擠壓機DFEn節(jié)能系統(tǒng)

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(1.博世力士樂中國, 上?！?00335； 2.德國博世力士樂， 德國)

引言

能源已成為工業(yè)生產(chǎn)中一個關(guān)鍵的成本因素環(huán)節(jié)，近年來，伴隨著全球氣候變暖等一系列環(huán)境問題，各個國家及國際組織都在呼吁企業(yè)節(jié)能高效生產(chǎn)，降低單位GDP的碳排放。而傳統(tǒng)的擠壓行業(yè)，也屬于典型的高耗能產(chǎn)業(yè)，其產(chǎn)品被廣泛地應(yīng)用在樓宇、高鐵、航天以及船舶、海洋等行業(yè)，除了產(chǎn)品質(zhì)量滿足需求外，這就需要每一個擠壓機相關(guān)的人員不斷應(yīng)用最新的技術(shù)成果，通過設(shè)備的不斷創(chuàng)新，來實現(xiàn)高效節(jié)能綠色生產(chǎn)的目標(biāo)。

1　擠壓機對驅(qū)動系統(tǒng)的要求

現(xiàn)代擠壓機的驅(qū)動系統(tǒng)一般采用液壓驅(qū)動。根據(jù)擠壓工藝要求，液壓系統(tǒng)需要保證執(zhí)行機構(gòu)快速準(zhǔn)確地完成工藝循環(huán)過程，因此，其驅(qū)動系統(tǒng)必須滿足以下要求：

(1) 實現(xiàn)精確速度控制，提高產(chǎn)品質(zhì)量；

(2) 通過液壓驅(qū)動系統(tǒng)和電控系統(tǒng)的功能，實現(xiàn)主機設(shè)備和輔機設(shè)備輔助動作快速準(zhǔn)確，彼此銜接緊湊，沒有沖擊，工序輔助時間等待時間少，有效增加設(shè)備的有效工作時間；

(3) 使用高效節(jié)能系統(tǒng)，有效降低單位產(chǎn)品的能耗，實現(xiàn)綠色經(jīng)濟生產(chǎn)；

(4) 設(shè)備噪聲低，降低環(huán)境污染。

伴隨科技的發(fā)展，近年來，變速系統(tǒng)的使用使得液壓控制系統(tǒng)更加智能、高效、低噪環(huán)保和更加緊湊。在開始時，SVP(變轉(zhuǎn)速+定量泵系統(tǒng))變速泵系統(tǒng)被成功地應(yīng)用于注塑機上，其SVP系統(tǒng)響應(yīng)非常快速，結(jié)構(gòu)也非常緊湊。擠壓機客戶的要求則有所不同，他們希望有一個耐用可靠、功能強大、智能簡單的高效系統(tǒng)，這一切需求來自擠壓機實際工藝要求。如在非擠壓工序中，負(fù)載小、速度高(即泵的輸出流量大)；而在擠壓工序中，負(fù)載非常高，同時要求的擠壓速度低(小流量)，且擠壓工作持續(xù)時間長(幾分鐘到幾十分鐘不等)。這種工況，SVP系統(tǒng)長時間的工作會由于電機超載(低速大扭矩)而導(dǎo)致系統(tǒng)停機，即便是兩點控制的油泵，看似解決了低速大扭矩的問題，但會在流量控制上，存在轉(zhuǎn)速和流量匹配的問題，以致使工藝開發(fā)不靈活。為此，Rexroth 研發(fā)的DFEn智能可變排量泵+變轉(zhuǎn)速系統(tǒng)，具有高性能、高效、高動態(tài)的特性，達(dá)到無級流量調(diào)節(jié)和最優(yōu)扭矩控制為擠壓機的驅(qū)動系統(tǒng)提供了全新的設(shè)計理念，即能夠很好地適應(yīng)低速大負(fù)載的工況。該系統(tǒng)充分發(fā)揮了液壓系統(tǒng)的高功率密度特性和電氣控制系統(tǒng)的易控性，根據(jù)工藝要求的壓力和流量，控制器可按照模型計算出泵的最佳轉(zhuǎn)速和擺角控制值，以實現(xiàn)工藝要求的同時，最大限度的降低電機的能耗。

SVP的扭矩取決于油泵的排量，而DFEn的扭矩取決于液壓系統(tǒng)的功率，如圖1所示。

圖1　Svp 和DFEn的對比

2　液壓系統(tǒng)設(shè)計分析

擠壓機液壓系統(tǒng)主要是給擠壓機主機和輔助設(shè)備動作提供動力源，如圖2所示。其主要動作：棒料加熱—剪切—送料到擠壓筒中心—裝料到擠壓筒—收回送料機構(gòu)—閉合擠壓筒—擠壓主缸快進—預(yù)壓—卸壓排氣—再次關(guān)閉擠壓筒—擠壓—擠壓結(jié)束卸壓—擠壓軸回退—剪切。

圖2　擠壓機的系統(tǒng)配置簡圖

2.1　常規(guī)設(shè)計開環(huán)比例泵系統(tǒng)

對于常規(guī)的擠壓機系統(tǒng)，主要由低壓定量泵+高壓開環(huán)比例泵組成，在系統(tǒng)快進時，需要高低壓油泵合流，在擠壓時，僅保留高壓油泵工作，常見的Rexroth的A7VSO EP和A15VSO E2的油泵，其設(shè)備制造成本相對較低，同時，相對控制精度較低，由于設(shè)備高低速度切換時，容易產(chǎn)生沖擊，所以輔助時間較長；另外，由于擠壓時，低壓油泵全排量低壓卸荷，因此，能耗較高，同時需要較大的冷卻器。能耗如圖3所示。

圖3　開環(huán)系統(tǒng)的能耗

2.2　閉環(huán)比例電子泵系統(tǒng)

閉環(huán)比例電子泵系統(tǒng)，主要應(yīng)用于產(chǎn)品精度要求高的擠壓機，可以實現(xiàn)其速度和壓力閉環(huán)控制和功率保護。因此，此系統(tǒng)可以實現(xiàn)真正意義上的主機和附機工作流量的按需分配；同時可以實現(xiàn)功率保護，并達(dá)到對電機保護。常見的Rexroth的A4VSO EO2 或A4VSO HS4 等油泵組成的系統(tǒng)被大量地使用在有色和黑色金屬擠壓機上，其原理如圖4、其中，EO2使用的模擬量的控制卡HS4、使用的數(shù)字量的控制卡，可以通過總線和PLC連接，且?guī)в兄鲝目刂颇Ｊ健?/p>

圖4　閉環(huán)比例電子泵系統(tǒng)

由于實現(xiàn)了按需分配，其效率相對常規(guī)設(shè)計開環(huán)比例泵系統(tǒng)更高，其能量消耗如圖5所示。

圖5　閉環(huán)比例電子泵系統(tǒng)能耗對比

2.3　DFEn智能(可變排量泵+變轉(zhuǎn)速)液電混合系統(tǒng)

DFEn智能交互式(可變排量泵+變轉(zhuǎn)速)液電混合系統(tǒng)，其配置原理如圖6、圖7所示。在能量控制最優(yōu)的前提下，可以真正的實現(xiàn)了按需分配，即工作是按需輸出流量，在等待和非工作時間，油泵做到最大限度地降低輸出能量，見圖8所示，降低噪音，最大限度的降低了噪聲和能量損失，相比傳統(tǒng)的擠壓機控制系統(tǒng)，節(jié)能系統(tǒng)可謂“小馬拉大車”，即小系統(tǒng)可實現(xiàn)大噸位。

圖6　DFEn系統(tǒng)接線

圖7　DFEn系統(tǒng)配置

圖8　DFEn系統(tǒng)能耗

如圖9所示，通過交互式的調(diào)試界面，使設(shè)備調(diào)試更加簡單快捷；通過Winped軟件，可以對控制參數(shù)進行優(yōu)化，系統(tǒng)自帶PID控制模塊功能，主從控制等功能，可以進行在線調(diào)試和優(yōu)化，調(diào)試結(jié)束后可以下載參數(shù)到本地。對于其他相同的設(shè)備調(diào)試，可以直接上傳以前優(yōu)化好的參數(shù)到控制器，可以實現(xiàn)快速調(diào)試。

圖9　參數(shù)化調(diào)試界面

3　DFEn智能(可變排量泵+變轉(zhuǎn)速)液電混合系統(tǒng)特點

3.1　降低裝機功率

通過Winped軟件中斜坡功能，降低設(shè)備的沖擊產(chǎn)生的過載，同時通過功率限定來避免設(shè)備的過載。如圖10所示的是1400 t鋁合金擠壓機的檢測數(shù)據(jù)，其中高壓功率小于55 kW，低壓(除快進和快進沖擊)系統(tǒng)的最大功率小于55 kW，因此可知，可以通過優(yōu)化將裝機功率從75 kW降低到55 kW，見圖11。

圖10　擠壓過程功率發(fā)布

圖11　DFEn擠壓過程

3.2　完美的工藝時間控制，這就意味著高的生產(chǎn)效率

結(jié)合客戶現(xiàn)有的產(chǎn)品和工藝數(shù)據(jù)，結(jié)合DFEn系統(tǒng)的斜坡功能、工藝仿真和工序時間優(yōu)化計算，同時結(jié)合以前的工程經(jīng)驗，透過實際工作情況的評估，分析，形成以客戶訂制的組優(yōu)化的工藝，減少輔助動作的等待時間，縮短工作周期。這種優(yōu)化一方面可以提高產(chǎn)能，另一方面非常節(jié)能。

3.3　能源效率高，這就意味著節(jié)能

通過有目標(biāo)的采用變速變排量的油泵控制，可以精確地實現(xiàn)按需提供流量；根據(jù)工藝要求，在工序等待或無需能量消耗時，有效地降低轉(zhuǎn)速和排量，最大限度的降低能耗。同時，在正常工作過程中，系統(tǒng)根據(jù)實際壓力和流量指令，自動優(yōu)化油泵的轉(zhuǎn)速和排量，實現(xiàn)工作過程中能量的最優(yōu)管理；通過優(yōu)化每個動作的切換時間，充分降低無載能量消耗，同時提高生產(chǎn)效率?；诔晒Φ啬芰績?yōu)化模型，使該系統(tǒng)工作在最佳的高效區(qū)間，因此，能量相對第二種方案，更加節(jié)能，這樣，在新系統(tǒng)設(shè)計和老系統(tǒng)改造時，可以選擇較小規(guī)格的冷卻器。

3.4　產(chǎn)品質(zhì)量的提高依賴于可靠的系統(tǒng)和工藝

調(diào)節(jié)的每個執(zhí)行機構(gòu)具有穩(wěn)定的重復(fù)性，一方面?zhèn)鞲衅鞯膶崟r監(jiān)測結(jié)果可以用于生產(chǎn)過程中的質(zhì)量閉環(huán)控制，同時這些參數(shù)也提供必要的維修信息，為設(shè)備預(yù)防預(yù)知維修服務(wù)。

3.5　生產(chǎn)能力的提高

通過使用完美的驅(qū)動技術(shù)以最小的功耗生產(chǎn)高質(zhì)量的產(chǎn)品，同時，完美的設(shè)計和現(xiàn)場調(diào)試，可以防止氣蝕的發(fā)生，通過優(yōu)化回路中閥門的切換時間，通過使用曲線設(shè)定功能，可以實現(xiàn)設(shè)備加載和卸壓更加平穩(wěn)和柔和，有效延長元件的使用壽命和降低系統(tǒng)的故障率。

3.6　降低維修成本

延長液壓油及液壓元件的使用壽命，有效地降低設(shè)備的生產(chǎn)、維修成本。

4　結(jié)論

博世力士樂DFEn智能交互式(可變排量泵+變轉(zhuǎn)速)液電混合系統(tǒng)在鋁型材擠壓機上的成功投用，現(xiàn)已生產(chǎn)1年時間，其系統(tǒng)最大亮點：給主機廠提高設(shè)備的性能和整個系統(tǒng)能量管理提供了全新的設(shè)計思路。相對傳統(tǒng)的電比例泵系統(tǒng)，其更加高效節(jié)能，因此，為新投資設(shè)備和改造已有設(shè)備，提供了一個方向，具有很好的前景。同時，我們也應(yīng)該意識到，由于擠壓機廠商對于工藝程序設(shè)計不夠完善，使得該系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)勢還未被充分挖掘。另外，電機提速滯后及能效低等問題還沒有很好的解決，因此，還需要進一步提升相關(guān)產(chǎn)品的性能和優(yōu)化參數(shù)。

參考文獻：

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