直驅泵控伺服液壓機節能分析及試驗研究

冼燦標，齊水冰，孫友松，李連和，李可，李惠萌

(1.廣東環境保護工程職業學院，廣東佛山528251;2.廣東工業大學，廣東廣州510006)

隨著我國經濟多年來的持續高速增長，能源利用率低的問題也日益凸顯，國務院提出了“建設節約型社會”的號召以來，機械設備的能源和節能問題日益受到人們重視，其中液壓機械的節能設計也成為液壓技術工作者所關注的重大課題，液壓系統節能的目的是提高系統的能量利用率或提高系統的效率，液壓系統效率的高低是其重要性能指標之一［1－2］。

液壓技術憑借其突出的優點，成功用于功率偏大、運動過程需要控制和調節的地方。但一般液壓系統的實際工作效率不高，大多只有50% 左右，這通常是由于設計和使用液壓系統時，只側重于系統的工作能力、可靠性和成本，而忽視了系統工作效率所致。隨著能源供應日趨緊張，開展液壓系統節能研究，對液壓系統設計過程中應注意的問題進行分析，開發節能環保型的液壓機械是非常必要的［3］。

1 直驅泵控伺服液壓工作原理及動作循環

1.1 直驅泵控伺服液壓機工作原理及特點

直驅式容積控制(Direct Drive Volume Control，DDVC)電液伺服系統也叫無閥電液伺服系統［4］，即用調速電動機直接驅動液壓泵。這種系統不是靠改變泵的排量而是靠改變泵的轉速來改變其輸出的流量達到調節執行元件速度的目的，從而實現對液壓系統的控制［5］。它具有電機控制的靈活性和液壓出力大的雙重優點，而且與傳統電液伺服系統相比，節能高效、小型集成化、環保、操作方便、價格經濟，目前已經在多個領域的裝置上得到應用并取得了很大的經濟效益。

YC28-200 伺服液壓機液壓原理如圖1所示，采用永磁同步電動機驅動螺桿泵為油源，該螺桿泵是轉子式容積泵，具有脈動小、流量穩定、噪聲小、吸入能力高的優點。螺桿泵分別給主缸和壓邊缸供油。系統工作時，液壓機控制器將機器動作的速度和壓力的設定值轉換為模擬信號輸出至伺服驅動器。伺服驅動器按指令信號要求驅動伺服電機帶動液壓油泵工作。液壓機的速度和壓力控制要求，與伺服電機的轉速控制和轉矩控制對應。在保壓過程需要進行壓力控制，其他動作過程均為速度控制。

直驅泵控伺服液壓機特點［6］:(1)泵控伺服系統主油路采用容積調速、調壓，減少液壓動力元件能量損耗;(2)較普通液壓機性能提高:主缸、壓邊缸的壓力可實時控制;變負荷變壓邊力拉深時，主缸速度可實時控制，完成變速壓制，同時主缸的位置可實現高精度控制，提高產品的精度;(3)充分利用伺服電機可頻繁啟動、可變速的特性，實現伺服控制和取消待機工況消耗。

1.2 液壓機動作循環及工藝設置

以Y28-200 四柱式多功能液壓拉深機為例，液壓原理圖如圖2所示，具體分析普通液壓機與泵控伺服液壓機能量消耗分布。

文中以盒形件拉深加工為實例，加工工件如圖3所示，拉深材料為08 鋼，抗拉強度為325 MPa，材料厚度2 mm。查詢相關計算公式可得［7－8］，毛坯直徑，壓邊力。

(1)毛坯直徑:

(2)壓邊力

由此可得出液壓機主缸所需壓力為737.66 kN。

根據生產工藝要求，在一個工作循環中的動作順序為:(1)主缸的工作循環為:快速下行→慢速下行→頂住壓邊缸，和壓邊缸一起慢速下行拉伸→保壓延時→快速返回→原位待機。(2)副缸的工作循環為:向上頂出→向下退回→原位待機。(3)下缸實現浮動壓邊，以滿足板料拉深工藝的需要。

2 多功能拉深液壓機能耗分析

普通多功能液壓拉深機的效率是衡量系統能量利用率的指標［9－10］能量損失主要有4 個方面:(1)能量轉換損失(容積損失和機械能損失);(2)沿程損失;(3)系統壓力損失(局部、沿程);(4)因負載不匹配造成的壓力損失。如圖4所示。

圖4 多功能拉深液壓機能量損失分布示意圖

從整個能量分布圖4 可見，一個工作循環中由于液壓機主缸的壓力負載變化很大，整個系統在不同工況下能量損失情況不同，結合圖1 普通液壓機液壓原理圖分析可得，普通機能量損失主要集中在兩部分:(1)液壓缸隨著主缸下行，液壓缸下腔的油通過溢流閥溢流，這是造成液壓系統發熱的主要原因;(2)主缸保壓過程，高壓油基本從溢流閥溢流，造成能量損失，但是由于保壓過程工藝時間較短，總體耗能并不大。

3 泵控伺服液壓機節能試驗分析

3.1 實驗研究

為了了解直驅泵控伺服液壓機具體能耗情況，驗證直驅泵控液壓機能耗仿真模型是否正確，分別在YC28-200 直驅泵控伺服液壓機與Y28-200 普通多功能液壓拉深機上，進行拉深工藝能耗對比實驗，分別測試出兩款液壓機在一個單位周期內的功率曲線，從而進行數值對比。

(1)工作原理

分別在普通多功能拉深液壓機和直驅泵控伺服液壓機上，進行模擬板料拉深工藝能耗對比實驗，拉深深度100 mm，具體板料拉深工藝參數見表1，負載缸壓力調至20 MPa，普通多功能拉深液壓機和直驅泵控伺服液壓機在同等條件下，分別進行連續試驗1 h，用電力質量分析儀記錄實際耗電量、容性無功功率、感性無功功率、峰值功率、峰值電流。與此同時將電流變送器和壓力傳感器數據經過A/D 轉換送入PLC，用定時中斷的方式記錄瞬時值并存放在數據寄存器中，用專用軟件MXsheet 取出形成曲線圖像。

表1 能耗試驗數據對比

(2)測量設備

GAT-12 型電流變送器、電力質量分析儀MI2292可記錄實際耗電量、容性無功功率、感性無功功率、峰值功率、峰值電流。測試原理如圖5所示。

圖5 液壓機能耗測試原理圖

(3)實驗負載裝置

測試用負載裝置為自制負載缸，采用模擬拉深負載，負載行程250 mm，壓力表壓力為0 ～25 MPa，其負載壓力可在0 ～25 MPa 之間任意調節，油缸直徑d =275 mm，壓邊力F=0 ～1 100 kN，其原理圖見圖6。

圖6 液壓測試負載系統原理

3.2 試驗結果分析

3.2.1 電流有效值對比

在工作過程中，對液壓機進行電流檢測，即可得到普通多功能拉深液壓機和直驅泵控伺服液壓機在一次拉深工藝周期中各時間點上的電流變化情況，具體看圖7。

圖7 一個工作周期兩款液壓機電流有效值比較圖

(1)直驅泵控伺服液壓機試驗結果分析

曲線2 為直驅泵控伺服液壓機一個工作周期的電流曲線，剛開始時由于液壓機啟動時作速度較快，所以電流變化較大，在0 ～2.3 s 為快進過程，由于沒有負載，液壓機電流較小，最大值約為28 A;2.3 ～12.3 s 液壓機處于工進狀態，此時各個執行器同時工作，電流在整個工作過程中最大，最大值約為70 A;12.3 ～14.3 s 工進過程結束，進入保壓階段，電機轉速很低，電流最大值約為6 A;在14.3 ～17 s 時液壓機回到初始位置，準備下一次的拉深，此時由于速度較快，并且多個執行器同時工作，電流也比較大，約43 A;在17 ～20 s 時，液壓機待機裝卸工件，由于電機基本不轉，故電流很低，基本為0。

(2)普通多功能拉深液壓機試驗結果分析

曲線1 為普通多功能拉深液壓機一個工作周期的電流曲線。在t=0 ～2.3 s 為快進階段，盡管沒有負載，但是由于三相異步電動機不調速，所以電流基本保持在32 A;t=2.3 ～12.3 s 左右液壓機處于工進狀態，此時各個執行器同時工作，電流在整個工作過程中最大，最大值約為70 A;t =12.3 ～14.3 s 工進過程結束，進入保壓階段，同時溢流閥開始工作以便液壓機卸載，此過程能耗大部分轉化為溢流損失，而電流基本不變，保持在70 A 左右;t=14.3 ～17 s 時液壓機回到初始位置，準備下一次的拉深，此時由于速度較快，并且多個執行器同時工作，電流也比較大，約40 A;t=17 ～20 s 時，液壓機待機裝卸工件，由于電機轉速基本不變，溢流閥動作，電流基本為28 A。

3.2.2 功率對比

圖8 一個工作周期兩款液壓機功率比較圖

一個工作周期兩款液壓機功率比較圖見圖8，能耗對比分析數據見表1，表2 為兩種液壓機不同工作階段的能耗數據對比。

表2 不同工藝階段耗能對比 kW·h

由一個工作周期功率對比曲線消耗試驗結果及表1、2 可以看出:快進動作消耗功率基本不變，由13.8 kW·h 降低為13.2 kW·h;工進階段消耗功率基本不變，由19.5 kW·h 降低為19.1 kW·h;保壓過程消耗功率由4.24 kW·h 降低為0.78 kW·h;快回階段消耗功率基本不變，由2.45 kW·h 降低為2.21 kW·h;待機過程消耗功率由0.41 kW·h 降低為0.03 kW·h。由于直驅泵控伺服液壓機伺服機功率因數高達0.963，而且其無功功率是容性的，對電網的功率因數有補償作用;普通機功率因數只有不到0.8，待機時更是低至0.4。在整個拉深過程中，控制系統根據負載的變化，對電機采用變頻控制，提高了電機效率，減小了功率損耗，實現了節能控制。最后，通過分析可得出，直驅泵控伺服液壓機比普通多功能拉深液壓機節電20.7%。

4 結論

通過對直驅泵控伺服液壓驅動系統進行節能分析，以盒形件拉深工藝為研究對象，對兩款液壓機進行試驗研究分析其能耗，結果表明:直驅泵控伺服液壓機比普通多功能液壓機節能20%以上。

通過試驗研究，發現伺服直驅泵控液壓機節能主要體現在以下幾個環節:

(1)永磁同步伺服電機比異步電機具有更高的效率和功率因素。永磁同步伺服電機在很寬的負載范圍內能保持接近1 的功率因素，而普通異步電動機功率因素一般只有0.8，而且永磁同步伺服電機效率比同容量的異步電動機提高8%左右。

(2)普通液壓機電機的速度是不能調節的，在待機時，電機仍然在高速運轉，系統處于卸荷狀態，因此普通液壓機不可避免地存在輕載損耗;而伺服直驅泵控液壓機可以方便地調速，待機時電機完全停止運行，系統幾乎不存在輕載損耗。

(3)文中保壓時間為2 s，普通機保壓時的油液全部溢流，保壓壓力與工進時相同，故保壓時功率也是相同的，為41 kW，伺服直驅泵控液壓機可以利用降低電機轉速減小流量的方式來保壓，保壓階段時功率很小。

(4)采用永磁同步伺服電機速度控制實現液壓系統調速，最大限度控制能量損失。

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