基于能量流和仿真的壓鑄機能耗建模與評估

陳書輝，蔡恒志，章猛，劉輝，張超勇

(1.華中科技大學(xué)數(shù)字制造裝備與技術(shù)國家重點實驗室，湖北武漢 430074； 2.力勁集團深圳領(lǐng)威科技有限公司，廣東深圳 518109)

0 前言

壓鑄是將熔融金屬在高速高壓下充填鑄型，并在高壓下結(jié)晶凝固形成鑄件的過程，是一種先進的金屬鑄造工藝，可以快速形成表面平整、組織致密、精度高、性能優(yōu)良的鑄件。中國是壓鑄產(chǎn)品生產(chǎn)世界第一大國。數(shù)據(jù)表明：2018年中國壓鑄件產(chǎn)量已接近400萬噸，且還在持續(xù)增長。目前中國壓鑄行業(yè)已有很大的發(fā)展，但是相比發(fā)達國家，中國的壓鑄設(shè)備普遍存在能耗高、能源利用率低的問題。據(jù)壓鑄協(xié)會統(tǒng)計，中國目前各類壓鑄機保有量在10萬臺左右，其一年可耗電13～40×10kW·h，能耗巨大，但是能量利用率卻比較低下。壓鑄件生產(chǎn)成本中能源成本占較高比例，研究壓鑄機能耗特性與節(jié)能技術(shù)以降低成本、提高效率，已成為了壓鑄行業(yè)的必然趨勢。

壓鑄生產(chǎn)過程中伴隨著多次能量形式轉(zhuǎn)換，電能—液壓能—機械能，每個環(huán)節(jié)都存在一定的能量損耗。高壓大流量液壓系統(tǒng)是驅(qū)動壓鑄機的源泉，也是壓鑄生產(chǎn)過程能量損失最大的環(huán)節(jié)。本文作者從液壓系統(tǒng)著手，研究壓鑄機液壓系統(tǒng)的能耗特性。近年來，國內(nèi)外學(xué)者研究液壓設(shè)備的節(jié)能優(yōu)化較多，對壓鑄機液壓系統(tǒng)能耗特性研究較少。ZHAO等對液壓系統(tǒng)的能量損耗進行了分析，提出了能量損耗的基本公式，并且驗證了其準(zhǔn)確性。CHEN等開發(fā)了一種能源監(jiān)測和分析系統(tǒng)，可以有效獲取壓鑄機能量數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)挖掘評估壓鑄車間的性能。LIU等提出了一種壓鑄機參數(shù)優(yōu)化模型，結(jié)果表明該模型可以節(jié)省5%～9%的能源和材料成本，具有較大實用價值。ADITHIYAA等使用K近鄰法和灰狼優(yōu)化法優(yōu)化了擠壓鑄造工藝的工藝參數(shù)，結(jié)果表明該方法可以有效改善機械性能。楊海東等運用功率鍵合圖分析了擠壓機液壓系統(tǒng)的能耗特性，結(jié)果表明造成擠壓機效率不高的原因是溢流能量損耗與變量泵效率低下。姚靜等人運用AMESim仿真研究了鍛造操作機的能耗特性，結(jié)果顯示多執(zhí)行器不同負(fù)荷與單壓力源不能合理匹配造成了極大的節(jié)流損失。程冬宏等利用AMESim軟件仿真對比了變量非對稱泵控系統(tǒng)與傳統(tǒng)負(fù)載敏感閥控系統(tǒng)的能耗特性，結(jié)果顯示前者較后者能耗降低了37%。

壓鑄機液壓系統(tǒng)能耗模型構(gòu)建可以為壓鑄機能耗性能評估提供理論依據(jù)，給出能量損耗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，指導(dǎo)設(shè)計者進一步改進壓鑄機；同時，可以為使用者設(shè)置合理的工藝參數(shù)組合，在保證壓鑄產(chǎn)品質(zhì)量的同時耗能最少，達到節(jié)能增效的目標(biāo)。因此建立完善、準(zhǔn)確的能耗模型對壓鑄行業(yè)節(jié)能增效具有重要意義。本文作者建立壓鑄機的能量流模型與能耗計算模型，采用AMESim研究壓鑄機液壓系統(tǒng)的能耗特性及其影響因素，提出了仿真測算壓鑄機功耗與能效等級的新方法，為壓鑄機的節(jié)能優(yōu)化以及壓鑄機液壓系統(tǒng)的設(shè)計與控制提供理論指導(dǎo)。

1 壓鑄機能耗模型構(gòu)建

1.1 壓鑄機簡介

文中研究對象為力勁集團公司DCC2000臥式冷室壓鑄機，設(shè)備鎖模力2×10N，結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。壓鑄機穩(wěn)定工作時動作呈周期循環(huán)，基本動作周期如圖2所示。除這些動作外，還可以視具體工況，包括其他動作，如抽芯、錘頭跟蹤等。

圖1 壓鑄機基本結(jié)構(gòu)

表1 DCC2000壓鑄機主要技術(shù)參數(shù)

圖2 壓鑄機動作周期

1.2 壓鑄機能量流分析

壓鑄機的結(jié)構(gòu)、動作比較復(fù)雜，元件眾多。為詳細(xì)研究壓鑄機工作過程中的能量流動狀態(tài)，建立壓鑄機整機能量流示意，如圖3所示。

圖3 壓鑄機能量流示意

壓鑄機整機能耗主要由電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)三部分能耗組成。其中液壓系統(tǒng)耗能最大，該部分能耗占據(jù)整機能耗的90%以上。液壓系統(tǒng)中電動機帶動泵旋轉(zhuǎn)，推動液壓油運動，將機械能轉(zhuǎn)化為液壓能與熱能；液壓油在控制閥組的控制下推動液壓缸活塞運動，將液壓能轉(zhuǎn)化為機械能與熱能；液壓缸活塞桿對執(zhí)行機構(gòu)做功，進而完成復(fù)雜的壓鑄順序動作。壓鑄機在整個能量流動過程中能量轉(zhuǎn)化次數(shù)較多，伴隨各種能量損失，能量利用率較低。

1.3 壓鑄機液壓系統(tǒng)原理

壓鑄機液壓系統(tǒng)原理如圖4所示，頂出機構(gòu)由兩個相同的液壓缸并聯(lián)組成；壓射機構(gòu)由壓射液壓缸、增壓液壓缸與兩個蓄能器組合構(gòu)成。通過調(diào)整特定換向閥的換向，即可實現(xiàn)壓鑄機工序動作。其中合開模、頂出頂退、慢速壓射、回錘、蓄能動作均由液壓泵直接供油；快速壓射則由液壓泵和壓射蓄能器同時供油；增壓動作則由液壓泵、壓射蓄能器和增壓蓄能器同時供油。

圖4 壓鑄機液壓系統(tǒng)原理

1.4 壓鑄機能耗計算模型

壓鑄機總的能耗包括執(zhí)行機構(gòu)有用功、電機損耗、液壓泵損耗、液壓缸損耗、液壓管路損耗、液壓閥損耗、執(zhí)行機構(gòu)損耗。根據(jù)能量守恒定律，在壓鑄機工作時，輸入壓鑄機系統(tǒng)的總有功能量為

(1)

式中：為壓鑄機輸入總有功能量，kJ；為工作的固定功率元件的數(shù)量；o為第個固定功率元件產(chǎn)生的能耗，kJ；為工作的電機數(shù)量；m為第個電機產(chǎn)生的能量損耗，kJ；為液壓泵的數(shù)量；p為第個泵產(chǎn)生的能量損耗，kJ；為液壓油流經(jīng)管路的段數(shù)；L為第段管路產(chǎn)生的能量損耗，kJ；為液壓閥的數(shù)量；v為第個液壓閥產(chǎn)生的能量損耗，kJ；為工作的液壓缸數(shù)量；c為第個液壓缸產(chǎn)生的能量損耗，kJ；為執(zhí)行機構(gòu)的數(shù)量；f為第個執(zhí)行機構(gòu)產(chǎn)生的能量損耗，kJ；T為第個執(zhí)行機構(gòu)產(chǎn)生的有用功，kJ。

為了量化壓鑄機各機構(gòu)的能量消耗情況，文中給出各機構(gòu)能耗的基本計算公式。

(1)電機損耗功率。電機損耗功率包括定子鐵損、定子繞組損耗、轉(zhuǎn)子繞組損耗、摩擦損耗、風(fēng)阻損耗和雜散損耗，組成較為復(fù)雜。為簡化公式，使用電機與泵的效率間接計算電機損耗功率：

(2)

式中：m為第個電機的損耗功率，kW；m為第個電機的總效率；p為第個液壓泵的總效率；p為第個泵的輸出壓力，MPa；p為第個泵的輸出流量，L/min。

(2)液壓泵損耗功率。液壓泵損耗功率包括機械摩擦損耗與容積損耗，前者由泵體與軸、柱塞的摩擦造成，后者由泵高壓腔內(nèi)泄漏、油液可壓縮性造成。為簡化公式，使用泵的效率計算泵損耗功率：

(3)

式中：p為第個泵的損耗功率，kW。

(3)液壓缸損耗功率。液壓缸損耗功率包括機械損耗與容積損耗，前者由活塞與缸體的摩擦造成，后者由液壓缸高壓腔內(nèi)泄漏、油液可壓縮性造成。

c=c-inc-in-c-outc-out-cc

(4)

式中：c為第個液壓缸的損耗功率，kW；c-in為第個液壓缸的輸入壓力，MPa；c-in為第個液壓缸的輸入流量，L/min；c-out為第個液壓缸的輸出壓力，MPa；c-out為第個液壓缸的輸出流量，L/min；c是第個液壓缸的輸出力，N；c為第個液壓缸活塞桿速度，m/s。

(4)液壓管路損耗功率。液壓管路損耗包括沿程壓力損耗與局部壓力損耗，前者由黏性液壓油與管壁摩擦造成，后者由液壓油局部湍流造成。

(5)

式中：L為第段管路的損耗功率，kW；ΔL為第段管路的壓降，MPa；L為流經(jīng)第段管路的流量，L/min。

(5)液壓閥損耗功率。液壓閥包括壓力控制閥、流量控制閥與方向控制閥；壓力控制閥損耗以溢流閥造成的溢流損耗為主，流量控制閥與方向控制閥損耗則主要是節(jié)流損耗。

(6)

式中：v為第個液壓閥的損耗功率，kW；Δv為第個液壓閥的壓降，MPa；v為流經(jīng)第個液壓閥的流量，L/min。

(6)執(zhí)行機構(gòu)損耗功率與執(zhí)行機構(gòu)有用功率。液壓缸活塞桿對外做功，分為執(zhí)行機構(gòu)損耗功率與有用功率；前者主要指機械摩擦損耗，后者指執(zhí)行機構(gòu)有用功。

f+T=TT

(7)

式中：f為第個執(zhí)行機構(gòu)的損耗功率，kW；T為第個執(zhí)行機構(gòu)的有用功，kW；T是第個液壓缸的輸出力，N；T第個液壓缸活塞桿速度，m/s。

結(jié)合式(1)—式(7)整理后可得壓鑄機系統(tǒng)能耗為

(8)

式中：為工作開始的時刻；為工作結(jié)束的時刻。

2 仿真模型構(gòu)建

2.1 仿真模型的建立

為詳細(xì)準(zhǔn)確地研究壓鑄機的能耗特性與能效等級，采用AMESim與C語言聯(lián)合仿真的方法研究壓鑄機液壓系統(tǒng)的能耗特性。根據(jù)壓鑄機液壓系統(tǒng)原理，采用AMESim建立壓鑄機液壓系統(tǒng)仿真模型，如圖5所示。

圖5 壓鑄機液壓系統(tǒng)仿真模型

為簡化模型，使用普通比例流量閥代替插裝式比例流量閥，使用流量反饋調(diào)節(jié)的調(diào)速電機加定量泵模擬實際壓鑄機的伺服系統(tǒng)；外部應(yīng)用程序接口1用于在AMESim中導(dǎo)入C語言程序；元件5為功耗采集裝置，可利用式(1)—式(8)計算壓鑄機各部分的功率與能耗。仿真模型中主要參數(shù)設(shè)定如表2所示。

表2 仿真模型主要參數(shù)

2.2 控制流程

壓鑄機液壓系統(tǒng)元件眾多、動作復(fù)雜，使用AMESim直接建立控制系統(tǒng)較復(fù)雜。為降低難度，采用AMESim與C語言聯(lián)合仿真，在外部程序接口1中加載控制程序，充分發(fā)揮AMESim在機電液模型建立與C語言控制算法實現(xiàn)方面的優(yōu)勢，構(gòu)建準(zhǔn)確高效的壓鑄機液壓系統(tǒng)仿真模型。

實際控制系統(tǒng)中的控制周期固定，控制算法每周期執(zhí)行一次；但AMESim采用變步長仿真，控制算法每步執(zhí)行一次，控制步長與控制周期不一致會導(dǎo)致仿真出現(xiàn)錯誤。為解決此問題，在AMESim中引入仿真時間采樣器3，設(shè)置采樣時間與控制周期一致，并設(shè)置控制程序僅在仿真時間與控制時間一致時執(zhí)行。

2.3 模型實驗驗證

選取DCC2000冷室壓鑄機進行能耗測試實驗，獲得壓鑄機加工能耗數(shù)據(jù)，與仿真曲線相比較，以調(diào)試仿真模型。壓鑄機能耗實驗示意圖如圖6所示。

圖6 壓鑄機能耗實驗示意

測試儀器安裝好后，按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 12554—2016《壓鑄機能耗測定方法》設(shè)置壓鑄機各參數(shù)，啟動壓鑄機空載加工，用電能測試儀記錄壓鑄機能耗數(shù)據(jù)。在仿真模型中設(shè)置相同的參數(shù)，進行模擬仿真，獲得壓鑄機仿真能耗數(shù)據(jù)。

圖7為仿真模型仿真得出的壓射機構(gòu)位移、速度與壓射壓力曲線，可知：壓射機構(gòu)慢壓射穩(wěn)定速度為0.14 m/s，慢壓射加速度約為0.2 m/s，加速平穩(wěn)；快壓射速度為6 m/s，響應(yīng)時間約為0.04 s，反應(yīng)迅速；最大增壓壓力約為31 MPa，建壓時間約為0.06 s，反應(yīng)迅速。此仿真模型在位移、速度與壓力要求上均符合壓鑄機基本功能需求。

圖7 壓射機構(gòu)位移、速度與壓射壓力曲線

取壓鑄機穩(wěn)定工作之后的某一周期的實測功率曲線與仿真功率曲線進行對比，如圖8所示，壓鑄機工作周期約為41 s?？芍?仿真曲線與實測曲線基本吻合，功率大小、峰值出現(xiàn)時間、變化趨勢十分接近，誤差較小，較好地反映了壓鑄機加工功耗情況，驗證了仿真模型的準(zhǔn)確性，故本文作者基于此仿真模型分析壓鑄機的能耗特性與能效等級。

圖8 壓鑄機工作周期功率曲線

3 壓鑄機能耗仿真結(jié)果與分析

3.1 常態(tài)加工能耗

通過仿真模型研究壓鑄機關(guān)鍵動作的能耗分布規(guī)律，根據(jù)壓鑄機能耗計算模型，通過功耗采集計算裝置可得壓鑄機各部件的功率與能耗情況。

(1)合模開模動作

合?？杉?xì)分為常速合?！焖俸夏！邏烘i模3個階段，常速合模與高壓鎖模階段行程較短，為便于分析合模動作的能耗數(shù)據(jù)，延長了常速合模與高壓鎖模階段的行程。仿真得到的壓鑄機合開模機構(gòu)控制特性曲線與功耗曲線如圖9所示?？芍河捎诓捎昧怂欧到y(tǒng)，壓鑄機溢流損耗很小，僅為總能耗的3%；有用功約占總能耗的50.5%，能效較高；節(jié)流損耗占比46.4%。其中快速合模與高壓鎖模階段能效較高，常速合模與開模階段能效較低，大部分能量為液壓閥消耗，合模過程中合模有用功在合?？偰芎闹姓急?3.2%，開模過程中開模有用功在開模總能耗中占比30.7%。

圖9 合模機構(gòu)控制特性與功耗特性曲線

(2)壓射機構(gòu)壓射與回錘動作

壓射動作可細(xì)分為慢速壓射—快速壓射—增壓—回錘4個階段，仿真得到的壓鑄機壓射動作曲線與功耗曲線如圖10所示。可知:壓射過程中快速壓射由液壓泵和蓄能器同時供能，瞬時能耗非常高，蓄能器輸出功率可達1.8 MW，有用功率可達480 kW；壓射過程有用功在壓射總能耗中約占21%；增壓以及保壓過程中為維持較高壓力，液壓泵持續(xù)工作，溢流損耗較大，所占比重約為27%；此外節(jié)流損耗約為51%。蓄能過程蓄能器輸出能量為負(fù)值，無有用功，此階段能量儲存在蓄能器中，能量轉(zhuǎn)化率為85%。此外因為快壓射階段蓄能器與液壓泵同時工作，圖中有用功、節(jié)流損失均在壓射過程超過泵輸出能量。

圖10 壓射機構(gòu)控制特性與功耗特性曲線

3.2 不同增壓壓力對壓鑄加工能耗的影響

增壓壓力是壓射機構(gòu)壓射腔的最高壓力值，決定了壓射機構(gòu)最大壓射力。針對此壓鑄機，按照表3設(shè)置其增壓壓力、最大壓射力等參數(shù)，分別進行模擬仿真，研究其能耗特性。仿真得到的壓射機構(gòu)能耗特性曲線如圖11所示。表4為不同增壓壓力下的能效。

表3 實驗參數(shù)設(shè)定

圖11 不同增壓壓力下壓射機構(gòu)控制特性與功耗特性曲線

表4 不同增壓壓力下能效

由圖11與表4可知:壓射系統(tǒng)中不同的增壓壓力對壓射過程中的位移和速度基本無影響；不同的增壓壓力下的建壓反應(yīng)時間也十分接近，均在0.06 s左右，沒有明顯差異；增壓壓力變化對壓鑄機壓射機構(gòu)能耗影響比較小，這是因為增壓壓力變化僅作用在增壓階段，而增壓階段雖然壓力變化巨大，但是壓射錘頭位移非常小，液壓缸流量變化也非常小，所以能耗十分接近，均在111.8 kJ左右；由于蓄能器蓄能壓力有所變化，隨著增壓壓力增大，液壓泵輸出能量逐漸增大，能量利用率有微小下降。

3.3 不同壓射速度對壓鑄加工能耗的影響

由于慢速壓射在壓鑄機能耗中占比較小，只研究快速壓射速度對其能耗的影響。針對此壓鑄機，設(shè)其快速壓射速度分別為4、6、8 m/s，分別進行模擬仿真，研究其能耗特性。仿真得到的壓鑄機各部件速度、位移和能量曲線如圖12所示。表5為不同壓射速度下的能效。

圖12 不同快速壓射速度下壓射機構(gòu)速度、位移和能量曲線

表5 不同壓射速度下能效

由圖12與表5可知，隨著壓射速度的增大，速度達到穩(wěn)態(tài)的反應(yīng)時間越長，且穩(wěn)態(tài)速度波動越大；快速壓射速度對壓鑄機液壓系統(tǒng)總能耗與能量效率影響很小。壓射速度越快，液壓泵輸出能量與能量效率均逐漸增大，但增加幅度很?。贿@是由于液壓缸黏滯效應(yīng)與液壓閥小口節(jié)流效應(yīng)造成的。壓射速度越快，液壓缸由于黏滯效應(yīng)，液壓缸的阻力越大，液壓缸效率逐漸降低；而液壓閥由于開口越大，小口節(jié)流效應(yīng)越弱，液壓閥效率越高，兩者共同造成液壓系統(tǒng)總能量效率變化很小。

4 壓鑄機能效等級評估

JB/T 13248—2018《壓鑄機能效等級及評定方法》規(guī)范了壓鑄機的能耗測定方法，填補了國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的空白。但是標(biāo)準(zhǔn)中的能耗測定方法，必須在壓鑄機生產(chǎn)出來之后，才能通過實驗的方法測算壓鑄機的功耗與能效。盡管該方法準(zhǔn)確、直觀，但是存在周期長、成本高的問題。通過壓鑄機液壓系統(tǒng)能耗仿真的方法，測算出壓鑄機的能耗，進而評估壓鑄機的能效等級，為壓鑄機能耗性能評估提供一種簡單、有效和成本低的新方法。

按照《壓鑄機能耗測定方法》的規(guī)定設(shè)置工藝參數(shù)進行壓鑄機能耗仿真實驗與能耗實測實驗，待模型與設(shè)備穩(wěn)定運行后，測算并記錄壓鑄機20個周期的能耗數(shù)據(jù)。仿真測試結(jié)果與實驗測試結(jié)果如表6所示。

表6 DCC2000冷室壓鑄機能耗測試數(shù)據(jù)

由于仿真模型無法測算功率因數(shù)，取仿真功率因數(shù)與實驗功率因數(shù)相同，設(shè)為0.78。按照標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定對測試數(shù)據(jù)進行處理，計算出單模次能耗與比能耗。按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)比能耗數(shù)值評估壓鑄機能效等級，實驗和仿真結(jié)果如表7所示。

表7 DCC2000冷室壓鑄機能效等級

根據(jù)實驗結(jié)果，壓鑄機實驗和仿真測定的比能耗數(shù)值上相差8%，差距很小。二者等級不同只是因為數(shù)值位于臨界線附近，在可接受范圍內(nèi)，仿真結(jié)果有一定的準(zhǔn)確性與參考價值。與實驗法相比，仿真法雖然準(zhǔn)確度有所下降，但是仿真法簡單、成本低，可以在壓鑄機成品制造出來之前對壓鑄機能耗與能效進行預(yù)判，對壓鑄機的結(jié)構(gòu)設(shè)計、參數(shù)優(yōu)化提供指導(dǎo)。

5 結(jié)論

(1)基于能量守恒原理，分析了壓鑄機生產(chǎn)過程中的能量流，建立了壓鑄機各能耗單元的能耗數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建了壓鑄機液壓系統(tǒng)能耗仿真模型，驗證了其準(zhǔn)確性，為研究壓鑄機能耗特性提供了理論方法。

(2)仿真分析了壓鑄機能耗特性，結(jié)果表明：合開模動作能量效率較高，有用功效率可達50%，由于采用了伺服系統(tǒng)，溢流損耗在合開模動作中僅占3%；壓射動作快速壓射階段瞬時功率非常高，蓄能器輸出功率可達1.8 MW，有用功率可達480 kW；壓射過程能效比較低，有用功占比為21%，為了在增壓及保壓過程中保持高壓，溢流損耗比較高，約占27%；增壓壓力變化對壓射機構(gòu)能耗影響較小，這是由于增壓階段壓射錘頭位移非常小造成的；快速壓射速度對壓射機構(gòu)能耗與能量效率影響很小，這是由于液壓缸黏滯效應(yīng)與液壓閥小口節(jié)流效應(yīng)共同造成的。

(3)使用仿真法測算了壓鑄機的能耗，評估了壓鑄機的能效等級。結(jié)果表明：仿真與實驗的比能耗數(shù)值僅相差8%，由于數(shù)值位于臨界線附近，導(dǎo)致仿真能效等級與實驗?zāi)苄У燃壊煌?，但結(jié)果在可接受范圍之內(nèi)，仿真法簡單有效且成本低，具有一定指導(dǎo)意義。