伺服控制在管端鐓粗設備中的應用

杜學斌，馬 輝，高國杰，馬海寬，高尚暉，高 璐

(1.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710018；2.金屬成形技術與重型裝備全國重點實驗室，陜西 西安 710018)

0 引言

節(jié)能減排的綠色制造是推動工業(yè)領域綠色低碳發(fā)展的重點工作,是助力我國工業(yè)領域?qū)崿F(xiàn)碳達峰、碳中和的重要途徑。節(jié)能減排就是節(jié)約物質(zhì)、能源,減少廢棄物及有害物排放,就設備而言是指全工藝流程內(nèi)采用技術可行、經(jīng)濟合理的措施,減少能源利用和浪費,更加合理有效地利用能源[1,2]。

鋼管管端鐓粗就是將鋼管兩個端部分別進行局部加熱,通過鐓擠工序使鋼管長度縮短、端部壁厚局部增加的一種加工工藝。其鐓粗主機的工作過程主要包括鋼管夾緊和管端鐓粗,不論是鋼管夾緊還是管端鐓粗都是由液壓油缸驅(qū)動實現(xiàn)的,而油缸運行的驅(qū)動源是液壓控制系統(tǒng)。為了達到鋼管管端鐓粗所需要的夾緊力、鐓粗力以及各運動的速度,原生產(chǎn)線設計了龐大的液壓控制系統(tǒng)[3]。該液壓控制系統(tǒng)采用普通電機直接驅(qū)動定量柱塞泵的方式,將機械能轉(zhuǎn)化為液壓能,通過PLC控制不同功能的閥組,可對液壓油源進行方向、壓力、流量的控制,通過液壓管路輸送到液壓缸的大、小腔,從而滿足管端鐓粗工藝所需要設備方向的變換、力量的大小及速度的快慢要求。雖然普通電機的控制技術、柱塞泵的恒壓變量技術日漸完善,但始終無法解決其自身所存在的功率因數(shù)偏低、機械效率較低以及傳動損耗等問題,特別在間歇式工況下液壓系統(tǒng)在待機、等料、保壓等工序過程中仍存在電能浪費的情況[4]。

根據(jù)鋼管管端鐓粗工藝,在一個管端鐓粗流程中,液壓系統(tǒng)大約有60%～70%的時間處于待機狀態(tài),該時間即為電能消耗時間。因此有必要對鋼管管端鐓粗液壓系統(tǒng)進行研究,達到節(jié)能減排的目的。

近年來我國伺服電機及伺服驅(qū)動器的技術越來越成熟,控制及固定投資趨于低成本,由伺服電機替代普通異步電機將成為一種趨勢。本文針對市場上通用機型800/400噸管端鐓粗生產(chǎn)線進行研究,將伺服控制應用于管端鐓粗生產(chǎn)線液壓控制系統(tǒng)。

1 原管端鐓粗生產(chǎn)線設備情況

800/400噸管端鐓粗生產(chǎn)線主要用于139.7 mm以下鉆桿及油管的管端鐓粗,該生產(chǎn)線設備情況如下。

1.1 生產(chǎn)線組成

800/400噸管端鐓粗生產(chǎn)線主要包括鐓粗主機、輔助設備、中頻感應加熱爐、模具、潤滑系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)、氣動控制系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)等。其典型工藝布置就是采用雙臺主機同側(cè)平行布置方式,適用于石油油管、石油套管、特殊螺紋油套管和鉆桿的管端鐓粗[5]。

1.2 鐓粗主機設備參數(shù)

800/400噸管端鐓粗設備參數(shù)如表1所示。

表1 800/400噸管端鐓粗設備參數(shù)

鐓粗主機設備參數(shù)是液壓控制系統(tǒng)的設計依據(jù),結(jié)合生產(chǎn)線工藝可對液壓控制系統(tǒng)進行優(yōu)化設計,降低生產(chǎn)線的運營成本,達到節(jié)能降耗的目的。

根據(jù)設備參數(shù)確定夾緊油缸、鐓粗油缸的具體尺寸,然后根據(jù)油缸尺寸、運行速度確定液壓泵系統(tǒng),最后計算電機功率。

1.3 液壓控制系統(tǒng)技術參數(shù)

該生產(chǎn)線包括兩臺鐓粗主機,每臺主機的液壓控制系統(tǒng)包括高壓主油泵兩臺、低壓主油泵兩臺、保壓泵一臺和輔助泵兩臺。油泵及油泵電機技術參數(shù)如表2、表3所示,表中數(shù)量為整條生產(chǎn)線裝機數(shù)量[6]。

表2 油泵技術參數(shù)

表3 油泵電機技術參數(shù)

1.4 液壓系統(tǒng)運行情況

原有生產(chǎn)線液壓系統(tǒng)采用了異步電機直接驅(qū)動定量泵的形式,油泵運行曲線如圖1所示。圖1中,Q為流量,Q1為單臺油泵運行時輸出的流量,t為運行時間。從圖1中可以看出,油泵長時間處于滿負荷運行狀態(tài)。

圖1 原生產(chǎn)線油泵運行曲線

1.5 鐓粗主機生產(chǎn)運行情況

鐓粗主機生產(chǎn)過程中采用間歇式運行方式,運行時所需的液壓流量與節(jié)拍情況如圖2所示。圖2中,Q2為主機工作時所需要的液壓流量,其值為根據(jù)工藝要求啟動多組油泵的總流量,t1為鐓粗主機的一個工作時長,t2為主機的一個等候時長,t1+t2為一個管端鐓粗節(jié)拍。

圖2 鐓粗主機運行時所需的液壓流量與節(jié)拍情況

如果油泵電機在等候時長內(nèi)處于停止狀態(tài),設備的耗能率按式(1)進行核算:

(1)

針對鉆桿管端鐓粗工藝受到加熱時間的限制,t2一般往往大于t1,也就是說耗能率肯定會超過50%。等待時間越長,耗能率越高。

2 伺服控制鐓粗主機工作原理

伺服控制鐓粗主機就是采用伺服電機直接驅(qū)動油泵,通過伺服控制器改變電機轉(zhuǎn)速,進而改變油泵的轉(zhuǎn)速,即改變其輸出的流量達到調(diào)節(jié)執(zhí)行元件速度的目的,實現(xiàn)對液壓系統(tǒng)的控制,它具有電機控制的靈活性和液壓出力大的雙重優(yōu)點。

伺服控制流程如圖3所示,根據(jù)工藝要求PLC發(fā)出指令,計算機將信號發(fā)給伺服控制器,由伺服控制器根據(jù)所要求的液壓流量控制電機以一定的轉(zhuǎn)速帶動油泵運轉(zhuǎn)。

圖3 伺服控制流程

800/400噸管端鐓粗設備改造后的液壓原理圖如圖4所示。圖4中僅顯示了單臺鐓粗主機的控制原理,該液壓控制系統(tǒng)采用伺服電機直接驅(qū)動油泵為油源,該油泵分別給管端鐓粗設備油缸(壓緊缸及鐓粗缸)供油。系統(tǒng)工作時,鐓粗生產(chǎn)線PLC將設備動作的速度和壓力的設定值轉(zhuǎn)換為模擬信號輸出至伺服控制器。伺服控制器按PLC信號要求驅(qū)動伺服電機帶動油泵工作。鐓粗主機的鐓擠速度和壓力控制要求與伺服電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩控制相對應,在保壓過程中保證伺服電機驅(qū)動油泵提供所需要的液壓油源[7]。

圖4 800/400噸管端鐓粗設備改造后的液壓原理圖

輔助泵電機處于長期開啟狀態(tài),而高低壓主油泵、保壓油泵處于間歇式工作狀態(tài),因此對高低壓主油泵電機、保壓油泵電機進行改造節(jié)能效果將非常明顯。

改造前系統(tǒng)采用普通異步電機驅(qū)動定量泵供油,油泵轉(zhuǎn)速n及油泵排量Vb都不可調(diào),稱為定量泵系統(tǒng)。管端鐓粗生產(chǎn)線的鐓粗過程要求:低壓高速空行程、高壓低速鐓粗。針對定量泵系統(tǒng)通過主泵組合采用改變泵組數(shù)量實現(xiàn)快速與慢速的切換,因此只能通過增加主泵數(shù)量來滿足低壓高速的工藝要求,工作節(jié)拍內(nèi)主泵負載運行,停歇時主泵電機空負載運行,其流量都經(jīng)泵頭溢流閥排回油箱。

而伺服電機具有以下優(yōu)點:①工作可靠,維護、保養(yǎng)要求低;②電機散熱可靠,不易損壞;③控制系統(tǒng)更加快速;④適應于高速、大力矩工作狀態(tài);⑤同功率下有較小的體積和重量。

結(jié)合伺服電機的特性,根據(jù)管端鐓粗設備的具體情況將伺服控制應用于管端鐓粗生產(chǎn)線液壓控制系統(tǒng)。

3 改造效果

3.1 設備運行情況

為了節(jié)約成本,減少固定投資,考慮到輔助設備交替運行,基本上屬于一直運轉(zhuǎn)狀態(tài),確定對管端鐓粗設備液壓系統(tǒng)電機及控制程序進行改造。改造后的油泵電機技術參數(shù)如表4所示。

表4 改造后的油泵電機技術參數(shù)

改造后10臺油泵不加載時停轉(zhuǎn)待機,節(jié)省了空耗的消耗,實測電耗每小時低于40 kW·h,改造前電耗每小時大于120 kW·h,節(jié)電率大于66.6%,同時泵組運行噪聲大幅下降。

3.2 節(jié)能效果計算

按平均節(jié)電率50%計算,800/400噸管端鐓粗生產(chǎn)線每年節(jié)約用電情況如表5所示。本估算電費按每度0.7元計算,實際節(jié)能效益受生產(chǎn)安排、產(chǎn)品規(guī)格等因素影響。

表5 生產(chǎn)線每年節(jié)約用電情況

由表5可知,800/400噸管端鐓粗設備液壓系統(tǒng)改造后正常生產(chǎn)一年可節(jié)約電費超過190萬元,節(jié)能效果特別顯著。

4 結(jié)語

(1) 管端鐓粗生產(chǎn)線采用伺服控制驅(qū)動液壓泵的技術提高了管端鐓粗設備的整體性能,可根據(jù)鐓粗速度、鐓粗壓力進行精準控制。

(2) 采用伺服控制后管端鐓粗設備的節(jié)能效果非常明顯,根據(jù)現(xiàn)場實測800/400噸管端鐓粗生產(chǎn)線液壓系統(tǒng)改造后節(jié)電率超過50%[8]。