液壓機驅動系統分區控制節能方法

劉志峰　李磊　黃海鴻　高夢迪　李新宇

合肥工業大學，合肥，230009

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液壓機驅動系統分區控制節能方法

劉志峰李磊黃海鴻高夢迪李新宇

合肥工業大學，合肥，230009

摘要：針對液壓機的能效特點，提出了一種液壓機驅動系統的分區控制節能方法。將液壓機組的驅動系統劃分為與液壓機動作相對應的驅動區，不同液壓機在同一驅動區的驅動下完成該區所對應的動作。利用驅動單元的能效優化方法，使驅動單元的輸出功率與該動作消耗的功率相匹配。構建了液壓機組的調度方法，實現不同液壓機分時共享同一驅動區。對液壓機組的工作過程進行的實驗和分析表明，液壓機組中單臺液壓機能耗降低40%，效率提升13.3%。

關鍵詞：液壓機組；驅動區；匹配；調度；節能

0引言

20世紀60年代以來，各種復雜的大噸位、高精度液壓機不斷涌現，在各個領域得到了廣泛的應用。但液壓系統的效率低，一般為6%～40%[1]，產生極大的能量浪費。因此，降低液壓系統工作過程中的能量損耗，實現低碳制造顯得極為重要。

近年來，國內外學者對液壓系統節能作了很多研究，主要包括液壓系統中冗余能量的回收方法和輸入輸出的能量匹配機制。在液壓系統中的能量回收與存儲的方法中，將動能或勢能轉換成易于存儲的能量收集起來，在需要的時候加以釋放[2-5]。在液壓系統輸入輸出能量匹配方法中，通過調整系統的輸出壓力和流量達到與負載匹配實現節能[6-7]。但該方法會使系統復雜，控制性能變差。成形過程液壓系統消耗的能量比工作周期各個部分消耗的總能量小得多[8]，因此，僅僅考慮成形過程中的節能和回收是不夠的。Monn等[9]討論了一種控制液壓系統操作的方法，通過控制其運行節拍，達到降低能耗的目的。由此可知，從改變液壓機系統動作節拍的角度實現節能存在很大的空間。

本文從改變驅動控制節拍的角度進行全局功率匹配，提出面向液壓機組的節能控制方法，對液壓機組的能量匹配進行研究，建立了多液壓機的節拍調度與能量計算模型。

1液壓機組驅動系統的分區控制方法

液壓機具有裝機功率大、周期內瞬間載荷高且負載差異大的特點，從而導致驅動系統的輸出功率與動作的消耗功率不匹配。成形過程完成后，液壓機存在較長的待機時間用于完成上下料動作，產生較大的待機能量損耗，如圖1所示。

圖1　液壓機一個工作循環的功率需求與裝機功率

為了解決液壓機存在的上述問題，提出了液壓機組驅動系統的分區控制節能方法。該方法將生產線中各個液壓機原有的驅動部分(由多個電機和泵組成的電機泵組)從整個液壓機系統中分離，將泵站作為液壓機組的驅動系統，為生產線多臺液壓機組成的液壓機組提供能量。根據液壓機的工藝節拍，將驅動系統劃分為多個驅動區：下降區(F區)、壓制區(P區)、保壓區(M區)、回程區(R區)。F區、P區、M區和R區分別用于提供液壓機組下行、壓制、保壓和回程所需的流量與壓力。驅動區根據液壓機具體工作節拍，重新設計。每個驅動區由若干個驅動單元組成，每個驅動單元由與該區所完成動作功率相匹配的多個電機泵組組成，每個驅動單元均可單獨驅動液壓機高效完成該區所負責的動作。驅動系統的組成如圖2所示。

圖2　液壓驅動系統的組成

同一液壓機的不同動作在對應驅動單元的驅動下完成，不同液壓機的同一動作在同一驅動區的驅動單元驅動下完成。驅動系統的每個驅動單元只為液壓機組的某個動作提供能量。通過協調液壓機組的節拍，使液壓機組分時共享同一驅動系統，各個驅動單元協同工作，完成整個成形過程，達到縮短驅動系統的等待時間，減少能量的損耗的目的。

圖2所示的液壓機組的工作過程為：工作開始時，啟動泵站的所有驅動單元。根據協調所確定的時間要求，將F區驅動單元切換至工作狀態，驅動對應的液壓機1。液壓機1完成下降動作后，將P區的驅動單元切換至控制液壓機1的狀態。下降驅動單元在需要的時候切換至液壓機2進行下降動作，在不需要的時候，處于卸荷的狀態。每臺液壓機按照這種方式依次被F區、P區、M區、R區驅動，完成一個完整的成形過程。液壓機完成一個完整的成形過程的時間稱為工作周期。一個工作周期后，所有的驅動單元都進入工作狀態，每個驅動單元連續高效率地完成所對應的成形動作。某工作節拍下，一個完整的工作周期中，各個液壓機以及驅動區的工作狀態如圖3所示。

圖3　一個工作周期中液壓機組與驅動區的工作狀態

為了達到功率匹配的節能控制效果，需要根據液壓機組每個動作的功率，對每個驅動單元的組成進行匹配設計。為了縮短驅動單元的等待時間，需要對驅動單元進行合理的分配和調度。

2驅動單元的匹配設計

2.1液壓系統的模型分析

恒功率變量泵以其良好的特性被廣泛應用于成形裝備。所研究的液壓系統采用多臺異步交流電機驅動多臺恒功率變量泵的方式為液壓機提供能量。恒功率變量泵的泵口壓力達到一定值以后，其輸出功率基本保持不變，通過調節節流閥的開口，調節泵的輸出流量，達到調速的目的，滿足不同動作對滑塊速度的要求。因此，雖然不同成形階段的液壓回路各不相同，但驅動方式的相同導致每個動作的液壓回路都有很大的相似性。根據液壓機系統的特點，得到液壓回路模型，如圖4所示。

圖4　液壓機回路模型

根據圖4所示的模型，當滑塊以速度v下行時，忽略其中的摩擦損耗，有：

(1)

活塞在下降的過程中，滿足：

pA=p1A1+F

(2)

液壓回路的輸入功率為

P=pq=pvA

(3)

式中，C為由節流口、油液性質決定的常系數；m為由節流口形狀決定的節流閥指數；AT為節流閥的開口面積；A1為活塞下腔的面積；p1為活塞下腔的液壓油壓力；A為活塞上腔的面積；p為活塞上腔的液壓油壓力；F為包含滑塊重力和成形力的綜合阻力；P為液壓回路的輸入功率。

若設由于管路和閥體摩擦產生的損耗功率為ΔP，并將式(1)、式(2)代入式(3)則有：

(4)

其中，Pout為泵口的輸出功率；Pin為電機組的輸入功率，Pin=[P1P2…Pn]；S為電機泵組接入系統狀態的對角陣，S=diag(s1,s2,…,sn)。若第i(i=1，2，…，n)臺電機泵組接入液壓系統，為液壓機動作提供能量，則si=1；若第i臺電機泵組處于卸荷狀態，則si=0。η為電機泵組的效率，η=[η1η2…ηn]T。

通過式(4)將液壓系統的消耗功率與電機的輸入功率聯系起來。一方面，整體損耗由兩部分構成，一部分是在液壓能量傳遞過程中由于摩擦和泄漏產生的非必須損耗ΔP。另一部分是為了實現系統的功能而必須損耗的能量v(1+1/m)/(CAT)，這部分損耗在不改變驅動方式的情況下，無法消除，但可以通過參數的優化減少。另一方面，在每個動作中，可通過減少處于卸荷狀態泵的數量，提高單個液壓泵組的效率，進而提高液壓系統的效率，減少損耗。

2.2驅動單元的匹配方法

從2.1節的模型可知，通過改變節流閥參數，提高電機泵組的利用率和效率，可提升整個液壓系統的效率。本節就從這些方面綜合考慮，使驅動單元與其負責的動作相匹配，提升每個驅動單元的平均工作效率。

泵的電機的能量效率隨著負載的變化而變化，設恒功率柱塞泵的效率為ηpump(p)，p為出口壓力，電機的效率為ηmotor(β)，β為負載率。因此每個驅動單元在對應動作下的總效率：

η(p)=Fvηpump(p)ηmotor(β)/Pout

(5)

將式(4)代入式(5)可得

(6)

易知，ηpump(p)、ηmotor(β)、AT為限制系統效率的主要因素。

液壓機的驅動部分在設計時，需滿足最大成形功率的要求，但是成形動作的負載差異導致部分動作的效率降低。 采用液壓機組驅動系統分區控制的方法后，每個驅動單元只執行特定的動作，可以單獨根據每個階段的負載特性調整節流閥的參數AT，重新設計和選擇驅動單元，選擇與之相對應的ηpump(p)、ηmotor(β)。

由圖5a可知，在壓力達到一定的值時，泵的效率可以達到90%(效率閾值)，并且在一定的壓力范圍內，效率基本保持不變，稱這個范圍為泵選定閾值效率下工作的容許范圍。同樣，如圖5b所示，電機也存在這樣一個容許的負載率范圍，使電機工作在閾值效率上的狀態。

(a)泵

(b)電機圖5　泵與電機的效率特性曲線

相對于同一液壓機的不同動作，不同液壓機的相同動作對壓力和功率需求的差異較小，選擇合適的電機和泵作為液壓機組的驅動單元，可使其工作在容許的壓力和功率的范圍內，滿足：

(7)

因此，采用分區控制方法，每個驅動單元僅工作在單一的動作下，多臺液壓機的相同動作對功率的需求差別較小，很好地解決了單臺液壓機在不同工作階段無法實現功率匹配的問題。

3液壓機組成形過程中驅動單元的調度方案

按照2.2節的功率匹配方法，設計完每個驅動單元以后，需要對驅動區的組成進行分析，對各個驅動區的進行調度，實現驅動區的有序共享。

3.1驅動單元的調度模型

液壓機成形過程中，壓制階段的能耗最大，為了縮短大功率驅動區的等待時間，減少能量的損耗，以壓制區連續不間斷地為不同液壓機提供壓制階段能量為前提，協調各階段動作間的關系，確定驅動區j驅動單元的數量fj和不同驅動單元驅動液壓機的先后時間順序。

設一個完整的成形加工由連續的n道工序組成，每道工序的液壓機的動作包括下降、壓制、保壓、回退、等待全部或部分動作。第i道工序完成下降、壓制、保壓、回退、等待所需的時間分別為T(i, 1)、T(i, 2)、T(i, 3)、T(i, 4)、T(i, 5)，T(i)為完成第i道工序的總時間。為使壓制區連續不間斷地為不同液壓機提供壓制階段能量，對每個工序的工作節拍進行調整，使完成第i道工序的時間為

(8)

在此條件下，壓制動作的驅動單元就會處在連續工作的狀態，保證了最大功率驅動區不存在等待時間。同時，多臺液壓機一個工作循環的時間(用T表示)與單臺液壓機一次成形過程的時間相同，保證了單臺液壓機的工作效率。

液壓機組工作的過程中，可能存在同時工作在同一階段的多臺液壓機。為了保持整個系統的連續運行，當某個階段的時間比壓制階段長時，就為此驅動區設置2個或多個驅動單元(為所有液壓機提供能量)；當某個階段的時間比壓制階段短時，設置單個驅動單元(為所有液壓機提供能量)。根據每個階段的時間長度確定每個驅動區的驅動單元的個數，完成動作j的驅動區需要設置獨立的驅動單元數fj：

fj=[λj]+1(j=1,2,3,4)

(9)

式中，[λj]為比λj小的最大整數。

據此得到驅動系統驅動單元的數量以后，整個成形生產線就可以高效率的連續運轉。液壓機泵和電機在工作時，泵壓力的重新建立會消耗比較長的時間，并且頻繁的啟停電機也會額外消耗大量的能量，因此每個驅動單元在整個運行周期內都不會關閉。當某個驅動單元完成當前工序的動作，而下一個工序的此動作尚未開始，該驅動單元就會處在卸荷狀態，存在一定的等待時間。每個驅動區一個工作周期內的等待時間為

(10)

某動作的時長與壓制動作的時間相等時，對應的驅動單元不存在等待時間。

3.2驅動單元的節能計算

采用液壓機組驅動系統分區控制方法以后，由于液壓機本身的結構以及每個動作的實現方式并未改變，因此每臺液壓機每個動作的需求功率保持不變。

未采用分區控制方法時，設Eij為第i道工序j(j≠5)動作的輸出有用功，ηij為第i道工序j動作的平均能量效率，Pi5為等待階段所有的電機和泵在卸荷時的功率，則完成n道工序需要消耗的能量為

(11)

(12)

由于壓制動作連續，因此Tw2=0，壓制階段不存在等待功率的消耗。在節拍允許的情況下，其他驅動單元的的等待時間也可以為0，系統可以不存在等待損耗。改進前后消耗的能量之差為

(13)

4案例分析

以某公司公稱壓力20 MN，裝機功率510 kW的拉伸液壓機為例，對采用分區控制方法前后的單臺液壓機的能量消耗及效率提升情況進行對比。同時，為了更清楚地比較采用液壓機組驅動系統分區控制方法后，單臺液壓機的能量節約情況，選擇多臺相同的液壓機作為液壓機組，不改變每個動作接入系統液壓系統的電機和泵的個數，不改變每個動作持續的時間長度，進行單一工況的設計。

液壓機的結構特征：滑塊固定在2個活塞和1個柱塞上，活塞和柱塞在固定于上橫梁的缸體內上下運動。當活塞缸及柱塞缸的上腔通入高壓液體時，滑塊在液壓油壓力的作用下向下運動；當活塞缸的下腔通入高壓液體時，滑塊在液壓油壓力的作用下向上移動。通過換向閥切換回路，對液壓油的方向進行切換。改變不同閥的狀態，達到不同階段需求的不同壓力，實現液壓機的整個成形過程。

單臺液壓機驅動系統由6臺三相交流異步電機與7臺恒功率變量泵組成，其中，5臺額定功率為75 kW的電機分別與1臺最大排量為400 L/min的泵相連，另外1臺90 kW功率的電機與2臺泵相連，這2臺泵的最大排量之和為402 L/min，構成雙聯泵組，驅動系統的額定輸入功率矩陣Pe=[75 75 75 75 75 90]kW。

4.1單臺液壓機的能量消耗

單臺液壓機在驅動系統的驅動下，完成下降、壓制、保壓、回退等動作。每個動作需求的壓力和流量不同，導致對驅動系統的利用情況不同，因此電機泵組產生了不同的接入狀態。經測試，在某種拉深成形的一個完整的成形過程中，電機在快降、慢降、壓制、保壓、快回、慢回動作下對應于Pe的狀態矩陣分別為S11、S12、S2、S3、S41、S42：

S2=S41=I6S3=S42=I6- S11

對以上各個工作狀態的液壓機的成形過程進行能量消耗測試。在拉深成形過程中，完成一次成形過程需24 s，其中下降時間為0～4 s，包括動作1快降 (0～2 s) 和動作2慢降(2～4 s )；動作3壓制時間為4～8 s；動作4保壓時間為8～10.5 s；回退時間為 10.5～14 s，包括動作5快回(10.5～13 s) 和動作6慢回(13～14 s)；等待(設為動作7)時間為14～24 s。

用AITEK的AWS2103系功率儀對每個動作下輸入的有功功率進行測試，采樣間隔Δt=0.01 s，得到每個動作每個時刻的功率Pt，則每個動作輸入的有功能量：

(14)

其中，tm為動作m的開始時間；Δtm為動作持續的時間;Em為完成動作m輸入的有功能量，m=1，2，…，7。進行多次測試，得各個動作下輸入的有功能量，如表 1所示。則液壓機完成一次成形過程的能量消耗為

Ein=E1+E2+…+E7=4864.29 kJ

(15)

液壓系統的成形能轉換效率為

η=E3/Ein=975.24/4864.29=20.05%　(16)

4.2液壓機組的能量消耗

由液壓系統在此次成形過程的動作節拍可知，壓制時長為4 s，整個工作過程為24 s。據此，選擇驅動系統驅動6臺相同的液壓機，驅動系統可連續不斷地為液壓機組壓制動作提供能量，同時單臺液壓機完可完成一個成形過程。驅動系統驅動的不同液壓機的相同動作的時間長度都一樣，式(9)可以寫成：

fj=[tj/tP]+1j=F，M，R

(17)

根據每個動作的時長得fF=fM=fR=1,即每個驅動區設置一個驅動單元即可實現整個液壓機組的連續工作。在一個工作循環中，每個驅動區的工作狀態如圖6所示。

圖6　一個循環過程中驅動區的工作狀態

開始工作時，液壓機1在下降驅動區的驅動下開始下降；4 s時，液壓機1的下降動作完成，在壓制區的驅動下開始壓制動作；下降區開始驅動液壓機2完成下降動作，其他時間節點也以此方式完成驅動單元的切換。等待表示這段時間區域內，驅動區的驅動單元處于卸荷的狀態，不為任何一臺液壓機提供能量。

受實驗條件的限制，僅去除每個動作下處于卸荷狀態的電機和泵，保留用于提供能量的電機和泵，并且保證每個動作最大的功率要求，不對電機泵組做進一步優化。使每個驅動區高功率工作狀態下的狀態矩陣S都是滿秩矩陣。因此，PFe=[75 75 75 75 75]kW，PPe=PMe=[75 75 75 75 75 90]kW，PRe=[90]kW。

壓制區驅動單元電機和泵的個數沒有改變，且在液壓機之間切換時，沒有等待時間，每臺液壓機壓制動作消耗的能量不變，即

ΔEP=0

(18)

下降驅動區的驅動單元在不同液壓機之間切換時，也不存在等待時間。去除90 kW的電機后，單臺液壓機下降動作提供能量減少ΔEF：

ΔEF=Pe2(Δt1+Δt2)=186.56 kJ

(19)

式中，Pe2為測試的90 kW電機帶動雙聯泵的卸荷功率。

保壓驅動區只保留90 kW的電機帶動雙聯泵，提供保壓動作的能量，減少了5臺75 kW的電機泵組。保壓區在為每臺液壓機提供保壓動作的能量后，存在等待時間Δt2-Δt4，導致單臺液壓機保壓動作提供的能量減少ΔEM：

ΔEM=5Pe1Δt4-Pe2(Δt2-Δt4)=223.04 kJ

(20)

式中，Pe1為測試的單臺75 kW電機泵組的空載功率。

回退區驅動單元沒有改變，但為每臺液壓機提供回退能量后，存在等待時間Δt2-Δt5-Δt6，單臺液壓機保壓動作提供的能量增加ΔER：

ΔER=(5Pe1+Pe2)(Δt2-Δt5-Δt6)=81.92 kJ

(21)

使用分區控制節能方法后，由表2所示數據可得一個成形過程單臺液壓機需要輸入的能量：

(22)

液壓機系統的成形能轉換效率為

(23)

表2　各個階段單臺液壓機輸入有功能量變化情況

案例中，使用液壓機組分區節能控制方法后，在一次完整的成形過程中效率提升：

η=η′-η=13.6%

(24)

能量減少百分比：

(25)

上述案例中，液壓機在工作時，輸入能量的40%消耗在電機的空運行上，只有20%用于液壓機的成形階段，等待階段的存在降低了液壓機的工作效率，液壓系統輸入輸出功率的不匹配導致了能量的損失。液壓機正常工作時，一次成形過程的能量消耗為4864.29kJ。采用液壓機組分區控制節能方法以后，僅去掉每個動作處于待機的電機，1臺液壓機進行一次成形過程的能量消耗為2898.46kJ，節約能量1965.83kJ，效率提升為13.6%。僅去除多余電機泵組的方式，并不能使每個動作電機的平均負載率處在容許的范圍，沒有達到高效率的能量匹配。若依據能量匹配方法，對每個驅動單元的組成進行優化，能量消耗將會進一步減少。

5結論

(1)液壓機組分區控制節能方法，使用特定的液壓驅動區為不同液壓機的相同階段提供成形能量，實現了驅動單元輸出功率與動作消耗功率的匹配。

(2)通過不同液壓機之間的節拍協調，對多臺液壓機的工作時間進行調度，使液壓機組分時共享同一驅動系統。

(3)液壓機處于等待狀態時，將不同液壓機的等待時間根據調度方法分散于不同的時間區間，驅動區不沖突地為其他液壓機提供能量，縮短甚至消除了驅動區的等待時間，大大提高了整個液壓系統的能量利用率。

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(編輯張洋)

收稿日期：2015-09-21

基金項目：國家自然科學基金資助重點項目(51135004)；國家自然科學基金國際(地區)合作與交流項目(51561125002)

中圖分類號：TH137.7

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.14.017

作者簡介：劉志峰，男，1963年生。合肥工業大學機械工程學院教授、博士研究生導師。主要研究方向為機電產品綠色設計理論與方法、綠色制造工藝技術、廢舊電子電器產品回收工藝與裝備、先進制造技術、金屬切削理論及刀具設計。發表論文150余篇。李磊，男，1991年生。合肥工業大學機械工程學院博士研究生。黃海鴻，男，1980年生。合肥工業大學機械工程學院教授、博士研究生導師。高夢迪，女，1990年生。合肥工業大學機械工程學院博士研究生。李新宇，男，1985年生。合肥工業大學機械工程學院講師。

An Energy-saving Partition Control Method Drive System for Hydraulic Presses

Liu ZhifengLi LeiHuang HaihongGao MengdiLi Xinyu

Hefei University of Technology,Hefei,230009

Abstract：To reduce the energy consumption of hydraulic press, an energy-saving partition control method was proposed. Several hydraulic presses were grouped to share the only drive system which was partitioned into several regions corresponding to hydraulic press operations named drive zone. The same operations of different hydraulic presses were carried out with the drive of the same drive zone. The output power of each drive unit matched the consumed power of the operations corresponding to the drive unit after energy efficiency optimization. The scheduling method of hydraulic press group was analyzed to ensure that different hydraulic presses in a group shared a drive zone in different time after the adjustment of working beat. The working processes of hydraulic press group were tested and analyzed. The results show that the energy consumption reduces by 40%, and the efficiency of a single hydraulic press increases by 13.3%.

Key words:hydraulic press group; drive zone; matching; scheduling; energy-saving