靜壓造型線伺服直驅泵控液壓系統的理論計算與工程實踐

張友亮，趙林棟，董永博，張成紀，李建松，田麗紅，沈志昆，吳俊建

（國機鑄鍛機械有限公司，山東濟南 250306）

靜壓造型采用氣壓預緊、液壓壓實，具有成型率高、表面光滑、自動化程度高等特點，逐漸成為鑄造造型工藝的首選。

靜壓造型生產線采用液壓傳動，其液壓系統主要由動力泵站、蓄能器站、獨立冷卻過濾循環系統、控制閥臺等組成。常規動力泵站采用三相異步電機驅動定量泵+變量泵的技術方案。由于存在溢流損失、壓力損失、電機功率因數低等因素，液壓系統發熱嚴重，即使配備蓄能器，也將存在較高的溫升，而不得不采用強制水冷，造成水源及能量浪費，不符合降本增效、節能降耗的時代主題。

一般認為，設計良好的液壓系統總體效率不超過67%，其余以熱量的形式耗散為油液的溫升。權威數據表明，1MPa 壓力損失將使油溫上升0.57℃。正常情況下，油液溫度不應超過70℃。油溫每升高10℃，油液壽命將減半。

1 液壓系統主要技術參數

靜壓造型線現場配置幾十條油缸，多缸同時動作，所需系統流量較大。通常系統流量及裝機功率取決于生產率。有鑒于此，為減小裝機功率，液壓系統采用油泵+蓄能器的傳動方案；為減小噪聲和脈動，液壓系統選用柱銷式葉片泵；為獲得穩定壓力，降低成本，采用蓄能器+補償氮氣瓶的技術方案；為減小功率損失，采用蓄能器位置控制油泵升壓、卸荷的技術方案，主要技術參數如表1 所示，蓄能器位置控制原理簡圖如圖1 所示。

2 總體控制方案選擇

為進一步降低系統能耗，結合直驅式容積控制電液伺服技術的不斷發展，動力系統擬采用伺服直驅泵控、多泵合流的技術方案。其中，主驅動器接收來自控制裝置的壓力、流量控制指令，驅動伺服電機帶動定量泵向系統供油。主驅動器與各從驅動器通過CAN 總線進行通訊，相應的主泵出口設置壓力傳感器，實時檢測系統壓力，構成壓力閉環控制。伺服電機通過旋轉編碼器向驅動器反饋當前轉速，構成轉速閉環控制。有關控制原理如圖2 所示。

表1 靜壓造型線液壓系統主要技術參數

圖1 蓄能器位置控制原理簡圖

圖2 伺服直驅泵控合流系統原理簡圖

3 關鍵元件選型計算

油泵及蓄能器規格取決于所需的系統流量，針對靜壓造型線多缸同時動作的特點，采用分組、就近控制策略，將現場執行元件分為3 部分，分別計算出系統瞬時流量和平均流量，具體過程如下。

3.1 配置執行元件

分別計算各執行元件單獨動作時，驅動執行元件所需的流量，主要執行元件配置及負載流量情況如表2 所示。

3.2 配置生產節拍

根據生產線要完成的工藝動作，在滿足邏輯條件判斷的前提條件下，考慮加、減速過程，分組配置生產節拍。

第一組：分箱推送、主機左定位、主機右定位、主機接箱升降、主機支撐、壓頭移動、百葉窗、靜壓缸、多觸頭、型板回轉、內壁清理。

經理論計算，該組執行元件所需瞬時最大流量Qmax=1129L/min，平均流量Qv=295L/min，負載流量循環如圖3 所示。

第二組：分箱升降、分箱機械手、分箱開溝、分箱過渡車、分箱車移動、內壁清理、1#車推緩、1 冷卻線定位、2 冷卻線定位、捅箱提升、捅箱移動、捅箱、臺面清掃。

經理論計算，該組執行元件所需瞬時最大流量Qmax=557.8L/min，平均流量Qv=209L/min，負載流量循環如圖4 所示。

第三組：合箱緩沖、液道定位、合箱車移動、合箱升降、合箱機械手、過渡車撥回、2#車推緩、澆注線定位、銑澆口定位、銑澆口Z 軸、銑澆口旋轉、鉆氣孔定位、鉆氣孔Z 軸、鉆氣孔旋轉。

經理論計算，該組執行元件所需瞬時最大流量Qmax=307.4L/min，平均流量Qv=155.7L/min，負載流量循環如圖5 所示。對各組執行元件進行匯總處理，在整個動作循環周期內，系統所需瞬時最大流量Qmax=1775L/min，平均流量Qv=660.1L/min，主要執行元件負載流量循環如圖6 所示。從該圖可以追蹤瞬時流量值，持續時間及所在位置，以此作為伺服電機泵組的選型依據。

3.3 伺服電機泵組選型

綜合考慮伺服電機加速性能及過載能力，并考慮適當的安全余量，選用伺服電機額定轉速1800r/min，配用葉片泵排量183mL/r，伺服電機驅動扭矩360N·m，伺服電機功率68kW，驅動器最大適配功率75kW，共4 臺。

表2 主要執行元件配置及負載流量計算

圖3 第一組執行元件負載流量循環圖

圖4 第二組執行元件負載流量循環圖

圖5 第三組執行元件負載流量循環圖

圖6 主要執行元件負載流量循環圖匯總

表3 與常規動力系統運行工況對比

3.4 蓄能器選型計算

在選擇蓄能器時，進行如下處理：將匯總之后的負載流量圖進行離散化，平均分成120 個時間間隔Δt，每個時間間隔Δt代表0.5s。且認為在此時間范圍內，系統所需流量qi是常量，則在第i 個時間間隔Δti內系統所需油量為qiΔti。以ΔVi表示蓄能器在第i 個時間間隔及以前各間隔內的充油和排油量的代數和，則有：

超出平均流量的部分由蓄能器和泵同時供油，低于平均流量的部分由泵向蓄能器供油。

所需蓄能器總容積為：

對于靜壓造型線許用壓力范圍，P1=9MPa，P2=11MPa，P0=8.5MPa，Vx=96.3L，代入以上公式可得出V0=784.4L。

所需補償氮氣瓶容積包含在計算所得的容積之內，配用補償氮氣瓶數量為：

實際補償氮氣瓶的數量取12。

4 現場應用及能耗對比

現場調試時，設定伺服電機運行參數，其最大反轉速度為零，通過自學習不斷優化。綜合考慮響應速度和系統沖擊，設定合理的油壓PID 控制參數比例增益與積分時間。經連線調試，用戶現場使用良好。液壓系統電氣控制室內配置能耗表，按時長統計耗能和產量等，如表3 所示。

兩種類型動力系統的造型線生產率均為120型/h。據統計測算，采用伺服直驅泵控液壓系統的平均能耗約在2.323kW·h/箱，而采用常規三相異步閥控系統的平均能耗約在3.747kW·h/箱，采用伺服直驅泵控液壓系統的能耗約為常規三相異步閥控系統的61.9%，節能達38.1%。

5 結論

采用就近、分組控制策略，將現場執行元件分為3 組，并根據負載流量折算為伺服電機轉速進行控制，伺服直驅泵組能快速響應負載壓力、流量變化，具有較低的能耗。