機(jī)械設(shè)計(jì)加工中節(jié)能降耗理念的運(yùn)用實(shí)踐探微

汪瀅

（無(wú)錫永凱達(dá)齒輪有限公司，江蘇 無(wú)錫 214000）

1 數(shù)控滾齒機(jī)床節(jié)能降耗的必要性

在現(xiàn)代機(jī)械傳動(dòng)中，齒輪是不可或缺的重要組成部分之一，近年來(lái)，隨著我國(guó)機(jī)械、汽車、航空航天等工業(yè)領(lǐng)域的快速發(fā)展，對(duì)齒輪的需求量大幅度增加，與此同時(shí)，對(duì)制造齒輪機(jī)床的需求量也隨之增加。滾齒機(jī)是齒輪加工機(jī)床的一種，因此類機(jī)床不但適合高效率的齒輪粗加，又適合中等精度的齒輪精加，故此在行業(yè)內(nèi)獲得了廣泛應(yīng)用。相關(guān)調(diào)查統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，當(dāng)前國(guó)內(nèi)滾齒機(jī)的保有數(shù)量占齒輪加工機(jī)床總量的50%左右，并且這一數(shù)值還有繼續(xù)增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。數(shù)控滾齒機(jī)屬于較為復(fù)雜的數(shù)控機(jī)床，其除了具備常規(guī)機(jī)床共有的能量特征之外，即能耗高、能效低、排放大，而且機(jī)床本身的結(jié)構(gòu)也十分復(fù)雜，從而使其成為機(jī)床研究的熱點(diǎn)課題。以某型號(hào)六軸數(shù)控滾齒機(jī)為例，其單臺(tái)主軸電機(jī)的功率為37kW，總功率接近100kW，整個(gè)加工過(guò)程的能耗非常大。為此，研究數(shù)控滾齒機(jī)的節(jié)能降耗尤為必要。

2 節(jié)能降耗理念在數(shù)控滾齒機(jī)床節(jié)能中的運(yùn)用

2.1 數(shù)控滾齒機(jī)的能耗分析

與普通滾齒機(jī)相比，數(shù)控滾齒機(jī)集成了諸多先進(jìn)的技術(shù)，如計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等等，涉及機(jī)電液等諸多學(xué)科。為此，其能耗形勢(shì)可用電機(jī)損耗、機(jī)械損耗以及液壓損耗三個(gè)方面進(jìn)行概括。其中電機(jī)損耗包括銅損、鐵損、機(jī)械損耗、遲滯損耗等；機(jī)械損耗包括摩擦損耗功率；液壓損耗包括液壓損失及機(jī)械損失引起的能耗消耗。機(jī)床在無(wú)負(fù)載狀態(tài)下的能量消耗被稱之為空載能耗，此類能耗的特點(diǎn)是持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、規(guī)律復(fù)雜、能量消耗巨大，相關(guān)研究結(jié)果表明，滾齒機(jī)床在加工過(guò)程中的空載能耗約占機(jī)床總能耗的85%左右，這不但造成了大量的能源浪費(fèi)，而且還使機(jī)床主要零部件的磨損加劇。所以有必要針對(duì)機(jī)床空載狀態(tài)節(jié)能技術(shù)進(jìn)行深入研究。正常情況下，數(shù)控滾齒機(jī)在啟動(dòng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)兩次空運(yùn)行的現(xiàn)象，在這兩種狀態(tài)下的能耗部件是不同的，依據(jù)這一特點(diǎn)，可將之定義為電氣空載和運(yùn)轉(zhuǎn)空載。當(dāng)機(jī)床的總電源開啟之后，會(huì)有少部分部件開始運(yùn)行，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)幾百瓦的瞬時(shí)功率，實(shí)踐表明，通過(guò)減少能耗部件實(shí)現(xiàn)節(jié)能難度較大，故此，只能通過(guò)降低空載實(shí)踐進(jìn)行節(jié)能。鑒于此，下面重點(diǎn)針對(duì)數(shù)控滾齒機(jī)床的這兩種空載狀態(tài)，提出空載報(bào)警和停機(jī)節(jié)能技術(shù)。

2.2 空載報(bào)警與停機(jī)節(jié)能控制技術(shù)

對(duì)于數(shù)控滾齒機(jī)床而言，空載報(bào)警和停機(jī)節(jié)能控制技術(shù)能夠降低機(jī)床的空載能耗，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。該技術(shù)是一項(xiàng)綜合節(jié)能技術(shù)，集成了諸多先進(jìn)的技術(shù)，如PLC通信和控制技術(shù)、能量傳感技術(shù)、狀態(tài)判斷技術(shù)、工業(yè)手機(jī)報(bào)警技術(shù)等等。所謂的空載報(bào)警具體是指運(yùn)用系統(tǒng)對(duì)滾齒機(jī)的多空在狀態(tài)進(jìn)行在線識(shí)別，并對(duì)空載時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，判斷該時(shí)間是否達(dá)到報(bào)警時(shí)間，如果達(dá)到則會(huì)啟動(dòng)報(bào)警功能，利用系統(tǒng)與工業(yè)手機(jī)發(fā)送報(bào)警信息，提示操作人員對(duì)機(jī)床的空載時(shí)間進(jìn)行控制，從而降低機(jī)床能耗；而停機(jī)節(jié)能控制技術(shù)就是在機(jī)床出現(xiàn)多次空載報(bào)警后，操作人員未進(jìn)行有效操作，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)控制滾齒機(jī)床PLC關(guān)閉一些輔助系統(tǒng)或是總電源，防止機(jī)床長(zhǎng)時(shí)間處于空載運(yùn)行狀態(tài)導(dǎo)致能量浪費(fèi)。具體的節(jié)能技術(shù)方案如圖1所示。

2.2.1 工業(yè)手機(jī)報(bào)警技術(shù)。該技術(shù)主要包括以下兩個(gè)方面，一是當(dāng)系統(tǒng)判斷滾齒機(jī)床符合報(bào)警條件時(shí)，工業(yè)手機(jī)模塊會(huì)對(duì)系統(tǒng)的報(bào)警信息數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行訪問(wèn)，并以短信的方式通知現(xiàn)場(chǎng)操作人員；二是將用戶反饋回來(lái)的信息發(fā)送給報(bào)警信息數(shù)據(jù)庫(kù)，系統(tǒng)通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)并按照信息的具體內(nèi)容反饋給滾齒機(jī)床PLC執(zhí)行控制命令。運(yùn)用該技術(shù)能夠以發(fā)送報(bào)警信息的方式提醒現(xiàn)場(chǎng)操作人員隨時(shí)降低機(jī)床的空載實(shí)踐，從而降低空載能耗。

2.2.2 空載報(bào)警與停機(jī)節(jié)能的判斷方法。當(dāng)滾齒機(jī)床處于電氣空載狀態(tài)時(shí)，可以設(shè)空載實(shí)踐為T0，一次報(bào)警時(shí)間設(shè)為T0f，二次報(bào)警時(shí)間設(shè)定為T0s，等待機(jī)床停機(jī)時(shí)間設(shè)定為Tmac，則空載報(bào)警和停機(jī)節(jié)能方法如下：當(dāng)T0＞T0f時(shí)，達(dá)到第一次電氣空載報(bào)警條件，當(dāng)T0＞T0s時(shí)，達(dá)到第二次電氣空載報(bào)警條件，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)根據(jù)報(bào)警條件執(zhí)行相應(yīng)的報(bào)警功能，具體流程如下：

①先調(diào)用系統(tǒng)的報(bào)警模塊，對(duì)報(bào)警信息進(jìn)行顯示；

②然后向PLC發(fā)出機(jī)床聲光報(bào)警指令，操作聲光報(bào)警系統(tǒng)；

③調(diào)用工業(yè)手機(jī)報(bào)警模塊，向現(xiàn)場(chǎng)操作人員發(fā)出提示信息，報(bào)警結(jié)束后，由操作人員手動(dòng)取消報(bào)警。此時(shí)空載時(shí)間會(huì)自行寫入到數(shù)據(jù)庫(kù)中，并清零重新累計(jì)。

如果T0＞Tmac，則達(dá)到條件，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)執(zhí)行停機(jī)節(jié)能功能，同時(shí)向機(jī)床PLC發(fā)出指令控制接觸器和繼電器關(guān)閉機(jī)床總電源，并向操作人員發(fā)出停機(jī)信息及具體原因。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，為了實(shí)現(xiàn)數(shù)控滾齒機(jī)低能耗的運(yùn)行目標(biāo)，有必要在機(jī)械設(shè)計(jì)加工中合理運(yùn)用節(jié)能降耗理念，并借助相應(yīng)的控制系統(tǒng)和先進(jìn)的節(jié)能技術(shù)，降低機(jī)床的整體能耗。這不但能夠有效降低機(jī)床主要零部件的磨損，而且還能提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

[1]廖紹華.面向綠色制造的滾齒機(jī)研究現(xiàn)狀分析及發(fā)展趨勢(shì)[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2011（04）：88-90.

[2]劉霜.機(jī)床服役過(guò)程機(jī)電主傳動(dòng)系統(tǒng)的能量模型及應(yīng)用方法研究[D].重慶大學(xué)，2012.

[3]施金良.變頻調(diào)速數(shù)控機(jī)床運(yùn)行過(guò)程能量特性及節(jié)能技術(shù)研究[J].資源節(jié)能與環(huán)保，2013（05）：30-32.