電液混合驅(qū)動(dòng)技術(shù)助力液壓機(jī)轉(zhuǎn)型升級(jí)

文／余繼軍，許樂平·南京埃斯頓自動(dòng)化股份有限公司

電液混合驅(qū)動(dòng)技術(shù)助力液壓機(jī)轉(zhuǎn)型升級(jí)

文／余繼軍，許樂平·南京埃斯頓自動(dòng)化股份有限公司

制造業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的主體，是立國之本、興國之器、強(qiáng)國之基。目前，我國制造業(yè)仍然大而不強(qiáng)，在自主創(chuàng)新能力、資源利用效率、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)水平、信息化程度、質(zhì)量效益等方面差距明顯，轉(zhuǎn)型升級(jí)和跨越發(fā)展的任務(wù)緊迫而艱巨?！吨袊圃?025》是我國實(shí)施制造強(qiáng)國戰(zhàn)略第一個(gè)十年的行動(dòng)綱領(lǐng)?！吨袊圃?025》提出五個(gè)方針：驅(qū)動(dòng)創(chuàng)新、質(zhì)量在先、綠色發(fā)展、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、人才為本。本文主要對(duì)金屬成形機(jī)床重要細(xì)分領(lǐng)域——液壓機(jī)的新機(jī)器發(fā)展方向及后市場再制造進(jìn)行了思考。通過市場分析闡明再制造市場的巨大容量，通過案例分析闡述了符合《中國制造2025》發(fā)展方向的技術(shù)發(fā)展路線。

液壓機(jī)的市場及后市場現(xiàn)狀簡述

在2010～2014年間，我國金屬成形機(jī)床每年的總產(chǎn)量都在22萬臺(tái)以上，僅液壓機(jī)的產(chǎn)量每年有3萬臺(tái)左右。經(jīng)過“黃金十年”的發(fā)展，液壓機(jī)社會(huì)保有量超過30萬臺(tái)。社會(huì)保有機(jī)床絕大多數(shù)是普通液壓控制機(jī)床即普通三相異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)定量或變量油泵，開關(guān)閥控制油路，少量機(jī)床用到比例閥和比例泵的調(diào)速方式。使用伺服電機(jī)進(jìn)行調(diào)速、調(diào)壓、定位的新機(jī)床比例非常低。傳統(tǒng)液壓機(jī)的裝機(jī)功率大，傳動(dòng)效率低，液壓油需求量大，加工周期長，機(jī)床待機(jī)時(shí)間長，無功損耗大。如果能夠在提高傳動(dòng)效率、縮短加工周期、減少無功消耗、減少液壓油使用、降低液壓油溫度延長運(yùn)動(dòng)部件壽命等方面進(jìn)行革新，那么距離實(shí)現(xiàn)“綠色制造”目標(biāo)會(huì)邁進(jìn)一大步。對(duì)于市場存量30萬臺(tái)的液壓機(jī)床，如果也能進(jìn)行節(jié)能化改造和升級(jí)，那么“綠色再制造”將會(huì)提供十分巨大的后市場。

在液壓機(jī)上使用電液伺服混合驅(qū)動(dòng)技術(shù)可以獲得一舉三得的效益。首先，伺服成形機(jī)床為用戶提升了效率、節(jié)約了大量的電費(fèi)、獲得了更高的產(chǎn)品質(zhì)量，而且?guī)淼慕?jīng)濟(jì)效益是持續(xù)的；其次，在日益飽和的機(jī)床制造市場創(chuàng)造了新的消費(fèi)熱點(diǎn)，為機(jī)床產(chǎn)業(yè)鏈提供了新的發(fā)展機(jī)會(huì)，使得機(jī)床制造商、伺服系統(tǒng)制造商、數(shù)控系統(tǒng)及其他功能部件供應(yīng)商共同獲利；最后，對(duì)于社會(huì)，一方面使國內(nèi)成形機(jī)床轉(zhuǎn)型升級(jí)，技術(shù)接近國際一流水平、能耗達(dá)到國際同等水平，另一方面，大幅提高了能源利用率，大幅減少了碳排放量的同時(shí)還振興了成形機(jī)床制造業(yè)，社會(huì)效益巨大。

液壓機(jī)行業(yè)綠色發(fā)展的主要難點(diǎn)

制約液壓機(jī)綠色發(fā)展的主要因素有以下幾點(diǎn)：

⑴企業(yè)創(chuàng)新意識(shí)和能力的限制。中國經(jīng)濟(jì)經(jīng)過快速發(fā)展階段，市場需求巨大，制造企業(yè)習(xí)慣于批量制造機(jī)床，對(duì)于技術(shù)、專業(yè)要求高的產(chǎn)品很少去深入研究。在激烈的市場同質(zhì)化競爭中往往希望以價(jià)格取勝。結(jié)果是產(chǎn)量越來越大，利潤越來越少。在新常態(tài)經(jīng)濟(jì)環(huán)境下，面臨人才缺乏、資金缺乏，無力開發(fā)技術(shù)含量高的產(chǎn)品。

⑵新技術(shù)主動(dòng)推廣能力限制。制造企業(yè)普遍經(jīng)營狀況差，銷售和市場推廣力度弱，銷售人員素質(zhì)偏低，對(duì)新技術(shù)不了解，等待客戶提出明確需求。故而即使企業(yè)開發(fā)出節(jié)能產(chǎn)品也很難主動(dòng)推向市場。

⑶系統(tǒng)化配套能力限制。液壓機(jī)發(fā)展到現(xiàn)在，已經(jīng)不僅僅是一臺(tái)加工母機(jī)，可能是一臺(tái)智能加工島，也可能是智能生產(chǎn)線中的一環(huán)。對(duì)于一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，需要多項(xiàng)技術(shù)支撐，能夠提供高水平系統(tǒng)集成技術(shù)的供應(yīng)商比較少。

⑷轉(zhuǎn)型、升級(jí)政策扶植力度不夠的限制。目前國內(nèi)對(duì)液壓機(jī)的綠色制造和技術(shù)改造缺乏支持政策，無法真正調(diào)動(dòng)企業(yè)的積極性，市場引導(dǎo)雖會(huì)持續(xù)，但過程較長。

液壓機(jī)節(jié)能改造的案例及效果分析

電液混合驅(qū)動(dòng)技術(shù)簡介

電液混合驅(qū)動(dòng)技術(shù)是以交流伺服系統(tǒng)的調(diào)速特性來調(diào)節(jié)系統(tǒng)各階段的壓力、流量輸出，并可以進(jìn)行位置精確控制，幾乎沒有無功損耗，同時(shí)還可以省去冷卻裝置，實(shí)現(xiàn)按需供能，從而提高系統(tǒng)能源利用率。電液混合驅(qū)動(dòng)技術(shù)主要包含兩種，一種是伺服電機(jī)與單向定量泵組合（Servo Variable Speed Pump，簡稱SVP），如圖1所示；另外一種是伺服電機(jī)與雙向泵組合（Double Servo Variable Speed Pump，簡稱DSVP），如圖2所示。目前，在液壓機(jī)行業(yè)中，由于出色的節(jié)能效果及其他優(yōu)勢，電液混合驅(qū)動(dòng)技術(shù)得到了企業(yè)的廣泛認(rèn)可。

圖1 SVP系統(tǒng)液壓圖

圖2 DSVP系統(tǒng)液壓圖

節(jié)能原理分析

普通液壓機(jī)通常以三相異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)定量或變量泵，通過節(jié)流閥和壓力閥來控制壓力、流量輸出，實(shí)現(xiàn)壓機(jī)運(yùn)行動(dòng)作。采用電液混合驅(qū)動(dòng)技術(shù)的伺服液壓機(jī)則是依靠SVP系統(tǒng)進(jìn)行壓力、流量雙閉環(huán)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)按需供能，另外對(duì)于高精度液壓機(jī)，則是通過DSVP系統(tǒng)進(jìn)行位置、壓力、流量三環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的同時(shí)還能確保高精度定位。

液壓機(jī)工作的時(shí)序是：待料→滑塊下行→加壓→保壓→滑塊上行→液壓頂出等。普通液壓機(jī)定量泵系統(tǒng)按照系統(tǒng)最大壓力及最大流量來確定功率，恒功率泵系統(tǒng)以工況確定最大功率。電機(jī)的轉(zhuǎn)速都是恒定的。實(shí)際加工中機(jī)床的工藝流轉(zhuǎn)、上下料時(shí)間遠(yuǎn)大于加工時(shí)間，甚至高達(dá)5∶1，這意味著大部分時(shí)間機(jī)床處于待機(jī)狀態(tài)，電機(jī)空運(yùn)轉(zhuǎn)，無功消耗巨大，另外液壓機(jī)在保壓階段，需要的供油量較小，幾乎所有的液壓油通過溢流閥流回油箱，產(chǎn)生大量的熱量，造成能源浪費(fèi)。油溫迅速升高，導(dǎo)致油液黏度下降，系統(tǒng)面臨失效風(fēng)險(xiǎn)。因此，一般情況下機(jī)床還會(huì)配備冷卻系統(tǒng)，從而也造成一定能源浪費(fèi)。

相比于普通液壓機(jī)，使用電液混合驅(qū)動(dòng)技術(shù)的液壓機(jī)在待料階段，電機(jī)處于待機(jī)狀態(tài)，幾乎無耗能。滑塊下行，快下、工進(jìn)、保壓等工況下，伺服則分別處于低壓高速、高速高壓、高壓低速階段，均有較大節(jié)能空間。尤其在保壓階段，由于伺服的調(diào)節(jié)特性，電機(jī)幾乎以零轉(zhuǎn)速維持，大大減小耗能，整個(gè)運(yùn)行周期能耗都得到極大的降低。兩種驅(qū)動(dòng)方式油壓機(jī)耗能對(duì)比情況，如圖3所示。

圖3 油壓機(jī)工藝耗能情況

除良好的節(jié)能效果外，電液混合驅(qū)動(dòng)型液壓機(jī)還具有以下多方面優(yōu)勢：

⑴油溫溫升。由于無功消耗非常少，從而油溫溫升得到較大下降，省去冷卻裝置的同時(shí)整個(gè)油箱體積及液壓油都可減少，從而減低制造成本。

⑵生產(chǎn)效率。由于永磁同步伺服電機(jī)的快速響應(yīng)特性，從零至額定轉(zhuǎn)速小于20ms，從而縮短生產(chǎn)成形周期。

⑶運(yùn)行噪聲。伺服無極調(diào)速結(jié)合多種流量加減速曲線，可使噪聲減少5～10dB。

⑷電網(wǎng)沖擊。傳統(tǒng)異步電機(jī)的星形啟動(dòng)方式，啟動(dòng)瞬間電流可達(dá)額定值的5～7倍，對(duì)電網(wǎng)沖擊較大。而伺服電機(jī)可通過參數(shù)設(shè)置軟啟動(dòng)，以減小對(duì)電網(wǎng)沖擊。

⑸定位精度。由于DSVP系統(tǒng)具有位置閉環(huán)，從而極大的提高了系統(tǒng)定位精度。

⑹壓力精度。伺服系統(tǒng)以100μs為壓力調(diào)節(jié)周期，確保壓力穩(wěn)態(tài)精度小于±50kPa。

電液混合驅(qū)動(dòng)液壓機(jī)應(yīng)用案例

⑴315t普通型液壓機(jī)與電液混合驅(qū)動(dòng)伺服液壓機(jī)測試對(duì)比。

與某壓機(jī)生產(chǎn)廠商合作，對(duì)其標(biāo)配電液混合驅(qū)動(dòng)315t油壓機(jī)工藝工況進(jìn)行測試采集數(shù)據(jù)。普通液壓機(jī)配備22kW異步電機(jī)和63cc/r恒功率柱塞泵，伺服液壓機(jī)配備埃斯頓ProNet系列22kW永磁同步伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器和50cc/r內(nèi)嚙合齒輪泵。

經(jīng)埃斯頓監(jiān)控軟件Esview實(shí)時(shí)監(jiān)測，電液混合驅(qū)動(dòng)型伺服壓機(jī)壓力精度高，流量平滑，且在保壓及待料時(shí)能耗極低。采集壓力傳感器的反饋，通過比例壓力閥保壓時(shí)，保壓壓力會(huì)有1MPa的過沖。而通過伺服泵保壓，壓力過沖情況基本得到抑制，并且保壓時(shí)，壓力波動(dòng)很小可以維持在±50kPa以內(nèi)。在壓力精度要求較高的場合，泵保壓的方式比閥保壓方式壓力精度更高。

從測試結(jié)果來看，配備電液混合驅(qū)動(dòng)伺服型油壓機(jī)在能耗、油溫、生產(chǎn)效率及抑制噪聲方面都有明顯優(yōu)勢，如表1所示。

表1 315t油壓機(jī)對(duì)比測試結(jié)果

⑵1000t薄板拉伸液壓機(jī)節(jié)能改造。

圖4 1000t薄板拉伸液壓機(jī)

與某汽車生產(chǎn)公司合作，對(duì)其生產(chǎn)線液壓機(jī)設(shè)備進(jìn)行電液伺服節(jié)能改造。改造機(jī)型為一臺(tái)1000t薄板拉伸液壓機(jī)，如圖4所示。主泵電機(jī)總裝機(jī)功率210kW，油泵為3臺(tái)160cc/r、1臺(tái)107cc/r恒功率變量泵，只對(duì)電機(jī)進(jìn)行了改造，采用埃斯頓永磁同步伺服電機(jī)。經(jīng)埃斯頓監(jiān)控軟件Esview采集電流變化，用互感式電度表實(shí)測耗電量，對(duì)比未改造的同型號(hào)壓機(jī)加工同樣工件機(jī)床耗電量。測試比對(duì)結(jié)果見表2。

表2 伺服油壓機(jī)對(duì)比測試數(shù)據(jù)

由表2數(shù)據(jù)來看，相同工藝節(jié)拍下伺服液壓機(jī)在耗電量和油液溫升方面均明顯優(yōu)于普通機(jī)床。如果該臺(tái)液壓機(jī)以每天工作16小時(shí)，每年250個(gè)工作日來計(jì)算，那么其每年節(jié)電約為144000kW·h，以0.85元/kW·h計(jì)算，每年可節(jié)省電費(fèi)122400元。該生產(chǎn)線由5臺(tái)機(jī)床組成，每年可節(jié)約電費(fèi)60余萬元。

液壓機(jī)智能化發(fā)展方向

《中國制造2025》指明了中國工業(yè)未來的發(fā)展方向，制造業(yè)將由粗放型向定制化、智能化、綠色化及網(wǎng)絡(luò)化方向轉(zhuǎn)型升級(jí)。規(guī)模企業(yè)以其強(qiáng)大的技術(shù)及人才實(shí)力發(fā)展液壓機(jī)成套工藝設(shè)備及周邊設(shè)備自動(dòng)化，從而為制造企業(yè)提供定制化及智能化生產(chǎn)線解決方案。液壓機(jī)的伺服化是單機(jī)智能化的前提條件，單機(jī)智能化是智能生產(chǎn)線和智能工廠的必要條件。單機(jī)智能化則需要使用伺服系統(tǒng)和數(shù)控系統(tǒng)再輔以工業(yè)以太網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)作業(yè)計(jì)劃遠(yuǎn)程下達(dá)、加工和質(zhì)量數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)?，形成車間物聯(lián)網(wǎng)。數(shù)控系統(tǒng)不但有自動(dòng)編程、前饋控制、模糊控制、自學(xué)習(xí)控制、工藝參數(shù)自動(dòng)生成、運(yùn)動(dòng)參數(shù)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)戎悄芑δ?，并有故障診斷專家系統(tǒng)，使自診斷和故障監(jiān)控功能更趨于完善。埃斯頓為客戶定制的智能沖壓生產(chǎn)線，如圖5所示。

圖5 埃斯頓智能沖壓生產(chǎn)線

在智能化工廠，機(jī)器之間相互關(guān)聯(lián)，多臺(tái)伺服液壓機(jī)與機(jī)器人等周邊自動(dòng)化設(shè)備組成智能生產(chǎn)線。依靠信息物理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互接口和物理進(jìn)程的交互。客戶可通過APP在線下訂單，并通過大數(shù)據(jù)分析及企業(yè)協(xié)同層把需求下發(fā)至中間執(zhí)行層處理?？蓪?shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)資料搜集與傳輸功能、高效能計(jì)算機(jī)與分析預(yù)測功能、遠(yuǎn)程監(jiān)控與診斷功能及模擬功能等。采用“智能化”制造技術(shù)，可以追蹤每種零件的來源，可以快速確認(rèn)及解決任何可能產(chǎn)生的質(zhì)量缺陷和安全問題。

結(jié)束語

電液混合驅(qū)動(dòng)技術(shù)在液壓機(jī)上應(yīng)用，其意義不僅僅局限于節(jié)能增效，更重要的在于它符合《中國制造2025》戰(zhàn)略方向，讓戰(zhàn)略落地生根。電液混合驅(qū)動(dòng)伺服液壓機(jī)可以保持液壓機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單、性價(jià)比高的優(yōu)勢又可以甩掉高能耗機(jī)床的帽子，繼續(xù)與伺服機(jī)械壓力機(jī)同臺(tái)競技。可以預(yù)期液壓機(jī)可以全部伺服化、智能化，完全可以跟上時(shí)代的步伐，其獨(dú)特的柔性安裝、高功率密度和高精度（速度、位置、壓力）的優(yōu)勢將發(fā)揮得淋漓盡致。

余繼軍，副總經(jīng)理，碩士研究生，資深液壓工程師，主要研究方向：電液伺服技術(shù)在鍛壓設(shè)備上的應(yīng)用、電液伺服混合驅(qū)動(dòng)技術(shù)在成形機(jī)床上的應(yīng)用、互聯(lián)網(wǎng)+與智能制造。主持完成了2000t大型伺服折彎機(jī)液壓系統(tǒng)及大型數(shù)控液壓墊設(shè)計(jì)，獲得2項(xiàng)發(fā)明、十余項(xiàng)實(shí)用新型專利。