基于液压泵伺服驱动的扩径机节能技术研究.pdf

2 0 1 4年 1 0月 第 4 2卷 第 2 0期 机床与液压 MACHI NE T 00L HYDRAUL I CS Oc t ． 2 0 1 4 Vo 1 ． 4 2 No ． 2 0 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 2 0 ． 0 1 8 基 于液压泵伺服驱动 的扩径机节能技术研究 吴 少林 ，许 益 民 武汉科技大学机械自动化学院，湖北武汉4 3 0 0 8 1 摘要 介绍一种扩径机新型的液压泵伺服驱动及控制技术 ，该技术采用伺服电机驱动定量泵作为动力源 ，通过控制单 元改变伺服电机的转速和转矩来实现流量压力的复合控制。这种动力源不仅可以简化扩径机复杂的液压系统 ，而且还具有 节能降噪的作用，是未来液压动力源发展的一种趋势。 关键词伺服电机；动力源；复合控制 中图分类号 T H1 3 7 文献标识码 B 文章编 号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 4 2 0 0 5 73 S t ud y o n Ene r g y- s a v i ng Te c h ni c o f Ex p a nd i n g M a c h i n e Ba s e d o n Hy dr a u l i c Pu m p Se r v o Dr i v e W U S h a o l i n． XU Yi mi n C o l l e g e o f Ma c h i n e r y A u t o m a t i o n ， Wu h a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e T e c h n o l o g y ， Wu h a n Hu b e i 4 3 0 0 8 1．C h i n a Ab s t r a c t A n e w t e c h n o l o g y u s e d i n e x p a n d i n g ma c h i n e w a s i n t r o d u c e d w h i c h w a s h o w t o u s e s e Y v o mo t o r d riv e a n d c o n t r o l h y d r a u l i c p u mp ． Me t e ri n g p u mp w a s d ri v e n b y s e r v o mo t o r a s p o we r s o u r c e ，a n d r o t a t i o n r a t e a n d t o r q u e o f s e r v o mo t o r c o u l d b e c h a n g e d b y c o n t r o l u n i t S O a s t o a c h i e v e c o mp o u n d c o n t r o l t o fl o w a n d p r e s s u r e ．T h i s p o w e r s o u r c e c a n n o t o n l y s i mp l i f y t h e s t r u c t u r e o f h y d r a u l i e s y s t e m，b u t a l s o s a v e e n e r gy a n d r e d u c e n o i s e ．I t ’ S a t r e n d i n t h e d e v e l o p me n t o f h y d r a u l i c p o w e r s o u r c e i n t h e f u t u r e ． Ke y wor dsSe r v o mo t o r；Po we r S o u r c e； Co mp o un d c o n t r o l 液压驱动和控 制系统 是扩径 机 的重要 组成部 分 。 目前，国内基本上是全套引进国外电液控制系统的机 械式扩径机，其技术先进 ，控制精确 ，性能优良。然 而在节能方面却表现不 足 ，由于动力源采用变量泵加 溢流节流 阀进行 流量压 力的复合控制 ，这给 系统带来 较大的溢流和节流损失 ，导致能耗较大，系统能量浪 费严重，油温也极易升高，还需专门配置冷却系统 ， 这样又导致系统的复杂化，使得整个液压系统体积庞 大 、成本增高 。 近几年 出现 了一种 以伺服 电机带动定量泵进行 流 量压力复合控制 的动力 源 。这种动力源具有较 高的能 量转换效率 ，节能效果较好，在液压注塑机上的应用 已较为成熟 。 目前 ，这种 动力 源也 已应用于扩径机 液 压系统上 ，并且 已有成 功案例 。 由于扩径机液压系统本身具有高压大流量的特 性 ，所以其溢流和节流损失浪费掉的能量在整个系统 所需能量中会 占据很大一部分。若能将浪费的能量所 占比重控制在较小范围内，系统所需能量将会降低 ， 这样可 以减少大 量能源的浪费 。因为伺服 电机驱 动定 量泵作为动力源可 以根据负载 的变化及时改变输 出的 流量和压力，减少了不必要的输出，所以用这种新型 动力源代替扩径机液压系统中传统的动力源，就可以 达到节能 的 目的 ，并且具有较好 的节能效果 。然而节 能 的实 际效果还要取决 于伺服 电机 和伺服驱动器 的性 能 。文 中将对液压泵伺服驱动及控制技术在扩径机液 压系统上带来的节能效果进行探讨。 1 系统构成及工作原理 1 ． 1扩 径 工 艺流程 扩径时钢管行进 至扩径工具上扇形块工作长度段 的末端 ，扩径缸活塞首先快速后退运动 ，扩径工具涨 开，并与钢管内壁充分接触 ，这时扩径缸活塞已走完 设定 的快进行程 阶段 。从该位置后主油缸活塞开始慢 速运动 ，即进入工进行程阶段 ，此阶段钢管开始塑性 变形 ，也就是扩径过程 。当扩径缸活塞走完工进行程 后会停止一段时间，即进入扩径保压阶段。保压结束 后，扩径缸活塞开始回程。接下来将进行第二步扩 径 ，其过程 同第一步 。上述扩径 周期动作 流程如 图 1 所示 。 收稿日期2 0 1 3 0 9 0 2 作者简介吴少林 1 9 8 7 一 ，男，硕士研究生，主要研究方向为机电液一体化技术。Em a i l w u s h a o l i n 1 9 8 7 1 2 6 ． c o n。 5 8 机床与液压 第 4 2卷 快进 工 进 扩 径一 保 压 - 回程 下一 周期 图 1 扩径周期动作流程图 扩径机 液 压 泵 伺 服 驱 动 系 统 原 理 图 如 图 2所 示，根据扩径工艺流程 ，电磁铁动作顺序表如表 1 所示 。 图2 扩径机液压泵伺服驱动系统原理图 表 1 电磁铁动作顺序表 1 ． 2扩径 机 的液压 泵伺服 驱 动及控 制 系统 构成 扩径机液压泵伺服驱动及控制系统主要由交流永 磁同步伺服 电机 、伺 服驱 动 器 、定 量泵 、压 力传 感 器、编码器构成。图 2中泵组 2～ 6与泵组 1具有相 同的配置及控制方式，因图幅限制未全部画出。异步 电机驱动定量泵提供控制油。 系统工作时，扩径机控制器将扩径缸活塞动作的 速度和系统所需的压力设定值转化为模拟信号或数字 信号传输给伺服驱动器，伺服驱动器按指令信号要求 驱动伺服电机带动定量泵工作，扩径缸活塞动作的速 度和系统压力控制要求与伺服电机的转速和转矩控制 相对应。在扩径过程 中，保压过程需要进行压力控 制，其他动作过程均为速度控制。 进行压力控制时，伺服驱动器按扩径机控制器给 定的压力控制信号驱动伺服电机进行转矩控制 ，安装 在定量泵出口的压力传感器 P H在线实时检测系统输 出压力，并将检测到的信号反馈给伺服驱动器 ，然后 与扩径机控制器给定信号进行对 比修正。 进行速度控制时，伺服驱动器按扩径机控制器给 定的速度控制信号驱动伺服电机进行转速控制 ，安装 在伺服电机轴端的编码器 P G在线实时检测伺服电机 工作转角变化，并将检测到的信号反馈给伺服驱动器 进行运算，然后与扩径机控制器给定信号进行对比修 正 。 2节能原理分析 由于伺服电机本身的能量转化效率较高，系统流 量压力均采用闭环控制 ，这样 系统 的流量压力输 出均 与负载的需求趋于一致 ，使得整个系统的能量利用率 较高，流失浪费的部分降低。这主要表现在 1 采用伺服电机驱动定量泵使系统结构变得 简化，省去了溢流阀，其结果是避免了大量的溢流带 来的能量浪费和油液温升。图3给出了采用传统与新 型动力源扩径机液压系统的能量 利用 与损耗 的对 比情 况。溢流主要发生在扩径工艺的工进阶段 ，这个阶段 系统所需流量小，泵供给的流量大部分都经溢流阀回 油箱 ，造成溢流损失。 第 2 0期 吴少林 等基于液压泵伺服驱动的扩径机节能技术研究 5 9 p n p1 I l l I 节 流 阀 口 损 失功 率 I I I l 泄漏 二 溢流二二 损 失 一损 失 功率 二 功率二二 gL a 传 统 动 力源 b 新型 动 力源 图 3 传统与新型动力源扩径机液 压系统能量利用与损耗对比 2 流量控制不再依赖子比例阀，减小了节流 损失带来的能量浪费，省去比例阀的同时液压油品质 要求也不用太高，系统维护检修相对容易。 3 管路变得简单，大大降低了系统沿程压力 损失 。 伺服电机本身的效率虽然很高，但是由于不同厂 家生产的伺服电机和驱动控制器存在差异，其节电性 能也有所不同。这主要是因为伺服电机的转动惯量和 效率存在一定差异，驱动器制动回路的设计导致节能 效果 存在一定差异。 3结束语 交流伺服电机驱动液压泵系统具有高效节能的特 性 ，现已广 泛应用于注塑机 ，在扩径机液压系统上也 已开始应用 ，需要 进一步研发改进并推广。在 工业领 域的其他行业应用较少，这是一个有待开发的方向。 参考文献 [ 1 ]陈秀梅， 杨庆东． 钢管扩径机的液压驱动系统设计[ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 1 ， 3 9 2 2 6 9 7 0 ． [ 2 ]刘增强， 吴亚军， 王占理， 等． 德国 S MS Me e r 公司机械式 扩径机的控制系统及原理[ J ] ． 钢管， 2 0 1 2 ， 4 1 4 5 8 6 2． [ 3 ]倪衡 ， 唐又红， 傅加平． 伺服控制系统在注塑机上的应用 [ J ] ． 中国科技信息 ， 2 0 1 1 1 8 9 4 9 7 ． [ 4 ]张友根． 注塑机交流伺服电机驱动液压泵系统的设计研 究[ J ] ． 流体传动与控制 ， 2 0 1 0 6 91 5 ． [ 5 ]李贵闪， 严建文 ， 翟华． 伺服液压机研究现状及关键技术 [ J ] ． 液压与气动， 2 0 1 1 5 3 9 4 1 ． [ 6 ] 权龙 ， 李凤兰， 王祥． 伺服电机定量泵驱动差动液压缸系 统效率的研究 [ J ] ． 中国电机工程学报， 2 0 0 6 ， 2 6 8 9 39 8 2 0 1 4中国 长沙科交会精准定位产业发展 “ 产学研金一体化 ，创新创业在长沙” ，突出 自主创新、成果转化、产业主导、开放共享等关键词的 2 0 1 4中国 长沙 科技成果转化交易会 1 O 月 2 3日长沙开幕。 与历届会议不同的是 ，本次会议更注重实效 ，取消闭幕式和大型综合展示 ，加强了系列产学研对接活动定位与力度。首 次采取 “ 请进来与走出去”相结合模式 ，为拓宽交流渠道 ，深化合作机制 ，将围绕长沙战略新兴产业，组织领军企业赴北京 、 上海两地重点高校 “ 按需对接” 。 会议精确定位产业。长沙市科技局局长胡石 明介绍 ，今年科交会重点展开移动互联网、北斗导航、先进装备、新材料 以 及生物医药 5个优势产业和新兴产业领域的成果对接。长沙高新区集 中为移动互联 网、北斗导航应用这两个该市要重点培育 的千亿新兴产业集群推出专场；长沙经开区则围绕交通能源战略转型，在新能源汽车领域开展科技合作 ，促进产业进一步发 展 。 主体活动紧紧围绕成果发布、技术对接 、融资对接、人才引进、产业发展全流程 ，如 规模超 5 0 0人的 “ 天使投资人长 沙行”将是国内最大的一次投资人盛会，为长沙具备良好发展前景的中小科技型企业注入巨大动力；“ 技术难题招标与科技 成果竞价转让会”则关注制约企业、产业发展的关键、核心技术难题，并辅以招标、拍卖等创新手段，广泛吸引成果转让者 和技术需求者踊跃参加。胡石明表示 ，该市科技发展专项资金会对科交会合作项 目予以大力配套支持。 “ 开放办会”也是今年科交会一大特色。美 国明尼苏达大学、长沙市科技局 、湖南帝优生物科技有限公司将签署科技合作 框架协议 ，成为该市建立合作关系的第四家境外高校及研究机构；俄罗斯科技教育部顾问将率队来长，在超宽带无线技术、 新材料技术等领域开展合作交流等。投资金额达 1 0亿元 的 “ 锂电池集约产业化基地”将落户宁乡经开区；国防科技大学与地 方企业联合承担 金属基复合材料技术应用研究” ，将进一步推进军地结合进程。 ’ 内容来源 科技 日报