（材料加工工程专业论文）变频螺旋压力机的力能效率研究.pdf

山东理工大学硕士学位论文 摘要 摘要 本文研究的是变频螺旋压力机的力能效率，即变频螺旋压力机在数控状态下的输 出能量和输入能量与打击力的关系。 本文通过对不同材料的试样进行镦粗实验，在输出能量和加工工艺变化的情况 下，检测输入能量的变化情况，建立了变频螺旋压力机数控效率模型。首先，通过分 析变频螺旋压力机的力能与电机频率的关系，确立了其打击力与刚度和电机的频率之 间的关系式。其次，通过对变频螺旋压力机进行有限元分析，得出刚度值，建立了变 频螺旋压力机的弹性变形功与打击力的力能曲线图。再次，通过采用u g 对变频螺旋 压力机的传动系统进行建模，计算得到其转动惯量。分析得出了变频螺旋压力机不同 能量下的数控效率公式。最后，对不同材料的试样进行不同预设能量的打击试验，检 测了变频螺旋压力机的打击能量与打击力。分析并确定了变频螺旋压力机在不同能量 下的力能关系，得出其力能关系曲线，使用户可根据不同的打击力来基本确定打击能 量，以节省能量和降低过大打击力。 试验结果表明变频螺旋压力机工作在工频以下，通过数控频率和检测反馈的速 度，可数控打击能量和打击力，解决了变频螺旋压力机在数字化控制状态下的非稳态 效率模型和计算问题。 关键词：螺旋压力机，变频，力能关系，数控效率 山东理工大学硕十学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h i sp a p e ht h ef o r c ea n dt h ee n e r g ye f f i c i e n c yo ft h es c r e w p r e s sd r i v e nb yv a r i a b l e f r e q u e n c y t h a ti s ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eo u t p u ta n dt h ei n p u te n e r g ya n dt h eh i t t i n g f o r c eu n d e rt h en u m e r i c a lc o n t r o lw a si n v e s t i g a t e d u n d e rt h ec o n d i t i o no fc h a n g i n gt h eo u t p u te n e r g ya n dt h ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , t h e v a r i a t i o no ft h ei n p u te n e r g yw a sd e t e c t e d ；t h en u m e r i c a lc o n t r o le f f i c i e n c ym o d e lw a s e s t a b l i s h e db yh i t t i n gd i f f e r e n tm a t e r i a ls a m p l e s f i r s t ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e1 1 i 劬略 f o r c ea n dt h es t i f f n e sa n dt h ef r e q u e n c yo ft h ee l e c t r o m o t o rw a sp u tf o r w a r dt h r o u g h a n y l y z i n gt h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h ef o r c ea n de n e r g ya n dt h ef r e q u e n c ya n dt h e s t i f f n e s s s e c o n d , t h es t i f f n e s sv a l u ew a sg i v e nt h r o u g ha n a l y z i n gt h es c r e wp r e s su s i n gt h e f i n i t ee l e m e n te m u l a t i o ns o f t w a r e ，a n dt h eg r a p h i c so ft h ef o r c ea n de n e r g yb e t w e e ne l a s t i c d e f o r m a t i o nw o r ka n dt h eh i t t i n gf o r c ew i l l se s t a b l i s h e d t h i r d ，i t sm o m e n to fi n e r t i aw a s c a l c u l a t e dt h r o u g hu s i n gu gt os u tu pt h em o d e lo ft h et r a n s m i s s i o no ft h es c r e wp r e s s a n da l s ot h en u m e r i c a lc o n t r o le f f i c i e n c ye q u a n l i t yf o rd i f f e r e n te n e r g yw a sg i v e n f i a u y , t h eh i t t i n ge n e r g ya n dt h eh i t t i n gf o r c ew e r ed e t e c t e db yh i t t i n gd i f f e r e n tm a t e r i a ls a m p l e s i nd i f f e r e n tp r e s e t t i n ge n e r g y t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eh i t t i n ge n e r g ya n dt h eh i t t i n g f o r c eu n d e rd i f f e r e n te n e r g yw a sb e e na n a l y z e da n dg i v e n ，a n da l s ot h eg r a p h i c sw a s e d u c e d i tw o u l db ee a s yt om a k es u r et h eh i t t i n ge n e r g ya c c o r d i n gt od i f f e r e n th i t t i n g f o r c e ，w h i c hw o u l d 8 a v ce n e r g ya n dr e d u c eo v e r - b i gh i t t i n gf o r c e t h er e s u l ts h o w st h a t ，w h e nt h es c r e wp r e s sd r i v e nb yv a r i a b l ef r e q u e n c yw o r k su n d e r t h ew o r k i n gf r e q u e n c y ，t h eh i r i n ge n e r g ya n dt h eh i t t i n gf o r c ec 锄b en u m e r i c a lc o n t r o l l e d t h r o u g hn u m e r i c a lc o n t r o l l i n gt h ef r e q u e n c ya n dd e t e c t i n gt h er e b a c ks p e e d t h e n o n s t e a d ye f f i c i e n c ym o d e la n dt h e c a l c u l a t i o n a lm e t h o du n d e rt h en u m e r i c a lc o n t r o lh a v e b e e ns o l v e di nt h i sp a p e r k e yw o r d s ：t h es c r e wp r e s s ，t h ev a r i a b l ef i e q u e n c y , t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ef o r c ea n d t h ee n e r g y , t h en u m e r i c a lc o n t r o le f f i c i e n c y i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得山东理工大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名：是戍食时间：哆年磊罗日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解山东理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；学校可以用不同方式在不同媒体 上发表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：突跌玲 删签名：嘲咨一一 时间：) 哆年白驴日 时间：为呷年多月占日 山东理工大学硕十学位论文 第一章绪论 1 1 螺旋压力机概述 第一章绪论 螺旋压力机是借助螺旋工作机构将传动装置的能量转变成有用功的模锻设备，是 一种历史悠久的锻压设备，具有较大的能容量、结构简单、调整和维护简便、没有固 定下死点、能保证模锻件精度的稳定性等优点。广泛应用于金属模锻、精压、冲压工 艺以及耐火材料、陶瓷等非金属材料的压力及加工。根据传动机构的类型，螺旋压力 机可分为摩擦式螺旋压力机、离合器式螺旋压力机、液压螺旋压力机、电动螺旋压力 机等几种【l 】。目前应用于实际生产的机型多是摩擦螺旋压力机1 2 , 3 】，主要靠摩擦盘传递 动力，但摩擦损失大，效率低。长期以来，国内外一直在探讨新的替代设备。摩擦螺 旋压力机在我国已列入淘汰产品的目录中f 4 】。 随着工业技术的发展，螺旋压力机得以迅速发展，螺旋压力机在压力加工中的地 位越来越高，其工艺用途也越来越广泛，成为各行各业金属材料和非金属材料成型的 主要设备。螺旋压力机的设备投资、模具和锻件成本比模锻锤和热模锻压力机便宜一 半，加工余量小、锻件精度高，现在螺旋压力机相继采用了超载保护、能量预选及先 进的计算机控制系统和自动送料、模具更换等辅助装置，理论和实践都证明螺旋压力 机工艺适应性广、生产效率适中、劳动条件好，已成为现代锻压生产优选设备之一【5 】。 国内外相关企业都十分重视螺旋压力机的开发和应用。 青岛青锻锻压机械有限公司开发研制了8 0 m n 摩擦压力机，经查证为目前国内外 最大规格的同类设备，由于摩擦压力机传动效率低、功率损耗较大和结构上的限制， 规格发展受到了影响。随着科学水平的不断提高，螺旋压力机的传动形式睁副已经有 了很大的进步。除了机械式摩擦传动以外，又采用了新的传动形式，如离合器式螺旋 压力机1 9 d 7 】、液压螺旋压力机和电动螺旋压力机 1 8 - 2 7 j 等。这不仅提高了螺旋压力机 的实用性、工作速度、生产率和可靠性，打击力和能量也得到了很大的发展。如电动 螺旋压力机打击力已达到3 2 0 m n ，能量达到5 0 0 0 k j 以上。电动螺旋压力机自上世纪 4 0 年代研制成功以来，在国内外得到了广泛响应。我国上世纪8 0 年代由青岛青锻锻 压机械有限公司与山东工业大学成功研制生产出了j 5 8 1 6 0 型1 6 m n 电机直驱式电动 螺旋压力机，但因当时电力条件和控制技术的限制而中断了进一步的研发工作，十分 可惜。 近年来，随着科技发展，变频调速技术【2 8 3 2 j 和电子数控技术的不断提高，电动螺 旋压力机的开发创新、生产制造已全面展开，华中科技大学、青岛青锻锻压机械有限 公司等相继拥有了自己的技术和产品并迅速地推向市场。电动螺旋压力机已成为目前 山东理t 大学硕 ：学位论文 第一章绪论 最具生命力的螺旋压力机产品。 1 1 1 电动螺旋压力机的工作原理 电动螺旋压力机根据传动机构可以分为两种：电机直驱式电动螺旋压力机和经一 级齿轮( 皮带轮) 传动的电动螺旋压力机。 l 、电机直驱式电动螺旋压力机 电机直驱式电动螺旋压力机所用的电动机是特制的，其定子壳体坐在压力机机架 的顶端，转子轴的上端有定子壳体支撑，下端固定在压力机飞轮上。飞轮与螺杆采用 键连接由推力轴承支撑在机架上，飞轮具有超载保护装置。制动器为抱闸形式，制动 飞轮的外缘，通气松开，断气制动。电机的热量靠压力机项部的风扇排走。压力机的 机架结构采用预应力组合机架，由拉杆将上横梁、立柱和底座预紧为一体，使其具有 足够的刚度。螺母装在滑块上，滑块采用四股导轨与机架立柱上的导轨配合。压力机 可根据需要配置上下顶料装置。 电机直驱式电动螺旋压力机传动链短，电机驱动飞轮旋转没有任何传动损失。工 作时，风扇转动、制动器松开，同时主电机驱动压力机飞轮使螺杆定轴旋转，通过安 装在滑块上的螺母将螺旋运动转换为直线运动，使滑块加速下行，主电机达到预先设 置的打击能量所要求的转速时，利用飞轮储存的能量做功，使坯件成形。飞轮能量释 放后，主电机反转，滑块上行，当滑块达到设定的位置时电机自身制动，制动器只是 在主电机断电时抱住飞轮，制动力矩很少。 但是电机直驱式电动螺旋压力机因受电动机本身制造难度的限制，吨位难以做 大，一般公称力在2 0 m n 以下。 2 、经一级齿轮传动的电动螺旋压力机 电动螺旋压力机的另一种形式是经一级齿轮传动，即电机轴上装有一个小齿轮驱 动大齿轮正反旋转，大齿轮( 即飞轮) 与螺杆连接作定轴转动，带动装在滑块上的螺 母使滑块做上下直线运动实现打击。这种形式的压力机可由多台电机同时驱动大齿 轮，因此可做到规格很大，目前世界上最大吨位达3 2 0 m n ，远远大于其它模锻设备 的吨位，受到锻造行业的青睐。 目前，这种电动螺旋压力机采用的电机种类和控制尚不统一，应用比较多的是 a b b 变频器控制三相异步交流电动机，运用直接转矩控制。国内电动机大致有三类： 一类是变频器控制交流异步电动机，另一类是变频器控制交流伺服电动机，都是运用 矢量控制技术，但两种变频器不一样。还有采用开关磁阻电动机的，但需匹配专用的 控制器。上述变频器控制交流伺服电动机成本偏高，在大吨位压力机上极少使用。 2 山东理1 = 人学硕士学位论文第一章绪论 1 1 2 电动螺旋压力机的工作特点 电动螺旋压力机的优点是能量大小可调。飞轮角速度国直接影响能量，因此，在 打击过程中，控制能量的大小也就是控制角速度功的大小。电机直驱式的电动螺旋压 力机，不存在电机与飞轮传动损失。除此之外，无论哪种驱动形式的电动螺旋压力机 都具有以下特点： 1 ) 结构简单、紧凑，传动链短，操作维修方便，检修工作量小，节约工时和维 修费用，运行安全； 2 ) 打击能量可精确控制，可根据锻件成形工艺调整打击力和打击能量，锻件成 形精度高，模具应力小，模具使用寿命长； 3 ) 采用先进的电动机驱动电气控制技术，压力机工作时，不会对电网产生冲击， 不影响其它设备的正常运行； 4 ) 滑块静止时，主电机不工作，电量消耗低，节约能源； 5 ) 无固定下死点，不必调整模具高度，不会产生闷车现象； 6 ) 可方便地调整行程高度，回程位置准确； 7 ) 与液压螺旋压力机相比，不需复杂的液压驱动设备，不存在液压油泄露污染 环境，不会出现液压故障问题； 8 ) 与摩擦螺旋压力机相比，无摩擦盘、横轴等中间传动装置和摩擦带易损件， 零部件少，可靠性高，精度好。 电动螺旋压力机作为一种高效、节能、环保的新型锻压设备，已在高精度发动机、 汽轮机的叶片、齿轮等重要零件的毛坯锻造和精密锻造中得到广泛应用。随着汽车、 船舶、航空、航天等工业的发展，电动螺旋压力机虽已发展到一个良好的阶段，但其 理论系统尚未完善，控制技术也在不断探索，相信在业内开发机构和生产企业的不断 创新努力下，电动螺旋压力机的发展前景一定会更加光明。 1 2 国内外研究及应用现状 1 2 1 国内研究及应用现状 螺旋压力机在国内的发展起步较晚，但基本跟国外其他国家的螺旋压力机的发展 趋势类似，也经历了摩擦压力机、离合器式螺旋压力机、液压螺旋压力机、电动螺旋 压力机等发展过程。根据中国锻压协会提供的资料，摩擦式螺旋压力机是应用最广泛 的压力加工设备之一，占全部模锻设备的3 7 。摩擦式压力机的优缺点很明显，优点 主要体现在造价方面，适用于中小吨位；缺点是其惯性飞轮频繁的正反转，使其在加 速减速及制动过程中消耗大量能量，导致效率低，打击力控制不准确，而且不适于大 3 山东理工大学硕十学位论文第一章绪论 吨位。我国目前最大吨位的摩擦压力机是青岛锻压机械公司在2 0 0 4 年研制的3 1 5 0 0 k n 摩擦压力机。迄今为止，我国已有8 0 0 0 0 k n 的双盘摩擦压力机交付使用。 从6 0 年代末开始，液压螺旋压力机成为我国锻压界的研究热门。但是国内只有 华中科技大学与湖北富升锻压机床有限公司共同研发成功6 3 0 0 k n 、1 6 0 0 0 k n 液压螺 旋压力机，获我国锻压机械第一个国家发明奖( 三等) ，并在生产中得到应用。液压 螺旋压力机的性能虽然优于摩擦压力机，但也存在以下问题：液压系统复杂，管道铺 设工作量大，液压泄露对环境有污染；维修技术水平要求高，一般锻造工厂维修困难； 价格远高于摩擦压力机。 离合器式螺旋压力机克服了摩擦压力机惯性飞轮的缺点，在飞轮与螺杆之间用离 合器连接，这样可以使飞轮在工作过程中始终向一个方向旋转，无需停止和换向，其 尺寸和转动惯量可远远大于普通摩擦压力机。其优点是：生产效率高，可节能 3 0 0 旷4 0 ；打击能量大，是摩擦压力机的3 倍，因此又称高能螺旋压力机；可在大 的行程范围获得最大打击力和最大成形速度；闷模时间短，模具寿命长；电流冲击小。 目前，离合器式螺旋压力机吨位可达11 2 0 0 0 k n 。但这种机型需要离合器和液压提升 系统，结构复杂。 近几年，随着技术的迅速发展，螺旋压力机的发展取得了巨大的成就，突破了传 统的摩擦驱动方式，出现了变频式螺旋压力机、电动螺旋压力机等新的机型。华中科 技大学将变频技术应用于螺旋压力机上，开发研制了变频式螺旋压力机，这种新型的 螺旋压力机具有触摸屏预设数字化控制功能，配备了能量预选装置、滑块速度和尖峰 打击力数字显示装置。 1 2 2 国外研究及应用现状 2 0 世纪是螺旋压力机大力发展的时期，2 0 年代，人们开始研制液压螺旋压力机， 4 0 年代末期投入工业应用。3 0 年代，前苏联开始电动螺旋压力机研制，5 0 年代末期 德国开始生产，到7 0 年代末，德国辛佩坎公司研制成功离合器式螺旋压力机。2 0 世 纪末期，日本e n o m o t o 公司研制成功伺服驱动电动螺旋压力机【3 3 1 。进入2 1 世纪，螺 旋压力机仍在蓬勃发展。 国外，螺旋压力机的研制起步早，发展较快。目前，国外的摩擦压力机的最大吨 位为3 1 5 0 0 k n ，离合器式螺旋压力机吨位可达1 1 2 0 0 0 k n ，但这两种机型在德国有关 公司近年的样本中没有见过；液压螺旋压力机的最大吨位可达1 4 0 0 0 k n 。目前只有德 国、日本的公司生产电动螺旋压力机，但价格昂贵，其吨位从1 6 0 0 k n 到2 5 0 0 0 0 k n ， 最大可以达到3 2 0 0 0 0 k n 。 2 0 世纪7 0 年代，德国l a s c o 公司最先将变频调速技术应用于电动螺旋压力机， 4 山东理工人学硕十学位论文第一章绪论 研制出变频式螺旋压力机瞰】。目前，国外已经生产了1 0 0 0 8 0 0 0 0 k n 系列的电动变频 螺旋压力机，并正在准备设计制造1 2 5 0 0 0 k n 的特大型变频螺旋压力机。 螺旋压力机在采用变频技术后，提高了设备的控制水平及打击能量，提高了参数 控制的精确度，且使螺旋压力机的效率提高了三倍，比摩擦压力机节能三分之一，为 节能化发展铺平了道路；但是其存在启动电流比额定电流大和启动发热问题。其数字 化控制状态下的非稳态输出能量( 即打击能量) 和输入能量的关系以及效率模型和计 算方法问题没有解决。 1 3 研究的目的和意义 变频螺旋压力机数控效率模型研究是山东省科技攻关项目“大重型智能节能数控 锻压机的研制与应用( 项目编号2 0 0 7 g g l o 0 0 4 0 1 9 ) 的子课题。 近几年随着变频调速技术的发展与成熟，变频驱动系统的应用越来越广泛，其节 能高效的优势已在诸多领域得到验证。变频系统应用于螺旋压力机，产生了一种新型 压力成型设备变频螺旋压力机。 变频螺旋压力机利用变频可逆式电动机不断正反换向转动，通过齿轮传动( 大齿 轮为飞轮) 和螺旋副传动，使滑块做上下往复直线运动，使摩擦式螺旋压力机去掉了 摩擦传动，使高能螺旋压力机去掉了离合器和液压提升系统，压力机结构大幅度简化。 变频螺旋压力机的控制系统采用可编程控制器和变频驱动器，通过矢量控制和直接转 矩控制，实现低速恒转矩，使电机变速直接驱动大惯量系统成为现实。 这种电动变频螺旋压力机用电机变速实现速度控制，其打击能量可数字化设置， 能量输出稳定，成型重复精度高；可以设置多模膛，完成制坯、预锻、终锻等工序； 彻底结束了螺旋压力机只能终锻、须配备制坯生产线的需求。螺旋压力机是精压成型 的必备设备。与曲柄式压力机相比，螺旋压力机无固定的下死点，在有载的情况下不 会闷车；与液压机和锤类设备相比，其优点是工作效率高，输出能量大，压力大，维 修方便。螺旋压力机适用于金属的预锻、终锻、校直、热冷精整和精压等，可以对金 属和非金属进行压力加工，适于多种零件成型。与在生产中应用的其它机型相比，具 有显著的节电效果。 虽然变频螺旋压力机在应用中具有以上优点，但在实际使用过程中，发现变频电 机在低速下效率较低，能量损耗较大，频繁启停正反转存在转子发热问题。目前，变 频螺旋压力机只有少数机型能够投入实际生产中，其理论研究很少，经各方面文献查 阅，还没有变频螺旋压力机数控效率模型方面的研究，同时由于变频螺旋压力机的工 作处于频繁启停正反转的非稳定状态，其输入处于非稳态，这使得其效率模型的确定 成为难题。而近几年节能高效的电动螺旋压力机成为发展方向，急需对此类设备进行 5 山东理t 火学硕i ? 学位论文 第一章绪论 i i 理论研究。 本课题将建立变频螺旋压力机的数控效率模型，研究变频螺旋压力机在数字化控 制非稳态工作状态下的输出能量( 即打击能量) 和输入能量的关系。以j 5 8 k - 2 5 0 型 变频螺旋压力机为实验样机，通过不同工艺的实验，在输出能量与加工工艺变化的情 况下，监测输入能量的变化情况，建立在不同工艺的数控能量下能量输入量与输出量 的之间数学关系式，建立变频螺旋压力机数控效率模型，编写计算软件，解决变频螺 旋压力机数控效率模型的计算问题。 由于高耗能设备不断被淘汰，迫切需求节能高效的设备。变频电机的启动电流比 普通电机的启动电流小，变频电机在启动时就可以节约5 0 7 0 的能量。因此研究 变频螺旋压力机的数控效率模型，从节能的方面来说具有较强的实际生产与应用意 义。分析并确定变频螺旋压力机在不同能量下的力能关系，得出其力能关系曲线，使 用户可根据不同的打击力来基本确定打击能量，以节省能量和降低过大打击力。 在满足功能和性能要求的前提下，设备的效率将会成为首要技术指标，非稳态效 率模型研究是发展方向之一。通过本课题的研究，将解决变频螺旋压力机在数字化控 制状态下的非稳态效率模型和计算问题，为今后的生产应用和机型改进，做出理论依 据。 1 4 研究内容与方法 1 4 1 研究内容 本课题研究的主要内容是变频螺旋压力机的力能关系，即变频螺旋压力机在数控 状态下的输出能量和输入能量及打击力的关系。因变频螺旋压力机只有德国的少数机 型能够投入实际生产中，对于变频螺旋压力机的理论研究很少，经各方面文献查阅， 还没有变频螺旋压力机数控效率模型方面的研究，而近几年电动螺旋压力机成为发展 方向，急需对此类设备进行理论研究。加之，变频螺旋压力机处于非稳定工作状态， 其输入电流处于非稳态，这使得其效率的确定成为难题。本课题将通过实验，在输出 能量与加工工艺变化的情况下，监测输入能量的变化情况，建立能量输入量与输出量 的数学关系式。其内容包括： l 、变频螺旋压力机机身的刚度有限元分析； 2 、变频螺旋压力机的传动系统( 飞轮、螺杆) 的转动惯量分析； 3 、建立变频螺旋压力机在不同能量下的力能关系； 4 、建立变频螺旋压力机数控效率模型，在输出能量与加工工艺变化的情况下， 分析输入输出能量的关系。 6 山东理t 大学硕 学位论文第一章绪论 1 4 2 研究方法 l 、利用a n s y s 有限元分析方法，编写机身刚度有限元分析程序，分析机身的 刚度； 2 、用u g 对传动系统进行三维模型，得出传动系统的转动惯量； 3 、通过实验，对不同材料( 铜、4 5 钢、2 0 钢等) 的试样进行不同打击能量测试， 分析变频螺旋压力机在不同能量下的力能关系，并确定力能关系曲线； 4 、通过实验，测试输入能量、打击能量与工件变形能之间的关系曲线： 5 、根据实验曲线，用b e z i e r 参数法和最小二乘法，建立变频式螺旋压力机的效 率模型；编写计算软件，进行输入能量与输出能量之间数值计算； 6 、分析计算结果，与实验参数比较，对变频式螺旋压力机的数控效率模型进行 误差分析。 7 山东理- t 大学硕十学位论文 第二章研究变频螺旋压力机力能关系的基本方法 第二章变频螺旋压力机及研究力能关系的基本方法 变频螺旋压力机是使用变频驱动系统的螺旋压力机，与其它的锻压设备相比，大 大提升了电的使用效率。变频螺旋压力机用电机变速实现速度控制，其打击能量可数 字化设置，并将工作参数存储在控制系统中，操作人员只要将工艺需要的打击能量和 行程参数输入，控制系统就会依次对变频器相关的数据进行计算，并准确完成相应的 工作。 2 1 变频螺旋压力机 本文的实验样机是j 5 8 k 2 5 0 型变频螺旋压力机，属于经一级齿轮传动的电动螺 旋压力机( 如图2 - 1 ) 。经小齿轮带动大齿轮( 即飞轮) 和主螺杆旋转又经滑块内螺母 带动滑块上、下运动。电机正转滑块下降，打击工件，电机反转，滑块提升复位，完 成一个工作循环。其基本部分是由飞轮、螺杆、螺母和机身组成。 其工作原理如下：通过电机直接驱动，使飞轮加速转动以积蓄能量。同时，由螺 旋副将飞轮的旋转运动转化为滑块的上、下直线运动。利用变频可逆式电动机不断做 正反向的换向转动，带动飞轮和螺杆旋转，使滑块做上下运动。电机通过支架固定在 机身的顶部，电机的转子通过齿轮带动飞轮。当定子绕组通以三相交流电时，电磁力 驱动飞轮旋转，如果改变在定子上的电源相序，就能改变飞轮的旋转方向。通过螺旋 副的作用，就能实现滑块的往复运动和锻击工序。 制动 飞轮 横粱 小齿轮 大齿轮 电动机 螺杆 螺母 滑块 立挂 垫板 底座 拉杆帽 图2 - 1经一级齿轮传动的电动螺旋压力机 滑块打击时，制动器松开，同时接通电机，滑块下行，电机从最大扭矩加速飞轮， 位移传感器适时检测滑块速度，当滑块速度达到所需值时，电机断电，滑块下行打击 8 山东理t 大学硕f ：学位论文第二章研究变频螺旋压力机力能关系的皋本方法 毛坯。滑块快到下死点前，发出回程信号，电机反转，滑块回程，当滑块回程到一定 高度时，电机转入能耗制动，接近上死点时，制动器动作刹车，使滑块静止在上死点。 变频螺旋压力机采用变频电机驱动，使摩擦式螺旋压力机去掉了摩擦传动，使高 能螺旋压力机去掉了离合器和液压提升系统，螺旋压力机结构大幅度简化。变频螺旋 压力机的控制系统采用可编程控制器和变频驱动器，通过矢量控制和直接转矩控制， 实现低速恒转矩，有效抑制了电机温升，保证了系统的可靠性，使电机变速直接驱动 大惯量系统成为现实。由于采用变频控制技术有效减少了每次启动时带来的对电网冲 击问题，输出能量可在额定能量的1 5 一1 0 0 之间变化，输出能量的控制精确度很 高，而且能够提供持续稳定的打击力。 变频螺旋压力机打击能量可数字化设置，且工作效率高，输出能量大，压力大， 维修方便；可适用于对金属和非金属进行压力加工，适于多种零件成形。而且其节电 节能效果显著。但在实际使用过程中，若变频电机在低速下效率较低，能量损耗较大， 频繁启停正反转存在转子发热问题。 2 1 1 变频调速的基本原理 随着电力电子技术的进步，特别是微型计算机技术应用，新型控制策略的出现， 改变了电动机控制，电气传动的面貌，现在已经发展到了“运动控制”新阶段。运动控 制是近1 0 年来在国际上流行的一个新的技术术语，通常是指在复杂条件下将预定的 控制方案，规定指令转变成期望的机械运动。运动控制系统使被控制机械运动实现精 确的位置控制、速度控制、加速度控制、转矩或力的控制以及这些被控机械量的综合 控制。 变频调速技术是通过改变电动机定子供电频率来改变同步转速，从而实现交流电 动机调速的一种方法。变频调速范围宽，平滑性好，具有优良的动、静态特性，是一 种理想的高效率、高性能的调速手段。 根据电机学原理可知，交流电动机的同步转速为 ：盟 ( 2 1 ) 。p 异步电动机的转速为 刀：刀。( 1 - s ) ：盟( 1 一s ) ( 2 2 ) p 式中z 定子供电频率。 p 电动机极对数； j 转差率。 由此可见，若能连续的改变异步电动机的供电频率石，就可以平滑的改变电动机 9 山东理工大学硕士学位论文第二章研究变频螺旋压力机力能关系的基本方法 的同步转速和相应的电动机转速，从而实现异步电动机的无极调速，这就是变频调速 的基本原理。变频调速的最大特点：电动机从高速到低速，其转差率始终保持最小的 数值，因此变频调速时，异步电动机的功率因数都很高。可见，变频调速是一种理想 的调速方式。但它需要有特殊的变频装置供电，以实现电压和频率的协调控制。 2 1 2 变频螺旋压力机的控制系统 变频螺旋压力机的突出优点就是能量可调。因此在打击过程中，必须精确控制飞 轮能量大小。变频螺旋压力机滑块的每分钟行程次数直接受飞轮角速度的影响，由于 电机总处于带有大惯量载荷和频繁地正反向的启停状态，即一直处于“启动惯性 停车反向启动带0 动”的非稳态过程中，电流较大，转子产生热量大，除在顶 部装冷却风扇外，还要控制换向次数和转子的转动惯量。所以，一般来说，如何减小 启动电流和发热量、控制电机温升对于螺旋压力机的安全、稳定运行来说显得非常重 要。 变频螺旋压力机的控制系统以可编程序控制器为核心，辅以数字量输入输出、 模拟量输入输出扩展模块，再加上外围的控制电路和控制对象。c p u 模块通过通讯 接口与触摸屏进行通讯，触摸屏负责数据的显示和必要的参数设定；开关量输入输 出模块主要负责一些开关信号的控制；模拟量输入输出模块主要负责打击力的控制； 模拟量模块产生打击力指令信号，打击力通过触摸屏显示出来，变频器采用矢量控制 方式控制电动机运转，电动机通过传动机构带动压力机滑块实现上下往复运动。控制 系统运行时，通过安装在机身上的接近开关检测滑块的位置，并根据各接近开关信号 发出一系列控制指令，满足各种操作要求。 为提高螺旋压力机的工作效率，势必要提高其行程次数。而行程次数的多少与转 矩的快速响应息息相关。另外，何时发出断电和回程信号，对滑块回程过程的处理， 都是提高压力机工作效率时应注意的环节。 新兴的电力电子变频技术的发展为克服变频螺旋压力机的关键控制技术难题提 供了解决方法。控制系统采用矢量控制和直接转矩控制两种先进的电机调速技术，已 成功应用于实际生产中。 ( 1 ) 采用c t 变频器控制交流伺服电动机，运用矢量控制技术。矢量控制技术 将三相交流绕组等效为旋转坐标系下的两相正交绕组，即将三相旋转磁场等效为两相 旋转正交磁场，通过控制等效的励磁电流分量和转矩电流分量便可实现对三相交流绕 组的控制。通过这种坐标转换，实现了相互藕合的电机参数的解藕，可像直流调速控 制系统一样，对交流电动机的磁通和转矩分别进行控制，从而使交流电动机变频调速 系统具有了直流调速系统的全部优点。由于伺服系统为闭环系统，速度控制精度更高， 1 0 山东理工大学硕十学位论文 第二章研究变频螺旋压力机力能关系的基奉方法 从而能量控制更加精确。另外，在运行过程中可限制最大电流，从而避免电流峰值过 高引起电机严重发热。 实际运用中，伺服电动机采用旋转变压器作为反馈信号，提高其抗震能力。c t 变频器具有广泛的应用范围，提供多种控制宏以满足各种生产工艺要求。 ( 2 ) 采用a b b 变频器控制特制交流异步机，运用直接转矩控制。电机无须编码 器反馈，少了故障环节，系统更加简洁、可靠。 直接转矩控制是直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的 磁链和转矩。直接转矩控制不是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩，而是把转 矩直接作为被控量进行控制，强调的是转矩的直接控制效果。它采用定子磁场定向， 通过转矩两点调节器把转矩检测值与转矩给定值作滞环比较，把转矩波动限制在一定 的容差范围内，容差大小由频率调节器控制。另外，磁链的大小与电机的运行性能有 密切关系，从电机合理运行角度出发，仍希望电机在运行中保持磁链幅值不变，因此 需要对磁链也借助于滞环比较器做必要的控制。 直接转矩控制借助于转矩、磁链离散的两点式调节，产生最优化的p w m 开关信 号，以获得转矩的高动态性能，实现转矩的快速响应。直接转矩控制以输出恒定的设 定转矩为目标，因此电流波动小，不会出现传统启动方式的电流尖峰，有效的减少了 电动机的发热，保障了电动机的长期稳定运行。 9 与矢量控制技术相比，直接转矩控制具有更优异的特点。第一，直接转矩控制是 直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。不需要 为解涡而简化交流电动机的数学模型，省掉了矢量旋转变换等复杂的变换和计算。因 此，所需要的信号处理工作比较简单，所用的控制信号易于观察者对交流电动机的物 理过程做出直接明确的判断。第二，直接转矩控制的磁场定向采用的是定子磁链轴， 只要知道定子电阻就可以把它观测出来。而矢量控制的磁场定向所用的是转子磁链 轴，观测转子磁链需要知道电动机转子电阻和电感。而转子电阻、电感等与转子相关 的参数在电动机运行过程中相关因素太多，难以确定，使矢量控制的数学模型控制效 果大打折扣。而直接转矩控制则大大减少了矢量控制技术中控制性能易受参数变化影 响的问题。第三，直接控制转矩不是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩，而是 把转矩直接作为被控量进行控制，强调的是转矩的直接控制效果。它的控制效果不是 取决于电动机的数学模型是否能够简化，而是取决于转矩的实际状况。该控制系统的 转矩响应迅速，是一种具有较高动态响应的的交流调速技术。 直接转矩控制可在5m s 内达到额定转矩，适应变频螺旋压力机低速大扭矩的要 求。可通过输入1 1 0v 的电压信号对应电动机速度，从而控制能量大小。也可以直 接输入4 2 0m a 的电流信号对应设定的转矩值，直接控制电动机转矩以实现某些特 殊工艺。 1 l 山东理t 大学硕 学位论文第二章研究变频螺旋压力机力能关系的基本方法 2 1 3 变频螺旋压力机的软件结构 变频螺旋压力机的软件结构根据其控制系统的要求，将主程序分化为多个子程序 模块。采用模块化的结构，各模块既做到功能独立，又易于扩展，添加功能。 开关信号处理模块主要负责一些开关信号的控制，如主电机启动停止信号的控 制等；润滑电机控制模块负责控制润滑电机的启动停止，实现对整个压力机必要部 件的润滑。在程序运行过程中，还要实时检测压差、液位等信号，以保证润滑回路的 正常工作；点动模块实现滑块的点动运行，以保证以较小的速度实现可靠的合模对零。 控制程序对下行打击和回程分别进行控制。下行打击时，变频器正向运行触点闭 合，电动机以设定好的加速时间使其达到设置的速度，此时滑块加速运行，达到打击 工件所需的能量( 根据不同工件调节安装在机身上接近开关的位置) ，切断变频器正 向运行触点，滑块自由下滑打击工件，并在打击完毕后接受回程接近开关发出的信号； 如果下行打击工件尚未达到所需能量，此时滑块已到达下死点，为保护设备及变频器 必须断开运行信号。程序接受到滑块回程信号后，变频器反向运行触点闭合，电动机 以设定好的速度加速反向运行，到达一定的位置断开变频器反向使能，刹车制动，完 成一次打击过程。 2 1 4 变频螺旋压力机的主要参数 本文所研究的j 5 8 k - 2 5 0 型变频螺旋压力机的主要结构有以下部分：机身部分、 滑块部分、飞轮部分、电机部分、制动部分和顶出部分。 其技术参数如下： 公称力：2 5 m n 冷击力：3 2 m n 运动部分能量：1 2 k j 滑块行程：3 0 0 1 5 0 行程次数：2 4 3 6 次分 滑块最大连击次数：1 5 次分 最小装模高度：5 0 0 m m 工作台面尺寸( 左右前后) ：6 0 0 5 6 0 ( m m ) 电机平均功率：11 k w 顶出力：3 5 0 k n 顶出行程：1 5 0 m m j 5 8 k 2 5 0 型变频螺旋压力机适用于精密锻造。与传统的锻压设备相比，具有以 下优点： 1 2 山东理t 大学硕。l ：学位论文第一二章研究变频螺旋压力机力能关系的基本方法 1 ) 结构简单，操作便捷，运行安全，易于维护。 2 ) 打击能量可准确设置，制件成形精度高，公差小。 3 ) 采用变频技术，工作时，不会对工厂电网产生冲击及影响其它设备正常运行。 4 ) 压力机空载时无消耗能，效率高。 5 ) 主机无液压驱动单元，不存在液压油泄露污染环境和出现液压故障等问题。 6 ) 无摩擦带易损件。 7 ) 无下死点，不必调整模具高度，不会产生闷车现象。 8 ) 模具结构简单，换模容易。 9 ) 能方便地调整行程高度，回程位置准确。 关于力和能量关系的规律是螺旋压力机进行优化设计、结构改进和正确使用的理 论基础。同时制造厂十分重视螺旋压力机打击能量和打击力的检测，因为它不仅反映 了螺旋压力机的设计和制造水平，也直接影响螺旋压力机的使用性能。 本课题为研究变频螺旋压力机的力能关系，借鉴铜柱镦粗法 3 5 - 3 8 1 ( 测量铜柱高 度) ，对不同材料的试样进行不同预设能量的打击试验，检测螺旋压力机的打击能量 与打击力。在预设一定能量对试样进行打击时，除j 5 8 k 2 5 0 型变频螺旋压力机本身 可以显示的数据：打击能量、打击速度、打击行程之外，其它的数据可有w t l 6 0 0 型数字功率计记录：实际能耗、无功功率、有功功率、电压、电流等。然后根据记录 的数据计算试样的变形功、打击力，即可确定变频螺旋压力机的打击能量和打击力之 间的关系。 2 2 研究力能关系的基本方法 2 2 1 镦粗变形 在外力的作用下，使坯料高度减小，横截面积增大的塑性成形工序称为镦粗 【3 9 4 0 】。圆柱体镦粗通常是在两个平行的平砧之间对坯料进行压缩。在镦粗过程中，变 形体内部质点的流动遵循最小阻力定律。 1 、镦粗变形力的计算 由塑性成形原理可知，当采用主应力法求圆柱体镦粗时的应力分布时，可根据接 触面正应力分布来确定镦粗变形力和单位流动压力。 已知接触表面正应力分布后，便可按下式求得： 镦粗变形力pp = i l 仃：出 一一 单位流动压力pp = e s 式中r 坯料承压面积，s = 耐2 4 。分别计算镦粗变形力尸和单位流动压力p 。 1 3 山尔埋t 大竽坝t 字位论又第二苹研冗燹频螺旋压力机力能关系的暴奉方法 塑性变形时，接触面上各区大小与摩擦系数及皮料的高度有关。设圆柱体试样 的屈服应力吼，直径j ，高度办，令罢丝：一伊。 1 ) 当o 2 0 + 矽) 时，镦粗变形力和单位流动压力分别为 力 尸= r 慨 t + 型掣 + 景g 2 一) ) 2 砌+ e 。爿+ 掣 2 砌+ 2 0 e - 2 z 肌- ) 2 砌 p = 南弧黔姒哗 - ( 1 + 剀簪( + 鲁) - 鲁 协3 ， 2 ) 当o 。5 ，2 2 时，镦粗变形力和单位流动压力分别为 力 p = r 曲( ，+ 鲁一吾) 2 础+ 吼( + 毛字) 2 ，汕 p 弧d ；景卜( 1 + 丢) 协6 ， 式( 2 6 ) 适用于粗糙砧间的镦粗或热镦粗的情况。 上述公式计算繁琐，将上列单位流动压力的计算公式绘制成线图( 图2 2 ) 。给定 和形办值，便可确定相应的p o , 值。从该图看出，随着得增大，单位流动压力 受其影响的程度而减小。所以，当0 3 时，n - i 以用式( 2 6 ) 计算单位流动压力。 1 4 山东理t 大学硕上学位论文第二章研究变频螺旋压力机力能关系的基本方法 p = o 泐| o 4 0 0皇荔f 7 n 去迭， t v ，。 缈r o 步 么坳j ， 少 丝么 一一 图2 - 2 轴对称镦粗时p o ，和d h 的关系曲线 2 、镦粗变形功的计算 锻压设备主要是根据材料成形时所需的变形力和变形能量进行选用的。镦粗时的 作用力主要是冲击力。冲击力是用能量衡量的，所以设备的选取以坯料镦粗时的变形 功为基础。 假设圆柱体在镦粗过程中某瞬间的单位流动压力为p ，接触面2 e 作面积为s ，变 形高度压下量为d h ，则该瞬时的变形功为 d w = 一p 曲 设试样在变形时的高度为h ，圆柱体体积为v 。圆柱体镦粗变形时，初始高度， 结束高度，所需要的总变形功为 w = - e p s d h = j ：d 孛厅= yj ：o 和 ( 2 _ 7 ) 将单位流动压力公式直接代入推导。将式( 2 6 ) 代入上式得 形= y 州，+ 磊) 警 对于圆柱体d