橡膠機械行業液電系統集成(工程)技術

曹常貞

(煙臺未來自動裝備有限責任公司，山東 煙臺 413000)

橡膠機械行業液電系統集成(工程)技術

Hydraulic and electric system integration (engineering) technology for rubber machinery industry

曹常貞

(煙臺未來自動裝備有限責任公司，山東 煙臺 413000)

曹常貞，生于1972年，煙臺未來自動裝備有限責任公司副總裁，總工程師，液壓氣動高級工程師，從事液壓氣動專業技術工作20年，對氣動和液壓節能控制技術有較多的研究和應用。

編者按：國家提出的“中國制造2025”發展綱要，重在促進我國制造業的提升。煙臺未來做為我國的自主民族品牌，在橡膠機械行業的配套件制造業中，一直默默耕耘，持續創新，致力于為各大橡膠機械廠提供最優質的產品，得到了用戶的認可。在此，本刊邀請到煙臺未來自動裝備有限責任公司的技術總監曹常貞先生，為我們剖析其產品的技術優勢所在，希望對相關從業人員有所幫助。

煙臺未來自動裝備有限責任公司始建于1973年。系山東省、遼東半島各大橡膠機械廠的戰略合作伙伴，為硫化機、壓延機、密煉機、開煉機、成型機、大型造粒機、輪胎里程試驗機配套各類液壓（電氣）系統集成，并提供工程技術服務。

1 橡膠機械液壓節能控制技術淺析

橡膠機械大多數都采用液電控制技術,以液壓硫化機為例 ,液壓硫化機液壓控制有四個方面主需求：

（1）執行機構作用力；

（2）執行機構的運動速度；

（3）液壓設備裝機功率；

（4）液壓控制可靠性及消耗。

在壓力、流量、功率方面大家普遍采取的是“富裕多，怕不足 ”,造成了系統裝機功率遠超需求,損耗大。

針對需求與關注焦點，液壓節能控制技術的趨勢是：從常規的閥控制技術和泵控制技術趨向于閥控技術和泵控技術的有機結合，將壓力和流量的控制通過對泵的控制來實現,達到“按需所控”的境界。傳統的硫化機液壓控制為恒壓變量泵+比例閥控制技術,控制技術特點為:

（1）恒壓變量泵在進入恒壓點前為定量泵運轉 ；

（2）系統能耗相對偏高，裝機功率高 ；

（3）比例閥調速引起較多油溢流 ,系統發熱；

（4）系統對液壓油清潔度要求高，維護更換費用多 。

在恒壓變量泵+比例閥控制技術的基礎上,應用發展起來雙比例變量泵控制技術,該控制技術的特點為:

（1）功率消耗低,裝機功率減小 ；

（2）系統發熱降低,元件使用壽命延長,冷卻水消耗減少 ；

（3）能量消耗減少,系統效率提高 ；

（4）可通過壓力流量反饋實現閉環控制 。

最新的控制趨勢是伺服泵+伺服電機的控制技術,是真正意義上的壓力、流量“按需所控”。

2 液壓技術改造應用分析

機械雙模輪胎定型硫化機改造為半機械半液壓系統。

（1）排量調節變量泵在原動機轉速改變和負載壓力升高時影響泵的泄漏，泵的流量不能保持恒定。以泵的實際輸出流量作為控制目標的變量泵，稱為恒流量調節泵，利用比例控制元件實現上述目的時，除了給定信號下泵輸出相應的恒定流量而與負載或轉速無關外，還能通過信號的調節使流量按一定規律變化，以適應負載速度控制的要求。

（2）這種泵工作時，若系統壓力低于調定壓力，則按定量泵工作而提供最大流量；若系統壓力達到調定壓力，則按變量泵工作，流量隨負載而變，其出口壓力與流量無關；若系統壓力大于調定壓力，則泵的流量迅速下降，能在系統各處泄漏的情況下，維持壓力為調定值。采用壓力調節變量泵有顯著的節能效果。

（3）電子閉環控制軸向柱塞泵可對壓力、流量、功率進行連續閉環控制，控制精度小于0.2%（傳統比例閥控制精度為2%），并具有很好的動態特性。對于復雜的液壓系統，如果采用新型電子閉環控制柱塞泵，只要一個泵就可替代原有多個元件，不僅實現比例調速、比例調壓還能實現比例功率調節。對于小流量、小功率的工藝，應用常規的元件，需要通過溢流閥溢掉多余的油液，這不僅造成能源浪費，還會帶來系統發熱，降低泵的容積效率，增加泄漏，對系統是非常不利的。若改用這種新型的電子閉環控制軸向柱塞泵后，可實現恒功率控制。

（4）電子閉環控制軸向柱塞泵是由多種元件疊加復合在軸向柱塞泵上形成的組合體。根據使用環境、使用方法不同，有多種控制系統，但一般由軸向柱塞泵、壓力傳感器、放大器、預加載閥等元件組成。

壓力傳感器測量值為壓力實測值，與放大器的設定值比較后，輸出信號控制泵。位置控制與壓力控制相同。預加載閥為可選項，主要功用是在泵口建立2 MPa以上控制壓力，控制泵的斜盤傾角改變，達到變量的目的。如果沒有選擇預加載閥，則需要有大于2 MPa的外部控制油壓，或在泵出口增加一個2 MPa以上的外控順序閥。若沒有預加載閥，也沒在泵口建立2 MPa以上壓力，泵將沒法正常運行。

3 液壓式雙模輪胎定型硫化機液壓伺服節能系統

3.1 液壓伺服控制技術特點

伺服或變頻電機+伺服泵:

（1）節能:驅動功率降低40%左右；

（2）降耗:按需供油,液壓油溫升小,不易老化,延長使用周期50%以上；

（3）閉環：可通過壓力流量反饋實現閉環控制 。

3.2 液壓伺服成套解決方案

PHASE專用驅動器+PHASE伺服電機+內嚙合齒輪泵（單泵或者雙聯泵）。

3.3 工作原理

交流伺服電機的轉速隨上位機電腦給定到驅動器的壓力、流量指令而變化，以此來控制油泵的輸出壓力和流量。

壓力控制通過油泵上的壓力傳感器信號構成閉環控制，流量控制通過交流伺服電機控制油泵的轉速來改變油泵的排出流量。

伺服控制是一種按需供油,外圍加了兩組閉環（壓力傳感器和速度傳感器）的節能/精密/高效/環保的控制方式。

3.4 伺服驅動器特點

3.4.1 高可靠、高穩定

（1）電磁兼容設計，符合RoHS標準。

（2）寬電壓范圍設計，適應多種電網環境。

（3）全系列伺服化設計，完全適應液壓硫化機高動態、高強度負荷運行。

（4）75 kW（含）以下驅動器內置制動單元，便于安裝配線，可靠性更高。

（5）完全適應液壓硫化機潮濕、環境溫度高等惡劣工作環境。

（6）電機溫度檢測與保護、壓力傳感器電源故障保護，有效保證液壓硫化機系統安全運行。

3.4.2 簡單化參數設置

（1）出廠經驗參數，即能滿足90%以上現場工況要求。

（2）出廠經驗參數，即能滿足90%以上現場工況要求。

（3）多種電機調諧方式可選。

（4）操作面板豐富的參數顯示。

（5）多組PI自動切換，有效地控制系統的響應及超調。

（6）便捷的PC TOOLING調試軟件。

3.4.3 高節電率

高保留液壓硫化機原有控制方式油路大體不變，采用先進的微電腦控制技術，使定量泵變為節能型變量泵，液壓硫化機液壓系統與整機運行所需要的功率相匹配，無高壓節流溢流能量之損失，提高油泵電機功率因素至0.96以上，節電率一般可達40%~60%。

3.4.4 超強的過載能力和動態響應速度

采用先進的矢量控制算法和獨特的限流技術，確保在動作過程中，能承受啟停重負載的沖擊而不跳閘，以確保生產過程的連續性。高速的動態響應，最大限度減小制品成形周期的延遲現象。

4 電液伺服系統的變革

把PQ開環控制轉為閉環控制，用高精度高響應的永磁同步電機代替異步機，從而促進了電液工業技術水平提升到一個新高度（參見圖1）。

圖1 PQ閉環控制示意圖

4.1 節能

（1）電機節能

三相交流異步電機，法拉第電磁感應原理，消耗高，功率因數低于0.85，轉子材料采用普通的鑄鋁鼠籠條，功率密度低。

交流永磁同步電機，磁場相互作用，基本無消耗，功率因數高于0.95，轉子材料采用釹鐵硼稀土永磁體，功率密度高。

原異步機比伺服電機能耗高出5%~10%。

（2）工藝節能

由油壓公式：P功率=P壓力×Q排量×N轉速/60可知，液壓功率跟液壓壓力、油泵排量、電機轉速有關，而功率的時間積累就是能耗，即：

W液壓能耗=P功率×T，在壓力不變的情況下，有效地改變電機轉速或油泵排量就可以達到節能。原有的定量泵系統，由于一直處于全流量，存在能源浪費。

4.2 高效環保

采用該控制技術，對液壓油的清潔度等級要求可降低兩個等級，液壓油換油周期相比比例系統可延長2倍。

以我們所做的一個案例實測為例，做一下簡單說明。

地點：某橡機廠設備；

測試機型：液壓輪胎硫化機。

與恒壓變量泵系統比較，測試數據達到節能30%以上。

5 EPC服務及控制愿景

5.1 互聯網+功能實現

（1）通過互聯網技術實現設備的可編程控制器遠程智控，實現控制系統的程序上下載，調試，畫面監控，設備遠程診斷、維護。

（2）各PLC運行參數均可監測。

（3）通過手機微信/網頁/APP控制PLC，通過參數調整來控制外圍設備的動作，均可遠程啟停控制。

（4）與上位軟件配合在服務器中，定時存儲各種監測數據、事件報警信息、實時監測數據等數據通訊回到運行中心，則可以建立各項參數預警保障機制。同時支持各類信息查詢，可以將監測數據、報警數據生成報表，數據可以導出，支持打印輸出。

（5）互聯網+通訊系統，通過3G/4G手機卡，網線直接與設備PLC通訊。

5.2 與目前設備維護對比

（1）節省差旅費用 、人力成本；

（2）減少現場停產損失 ，實時維護避免停機帶來的危及設備安全、人身安全， 提升客戶滿意度 ；

（3）售后遠程服務， 高效而輕松 。

煙臺未來，為您提供系統的液壓（電氣）技術解決方案。通過共同研發、聯合制造、知識產權共有的方式、為用戶產品提供全生命周期服務。

主要論述了液壓硫化機上應用的液電控制技術。包括在這一領域的液電系統特點，以及針對這一領域對該技術進行的一些技術改造升級，包括把以前的開環控制改為閉環控制，升級后的液電系統節能效果顯著。

橡膠；機械；液電；伺服；節能；控制；系統

（R-02）

TH137.3

1009-797X(2016)07-0001-04

A

10.13520/j.cnki.rpte.2016.07.001