伺服液壓機比普通多功能拉深液壓機節(jié)電20.7%。

4 結(jié)論

通過對直驅(qū)泵控伺服液壓驅(qū)動系統(tǒng)進行節(jié)能分析，以盒形件拉深工藝為研究對象，對兩款液壓機進行試驗研究分析其能耗，結(jié)果表明:直驅(qū)泵控伺服液壓機比普通多功能液壓機節(jié)能20%以上。

通過試驗研究，發(fā)現(xiàn)伺服直驅(qū)泵控液壓機節(jié)能主要體現(xiàn)在以下幾個環(huán)節(jié):

(1)永磁同步伺服電機比異步電機具有更高的效率和功率因素。永磁同步伺服電機在很寬的負載范圍內(nèi)能保持接近1 的功率因素，而普通異步電動機功率因素一般只有0.8，而且永磁同步伺服電機效率比同容量的異步電動機提高8%左右。

(2)普通液壓機電機的速度是不能調(diào)節(jié)的，在待機時，電機仍然在高速運轉(zhuǎn)，系統(tǒng)處于卸荷狀態(tài)，因此普通液壓機不可避免地存在輕載損耗;而伺服直驅(qū)泵控液壓機可以方便地調(diào)速，待機時電機完全停止運行，系統(tǒng)幾乎不存在輕載損耗。

(3)文中保壓時間為2 s，普通機保壓時的油液全部溢流，保壓壓力與工進時相同，故保壓時功率也是相同的，為41 kW，伺服直驅(qū)泵控液壓機可以利用降低電機轉(zhuǎn)速減小流量的方式來保壓，保壓階段時功率很小。

(4)采用永磁同步伺服電機速度控制實現(xiàn)液壓系統(tǒng)調(diào)速，最大限度控制能量損失。

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