張友亮，趙林棟，董永博，張成紀(jì)，李建松，田麗紅，沈志昆，吳俊建

（國(guó)機(jī)鑄鍛機(jī)械有限公司，山東濟(jì)南 250306）

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

靜壓造型生產(chǎn)線采用液壓傳動(dòng)，其液壓系統(tǒng)主要由動(dòng)力泵站、蓄能器站、獨(dú)立冷卻過(guò)濾循環(huán)系統(tǒng)、控制閥臺(tái)等組成。常規(guī)動(dòng)力泵站采用三相異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)定量泵+變量泵的技術(shù)方案。由于存在溢流損失、壓力損失、電機(jī)功率因數(shù)低等因素，液壓系統(tǒng)發(fā)熱嚴(yán)重，即使配備蓄能器，也將存在較高的溫升，而不得不采用強(qiáng)制水冷，造成水源及能量浪費(fèi)，不符合降本增效、節(jié)能降耗的時(shí)代主題。

一般認(rèn)為，設(shè)計(jì)良好的液壓系統(tǒng)總體效率不超過(guò)67%，其余以熱量的形式耗散為油液的溫升。權(quán)威數(shù)據(jù)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(yīng)超過(guò)70℃。油溫每升高10℃，油液壽命將減半。

1 液壓系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

靜壓造型線現(xiàn)場(chǎng)配置幾十條油缸，多缸同時(shí)動(dòng)作，所需系統(tǒng)流量較大。通常系統(tǒng)流量及裝機(jī)功率取決于生產(chǎn)率。有鑒于此，為減小裝機(jī)功率，液壓系統(tǒng)采用油泵+蓄能器的傳動(dòng)方案；為減小噪聲和脈動(dòng)，液壓系統(tǒng)選用柱銷式葉片泵；為獲得穩(wěn)定壓力，降低成本，采用蓄能器+補(bǔ)償?shù)獨(dú)馄康募夹g(shù)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(shù)方案，主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示，蓄能器位置控制原理簡(jiǎn)圖如圖1 所示。

2 總體控制方案選擇

為進(jìn)一步降低系統(tǒng)能耗，結(jié)合直驅(qū)式容積控制電液伺服技術(shù)的不斷發(fā)展，動(dòng)力系統(tǒng)擬采用伺服直驅(qū)泵控、多泵合流的技術(shù)方案。其中，主驅(qū)動(dòng)器接收來(lái)自控制裝置的壓力、流量控制指令，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)帶動(dòng)定量泵向系統(tǒng)供油。主驅(qū)動(dòng)器與各從驅(qū)動(dòng)器通過(guò)CAN 總線進(jìn)行通訊，相應(yīng)的主泵出口設(shè)置壓力傳感器，實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)壓力，構(gòu)成壓力閉環(huán)控制。伺服電機(jī)通過(guò)旋轉(zhuǎn)編碼器向驅(qū)動(dòng)器反饋當(dāng)前轉(zhuǎn)速，構(gòu)成轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。有關(guān)控制原理如圖2 所示。

表1 靜壓造型線液壓系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

圖1 蓄能器位置控制原理簡(jiǎn)圖

圖2 伺服直驅(qū)泵控合流系統(tǒng)原理簡(jiǎn)圖

3 關(guān)鍵元件選型計(jì)算

油泵及蓄能器規(guī)格取決于所需的系統(tǒng)流量，針對(duì)靜壓造型線多缸同時(shí)動(dòng)作的特點(diǎn)，采用分組、就近控制策略，將現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行元件分為3 部分，分別計(jì)算出系統(tǒng)瞬時(shí)流量和平均流量，具體過(guò)程如下。

3.1 配置執(zhí)行元件

分別計(jì)算各執(zhí)行元件單獨(dú)動(dòng)作時(shí)，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件所需的流量，主要執(zhí)行元件配置及負(fù)載流量情況如表2 所示。

3.2 配置生產(chǎn)節(jié)拍

根據(jù)生產(chǎn)線要完成的工藝動(dòng)作，在滿足邏輯條件判斷的前提條件下，考慮加、減速過(guò)程，分組配置生產(chǎn)節(jié)拍。

第一組：分箱推送、主機(jī)左定位、主機(jī)右定位、主機(jī)接箱升降、主機(jī)支撐、壓頭移動(dòng)、百葉窗、靜壓缸、多觸頭、型板回轉(zhuǎn)、內(nèi)壁清理。

經(jīng)理論計(jì)算，該組執(zhí)行元件所需瞬時(shí)最大流量Qmax=1129L/min，平均流量Qv=295L/min，負(fù)載流量循環(huán)如圖3 所示。

第二組：分箱升降、分箱機(jī)械手、分箱開(kāi)溝、分箱過(guò)渡車、分箱車移動(dòng)、內(nèi)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(dòng)、捅箱、臺(tái)面清掃。

經(jīng)理論計(jì)算，該組執(zhí)行元件所需瞬時(shí)最大流量Qmax=557.8L/min，平均流量Qv=209L/min，負(fù)載流量循環(huán)如圖4 所示。

第三組：合箱緩沖、液道定位、合箱車移動(dòng)、合箱升降、合箱機(jī)械手、過(guò)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(zhuǎn)、鉆氣孔定位、鉆氣孔Z 軸、鉆氣孔旋轉(zhuǎn)。

經(jīng)理論計(jì)算，該組執(zhí)行元件所需瞬時(shí)最大流量Qmax=307.4L/min，平均流量Qv=155.7L/min，負(fù)載流量循環(huán)如圖5 所示。對(duì)各組執(zhí)行元件進(jìn)行匯總處理，在整個(gè)動(dòng)作循環(huán)周期內(nèi)，系統(tǒng)所需瞬時(shí)最大流量Qmax=1775L/min，平均流量Qv=660.1L/min，主要執(zhí)行元件負(fù)載流量循環(huán)如圖6 所示。從該圖可以追蹤瞬時(shí)流量值，持續(xù)時(shí)間及所在位置，以此作為伺服電機(jī)泵組的選型依據(jù)。

3.3 伺服電機(jī)泵組選型

綜合考慮伺服電機(jī)加速性能及過(guò)載能力，并考慮適當(dāng)?shù)陌踩嗔?，選用伺服電機(jī)額定轉(zhuǎn)速1800r/min，配用葉片泵排量183mL/r，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)扭矩360N·m，伺服電機(jī)功率68kW，驅(qū)動(dòng)器最大適配功率75kW，共4 臺(tái)。

表2 主要執(zhí)行元件配置及負(fù)載流量計(jì)算

圖3 第一組執(zhí)行元件負(fù)載流量循環(huán)圖

圖4 第二組執(zhí)行元件負(fù)載流量循環(huán)圖

圖5 第三組執(zhí)行元件負(fù)載流量循環(huán)圖

圖6 主要執(zhí)行元件負(fù)載流量循環(huán)圖匯總

表3 與常規(guī)動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行工況對(duì)比

3.4 蓄能器選型計(jì)算

在選擇蓄能器時(shí)，進(jìn)行如下處理：將匯總之后的負(fù)載流量圖進(jìn)行離散化，平均分成120 個(gè)時(shí)間間隔Δt，每個(gè)時(shí)間間隔Δt代表0.5s。且認(rèn)為在此時(shí)間范圍內(nèi)，系統(tǒng)所需流量qi是常量，則在第i 個(gè)時(shí)間間隔Δti內(nèi)系統(tǒng)所需油量為qiΔti。以ΔVi表示蓄能器在第i 個(gè)時(shí)間間隔及以前各間隔內(nèi)的充油和排油量的代數(shù)和，則有：

超出平均流量的部分由蓄能器和泵同時(shí)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?cè)莘e為：

對(duì)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(bǔ)償?shù)獨(dú)馄咳莘e包含在計(jì)算所得的容積之內(nèi)，配用補(bǔ)償?shù)獨(dú)馄繑?shù)量為：

實(shí)際補(bǔ)償?shù)獨(dú)馄康臄?shù)量取12。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及能耗對(duì)比

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)，設(shè)定伺服電機(jī)運(yùn)行參數(shù)，其最大反轉(zhuǎn)速度為零，通過(guò)自學(xué)習(xí)不斷優(yōu)化。綜合考慮響應(yīng)速度和系統(tǒng)沖擊，設(shè)定合理的油壓PID 控制參數(shù)比例增益與積分時(shí)間。經(jīng)連線調(diào)試，用戶現(xiàn)場(chǎng)使用良好。液壓系統(tǒng)電氣控制室內(nèi)配置能耗表，按時(shí)長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)耗能和產(chǎn)量等，如表3 所示。

兩種類型動(dòng)力系統(tǒng)的造型線生產(chǎn)率均為120型/h。據(jù)統(tǒng)計(jì)測(cè)算，采用伺服直驅(qū)泵控液壓系統(tǒng)的平均能耗約在2.323kW·h/箱，而采用常規(guī)三相異步閥控系統(tǒng)的平均能耗約在3.747kW·h/箱，采用伺服直驅(qū)泵控液壓系統(tǒng)的能耗約為常規(guī)三相異步閥控系統(tǒng)的61.9%，節(jié)能達(dá)38.1%。

5 結(jié)論

采用就近、分組控制策略，將現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行元件分為3 組，并根據(jù)負(fù)載流量折算為伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，伺服直驅(qū)泵組能快速響應(yīng)負(fù)載壓力、流量變化，具有較低的能耗。