姚　靜　李　彬　宋　豫　孔祥東　張　哲

1.燕山大學(xué)河北省重型機(jī)械流體動(dòng)力傳輸與控制實(shí)驗(yàn)室，秦皇島， 0660042.先進(jìn)鍛壓成形技術(shù)與科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(燕山大學(xué))，秦皇島， 0660043. 燕山大學(xué)，秦皇島， 066004

基于變頻調(diào)節(jié)的快鍛液壓系統(tǒng)節(jié)能與控制研究

姚靜1,2,3李彬3宋豫3孔祥東1,2,3張哲3

1.燕山大學(xué)河北省重型機(jī)械流體動(dòng)力傳輸與控制實(shí)驗(yàn)室，秦皇島， 0660042.先進(jìn)鍛壓成形技術(shù)與科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(燕山大學(xué))，秦皇島， 0660043. 燕山大學(xué)，秦皇島， 066004

針對(duì)快鍛時(shí)不足5%的傳動(dòng)效率造成的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)高能耗問題，提出由變頻直驅(qū)泵與蓄能器結(jié)合起來而構(gòu)成的新型泵-蓄能器復(fù)合動(dòng)力源系統(tǒng)，并以泵口壓力為控制目標(biāo)，通過模糊自整定壓力閉環(huán)控制策略，實(shí)現(xiàn)低裝機(jī)功率下動(dòng)力源的無溢流穩(wěn)壓輸出，也為鍛造液壓機(jī)電液比例控制系統(tǒng)提供了穩(wěn)定的動(dòng)力輸入。為減少節(jié)流損失，壓下時(shí)利用差動(dòng)回路。建立了泵頭單元的數(shù)學(xué)模型，給出了確定蓄能器工作參數(shù)的基本原則。實(shí)驗(yàn)研究表明，基于變頻調(diào)節(jié)的快鍛液壓系統(tǒng)位置誤差可達(dá)0.2 mm，較電液比例閥控系統(tǒng)總能耗降低65.3%，傳動(dòng)效率提高13.4%。

液壓機(jī)；節(jié)能；變頻；蓄能器；傳動(dòng)效率

0　引言

鍛造液壓機(jī)是裝備制造業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，其規(guī)格和裝備水平通常被作為一個(gè)國家制造能力及經(jīng)濟(jì)與國防實(shí)力的重要標(biāo)志。隨著電液比例技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，鍛造液壓機(jī)已很好地實(shí)現(xiàn)了平穩(wěn)、快速、準(zhǔn)確控制[1]。然而快鍛液壓機(jī)電液比例閥控系統(tǒng)的裝機(jī)功率往往高達(dá)數(shù)千千瓦，快鍛工況時(shí)其傳動(dòng)效率不足5%，造成了能源的極大浪費(fèi)。

快鍛時(shí)，活動(dòng)橫梁位移和速度呈三角函數(shù)周期性變化，為了獲得良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，系統(tǒng)的輸出壓力和流量按負(fù)載所需的尖峰壓力和速度來配置，導(dǎo)致大部分工作時(shí)間液壓源一直處在溢流狀態(tài)，而且快鍛工況時(shí)，回程缸總是處于高壓小流量狀態(tài)，而工作缸處于低壓大流量狀態(tài)，大量的高壓油通過節(jié)流閥轉(zhuǎn)換為低壓油，導(dǎo)致節(jié)流損失巨大。

近幾年，有關(guān)鍛造液壓機(jī)液壓控制系統(tǒng)(閥控系統(tǒng))的研究主要集中在提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)和精度的控制策略、平穩(wěn)卸壓卸荷技術(shù)、故障診斷等方面[2-5]，對(duì)其液壓控制系統(tǒng)節(jié)能方面的研究則較少。逄振旭[6]對(duì)快鍛工況的PID控制器參數(shù)對(duì)系統(tǒng)能耗的影響進(jìn)行了研究與分析；管成[7]提出液壓機(jī)機(jī)械-液壓復(fù)合式節(jié)能控制系統(tǒng)，利用機(jī)械蓄能器(飛輪)和液壓蓄能器配合使用達(dá)到液壓機(jī)常鍛工況的節(jié)能。姚靜等[8]提出采用蓄能器的快鍛壓機(jī)新型節(jié)能回路，并對(duì)其控制性能進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)研究。Zhao等[9]對(duì)大中型液壓機(jī)液壓系統(tǒng)進(jìn)行了能耗分析，并具體指出了各部分的能耗大小，但并未對(duì)如何提高系統(tǒng)效率、減小能耗進(jìn)行深入研究。

當(dāng)前，變頻直驅(qū)泵控技術(shù)已成為液壓節(jié)能技術(shù)發(fā)展的一種趨勢，但鍛造液壓機(jī)快鍛時(shí)，位移和速度曲線呈高頻周期性變化(工作頻率通常在0.5～2 Hz)，這樣就會(huì)使得驅(qū)動(dòng)電機(jī)處于頻繁加減速狀態(tài)，由于受磁滯效應(yīng)及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的影響，基于變頻調(diào)節(jié)的容積調(diào)速技術(shù)響應(yīng)速度慢(一般變頻器+定量泵形式的系統(tǒng)需要0.8～1 s的響應(yīng)時(shí)間)，因此直接以變頻伺服直驅(qū)泵作為液壓系統(tǒng)的輸入，其供給流量無法及時(shí)響應(yīng)需求流量的變化，不能滿足鍛造液壓機(jī)快速性要求。本文提出由變頻伺服直驅(qū)泵與蓄能器結(jié)合起來而構(gòu)成的新型泵-蓄能器復(fù)合動(dòng)力源系統(tǒng)，并以閥口壓力為控制目標(biāo)，通過泵頭壓力閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)動(dòng)力源的無溢流穩(wěn)壓輸出。該動(dòng)力源既可保證為鍛造液壓機(jī)電液比例系統(tǒng)提供穩(wěn)定的動(dòng)力輸入，又可大幅提高系統(tǒng)的傳動(dòng)效率，并大大降低系統(tǒng)的裝機(jī)功率。

1　基于變頻調(diào)節(jié)的快鍛液壓系統(tǒng)原理

基于變頻調(diào)節(jié)的快鍛液壓系統(tǒng)原理如圖1所示。該系統(tǒng)主要由泵頭單元和獨(dú)立節(jié)流口控缸單元組成。泵頭單元主要由變頻器1、電機(jī)2、定量泵3、泵口安全閥4、蓄能器11、單向閥5組成。通過調(diào)整變頻器的輸出頻率可實(shí)現(xiàn)定量泵3輸出流量的無級(jí)調(diào)速。獨(dú)立節(jié)流口控缸單元由4個(gè)比例快鍛閥6～9、主缸10和回程缸11組成。

1.變頻器　2.電機(jī)　3.液壓泵　4.安全閥　5.單向閥　6～9.進(jìn)/回油路快鍛閥　10.主缸　11.回程缸　12.活動(dòng)橫梁　13.位移傳感器　14.蓄能器及其安全閥組　15.壓力傳感器　16.微機(jī)控制器圖1　基于變頻調(diào)節(jié)的快鍛液壓系統(tǒng)原理示意圖

快鍛工況下，位移和速度曲線高頻周期性變化，由于變頻電機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較慢，液壓系統(tǒng)的供給流量不能及時(shí)響應(yīng)需求流量的變化，所以采用變頻直驅(qū)泵和蓄能器組成動(dòng)力源。泵按系統(tǒng)所需平均流量設(shè)計(jì)，蓄能器配合變頻泵對(duì)系統(tǒng)的輸出流量削峰填谷。對(duì)于電液比例伺服系統(tǒng)，比例閥前穩(wěn)定的入口壓力是良好控制性能的保證，然而蓄能器不斷地充放油液，勢必會(huì)引起泵口的壓力呈周期性波動(dòng)，故以主泵口輸出壓力為控制目標(biāo)，通過調(diào)節(jié)變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)泵頭單元的壓力閉環(huán)控制，避免蓄能器長期高頻充放液造成系統(tǒng)壓力下降，以保證獨(dú)立節(jié)流口控缸單元輸入壓力的穩(wěn)定。且泵口溢流閥設(shè)置壓力比蓄能器出口壓力高，快鍛過程中系統(tǒng)不存在溢流。這樣不僅能大大降低液壓系統(tǒng)能耗，系統(tǒng)裝機(jī)功率也可大幅降低。

由于液壓機(jī)主缸和回程缸作用力往往相差幾倍，所以液壓機(jī)系統(tǒng)主缸和回程缸截面積存在嚴(yán)重的非對(duì)稱性。為減小這種非對(duì)稱性的影響，同時(shí)達(dá)到能量的再生利用，主缸和回程缸采用差動(dòng)連接方式，回程缸油液經(jīng)過回程缸排液閥9進(jìn)入主系統(tǒng)，與液壓泵3以及蓄能器14輸出的高壓油一同進(jìn)入主缸進(jìn)液閥6?；爻虝r(shí)，高壓油液通過回程缸進(jìn)液閥8進(jìn)入回程缸，主缸油液通過主缸排液閥7流回油箱，整個(gè)過程回程缸始終與高壓油液相連。獨(dú)立節(jié)流口控缸單元通過位置閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)高精度自動(dòng)鍛造。

2　泵頭單元數(shù)學(xué)模型

基于變頻調(diào)節(jié)的液壓機(jī)快鍛液壓系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型由以下幾部分組成。

(1)變頻電機(jī)數(shù)學(xué)模型。當(dāng)采用矢量控制時(shí)，電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩公式可簡化為

Te=KmisT

(1)

式中，Km為電磁轉(zhuǎn)矩對(duì)轉(zhuǎn)矩電流的增益；isT為轉(zhuǎn)矩電流。

電機(jī)運(yùn)動(dòng)方程：

(2)

式中，D為電機(jī)阻尼系數(shù)；ωm為電機(jī)轉(zhuǎn)速;J為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;TL為電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

基于矢量原理的變頻器控制系統(tǒng)其調(diào)節(jié)器由三部分組成，即磁鏈調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)矩電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。異步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)的解耦過程非常復(fù)雜，由于本文的側(cè)重點(diǎn)不是矢量控制解耦過程，故忽略磁鏈調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)矩電流調(diào)節(jié)器動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過程，重點(diǎn)考慮轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器對(duì)電機(jī)調(diào)速的影響，電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器由積分和比例放大環(huán)節(jié)組成，則轉(zhuǎn)矩電流可以表示為

(3)

式中，ωr為電機(jī)給定轉(zhuǎn)速;T1為電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間常數(shù);K1為電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)。

電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩由液壓泵排量和輸出壓力共同決定：

(4)

式中，Vp為液壓泵排量；ps為泵頭系統(tǒng)壓力。

忽略電機(jī)阻尼系數(shù)的影響,根據(jù)式(1)～式(4)可建立變頻電機(jī)的傳遞函數(shù)為

(5)

式中，Wm(s)、Wr(s)分別為ωm、ωr的拉氏變換表示。

(2)液壓泵數(shù)學(xué)模型。忽略壓力和轉(zhuǎn)速變化對(duì)泵泄漏的影響，泵的輸出流量為

(6)

式中，ηV為液壓泵容積效率。

(3)蓄能器線性化方程。表示如下：

(7)

式中，pa、Va分別為蓄能器氣體壓力和工作容積;pa0、Va0分別為蓄能器充氣壓力和體積；kca為蓄能器閥口流量-壓力系數(shù);qa為蓄能器輸出流量。

由式(7)可得蓄能器流量對(duì)泵口壓力的傳遞函數(shù)為

(8)

定義qV為系統(tǒng)供給液壓缸的流量，壓下時(shí)有qV=(A1-A2)v，回程時(shí)有qV=A2v，其中，v為活動(dòng)橫梁輸出速度，A1為主缸截面積，A2為兩回程缸截面積之和。液壓泵輸出流量qVs、蓄能器吸收流量qVa和系統(tǒng)供給液壓缸的流量qV有如下關(guān)系：

qV=qVs-qVa

(9)

根據(jù)式(1)～式(9)，可得泵頭單元系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)子系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)：

(10)

式中，Ps(s)為ps的拉氏變換表示；Q(s)為qV的拉氏變換表示。

(11)

根據(jù)式(11)可得泵頭單元系統(tǒng)壓力對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速指令值的傳遞函數(shù)：

(12)

泵頭單元壓力調(diào)節(jié)器由積分環(huán)節(jié)和比例增益環(huán)節(jié)組成，有如下關(guān)系：

(13)

式中，T2為壓力調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間常數(shù)；K2為壓力調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；pr為泵頭單元系統(tǒng)壓力設(shè)定值。

根據(jù)式(11)和式(13)可以得到泵頭單元壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力對(duì)流量Q(s)的傳遞函數(shù)：

(14)

由式(14)可知，根據(jù)輸入位移信號(hào)頻率可以確定活動(dòng)橫梁速度變化頻率，進(jìn)而確定流量引起的壓力波動(dòng)幅值：

(15)

式中，Aω(Q(s))為泵頭單元所提供的高壓流量的幅值。

因此，只要知道快鍛工況的基本參數(shù)(f和S，即鍛造頻率和行程)以及鍛造時(shí)壓力波動(dòng)的允許范圍(Δp≤1MPa)，便可確定蓄能器的工作容積Va和充氣壓力pa的關(guān)系。蓄能器作為輔助動(dòng)力源，其充氣壓力pa取系統(tǒng)最低工作壓力的80%，而液壓機(jī)系統(tǒng)最低工作壓力為回程缸支撐壓力。綜上，便可確定出與變頻泵配合的蓄能器參數(shù)。

3　泵頭單元壓力閉環(huán)模糊控制策略

壓力閉環(huán)控制器中比例系數(shù)K2選擇過大容易造成電機(jī)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)，K2選擇過小，則會(huì)影響壓力動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的精度和靈敏度。積分時(shí)間常數(shù)T2選擇過大，則積分控制力度變小，不利于電機(jī)轉(zhuǎn)速的快速追蹤；減小積分時(shí)間常數(shù)T2會(huì)增大積分控制力度，提高系統(tǒng)壓力控制的無差度，但會(huì)加劇系統(tǒng)壓力的動(dòng)態(tài)振蕩過程，因而積分系數(shù)和比例系數(shù)的選擇對(duì)系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)至關(guān)重要。尤其在系統(tǒng)壓力偏差較大和突變時(shí)，容易出現(xiàn)積分飽和現(xiàn)象，造成系統(tǒng)失去控制，使控制性能惡化，因此，控制器的設(shè)計(jì)要使比例和積分系數(shù)具備自我整定的能力。故主泵口壓力閉環(huán)采用模糊自整定控制策略，其具體控制原理如圖2所示。

圖2　模糊自整定壓力閉環(huán)控制方框圖

變頻電機(jī)的控制信號(hào)由兩部分組成，包括偏差信號(hào)的積分環(huán)節(jié)和比例環(huán)節(jié)。變頻電機(jī)控制信號(hào)為0～10V電壓，需要對(duì)控制器輸出信號(hào)進(jìn)行限幅，泵頭壓力閉環(huán)控制器設(shè)計(jì)如下：

(16)

式中，u1p為系統(tǒng)壓力PID控制器比例環(huán)節(jié)的輸出信號(hào)，其調(diào)節(jié)區(qū)間為-10～10V；u1i為系統(tǒng)壓力PID控制器積分環(huán)節(jié)的輸出信號(hào)，其調(diào)節(jié)區(qū)間為0～10V；u1為系統(tǒng)壓力PID控制器輸出信號(hào)，其調(diào)節(jié)區(qū)間為0～10V；ep為系統(tǒng)壓力偏差信號(hào)，ep=pr-ps。

當(dāng)壓力偏差較大時(shí)，應(yīng)適當(dāng)降低比例系數(shù)，防止過大的比例增益使電機(jī)轉(zhuǎn)速過高；當(dāng)偏差較小時(shí)，應(yīng)保證壓力控制的靈敏度和快速響應(yīng)性，需要增大比例系數(shù)。當(dāng)偏差有增大趨勢時(shí)，應(yīng)加快電機(jī)速度的調(diào)節(jié)，增大積分系數(shù)，盡快實(shí)現(xiàn)液壓泵輸出流量對(duì)需求流量的快速跟蹤；當(dāng)偏差有減小的趨勢時(shí)，可以適當(dāng)減小積分系數(shù)，減少電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程中的振蕩過程，保持調(diào)節(jié)過程的平穩(wěn)性，同時(shí)，當(dāng)偏差較大或者發(fā)生突變時(shí)，為降低積分飽和現(xiàn)象的影響，也應(yīng)適當(dāng)降低積分作用。

比例系數(shù)和積分系數(shù)模糊控制器的輸入量分別為系統(tǒng)壓力誤差的絕對(duì)值和壓力誤差導(dǎo)數(shù)，輸出量為PID控制器的比例系數(shù)和積分系數(shù)。比例系數(shù)模糊控制器的輸入變量

up=|ep|

(17)

積分系數(shù)模糊控制器的輸入變量

(18)

比例系數(shù)的模糊控制器輸出變量分為三級(jí)：零、小、大，模糊集為{Z，M，N},論域?yàn)閧0，1，2}，輸出變量的模糊表如表1所示。

表1　輸出變量的隸屬度模糊表(比例系數(shù))

比例系數(shù)的模糊控制器控制規(guī)則設(shè)計(jì)如下：若up為零，則kp為零；若up為小，則kp為?。蝗魎p為大，則kp為大。根據(jù)以上經(jīng)驗(yàn)規(guī)則可得模糊控制表如表2所示。

表2　模糊控制表(比例系數(shù))

積分系數(shù)的模糊控制器輸入變量分為三級(jí)：零、小、大，模糊集為{Z,M,N},論域?yàn)閧0,1,2,3}，輸入變量的模糊表如表3所示。

表3　輸入變量的隸屬度模糊表(積分系數(shù))

積分系數(shù)的模糊控制器控制規(guī)則設(shè)計(jì)如下：若ui為零，則ki為零；若ui為小，則ki為??；若ui為大，則ki為大。根據(jù)以上經(jīng)驗(yàn)規(guī)則可得模糊控制表如表4所示。

表4　模糊控制表(積分系數(shù))

表5為比例系數(shù)模糊控制器的模糊控制響應(yīng)表。

表5　比例系數(shù)模糊控制響應(yīng)表

根據(jù)模糊控制規(guī)則，可得到積分系數(shù)模糊控制器的模糊控制響應(yīng)表如表6所示，隨著誤差擴(kuò)大趨勢增強(qiáng)，積分系數(shù)逐漸增大，以減小動(dòng)態(tài)調(diào)整過程，相反，當(dāng)誤差減小時(shí)，適當(dāng)降低積分系數(shù)可以減小系統(tǒng)壓力的振蕩。

表6　積分系數(shù)模糊控制響應(yīng)表

4　實(shí)驗(yàn)研究

4.10.6 MN(60t)中試快鍛液壓機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

基于變頻調(diào)節(jié)的快鍛液壓機(jī)泵閥復(fù)合節(jié)能控制實(shí)驗(yàn)研究依托于0.6 MN中試快鍛液壓機(jī)系統(tǒng)，最大設(shè)計(jì)鍛造能力為0.6 MN，總共分為三級(jí)鍛造壓力。其本體為三梁四柱預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，液壓系統(tǒng)為上傳動(dòng)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖3所示，液壓機(jī)及液壓傳動(dòng)系統(tǒng)基本參數(shù)如表7所示。

1.主工作缸　2.上橫梁　3.回程缸　4.立柱　5.活動(dòng)橫梁　6.下橫梁圖3　0.6 MN中試快鍛液壓機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

參數(shù)名稱參數(shù)值參數(shù)名稱參數(shù)值主缸面積(m2)2.36×10-2蓄能器公稱體積(L)10回程缸面積(m2)3.18×10-3快鍛閥1、2的額定流量(L/min)100液壓泵排量(mL/r)63快鍛閥3、4的額定流量(L/min)40電機(jī)額定功率(kW)30系統(tǒng)壓力(MPa)25電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩(N·m)191活動(dòng)橫梁質(zhì)量(kg)230

4.2計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制采集系統(tǒng)

0.6 MN中試快鍛液壓機(jī)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制采集系統(tǒng)如圖4所示，主要由上位機(jī)、NI CoMPactRIO實(shí)時(shí)系統(tǒng)、變頻器、位移編碼器組成。NI CoMPactRIO實(shí)時(shí)系統(tǒng)包含一個(gè)實(shí)時(shí)處理器、可重新配置的FPGA芯片和可熱插拔的工業(yè)I/O模塊，可以使用LabVIEW圖形化編程工具進(jìn)行快速開發(fā)。

圖4　0.6 MN中試快鍛液壓機(jī)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制采集系統(tǒng)

4.3模糊自整定閉環(huán)控制策略實(shí)驗(yàn)研究

(a)位移跟隨曲線

(b)位移跟隨曲線局部放大圖

(c)泵口壓力曲線圖5　模糊自整定壓力閉環(huán)控制實(shí)驗(yàn)曲線

給定位移輸入信號(hào)為正弦曲線，頻率為1 Hz，幅值為30 mm。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)壓力為10 MPa，蓄能器容積為10 L，充氣壓力為9 MPa。用鉛錠模擬鍛件負(fù)載?？戾懸簤簷C(jī)泵閥復(fù)合控制系統(tǒng)位移跟隨曲線、壓下時(shí)刻附近的局部放大圖如圖5a、圖5b所示，圖5c為泵口壓力曲線。從圖5可知，活動(dòng)橫梁位移能夠跟隨給定位移輸入，位置控制精度為0.2 mm，泵口壓力穩(wěn)定在10 MPa，波動(dòng)量為±0.5 MPa，為給定值的5%，這為高控制精度的實(shí)現(xiàn)提供了有利保證。

4.4泵口壓力波動(dòng)影響實(shí)驗(yàn)研究

壓力波動(dòng)對(duì)泵閥復(fù)合控制系統(tǒng)影響的實(shí)驗(yàn)研究見圖6。當(dāng)系統(tǒng)壓力為10 MPa時(shí)，壓力1波動(dòng)幅值小于1 MPa，系統(tǒng)偏差輸出較平滑。當(dāng)壓力2波動(dòng)幅值大于1 MPa時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定性明顯變差，偏差2曲線抖動(dòng)明顯大于曲線1，控制精度有所下降。

(a)位移偏差曲線

(b)泵口壓力波動(dòng)曲線圖6　泵口壓力波動(dòng)影響的實(shí)驗(yàn)研究

4.5快鍛液壓機(jī)系統(tǒng)能耗分析

基于0.6 MN中試快鍛液壓機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以正弦為輸入信號(hào)，頻率為1 Hz，幅值為30 mm，分別就電液比例閥控系統(tǒng)和基于變頻調(diào)節(jié)的液壓機(jī)快鍛液壓系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。電液比例閥控系統(tǒng)采用定壓定流輸入，不采用變頻控制和差動(dòng)回路，泵口也沒有蓄能器，其他部分原理與圖1所示相同。裝機(jī)功率按系統(tǒng)最大壓力和流量配置。壓下過程中所需的流量：

(19)

回程過程中所需的流量：

(20)

則在電液比例閥控系統(tǒng)中系統(tǒng)的輸出流量為

基于變頻調(diào)節(jié)的液壓機(jī)快鍛系統(tǒng)裝機(jī)功率按平均流量計(jì)算，壓下所需流量：

π(n1A1-n2A2)S fsin(2πf t)

(21)

回程過程所需的流量：

πn2A2S fsin(2πf t)

(22)

則快鍛過程中所需的平均流量：

(23)

式中，q1、q2為基于變頻調(diào)節(jié)閥控系統(tǒng)快鍛壓下和回程所需的流量；T為一個(gè)快鍛周期。

兩種系統(tǒng)工作壓力都取最高負(fù)載所需壓力，由上述分析得兩種系統(tǒng)的輸入功率比值：

從理論分析可知，基于變頻調(diào)節(jié)的快鍛液壓系統(tǒng)裝機(jī)功率只為電液比例快鍛系統(tǒng)的32%。實(shí)驗(yàn)時(shí)電液比例閥控系統(tǒng)的裝機(jī)功率為6.85 kW，考慮到泄漏，基于變頻調(diào)節(jié)的液壓機(jī)快鍛系統(tǒng)裝機(jī)功率約為2.38 kW，為電液比例閥控系統(tǒng)的34.7%。

在負(fù)載工況及獨(dú)立節(jié)流口閥控單元參數(shù)相同情況下，根據(jù)壓力和流量曲線計(jì)算單個(gè)周期內(nèi)關(guān)鍵元件及鍛件變形所消耗平均功率，電液比例閥控系統(tǒng)和基于變頻調(diào)節(jié)的快鍛液壓系統(tǒng)能耗對(duì)照見表8。

表8　液壓機(jī)快鍛工況能耗對(duì)照表　kW

從表8可知，對(duì)于同一鍛造工作周期，兩種系統(tǒng)鍛件變形和阻力能耗基本保持不變，但相對(duì)于泵的輸入，基于變頻調(diào)節(jié)的快鍛液壓系統(tǒng)傳動(dòng)效率提高了13.4%，系統(tǒng)能耗降低65.3%。從圖5c可知，由于采用了壓力閉環(huán)控制，在液壓機(jī)高頻往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)輸出壓力在蓄能器的最高工作壓力和最低工作壓力之間變化，系統(tǒng)沒有溢流損失。由于采用了差動(dòng)節(jié)流調(diào)速回路，所以回程缸壓力較電液比例閥控系統(tǒng)升高，導(dǎo)致主缸進(jìn)液閥閥口壓降減小，節(jié)流損耗僅為1.71 kW，遠(yuǎn)小于電液比例閥控系統(tǒng)的節(jié)流損耗。

5　結(jié)論

(1)針對(duì)鍛造液壓機(jī)快鍛工況能耗損失較大的問題，分別從減小能量源頭輸入、降低溢流和節(jié)流損失出發(fā)，提出變頻調(diào)節(jié)和差動(dòng)節(jié)流相結(jié)合的新型節(jié)能快鍛系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了低裝機(jī)功率下的無溢流損失和低節(jié)流損耗。相較于電液比例閥控系統(tǒng)，本文提出的系統(tǒng)總能耗降低了65.3%，傳動(dòng)效率提高了13.4%。

(2)提出了基于模糊自整定的壓力閉環(huán)控制策略，壓力波動(dòng)量為±0.5 MPa，為給定值的5%，為快鍛控制系統(tǒng)的位置控制精度0.2 mm的實(shí)現(xiàn)提供了有力支撐。

(3)給出泵口壓力波動(dòng)幅值與快鍛頻次、系統(tǒng)流量的函數(shù)關(guān)系，進(jìn)而可確定泵口蓄能器的參數(shù)。

(4)泵口壓力波動(dòng)對(duì)液壓機(jī)快鍛系統(tǒng)動(dòng)靜態(tài)特性有較大影響，實(shí)驗(yàn)研究泵口壓力波動(dòng)在0.5 MPa以內(nèi)，系統(tǒng)具有良好的動(dòng)靜態(tài)特性，當(dāng)達(dá)到1 MPa時(shí)，系統(tǒng)壓力波動(dòng)加劇，控制精度下降。

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(編輯王艷麗)

Study on Hydraulic Press Fast Forging Energy-saving and Control System Based on Variable Frequency Adjustment

Yao Jing1,2，3Li Bin3Song Yu3Kong Xiangdong1,2，3Zhang Zhe3

1.Hebei Province Laboratory of Heavy Machinery Fluid Power Transmission and Control,Yanshan University,Qinhuangdao，066004 2.Key Laboratory of Advanced Forging & Stamping Technology and Science(Yanshan University),Qinhuangdao，Hebei,066004 3.Yanshan University,Qinhuangdao，Hebei,066004

The transmission efficiency of a hydraulic press fast forging is less than 5%,it causes a great waste of energy. In view of this, a new hydraulic system of accumulator with compound power producer was proposed herein,which combined a direct-driven pump of variable frequency with accumulator. In order to control the pressure of the pump output,a fuzzy self-turning closed-loop control strategy was adopted, thus making it possible stable pressure outputs without overflow under the low installed power, and providing stable power inputs for electro-hydraulic proportional control of the hydraulic forging press. Differential circuit was applied during down-stroke stage to reduce throttling loss. The mathematic model of pump unit was founded and working parameters' calculation principles were given.The experimental results show that the position error of the new fast forging hydraulic system is lower to 0.2 mm, and the total energy consumption is reduced by 65.3% compared with the traditional electro-hydraulic proportional system. Meanwhile, the results also prove that transmission efficiency is increased by 13.4%.

hydraulic press; saving energy; variable frequency; accumulator; transmission efficiency

2014-06-12

河北省青年自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(E2014203247)

TH137.5DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.07.008

姚靜，女，1978年生。燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院副教授。主要研究方向?yàn)橹匦蜋C(jī)械機(jī)電液控制系統(tǒng)。發(fā)表論文20余篇。李彬，男，1991年生。燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。宋豫，男，1984年生。燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院博士研究生?？紫闁|，男，1959年生。燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。張哲，男，1987年生。燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。