基于液壓泵伺服驅(qū)動(dòng)的擴(kuò)徑機(jī)節(jié)能技術(shù)研究

吳少林，許益民

(武漢科技大學(xué)機(jī)械自動(dòng)化學(xué)院，湖北武漢 430081)

液壓驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng)是擴(kuò)徑機(jī)的重要組成部分。目前，國(guó)內(nèi)基本上是全套引進(jìn)國(guó)外電液控制系統(tǒng)的機(jī)械式擴(kuò)徑機(jī)，其技術(shù)先進(jìn)，控制精確，性能優(yōu)良。然而在節(jié)能方面卻表現(xiàn)不足，由于動(dòng)力源采用變量泵加溢流節(jié)流閥進(jìn)行流量壓力的復(fù)合控制，這給系統(tǒng)帶來(lái)較大的溢流和節(jié)流損失，導(dǎo)致能耗較大，系統(tǒng)能量浪費(fèi)嚴(yán)重，油溫也極易升高，還需專門(mén)配置冷卻系統(tǒng)，這樣又導(dǎo)致系統(tǒng)的復(fù)雜化，使得整個(gè)液壓系統(tǒng)體積龐大、成本增高。

近幾年出現(xiàn)了一種以伺服電機(jī)帶動(dòng)定量泵進(jìn)行流量壓力復(fù)合控制的動(dòng)力源。這種動(dòng)力源具有較高的能量轉(zhuǎn)換效率，節(jié)能效果較好，在液壓注塑機(jī)上的應(yīng)用已較為成熟。目前，這種動(dòng)力源也已應(yīng)用于擴(kuò)徑機(jī)液壓系統(tǒng)上，并且已有成功案例。

由于擴(kuò)徑機(jī)液壓系統(tǒng)本身具有高壓大流量的特性，所以其溢流和節(jié)流損失浪費(fèi)掉的能量在整個(gè)系統(tǒng)所需能量中會(huì)占據(jù)很大一部分。若能將浪費(fèi)的能量所占比重控制在較小范圍內(nèi)，系統(tǒng)所需能量將會(huì)降低，這樣可以減少大量能源的浪費(fèi)。因?yàn)樗欧姍C(jī)驅(qū)動(dòng)定量泵作為動(dòng)力源可以根據(jù)負(fù)載的變化及時(shí)改變輸出的流量和壓力，減少了不必要的輸出，所以用這種新型動(dòng)力源代替擴(kuò)徑機(jī)液壓系統(tǒng)中傳統(tǒng)的動(dòng)力源，就可以達(dá)到節(jié)能的目的，并且具有較好的節(jié)能效果。然而節(jié)能的實(shí)際效果還要取決于伺服電機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器的性能。文中將對(duì)液壓泵伺服驅(qū)動(dòng)及控制技術(shù)在擴(kuò)徑機(jī)液壓系統(tǒng)上帶來(lái)的節(jié)能效果進(jìn)行探討。

1 系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

1.1 擴(kuò)徑工藝流程

擴(kuò)徑時(shí)鋼管行進(jìn)至擴(kuò)徑工具上扇形塊工作長(zhǎng)度段的末端，擴(kuò)徑缸活塞首先快速后退運(yùn)動(dòng)，擴(kuò)徑工具漲開(kāi)，并與鋼管內(nèi)壁充分接觸，這時(shí)擴(kuò)徑缸活塞已走完設(shè)定的快進(jìn)行程階段。從該位置后主油缸活塞開(kāi)始慢速運(yùn)動(dòng)，即進(jìn)入工進(jìn)行程階段，此階段鋼管開(kāi)始塑性變形，也就是擴(kuò)徑過(guò)程。當(dāng)擴(kuò)徑缸活塞走完工進(jìn)行程后會(huì)停止一段時(shí)間，即進(jìn)入擴(kuò)徑保壓階段。保壓結(jié)束后，擴(kuò)徑缸活塞開(kāi)始回程。接下來(lái)將進(jìn)行第二步擴(kuò)徑，其過(guò)程同第一步。上述擴(kuò)徑周期動(dòng)作流程如圖1所示。

圖1 擴(kuò)徑周期動(dòng)作流程圖

擴(kuò)徑機(jī)液壓泵伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理圖如圖2 所示，根據(jù)擴(kuò)徑工藝流程，電磁鐵動(dòng)作順序表如表1所示。

圖2 擴(kuò)徑機(jī)液壓泵伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理圖

表1 電磁鐵動(dòng)作順序表

1.2 擴(kuò)徑機(jī)的液壓泵伺服驅(qū)動(dòng)及控制系統(tǒng)構(gòu)成

擴(kuò)徑機(jī)液壓泵伺服驅(qū)動(dòng)及控制系統(tǒng)主要由交流永磁同步伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器、定量泵、壓力傳感器、編碼器構(gòu)成。圖2 中泵組2～6 與泵組1 具有相同的配置及控制方式，因圖幅限制未全部畫(huà)出。異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)定量泵提供控制油。

系統(tǒng)工作時(shí)，擴(kuò)徑機(jī)控制器將擴(kuò)徑缸活塞動(dòng)作的速度和系統(tǒng)所需的壓力設(shè)定值轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)傳輸給伺服驅(qū)動(dòng)器，伺服驅(qū)動(dòng)器按指令信號(hào)要求驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)帶動(dòng)定量泵工作，擴(kuò)徑缸活塞動(dòng)作的速度和系統(tǒng)壓力控制要求與伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩控制相對(duì)應(yīng)。在擴(kuò)徑過(guò)程中，保壓過(guò)程需要進(jìn)行壓力控制，其他動(dòng)作過(guò)程均為速度控制。

進(jìn)行壓力控制時(shí)，伺服驅(qū)動(dòng)器按擴(kuò)徑機(jī)控制器給定的壓力控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩控制，安裝在定量泵出口的壓力傳感器PH 在線實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)輸出壓力，并將檢測(cè)到的信號(hào)反饋給伺服驅(qū)動(dòng)器，然后與擴(kuò)徑機(jī)控制器給定信號(hào)進(jìn)行對(duì)比修正。

進(jìn)行速度控制時(shí)，伺服驅(qū)動(dòng)器按擴(kuò)徑機(jī)控制器給定的速度控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制，安裝在伺服電機(jī)軸端的編碼器PG 在線實(shí)時(shí)檢測(cè)伺服電機(jī)工作轉(zhuǎn)角變化，并將檢測(cè)到的信號(hào)反饋給伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行運(yùn)算，然后與擴(kuò)徑機(jī)控制器給定信號(hào)進(jìn)行對(duì)比修正。

2 節(jié)能原理分析

由于伺服電機(jī)本身的能量轉(zhuǎn)化效率較高，系統(tǒng)流量壓力均采用閉環(huán)控制，這樣系統(tǒng)的流量壓力輸出均與負(fù)載的需求趨于一致，使得整個(gè)系統(tǒng)的能量利用率較高，流失浪費(fèi)的部分降低。這主要表現(xiàn)在:

(1)采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)定量泵使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變得簡(jiǎn)化，省去了溢流閥，其結(jié)果是避免了大量的溢流帶來(lái)的能量浪費(fèi)和油液溫升。圖3 給出了采用傳統(tǒng)與新型動(dòng)力源擴(kuò)徑機(jī)液壓系統(tǒng)的能量利用與損耗的對(duì)比情況。溢流主要發(fā)生在擴(kuò)徑工藝的工進(jìn)階段，這個(gè)階段系統(tǒng)所需流量小，泵供給的流量大部分都經(jīng)溢流閥回油箱，造成溢流損失。

圖3 傳統(tǒng)與新型動(dòng)力源擴(kuò)徑機(jī)液壓系統(tǒng)能量利用與損耗對(duì)比

(2)流量控制不再依賴于比例閥，減小了節(jié)流損失帶來(lái)的能量浪費(fèi)，省去比例閥的同時(shí)液壓油品質(zhì)要求也不用太高，系統(tǒng)維護(hù)檢修相對(duì)容易。

(3)管路變得簡(jiǎn)單，大大降低了系統(tǒng)沿程壓力損失。

伺服電機(jī)本身的效率雖然很高，但是由于不同廠家生產(chǎn)的伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)控制器存在差異，其節(jié)電性能也有所不同。這主要是因?yàn)樗欧姍C(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和效率存在一定差異，驅(qū)動(dòng)器制動(dòng)回路的設(shè)計(jì)導(dǎo)致節(jié)能效果存在一定差異。

3 結(jié)束語(yǔ)

交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵系統(tǒng)具有高效節(jié)能的特性，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于注塑機(jī)，在擴(kuò)徑機(jī)液壓系統(tǒng)上也已開(kāi)始應(yīng)用，需要進(jìn)一步研發(fā)改進(jìn)并推廣。在工業(yè)領(lǐng)域的其他行業(yè)應(yīng)用較少，這是一個(gè)有待開(kāi)發(fā)的方向。

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