劉志峰　李磊　黃海鴻　高夢(mèng)迪　李新宇

合肥工業(yè)大學(xué)，合肥，230009

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液壓機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分區(qū)控制節(jié)能方法

劉志峰李磊黃海鴻高夢(mèng)迪李新宇

合肥工業(yè)大學(xué)，合肥，230009

摘要：針對(duì)液壓機(jī)的能效特點(diǎn)，提出了一種液壓機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的分區(qū)控制節(jié)能方法。將液壓機(jī)組的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)劃分為與液壓機(jī)動(dòng)作相對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)區(qū)，不同液壓機(jī)在同一驅(qū)動(dòng)區(qū)的驅(qū)動(dòng)下完成該區(qū)所對(duì)應(yīng)的動(dòng)作。利用驅(qū)動(dòng)單元的能效優(yōu)化方法，使驅(qū)動(dòng)單元的輸出功率與該動(dòng)作消耗的功率相匹配。構(gòu)建了液壓機(jī)組的調(diào)度方法，實(shí)現(xiàn)不同液壓機(jī)分時(shí)共享同一驅(qū)動(dòng)區(qū)。對(duì)液壓機(jī)組的工作過程進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)和分析表明，液壓機(jī)組中單臺(tái)液壓機(jī)能耗降低40%，效率提升13.3%。

關(guān)鍵詞：液壓機(jī)組；驅(qū)動(dòng)區(qū)；匹配；調(diào)度；節(jié)能

0引言

20世紀(jì)60年代以來，各種復(fù)雜的大噸位、高精度液壓機(jī)不斷涌現(xiàn)，在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但液壓系統(tǒng)的效率低，一般為6%～40%[1]，產(chǎn)生極大的能量浪費(fèi)。因此，降低液壓系統(tǒng)工作過程中的能量損耗，實(shí)現(xiàn)低碳制造顯得極為重要。

近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)液壓系統(tǒng)節(jié)能作了很多研究，主要包括液壓系統(tǒng)中冗余能量的回收方法和輸入輸出的能量匹配機(jī)制。在液壓系統(tǒng)中的能量回收與存儲(chǔ)的方法中，將動(dòng)能或勢(shì)能轉(zhuǎn)換成易于存儲(chǔ)的能量收集起來，在需要的時(shí)候加以釋放[2-5]。在液壓系統(tǒng)輸入輸出能量匹配方法中，通過調(diào)整系統(tǒng)的輸出壓力和流量達(dá)到與負(fù)載匹配實(shí)現(xiàn)節(jié)能[6-7]。但該方法會(huì)使系統(tǒng)復(fù)雜，控制性能變差。成形過程液壓系統(tǒng)消耗的能量比工作周期各個(gè)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(jié)能和回收是不夠的。Monn等[9]討論了一種控制液壓系統(tǒng)操作的方法，通過控制其運(yùn)行節(jié)拍，達(dá)到降低能耗的目的。由此可知，從改變液壓機(jī)系統(tǒng)動(dòng)作節(jié)拍的角度實(shí)現(xiàn)節(jié)能存在很大的空間。

本文從改變驅(qū)動(dòng)控制節(jié)拍的角度進(jìn)行全局功率匹配，提出面向液壓機(jī)組的節(jié)能控制方法，對(duì)液壓機(jī)組的能量匹配進(jìn)行研究，建立了多液壓機(jī)的節(jié)拍調(diào)度與能量計(jì)算模型。

1液壓機(jī)組驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的分區(qū)控制方法

液壓機(jī)具有裝機(jī)功率大、周期內(nèi)瞬間載荷高且負(fù)載差異大的特點(diǎn)，從而導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的輸出功率與動(dòng)作的消耗功率不匹配。成形過程完成后，液壓機(jī)存在較長(zhǎng)的待機(jī)時(shí)間用于完成上下料動(dòng)作，產(chǎn)生較大的待機(jī)能量損耗，如圖1所示。

圖1　液壓機(jī)一個(gè)工作循環(huán)的功率需求與裝機(jī)功率

為了解決液壓機(jī)存在的上述問題，提出了液壓機(jī)組驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的分區(qū)控制節(jié)能方法。該方法將生產(chǎn)線中各個(gè)液壓機(jī)原有的驅(qū)動(dòng)部分(由多個(gè)電機(jī)和泵組成的電機(jī)泵組)從整個(gè)液壓機(jī)系統(tǒng)中分離，將泵站作為液壓機(jī)組的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，為生產(chǎn)線多臺(tái)液壓機(jī)組成的液壓機(jī)組提供能量。根據(jù)液壓機(jī)的工藝節(jié)拍，將驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)劃分為多個(gè)驅(qū)動(dòng)區(qū)：下降區(qū)(F區(qū))、壓制區(qū)(P區(qū))、保壓區(qū)(M區(qū))、回程區(qū)(R區(qū))。F區(qū)、P區(qū)、M區(qū)和R區(qū)分別用于提供液壓機(jī)組下行、壓制、保壓和回程所需的流量與壓力。驅(qū)動(dòng)區(qū)根據(jù)液壓機(jī)具體工作節(jié)拍，重新設(shè)計(jì)。每個(gè)驅(qū)動(dòng)區(qū)由若干個(gè)驅(qū)動(dòng)單元組成，每個(gè)驅(qū)動(dòng)單元由與該區(qū)所完成動(dòng)作功率相匹配的多個(gè)電機(jī)泵組組成，每個(gè)驅(qū)動(dòng)單元均可單獨(dú)驅(qū)動(dòng)液壓機(jī)高效完成該區(qū)所負(fù)責(zé)的動(dòng)作。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組成如圖2所示。

圖2　液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組成

同一液壓機(jī)的不同動(dòng)作在對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)單元的驅(qū)動(dòng)下完成，不同液壓機(jī)的同一動(dòng)作在同一驅(qū)動(dòng)區(qū)的驅(qū)動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)下完成。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的每個(gè)驅(qū)動(dòng)單元只為液壓機(jī)組的某個(gè)動(dòng)作提供能量。通過協(xié)調(diào)液壓機(jī)組的節(jié)拍，使液壓機(jī)組分時(shí)共享同一驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，各個(gè)驅(qū)動(dòng)單元協(xié)同工作，完成整個(gè)成形過程，達(dá)到縮短驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的等待時(shí)間，減少能量的損耗的目的。

圖2所示的液壓機(jī)組的工作過程為：工作開始時(shí)，啟動(dòng)泵站的所有驅(qū)動(dòng)單元。根據(jù)協(xié)調(diào)所確定的時(shí)間要求，將F區(qū)驅(qū)動(dòng)單元切換至工作狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)的液壓機(jī)1。液壓機(jī)1完成下降動(dòng)作后，將P區(qū)的驅(qū)動(dòng)單元切換至控制液壓機(jī)1的狀態(tài)。下降驅(qū)動(dòng)單元在需要的時(shí)候切換至液壓機(jī)2進(jìn)行下降動(dòng)作，在不需要的時(shí)候，處于卸荷的狀態(tài)。每臺(tái)液壓機(jī)按照這種方式依次被F區(qū)、P區(qū)、M區(qū)、R區(qū)驅(qū)動(dòng)，完成一個(gè)完整的成形過程。液壓機(jī)完成一個(gè)完整的成形過程的時(shí)間稱為工作周期。一個(gè)工作周期后，所有的驅(qū)動(dòng)單元都進(jìn)入工作狀態(tài)，每個(gè)驅(qū)動(dòng)單元連續(xù)高效率地完成所對(duì)應(yīng)的成形動(dòng)作。某工作節(jié)拍下，一個(gè)完整的工作周期中，各個(gè)液壓機(jī)以及驅(qū)動(dòng)區(qū)的工作狀態(tài)如圖3所示。

圖3　一個(gè)工作周期中液壓機(jī)組與驅(qū)動(dòng)區(qū)的工作狀態(tài)

為了達(dá)到功率匹配的節(jié)能控制效果，需要根據(jù)液壓機(jī)組每個(gè)動(dòng)作的功率，對(duì)每個(gè)驅(qū)動(dòng)單元的組成進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)。為了縮短驅(qū)動(dòng)單元的等待時(shí)間，需要對(duì)驅(qū)動(dòng)單元進(jìn)行合理的分配和調(diào)度。

2驅(qū)動(dòng)單元的匹配設(shè)計(jì)

2.1液壓系統(tǒng)的模型分析

恒功率變量泵以其良好的特性被廣泛應(yīng)用于成形裝備。所研究的液壓系統(tǒng)采用多臺(tái)異步交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)多臺(tái)恒功率變量泵的方式為液壓機(jī)提供能量。恒功率變量泵的泵口壓力達(dá)到一定值以后，其輸出功率基本保持不變，通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥的開口，調(diào)節(jié)泵的輸出流量，達(dá)到調(diào)速的目的，滿足不同動(dòng)作對(duì)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(qū)動(dòng)方式的相同導(dǎo)致每個(gè)動(dòng)作的液壓回路都有很大的相似性。根據(jù)液壓機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn)，得到液壓回路模型，如圖4所示。

圖4　液壓機(jī)回路模型

根據(jù)圖4所示的模型，當(dāng)滑塊以速度v下行時(shí)，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(jié)流口、油液性質(zhì)決定的常系數(shù)；m為由節(jié)流口形狀決定的節(jié)流閥指數(shù)；AT為節(jié)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(shè)由于管路和閥體摩擦產(chǎn)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(jī)組的輸入功率，Pin=[P1P2…Pn]；S為電機(jī)泵組接入系統(tǒng)狀態(tài)的對(duì)角陣，S=diag(s1,s2,…,sn)。若第i(i=1，2，…，n)臺(tái)電機(jī)泵組接入液壓系統(tǒng)，為液壓機(jī)動(dòng)作提供能量，則si=1；若第i臺(tái)電機(jī)泵組處于卸荷狀態(tài)，則si=0。η為電機(jī)泵組的效率，η=[η1η2…ηn]T。

通過式(4)將液壓系統(tǒng)的消耗功率與電機(jī)的輸入功率聯(lián)系起來。一方面，整體損耗由兩部分構(gòu)成，一部分是在液壓能量傳遞過程中由于摩擦和泄漏產(chǎn)生的非必須損耗ΔP。另一部分是為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)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(qū)動(dòng)方式的情況下，無法消除，但可以通過參數(shù)的優(yōu)化減少。另一方面，在每個(gè)動(dòng)作中，可通過減少處于卸荷狀態(tài)泵的數(shù)量，提高單個(gè)液壓泵組的效率，進(jìn)而提高液壓系統(tǒng)的效率，減少損耗。

2.2驅(qū)動(dòng)單元的匹配方法

從2.1節(jié)的模型可知，通過改變節(jié)流閥參數(shù)，提高電機(jī)泵組的利用率和效率，可提升整個(gè)液壓系統(tǒng)的效率。本節(jié)就從這些方面綜合考慮，使驅(qū)動(dòng)單元與其負(fù)責(zé)的動(dòng)作相匹配，提升每個(gè)驅(qū)動(dòng)單元的平均工作效率。

泵的電機(jī)的能量效率隨著負(fù)載的變化而變化，設(shè)恒功率柱塞泵的效率為ηpump(p)，p為出口壓力，電機(jī)的效率為ηmotor(β)，β為負(fù)載率。因此每個(gè)驅(qū)動(dòng)單元在對(duì)應(yīng)動(dòng)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(tǒng)效率的主要因素。

液壓機(jī)的驅(qū)動(dòng)部分在設(shè)計(jì)時(shí)，需滿足最大成形功率的要求，但是成形動(dòng)作的負(fù)載差異導(dǎo)致部分動(dòng)作的效率降低。 采用液壓機(jī)組驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分區(qū)控制的方法后，每個(gè)驅(qū)動(dòng)單元只執(zhí)行特定的動(dòng)作，可以單獨(dú)根據(jù)每個(gè)階段的負(fù)載特性調(diào)整節(jié)流閥的參數(shù)AT，重新設(shè)計(jì)和選擇驅(qū)動(dòng)單元，選擇與之相對(duì)應(yīng)的ηpump(p)、ηmotor(β)。

由圖5a可知，在壓力達(dá)到一定的值時(shí)，泵的效率可以達(dá)到90%(效率閾值)，并且在一定的壓力范圍內(nèi)，效率基本保持不變，稱這個(gè)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(jī)也存在這樣一個(gè)容許的負(fù)載率范圍，使電機(jī)工作在閾值效率上的狀態(tài)。

(a)泵

(b)電機(jī)圖5　泵與電機(jī)的效率特性曲線

相對(duì)于同一液壓機(jī)的不同動(dòng)作，不同液壓機(jī)的相同動(dòng)作對(duì)壓力和功率需求的差異較小，選擇合適的電機(jī)和泵作為液壓機(jī)組的驅(qū)動(dòng)單元，可使其工作在容許的壓力和功率的范圍內(nèi)，滿足：

(7)

因此，采用分區(qū)控制方法，每個(gè)驅(qū)動(dòng)單元僅工作在單一的動(dòng)作下，多臺(tái)液壓機(jī)的相同動(dòng)作對(duì)功率的需求差別較小，很好地解決了單臺(tái)液壓機(jī)在不同工作階段無法實(shí)現(xiàn)功率匹配的問題。

3液壓機(jī)組成形過程中驅(qū)動(dòng)單元的調(diào)度方案

按照2.2節(jié)的功率匹配方法，設(shè)計(jì)完每個(gè)驅(qū)動(dòng)單元以后，需要對(duì)驅(qū)動(dòng)區(qū)的組成進(jìn)行分析，對(duì)各個(gè)驅(qū)動(dòng)區(qū)的進(jìn)行調(diào)度，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)區(qū)的有序共享。

3.1驅(qū)動(dòng)單元的調(diào)度模型

液壓機(jī)成形過程中，壓制階段的能耗最大，為了縮短大功率驅(qū)動(dòng)區(qū)的等待時(shí)間，減少能量的損耗，以壓制區(qū)連續(xù)不間斷地為不同液壓機(jī)提供壓制階段能量為前提，協(xié)調(diào)各階段動(dòng)作間的關(guān)系，確定驅(qū)動(dòng)區(qū)j驅(qū)動(dòng)單元的數(shù)量fj和不同驅(qū)動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)液壓機(jī)的先后時(shí)間順序。

設(shè)一個(gè)完整的成形加工由連續(xù)的n道工序組成，每道工序的液壓機(jī)的動(dòng)作包括下降、壓制、保壓、回退、等待全部或部分動(dòng)作。第i道工序完成下降、壓制、保壓、回退、等待所需的時(shí)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(shí)間。為使壓制區(qū)連續(xù)不間斷地為不同液壓機(jī)提供壓制階段能量，對(duì)每個(gè)工序的工作節(jié)拍進(jìn)行調(diào)整，使完成第i道工序的時(shí)間為

(8)

在此條件下，壓制動(dòng)作的驅(qū)動(dòng)單元就會(huì)處在連續(xù)工作的狀態(tài)，保證了最大功率驅(qū)動(dòng)區(qū)不存在等待時(shí)間。同時(shí)，多臺(tái)液壓機(jī)一個(gè)工作循環(huán)的時(shí)間(用T表示)與單臺(tái)液壓機(jī)一次成形過程的時(shí)間相同，保證了單臺(tái)液壓機(jī)的工作效率。

液壓機(jī)組工作的過程中，可能存在同時(shí)工作在同一階段的多臺(tái)液壓機(jī)。為了保持整個(gè)系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行，當(dāng)某個(gè)階段的時(shí)間比壓制階段長(zhǎng)時(shí)，就為此驅(qū)動(dòng)區(qū)設(shè)置2個(gè)或多個(gè)驅(qū)動(dòng)單元(為所有液壓機(jī)提供能量)；當(dāng)某個(gè)階段的時(shí)間比壓制階段短時(shí)，設(shè)置單個(gè)驅(qū)動(dòng)單元(為所有液壓機(jī)提供能量)。根據(jù)每個(gè)階段的時(shí)間長(zhǎng)度確定每個(gè)驅(qū)動(dòng)區(qū)的驅(qū)動(dòng)單元的個(gè)數(shù)，完成動(dòng)作j的驅(qū)動(dòng)區(qū)需要設(shè)置獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)單元數(shù)fj：

fj=[λj]+1(j=1,2,3,4)

(9)

式中，[λj]為比λj小的最大整數(shù)。

據(jù)此得到驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)單元的數(shù)量以后，整個(gè)成形生產(chǎn)線就可以高效率的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。液壓機(jī)泵和電機(jī)在工作時(shí)，泵壓力的重新建立會(huì)消耗比較長(zhǎng)的時(shí)間，并且頻繁的啟停電機(jī)也會(huì)額外消耗大量的能量，因此每個(gè)驅(qū)動(dòng)單元在整個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)都不會(huì)關(guān)閉。當(dāng)某個(gè)驅(qū)動(dòng)單元完成當(dāng)前工序的動(dòng)作，而下一個(gè)工序的此動(dòng)作尚未開始，該驅(qū)動(dòng)單元就會(huì)處在卸荷狀態(tài)，存在一定的等待時(shí)間。每個(gè)驅(qū)動(dòng)區(qū)一個(gè)工作周期內(nèi)的等待時(shí)間為

(10)

某動(dòng)作的時(shí)長(zhǎng)與壓制動(dòng)作的時(shí)間相等時(shí)，對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)單元不存在等待時(shí)間。

3.2驅(qū)動(dòng)單元的節(jié)能計(jì)算

采用液壓機(jī)組驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分區(qū)控制方法以后，由于液壓機(jī)本身的結(jié)構(gòu)以及每個(gè)動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)方式并未改變，因此每臺(tái)液壓機(jī)每個(gè)動(dòng)作的需求功率保持不變。

未采用分區(qū)控制方法時(shí)，設(shè)Eij為第i道工序j(j≠5)動(dòng)作的輸出有用功，ηij為第i道工序j動(dòng)作的平均能量效率，Pi5為等待階段所有的電機(jī)和泵在卸荷時(shí)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(dòng)作連續(xù)，因此Tw2=0，壓制階段不存在等待功率的消耗。在節(jié)拍允許的情況下，其他驅(qū)動(dòng)單元的的等待時(shí)間也可以為0，系統(tǒng)可以不存在等待損耗。改進(jìn)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(jī)功率510 kW的拉伸液壓機(jī)為例，對(duì)采用分區(qū)控制方法前后的單臺(tái)液壓機(jī)的能量消耗及效率提升情況進(jìn)行對(duì)比。同時(shí)，為了更清楚地比較采用液壓機(jī)組驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分區(qū)控制方法后，單臺(tái)液壓機(jī)的能量節(jié)約情況，選擇多臺(tái)相同的液壓機(jī)作為液壓機(jī)組，不改變每個(gè)動(dòng)作接入系統(tǒng)液壓系統(tǒng)的電機(jī)和泵的個(gè)數(shù)，不改變每個(gè)動(dòng)作持續(xù)的時(shí)間長(zhǎng)度，進(jìn)行單一工況的設(shè)計(jì)。

液壓機(jī)的結(jié)構(gòu)特征：滑塊固定在2個(gè)活塞和1個(gè)柱塞上，活塞和柱塞在固定于上橫梁的缸體內(nèi)上下運(yùn)動(dòng)。當(dāng)活塞缸及柱塞缸的上腔通入高壓液體時(shí)，滑塊在液壓油壓力的作用下向下運(yùn)動(dòng)；當(dāng)活塞缸的下腔通入高壓液體時(shí)，滑塊在液壓油壓力的作用下向上移動(dòng)。通過換向閥切換回路，對(duì)液壓油的方向進(jìn)行切換。改變不同閥的狀態(tài)，達(dá)到不同階段需求的不同壓力，實(shí)現(xiàn)液壓機(jī)的整個(gè)成形過程。

單臺(tái)液壓機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由6臺(tái)三相交流異步電機(jī)與7臺(tái)恒功率變量泵組成，其中，5臺(tái)額定功率為75 kW的電機(jī)分別與1臺(tái)最大排量為400 L/min的泵相連，另外1臺(tái)90 kW功率的電機(jī)與2臺(tái)泵相連，這2臺(tái)泵的最大排量之和為402 L/min，構(gòu)成雙聯(lián)泵組，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的額定輸入功率矩陣Pe=[75 75 75 75 75 90]kW。

4.1單臺(tái)液壓機(jī)的能量消耗

單臺(tái)液壓機(jī)在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)下，完成下降、壓制、保壓、回退等動(dòng)作。每個(gè)動(dòng)作需求的壓力和流量不同，導(dǎo)致對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的利用情況不同，因此電機(jī)泵組產(chǎn)生了不同的接入狀態(tài)。經(jīng)測(cè)試，在某種拉深成形的一個(gè)完整的成形過程中，電機(jī)在快降、慢降、壓制、保壓、快回、慢回動(dòng)作下對(duì)應(yīng)于Pe的狀態(tài)矩陣分別為S11、S12、S2、S3、S41、S42：

S2=S41=I6S3=S42=I6- S11

對(duì)以上各個(gè)工作狀態(tài)的液壓機(jī)的成形過程進(jìn)行能量消耗測(cè)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(shí)間為0～4 s，包括動(dòng)作1快降 (0～2 s) 和動(dòng)作2慢降(2～4 s )；動(dòng)作3壓制時(shí)間為4～8 s；動(dòng)作4保壓時(shí)間為8～10.5 s；回退時(shí)間為 10.5～14 s，包括動(dòng)作5快回(10.5～13 s) 和動(dòng)作6慢回(13～14 s)；等待(設(shè)為動(dòng)作7)時(shí)間為14～24 s。

用AITEK的AWS2103系功率儀對(duì)每個(gè)動(dòng)作下輸入的有功功率進(jìn)行測(cè)試，采樣間隔Δt=0.01 s，得到每個(gè)動(dòng)作每個(gè)時(shí)刻的功率Pt，則每個(gè)動(dòng)作輸入的有功能量：

(14)

其中，tm為動(dòng)作m的開始時(shí)間；Δtm為動(dòng)作持續(xù)的時(shí)間;Em為完成動(dòng)作m輸入的有功能量，m=1，2，…，7。進(jìn)行多次測(cè)試，得各個(gè)動(dòng)作下輸入的有功能量，如表 1所示。則液壓機(jī)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(tǒng)的成形能轉(zhuǎn)換效率為

η=E3/Ein=975.24/4864.29=20.05%　(16)

4.2液壓機(jī)組的能量消耗

由液壓系統(tǒng)在此次成形過程的動(dòng)作節(jié)拍可知，壓制時(shí)長(zhǎng)為4 s，整個(gè)工作過程為24 s。據(jù)此，選擇驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)6臺(tái)相同的液壓機(jī)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可連續(xù)不斷地為液壓機(jī)組壓制動(dòng)作提供能量，同時(shí)單臺(tái)液壓機(jī)完可完成一個(gè)成形過程。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的不同液壓機(jī)的相同動(dòng)作的時(shí)間長(zhǎng)度都一樣，式(9)可以寫成：

fj=[tj/tP]+1j=F，M，R

(17)

根據(jù)每個(gè)動(dòng)作的時(shí)長(zhǎng)得fF=fM=fR=1,即每個(gè)驅(qū)動(dòng)區(qū)設(shè)置一個(gè)驅(qū)動(dòng)單元即可實(shí)現(xiàn)整個(gè)液壓機(jī)組的連續(xù)工作。在一個(gè)工作循環(huán)中，每個(gè)驅(qū)動(dòng)區(qū)的工作狀態(tài)如圖6所示。

圖6　一個(gè)循環(huán)過程中驅(qū)動(dòng)區(qū)的工作狀態(tài)

開始工作時(shí)，液壓機(jī)1在下降驅(qū)動(dòng)區(qū)的驅(qū)動(dòng)下開始下降；4 s時(shí)，液壓機(jī)1的下降動(dòng)作完成，在壓制區(qū)的驅(qū)動(dòng)下開始?jí)褐苿?dòng)作；下降區(qū)開始驅(qū)動(dòng)液壓機(jī)2完成下降動(dòng)作，其他時(shí)間節(jié)點(diǎn)也以此方式完成驅(qū)動(dòng)單元的切換。等待表示這段時(shí)間區(qū)域內(nèi)，驅(qū)動(dòng)區(qū)的驅(qū)動(dòng)單元處于卸荷的狀態(tài)，不為任何一臺(tái)液壓機(jī)提供能量。

受實(shí)驗(yàn)條件的限制，僅去除每個(gè)動(dòng)作下處于卸荷狀態(tài)的電機(jī)和泵，保留用于提供能量的電機(jī)和泵，并且保證每個(gè)動(dòng)作最大的功率要求，不對(duì)電機(jī)泵組做進(jìn)一步優(yōu)化。使每個(gè)驅(qū)動(dòng)區(qū)高功率工作狀態(tài)下的狀態(tài)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(qū)驅(qū)動(dòng)單元電機(jī)和泵的個(gè)數(shù)沒有改變，且在液壓機(jī)之間切換時(shí)，沒有等待時(shí)間，每臺(tái)液壓機(jī)壓制動(dòng)作消耗的能量不變，即

ΔEP=0

(18)

下降驅(qū)動(dòng)區(qū)的驅(qū)動(dòng)單元在不同液壓機(jī)之間切換時(shí)，也不存在等待時(shí)間。去除90 kW的電機(jī)后，單臺(tái)液壓機(jī)下降動(dòng)作提供能量減少ΔEF：

ΔEF=Pe2(Δt1+Δt2)=186.56 kJ

(19)

式中，Pe2為測(cè)試的90 kW電機(jī)帶動(dòng)雙聯(lián)泵的卸荷功率。

保壓驅(qū)動(dòng)區(qū)只保留90 kW的電機(jī)帶動(dòng)雙聯(lián)泵，提供保壓動(dòng)作的能量，減少了5臺(tái)75 kW的電機(jī)泵組。保壓區(qū)在為每臺(tái)液壓機(jī)提供保壓動(dòng)作的能量后，存在等待時(shí)間Δt2-Δt4，導(dǎo)致單臺(tái)液壓機(jī)保壓動(dòng)作提供的能量減少ΔEM：

ΔEM=5Pe1Δt4-Pe2(Δt2-Δt4)=223.04 kJ

(20)

式中，Pe1為測(cè)試的單臺(tái)75 kW電機(jī)泵組的空載功率。

回退區(qū)驅(qū)動(dòng)單元沒有改變，但為每臺(tái)液壓機(jī)提供回退能量后，存在等待時(shí)間Δt2-Δt5-Δt6，單臺(tái)液壓機(jī)保壓動(dòng)作提供的能量增加ΔER：

ΔER=(5Pe1+Pe2)(Δt2-Δt5-Δt6)=81.92 kJ

(21)

使用分區(qū)控制節(jié)能方法后，由表2所示數(shù)據(jù)可得一個(gè)成形過程單臺(tái)液壓機(jī)需要輸入的能量：

(22)

液壓機(jī)系統(tǒng)的成形能轉(zhuǎn)換效率為

(23)

表2　各個(gè)階段單臺(tái)液壓機(jī)輸入有功能量變化情況

案例中，使用液壓機(jī)組分區(qū)節(jié)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(jī)在工作時(shí)，輸入能量的40%消耗在電機(jī)的空運(yùn)行上，只有20%用于液壓機(jī)的成形階段，等待階段的存在降低了液壓機(jī)的工作效率，液壓系統(tǒng)輸入輸出功率的不匹配導(dǎo)致了能量的損失。液壓機(jī)正常工作時(shí)，一次成形過程的能量消耗為4864.29kJ。采用液壓機(jī)組分區(qū)控制節(jié)能方法以后，僅去掉每個(gè)動(dòng)作處于待機(jī)的電機(jī)，1臺(tái)液壓機(jī)進(jìn)行一次成形過程的能量消耗為2898.46kJ，節(jié)約能量1965.83kJ，效率提升為13.6%。僅去除多余電機(jī)泵組的方式，并不能使每個(gè)動(dòng)作電機(jī)的平均負(fù)載率處在容許的范圍，沒有達(dá)到高效率的能量匹配。若依據(jù)能量匹配方法，對(duì)每個(gè)驅(qū)動(dòng)單元的組成進(jìn)行優(yōu)化，能量消耗將會(huì)進(jìn)一步減少。

5結(jié)論

(1)液壓機(jī)組分區(qū)控制節(jié)能方法，使用特定的液壓驅(qū)動(dòng)區(qū)為不同液壓機(jī)的相同階段提供成形能量，實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)單元輸出功率與動(dòng)作消耗功率的匹配。

(2)通過不同液壓機(jī)之間的節(jié)拍協(xié)調(diào)，對(duì)多臺(tái)液壓機(jī)的工作時(shí)間進(jìn)行調(diào)度，使液壓機(jī)組分時(shí)共享同一驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

(3)液壓機(jī)處于等待狀態(tài)時(shí)，將不同液壓機(jī)的等待時(shí)間根據(jù)調(diào)度方法分散于不同的時(shí)間區(qū)間，驅(qū)動(dòng)區(qū)不沖突地為其他液壓機(jī)提供能量，縮短甚至消除了驅(qū)動(dòng)區(qū)的等待時(shí)間，大大提高了整個(gè)液壓系統(tǒng)的能量利用率。

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(編輯張洋)

收稿日期：2015-09-21

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助重點(diǎn)項(xiàng)目(51135004)；國(guó)家自然科學(xué)基金國(guó)際(地區(qū))合作與交流項(xiàng)目(51561125002)

中圖分類號(hào)：TH137.7

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

作者簡(jiǎn)介：劉志峰，男，1963年生。合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)闄C(jī)電產(chǎn)品綠色設(shè)計(jì)理論與方法、綠色制造工藝技術(shù)、廢舊電子電器產(chǎn)品回收工藝與裝備、先進(jìn)制造技術(shù)、金屬切削理論及刀具設(shè)計(jì)。發(fā)表論文150余篇。李磊，男，1991年生。合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院博士研究生。黃海鴻，男，1980年生。合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。高夢(mèng)迪，女，1990年生。合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院博士研究生。李新宇，男，1985年生。合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)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