采用伺服壓力機(jī)實(shí)現(xiàn)沖壓節(jié)能的定量研究

文驍陽(yáng)，高建波*，王啟武，李琦，張傳錦，呂言

(1.齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院) 山東省科學(xué)院激光研究所，山東 濟(jì)寧 272000；2. 濟(jì)寧科力光電產(chǎn)業(yè)有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)寧 272000；3. 天津天鍛壓力機(jī)有限公司，天津 300142)

壓力機(jī)是進(jìn)行板材沖壓加工的重要設(shè)備，世界金屬制品超過(guò)三分之一源于沖壓制造。傳統(tǒng)機(jī)械壓力機(jī)和油壓機(jī)采用三相異步電機(jī)為沖壓生產(chǎn)提供機(jī)械能量，即使在滑塊不需要做功的時(shí)候電機(jī)也必須保持高速旋轉(zhuǎn)，這是傳統(tǒng)壓力機(jī)能耗較高的原因之一[1]。其次，機(jī)械壓力機(jī)的飛輪和離合器機(jī)構(gòu)摩擦發(fā)熱，進(jìn)一步降低了能源效率[2]。傳統(tǒng)油壓機(jī)采用各種閥門(mén)控制油液的流向和壓強(qiáng)，雖然能夠產(chǎn)生非常靈活的沖壓動(dòng)作，但是采用節(jié)流閥和溢流閥的控制方法也導(dǎo)致了嚴(yán)重的能量損失[3]。

自從伺服壓力機(jī)于20世紀(jì)90年代出現(xiàn)以來(lái)，已得到了廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)壓力機(jī)相比，伺服壓力機(jī)(特別是機(jī)械式伺服壓力機(jī))的突出特點(diǎn)是在獲得油壓機(jī)優(yōu)秀成形性能的基礎(chǔ)上，能夠達(dá)到并超過(guò)機(jī)械壓力機(jī)的生產(chǎn)效率[4]。由于伺服壓力機(jī)采用伺服電機(jī)為動(dòng)力源，不僅可做到滑塊的任意調(diào)速和啟停，而且取消了機(jī)械壓力機(jī)中的飛輪和離合器以及油壓機(jī)中的溢流閥，從而大為減少了能量損耗。這對(duì)于當(dāng)今人類(lèi)面臨的能源日益短缺和溫室氣體大量排放問(wèn)題，顯得尤其重要。

國(guó)內(nèi)外科研和工程人員對(duì)沖壓生產(chǎn)能耗進(jìn)行了一些研究。Lohse等[5]建立了油壓機(jī)的能耗分析專(zhuān)用仿真模型，并利用實(shí)驗(yàn)壓力機(jī)驗(yàn)證了模型的有效性。Landgrebe等[6]通過(guò)將沖壓和注塑設(shè)備聯(lián)合運(yùn)行，簡(jiǎn)化工藝，獲得了20%的節(jié)能效果。Liu等[7]將沖壓過(guò)程劃分為多個(gè)階段，對(duì)每個(gè)階段啟動(dòng)不同的油泵，從而將油壓機(jī)效率提高了約22%。鄭龍龍等[8]、喬禮惠等[9]通過(guò)改造油壓機(jī)的控制系統(tǒng)，分別使所研究的壓力機(jī)能耗降低了20%和47%。鮑建輝等[10]分析了200～1600 kN機(jī)械壓力機(jī)能耗數(shù)據(jù)，認(rèn)為單次比能耗是較為合適的同類(lèi)型機(jī)械壓力機(jī)能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)。姚靜等[11]通過(guò)對(duì)某20 000 kN油壓機(jī)能耗特性進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算，得到了傳統(tǒng)油壓機(jī)從電機(jī)到滑塊的能量傳遞效率在10%～15%的結(jié)論，并提出了通過(guò)改變工藝過(guò)程來(lái)提高能量傳遞效率的方法。鄧寧林[12]對(duì)1100 kN機(jī)械伺服壓力機(jī)的能耗進(jìn)行了測(cè)量，并與同噸位傳統(tǒng)機(jī)械壓力機(jī)進(jìn)行了對(duì)比，得到了伺服壓力機(jī)節(jié)能60%以上的結(jié)論。

采用伺服壓力機(jī)是沖壓生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的有效方法，但是相關(guān)研究卻并不充足，特別是來(lái)源于生產(chǎn)實(shí)踐的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)更是稀少。這使得科研和工程人員無(wú)法判斷伺服壓力機(jī)在特定生產(chǎn)場(chǎng)合能否達(dá)到預(yù)定節(jié)能指標(biāo)，從而影響生產(chǎn)實(shí)踐工作，并且在采用伺服壓力機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)也難以正確衡量節(jié)能效果。基于此，本研究研制了一臺(tái)6300 kN伺服壓力機(jī)，對(duì)其生產(chǎn)能耗進(jìn)行了定量測(cè)量和分析，結(jié)果表明其單次能耗較傳統(tǒng)壓力機(jī)降低了86.4%，能量傳遞效率也有所提高。

1 儀器與設(shè)備

1.1 測(cè)量?jī)x器

用于被測(cè)伺服壓力機(jī)整機(jī)能耗測(cè)量的三相電能表為正泰公司產(chǎn)品，型號(hào)為DTSU666，精度1級(jí)，其有功電能測(cè)量精度符合GB/T 17215.321—2008標(biāo)準(zhǔn)[13]。

采用被測(cè)伺服壓力機(jī)內(nèi)置伺服控制系統(tǒng)的測(cè)量功能測(cè)量其電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。此控制系統(tǒng)為日本發(fā)那科公司產(chǎn)品，型號(hào)為Power Motion i-Model A。設(shè)備技術(shù)資料顯示，控制系統(tǒng)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)的測(cè)量精度高于1級(jí)。

1.2 被測(cè)設(shè)備

被測(cè)壓力機(jī)是本研究為國(guó)內(nèi)某家電企業(yè)生產(chǎn)的一臺(tái)公稱力為6300 kN的多連桿機(jī)械伺服壓力機(jī)，用于取代傳統(tǒng)8000 kN油壓機(jī)進(jìn)行洗衣機(jī)外殼沖壓。被測(cè)伺服壓力機(jī)作為第一臺(tái)拉伸壓力機(jī)與后續(xù)四臺(tái)傳統(tǒng)機(jī)械壓力機(jī)組成自動(dòng)化沖壓生產(chǎn)線，并與配套的送料、折彎、裝配、質(zhì)檢和包裝等多道工序相結(jié)合，構(gòu)成一條完整的洗衣機(jī)生產(chǎn)線。被測(cè)壓力機(jī)外觀如圖1所示。

被測(cè)壓力機(jī)所加工的制件為某型號(hào)滾筒洗衣機(jī)箱體外殼，材料為冷軋鍍鋅板，尺寸為1900 mm×950 mm×0.8 mm，拉伸高度為32.4 mm。被測(cè)壓力機(jī)僅完成拉伸加工，后續(xù)的4臺(tái)機(jī)械壓力機(jī)完成沖孔、剪裁和折邊加工。沖壓加工后的制件外形如圖2所示。

圖1 被測(cè)伺服壓力機(jī)外觀Fig.1 Image of the servo press under test

圖2 制件外觀圖Fig.2 Mechanical view of the product

被測(cè)壓力機(jī)于2017年年底通過(guò)驗(yàn)收并交付用戶使用，進(jìn)行連續(xù)生產(chǎn)。被測(cè)壓力機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 被測(cè)壓力機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

2 測(cè)量方法

2.1 測(cè)量系統(tǒng)

本研究的能耗測(cè)量方案如圖3所示。

圖3 測(cè)壓力機(jī)能耗測(cè)試方案示意圖Fig.3 Energy testing concept for the servo press under test

圖3僅顯示與能耗相關(guān)的設(shè)備，其他設(shè)備如機(jī)械框架和油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)等沒(méi)有繪制。壓力機(jī)工作時(shí)，電能由電網(wǎng)經(jīng)過(guò)電能表進(jìn)入控制柜。電能表不屬于伺服壓力機(jī)系統(tǒng)，而是附加的能耗測(cè)量專(zhuān)用設(shè)備，用來(lái)測(cè)量被測(cè)壓力機(jī)整機(jī)能耗。電能表通過(guò)RS485串行數(shù)據(jù)接口與計(jì)算機(jī)相連，進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)記錄。控制柜根據(jù)用戶設(shè)置參數(shù)控制伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而經(jīng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)滑塊上下運(yùn)行?？刂葡到y(tǒng)在對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行控制的時(shí)候，可同時(shí)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量和存儲(chǔ)。這些數(shù)據(jù)可隨后導(dǎo)出到外部計(jì)算機(jī)，用來(lái)進(jìn)行滑塊能耗分析。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括減速箱、螺桿、螺母、連桿、導(dǎo)軌和滑塊，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 被測(cè)壓力機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig. 4 Structure of the transmission system of the servo press under test

圖3中的“其他設(shè)備”包括被測(cè)壓力機(jī)中的其他大型耗電零部件，包括用于驅(qū)動(dòng)液壓墊和潤(rùn)滑系統(tǒng)的電機(jī)以及其他電氣控制設(shè)備。耗電較大的設(shè)備主要是各種用途的電機(jī)，總裝機(jī)容量為233 kW，具體見(jiàn)表2。

表2 被測(cè)伺服壓力機(jī)中的電機(jī)

在上述壓力機(jī)和測(cè)試系統(tǒng)情況下，本研究在如下兩個(gè)位置對(duì)能耗相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量和記錄：在電網(wǎng)輸入端通過(guò)三相電能表直接測(cè)量并實(shí)時(shí)記錄整個(gè)壓力機(jī)的能耗；在壓力機(jī)控制系統(tǒng)內(nèi)部對(duì)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量和記錄。

2.2 沖壓工藝曲線

被測(cè)壓力機(jī)的沖壓曲線如圖5所示。能耗數(shù)據(jù)跟隨沖壓曲線而變化。

圖5 被測(cè)伺服壓力機(jī)沖壓曲線Fig.5 Press curve of the servo press under test

由圖5可以看到，滑塊從上死點(diǎn)350 mm開(kāi)始從靜止?fàn)顟B(tài)加速下行。到達(dá)70 mm后減速，緩慢下壓。在下死點(diǎn)保持0.6 s后，首先以40%的速度緩慢上移至60 mm脫模，然后以高速回程，最后到達(dá)上死點(diǎn)停止。這個(gè)曲線在試生產(chǎn)時(shí)針對(duì)所采用的模具和制件通過(guò)調(diào)試獲得，可保證成形最優(yōu)，并且沖壓過(guò)程時(shí)間最短。

2.3 能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)

本研究采用3個(gè)不同的指標(biāo)對(duì)壓力機(jī)的能耗情況進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.3.1 單次能耗

單次能耗Wq定義為每個(gè)沖壓循環(huán)整機(jī)所消耗的能量(kW·h)。這個(gè)指標(biāo)衡量生產(chǎn)一個(gè)產(chǎn)品壓力機(jī)所消耗的能量，此數(shù)據(jù)可通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)中的電能表直接讀取。

2.3.2 單次比能耗

利用單次能耗和公稱力參數(shù)，可以按照鮑建輝等[10]的方法計(jì)算壓力機(jī)的單次比能耗，即計(jì)算下式：

(1)

其中Eq是壓力機(jī)的單次比能耗(kW·h/kN)；Fn為壓力機(jī)公稱力(kN)。

2.3.3 能量傳遞效率

利用伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)矩Tm和轉(zhuǎn)速ωm可計(jì)算伺服電機(jī)的功率：

Pm=Tmωm，

(2)

Pm可取正數(shù)和負(fù)數(shù)，分別對(duì)應(yīng)電機(jī)運(yùn)行于驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)兩種模式。驅(qū)動(dòng)時(shí)，電機(jī)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能；制動(dòng)時(shí)，電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。

考慮從電機(jī)到滑塊之間傳動(dòng)系統(tǒng)的效率ηm，可由電機(jī)功率計(jì)算滑塊功率Ps，即

(3)

根據(jù)被測(cè)壓力機(jī)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的機(jī)械特點(diǎn)，取機(jī)械傳動(dòng)效率為ηm=90%，可較為精確地反映實(shí)際情況。

滑塊在一個(gè)沖壓循環(huán)內(nèi)對(duì)制件的做功Ws可通過(guò)對(duì)功率進(jìn)行累積得到，即

(4)

其中Ts是一個(gè)沖壓循環(huán)所需時(shí)間,N是一個(gè)沖壓循環(huán)中所采樣的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)量，Psi是第i個(gè)采樣點(diǎn)的滑塊功率，Δt是數(shù)據(jù)采樣時(shí)間間隔。

進(jìn)而可通過(guò)下式計(jì)算壓力機(jī)能量傳遞效率ηq[11]：

(5)

3 測(cè)量結(jié)果

3.1 沖壓產(chǎn)品

板材按正常生產(chǎn)工藝沖壓之后，經(jīng)測(cè)量，拉伸深度為32.4 mm。經(jīng)視覺(jué)和觸摸檢查發(fā)現(xiàn)，表面光滑平整，無(wú)裂縫和褶皺，因而制件符合產(chǎn)品質(zhì)量要求。產(chǎn)品外觀如圖6所示。

圖6 沖壓產(chǎn)品外觀Fig.6 Image of the pressed product

3.2 測(cè)量數(shù)據(jù)

壓力機(jī)正常生產(chǎn)中，利用電能表對(duì)整機(jī)功耗進(jìn)行了連續(xù)1 h的測(cè)量，每0.25 s進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采用。測(cè)量結(jié)束時(shí)得到總有功能耗為19.757 kW·h，制件數(shù)量為209個(gè)。這209個(gè)沖壓循環(huán)中整機(jī)能耗大小以數(shù)據(jù)點(diǎn)的形式呈現(xiàn)在圖7中。

圖7 209個(gè)沖壓循環(huán)的整機(jī)功耗Fig.7 Energy consumption of the whole system of 209 press cycles

作為示例，一個(gè)沖壓循環(huán)的整機(jī)功率和能耗曲線見(jiàn)圖8，其他沖壓循環(huán)的曲線與此類(lèi)似。

圖8 單沖壓循環(huán)整機(jī)功率和能耗曲線Fig.8 Power and energy consumption of the whole system within one press cycle

從圖8曲線可以看到，約7～14 s整機(jī)功率曲線波動(dòng)較大，此時(shí)間對(duì)應(yīng)滑塊運(yùn)行的沖壓過(guò)程。在其他時(shí)間，功率曲線平穩(wěn)但非零，對(duì)應(yīng)滑塊靜止，壓力機(jī)處于待機(jī)狀態(tài)，此時(shí)能耗曲線平穩(wěn)上升。由此可見(jiàn)，待機(jī)狀態(tài)時(shí)壓力機(jī)仍然持續(xù)消耗電能。若能夠縮短待機(jī)時(shí)間，則能夠進(jìn)一步降低整機(jī)能耗。

沖壓過(guò)程中的電機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)記錄了4組，數(shù)據(jù)采用時(shí)間為1 ms。利用公式(2)～(4)可得到這4個(gè)沖壓循環(huán)中滑塊的做功數(shù)值，Ws分別為0.037 4，0.036 9，0.036 3，0.038 5 kW·h。

作為示例，其中一個(gè)沖壓循環(huán)的滑塊功率和能耗曲線見(jiàn)圖9，其他沖壓循環(huán)的曲線與此類(lèi)似。

圖9 單沖壓循環(huán)滑塊功率和能耗曲線Fig.9 Power and energy consumption of the slide within one press cycle

從圖9中可以看到，滑塊功率曲線包含3個(gè)正峰和3個(gè)負(fù)峰，分別對(duì)應(yīng)能耗曲線的上升和下降過(guò)程。正峰表示電機(jī)處于驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，電能轉(zhuǎn)化為滑塊的機(jī)械能；負(fù)峰表示電機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)，滑塊的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。電機(jī)制動(dòng)發(fā)電的3個(gè)負(fù)峰對(duì)應(yīng)滑塊的3個(gè)動(dòng)作：(1)滑塊下行接近制件前的減速；(2)滑塊由下死點(diǎn)抬升初期被模具中的氮?dú)鈴椈身斊穑?3)滑塊上行回到上死點(diǎn)前的減速。通過(guò)電機(jī)的這3個(gè)發(fā)電過(guò)程，壓力機(jī)可實(shí)現(xiàn)對(duì)滑塊能量的回收再利用，而不是變成熱量消耗掉，從而提高了能源利用率。

3.3 能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)

3.3.1 單次能耗

根據(jù)前述測(cè)量數(shù)據(jù)(圖7)，首先可計(jì)算被測(cè)壓力機(jī)整機(jī)每個(gè)沖壓循環(huán)的能耗平均值，得到單次能耗指標(biāo)：

被測(cè)壓力機(jī)所替代的設(shè)備為傳統(tǒng)8000 kN油壓機(jī)。該設(shè)備裝機(jī)容量為250 kW。根據(jù)以往的生產(chǎn)測(cè)試結(jié)果可知，這種壓力機(jī)正常情況下的生產(chǎn)效率為3 次/min，負(fù)載率約為50%，即平均功耗為125 kW。由此可計(jì)算單次能耗為：

可見(jiàn)，被測(cè)壓力機(jī)的單次能耗僅為所替代傳統(tǒng)油壓機(jī)的Wq/Wq1=13.6%，每件產(chǎn)品節(jié)能86.4%。

此外，由于在實(shí)際生產(chǎn)中受生產(chǎn)線后續(xù)設(shè)備速度的限制，被測(cè)壓力機(jī)在兩次沖壓之間需要等待約10 s的時(shí)間。在這段等待時(shí)間中壓力機(jī)消耗著大量不必要的能量，計(jì)算約0.025 kW·h。若被測(cè)壓力機(jī)能夠消除這個(gè)等待時(shí)間而充分發(fā)揮生產(chǎn)效率，則能夠?qū)未文芎膹?.094 5 kW·h進(jìn)一步降低至0.069 5 kW·h，從而可將節(jié)能效果進(jìn)一步提升至90%。

3.3.2 單次比能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)

由單次能耗和壓力機(jī)公稱力可得到被測(cè)壓力機(jī)單次比能耗指標(biāo)：

作為參考，被測(cè)壓力機(jī)所替代的8000 kN傳統(tǒng)油壓機(jī)的單次比能耗為：

相當(dāng)于被測(cè)壓力機(jī)的5.78倍。

3.3.3 能量傳遞效率

對(duì)滑塊沖壓能耗數(shù)據(jù)求平均值，可得到被測(cè)壓力機(jī)單個(gè)沖壓循環(huán)的滑塊做功平均值：

除以單次能耗，即可得能量傳遞效率：

與姚靜等[11]得到的普通油壓機(jī)10.7%～14.3%的能量傳遞效率相比，本研究被測(cè)壓力機(jī)的ηq高出25.2%～27.8%。

按前文所述，若將被測(cè)壓力機(jī)每次沖壓之間的等待時(shí)間消除，則可將能量傳遞效率進(jìn)一步提高到：

4 結(jié)論

通過(guò)以上測(cè)試分析可以看出，本研究所制造的6300 kN伺服壓力機(jī)節(jié)能效果較傳統(tǒng)壓力機(jī)有了顯著的提升。與所替代的8000 kN傳統(tǒng)油壓機(jī)相比，單次能耗指標(biāo)大幅度降低。與文獻(xiàn)報(bào)道的傳統(tǒng)油壓機(jī)數(shù)據(jù)相比，能量傳遞效率指標(biāo)得到了顯著提高。此外，若被測(cè)壓力機(jī)能夠充分發(fā)揮生產(chǎn)效率潛力，則可進(jìn)一步提高能源利用率。

由于現(xiàn)有文獻(xiàn)數(shù)據(jù)不充分，尚無(wú)法對(duì)被測(cè)壓力機(jī)的單次比能耗數(shù)據(jù)與其他產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比。后續(xù)研究將繼續(xù)對(duì)所生產(chǎn)的各種壓力機(jī)進(jìn)行廣泛的能耗測(cè)試和研究，不斷充實(shí)相關(guān)數(shù)據(jù)和知識(shí)，為壓力機(jī)的節(jié)能降耗構(gòu)筑堅(jiān)實(shí)的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。