陳 超，趙升噸，崔敏超，范淑琴

（西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安710049）

伺服式熱模鍛壓力機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的研究

陳 超，趙升噸，崔敏超，范淑琴

（西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安710049）

本文首先對(duì)熱模鍛壓力機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹，提出驅(qū)動(dòng)電機(jī)技術(shù)是伺服式熱模鍛壓力機(jī)關(guān)鍵技術(shù)之一。又對(duì)伺服式熱模鍛壓力機(jī)研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析，介紹舒勒的伺服式熱模鍛壓力機(jī)產(chǎn)品。對(duì)熱模鍛壓力機(jī)的四種驅(qū)動(dòng)電機(jī)的可行性進(jìn)行分析。交流異步電機(jī)由于不能實(shí)現(xiàn)伺服控制，不適合應(yīng)用于伺服式熱模鍛壓力機(jī)；變頻調(diào)速電機(jī)在伺服式熱模鍛壓力機(jī)上的應(yīng)用還有待進(jìn)一步研究；開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)和交流伺服電機(jī)目前已經(jīng)在伺服式熱模鍛壓力機(jī)上得到應(yīng)用，其優(yōu)良的伺服性能能夠滿足伺服式熱模鍛壓力機(jī)的要求。

伺服式熱模鍛壓力機(jī)；交流異步電機(jī)；變頻調(diào)速電機(jī)；開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)；交流伺服電機(jī)

熱模鍛壓力機(jī)是目前常用的鍛壓設(shè)備之一，近年來(lái)在金屬鍛壓行業(yè)得到越來(lái)越多的應(yīng)用。熱模鍛壓力機(jī)具有剛度高、加強(qiáng)滑塊導(dǎo)向、滑塊行程次數(shù)高等特點(diǎn)[1]。目前常用熱模鍛壓力機(jī)加工的鍛件主要有：①具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形狀，且主要通過(guò)擠壓成形方式加工的鍛件；②主要通過(guò)鐓粗工藝成形的鍛件；③在加工前期需要進(jìn)行引伸工序的鍛件。

傳統(tǒng)的熱模鍛壓力機(jī)性能較差，生產(chǎn)率低，鍛件精度低，不能滿足工業(yè)生產(chǎn)對(duì)模鍛設(shè)備節(jié)能化、伺服化、精密化的要求[2-4]。近年來(lái)，伺服式熱模鍛壓力機(jī)的研究獲得廣泛關(guān)注，其關(guān)鍵技術(shù)之一即為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的研究。目前可以在熱模鍛壓力機(jī)上應(yīng)用的電機(jī)有交流異步電機(jī)、變頻調(diào)速電機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)和交流伺服電機(jī)等。

1 伺服式熱模鍛壓力機(jī)研究現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)尚沒(méi)有伺服式熱模鍛壓力機(jī)制造商。該部分研發(fā)技術(shù)一直被國(guó)外壟斷。在國(guó)外，舒勒的伺服式熱模鍛壓力機(jī)處于世界領(lǐng)先水平。其采用多個(gè)力矩電機(jī)作為動(dòng)力源，通過(guò)齒輪減速裝置與主軸相連。由于采用了伺服驅(qū)動(dòng)，熱模鍛壓力機(jī)的行程速度和鍛造速度能夠根據(jù)工藝需求以最佳方式適應(yīng)工件。滑塊在下死點(diǎn)附近運(yùn)動(dòng)時(shí)間短，有利于降低模具和熱鍛件的接觸時(shí)間，減少傳遞到模具上的熱量，從而有利于提高生產(chǎn)率。

舒勒生產(chǎn)的伺服式熱模鍛壓力機(jī)適用于鋼鍛件和有色金屬鍛造件的大批量生產(chǎn)，壓力機(jī)鍛壓能力范圍為12500kN～31500kN。伺服式熱模鍛壓力機(jī)可以根據(jù)材料的不同對(duì)滑塊行程曲線進(jìn)行變換。在鍛造鋼件時(shí)，通過(guò)伺服控制，伺服式熱模鍛壓力機(jī)的模具與熱鍛件的接觸時(shí)間比傳統(tǒng)熱模鍛壓力機(jī)短很多。

圖1 舒勒的伺服式熱模鍛壓力機(jī)

2 交流異步電機(jī)

交流異步電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單[5]、價(jià)格便宜、耐用性強(qiáng)和維護(hù)保養(yǎng)方便[6]等優(yōu)點(diǎn)，但也有啟動(dòng)電流大、電機(jī)頻繁啟停時(shí)發(fā)熱嚴(yán)重、不能頻繁啟停等明顯缺點(diǎn)。

交流異步電機(jī)不能頻繁啟停，不能滿足鍛壓沖壓次數(shù)的要求，因此傳統(tǒng)熱模鍛壓力機(jī)必須帶有所謂的心臟部件--離合器和制動(dòng)器。而離合器和制動(dòng)器使傳統(tǒng)熱模鍛壓力機(jī)多消耗20%左右的離合與制動(dòng)能量。此外，離合器和制動(dòng)器還需要更換磨損過(guò)度的摩擦材料，因此使用和維護(hù)費(fèi)用比較高。

如圖2所示，目前國(guó)內(nèi)常見(jiàn)的傳統(tǒng)熱模鍛壓力機(jī)均采用交流異步電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源，這種熱模鍛壓力機(jī)不能實(shí)現(xiàn)伺服控制，結(jié)構(gòu)笨重，能量利用率低。交流異步電機(jī)不能直接應(yīng)用于伺服式熱模鍛壓力機(jī)，由于不能實(shí)現(xiàn)伺服控制，很難滿足伺服式熱模鍛壓力機(jī)的工作要求。

圖2 青島宏達(dá)的熱模鍛壓力機(jī)

3 變頻調(diào)速電機(jī)

變頻調(diào)速電機(jī)簡(jiǎn)稱(chēng)變頻電機(jī)，是變頻器驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)的統(tǒng)稱(chēng)。變頻器主要通過(guò)控制半導(dǎo)體元件的通斷把電壓和頻率不變的交流電變成電壓和頻率可變化的交流電源[7]。變頻調(diào)速電機(jī)具有調(diào)速范圍寬[8]、調(diào)速效率高[9]、噪聲低、可適應(yīng)不同工況的頻繁變速等優(yōu)點(diǎn)，非常適合應(yīng)用于需要頻繁啟?；蜃兯俚膱?chǎng)合。

但是，變頻調(diào)速電機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中也有很多困難。變頻調(diào)速系統(tǒng)中的功率開(kāi)關(guān)器件的耐壓水平低于我國(guó)發(fā)電廠的電動(dòng)機(jī)供電電壓，造成電壓匹配上的問(wèn)題。高壓大功率變頻調(diào)速裝置技術(shù)難度大，實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較復(fù)雜，成本較高。此外，由于變頻器輸出的是非正弦波形的信號(hào)，導(dǎo)致容易產(chǎn)生高次諧波，影響電動(dòng)機(jī)和供電電源的正常工作，使電動(dòng)機(jī)附加損耗增加、溫升增高，降低電動(dòng)機(jī)的效率和功率因數(shù)，出力受到限制等。

變頻調(diào)速系統(tǒng)由于使用了很多電子元器件，成本較高。目前變頻調(diào)速電機(jī)在小功率場(chǎng)合應(yīng)用較多，在熱模鍛壓力機(jī)上的應(yīng)用還有待進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。但隨著變頻調(diào)速電機(jī)的發(fā)展及相關(guān)電子元器件價(jià)格的降低，變頻調(diào)速系統(tǒng)在熱模鍛壓力機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)上將會(huì)得到更多的應(yīng)用。

4 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)是一種新型的調(diào)速電機(jī)。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單[10]、可靠性高、成本低、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好等優(yōu)點(diǎn)，但也具有轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大、振動(dòng)和噪聲大等缺點(diǎn)。開(kāi)關(guān)調(diào)速系統(tǒng)由控制器與開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)兩部分組成。如圖3所示為山東科匯公司生產(chǎn)的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)。

圖3 山東科匯公司的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)

由開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)的伺服式熱模鍛壓力機(jī)與傳統(tǒng)熱模鍛壓力機(jī)結(jié)構(gòu)不同之處是沒(méi)有離合器、制動(dòng)器及其控制系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)組成為：開(kāi)關(guān)磁阻伺服電機(jī)經(jīng)過(guò)一級(jí)或二級(jí)減速驅(qū)動(dòng)曲柄連桿滑塊運(yùn)動(dòng)；電機(jī)軸設(shè)置電磁制動(dòng)器，曲軸段設(shè)置位置傳感器。

壓力機(jī)起動(dòng)時(shí)，開(kāi)關(guān)磁阻伺服電機(jī)采用恒轉(zhuǎn)矩控制策略由零速加速工作，通過(guò)減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)工作機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，電機(jī)在加速階段提供能量并存儲(chǔ)于帶輪、齒輪等系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，此能量不低于鍛壓時(shí)的工作能量。壓力行程時(shí)，模具接觸工件，釋放此能量進(jìn)行鍛壓；回程時(shí)，電機(jī)帶動(dòng)滑塊上行，當(dāng)滑塊靠近上死點(diǎn)時(shí)，伺服電機(jī)減速，制動(dòng)器實(shí)施斷電制動(dòng)，滑塊停在上死點(diǎn)，完成一個(gè)工作循環(huán)。如圖4為科匯提出的一種開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)壓力機(jī)方案。

圖4 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)的伺服壓力機(jī)

5 交流伺服電機(jī)

伺服系統(tǒng)是由伺服電機(jī)、控制器和驅(qū)動(dòng)器等組成的一個(gè)系統(tǒng)。伺服電機(jī)的控制速度和位置精度非常準(zhǔn)確，能實(shí)現(xiàn)高精度的驅(qū)動(dòng)。伺服電機(jī)將信號(hào)轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)矩或轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制驅(qū)動(dòng)對(duì)象。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速在控制信號(hào)下能快速反應(yīng)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，常用作執(zhí)行元件，且具有機(jī)電時(shí)間常數(shù)小、線性度高、始動(dòng)電壓等特性。

伺服電機(jī)具有精度高、適應(yīng)性強(qiáng)、噪聲低、響應(yīng)速度快[11]、工作穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。伺服電機(jī)的抗過(guò)載能力強(qiáng)，非常適合應(yīng)用于有轉(zhuǎn)矩波動(dòng)或快速起動(dòng)的場(chǎng)合。但伺服電機(jī)目前也存在價(jià)格高等缺點(diǎn)，尤其是大功率的伺服電機(jī)，造價(jià)非常高。

交流伺服電機(jī)在伺服式壓力機(jī)上應(yīng)用廣泛，目前國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上的伺服式壓力機(jī)大多采用的是交流伺服電機(jī)[12]。目前采用交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)壓力機(jī)的公司有日本的小松、網(wǎng)野、會(huì)田、天田，德國(guó)的舒勒，國(guó)內(nèi)的揚(yáng)鍛、合鍛、興鍛等。如圖5所示為天田公司生產(chǎn)的伺服壓力機(jī)。交流伺服電機(jī)在伺服式壓力機(jī)上的應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)比較成熟，也非常適合應(yīng)用在伺服式熱模鍛壓力機(jī)上。

圖5 SDEW2025伺服壓力機(jī)

6 結(jié)論

傳統(tǒng)熱模鍛壓力機(jī)由于成本高、精度低、工藝范圍窄等缺點(diǎn)將被新一代的伺服式熱模鍛壓力機(jī)代替。伺服式熱模鍛壓力機(jī)具有能量利用率高、滑塊行程次數(shù)可調(diào)、伺服控制性能好和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)的伺服式熱模鍛壓力機(jī)技術(shù)落后于國(guó)外，需要投入更多的資金和精力進(jìn)行研究。

在驅(qū)動(dòng)電機(jī)方面，交流異步電機(jī)由于不能頻繁啟停等原因，不能直接應(yīng)用于熱模鍛壓力機(jī)。變頻調(diào)速電機(jī)由于其變頻調(diào)速性能好，在性能上滿足伺服式熱模鍛壓力機(jī)的需求，其在伺服式熱模鍛壓力機(jī)上的應(yīng)用需要進(jìn)一步研究。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)和交流伺服電機(jī)目前已經(jīng)在伺服壓力機(jī)上實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用，其優(yōu)良的調(diào)速性能和伺服控制性能大幅提高了伺服壓力機(jī)的生產(chǎn)能力。新一代的伺服式熱模鍛壓力機(jī)可采用開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)和交流伺服電機(jī)作為其主要驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

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Study on driving motor of hot die forging servopress

CHEN Chao,ZHAO Shengdun,CUI Minchao,FAN Shuqin
（School of Mechanical Engineering,Xi'an Jiaotong University，Xi'an 710049,Shanxi China）

The hot die forging press has been firstly introduced in the text in order to propose that the driving motor is one of key technologies for the hot die forging servo press.The research status of hot die forging servo press has beenanalyzed and the press of Schuler has beenexpounded.The applying feasibility of four types of driving motor in hot die forging servo press has been analyzed.The AC asynchronous motor is not suitable for hot die forging servo press as it has no servo control.The application of variable-frequency and variable-speed motor in hot die forging servo press needs to be studied further.The switch reluctance motor and AC servo motor have been successfully appliedin hot die forging servo press and their excellent servo performance can meet the requirements of hot die forging servo press.

Hot die forging servo press;AC asynchronous motor;Variablefrequency&speed motor;Switch reluctance motor;AC servo motor

TG315

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2016.01.002

1672-0121（2016）01-0013-04

2015－07－15；

2015－09－06

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51305333）；國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（51335009）

陳 超（1990-），男，博士研究生，從事機(jī)電液一體化和塑性成形工藝研究。E-mail:849918977@qq.com