变量泵容积调速挤压机能耗特性仿真分析

变量泵容积调速挤压机能耗特性仿真分析

0铝挤压生产设备及工艺向高性能和低能耗方向发展中国是世界上最大的生产区、出口国和消费国。2015年，中国的铝加工材料达到26.1万吨，排名世界第一，铝压缩材料产量达到14000万吨。中国正在加快节能环保关键装备的自主研发,铝挤压生产设备和工艺向着高性能、低能耗的方向发展,单位产品能耗逐渐降低。一般来说,挤压机通过驱动电动机、筒加热器、冷却风扇、冷却水泵、水泵、齿轮泵等来消耗能源。其中驱动电动机是最大的能源消耗设备,而筒/冲模加热器是第二大能源需求装置ZHAO等人1分析了挤压机的能耗特性1.1挤压机的最大挤压力铝型材卧式单动液压挤压机(SY-10MN),其结构示意图如图1所示。该挤压机的最大挤压力为10MN。文中的研究对象是变量泵容积调速铝型材挤压机的液压系统,其具体组成如表1所示。该挤压机的主要技术参数如表2所示。1.2高压系统的稳定机构挤压机挤压过程的基本能量流如图2所示。三相异步电动机不仅从电网中获得有功功率,而且得到无功功率。有功功率转换为柱塞泵所需的机械能,无功功率被用于构建和维持磁场和电场之间的关系,并且返回电力输送网。三相异步电动机将电能转化为电机轴旋转的机械能,旋转的电机轴通过联轴装置驱动柱塞泵运转且输出高压油,将机械能转换为媒介的液压能。控制阀组由流量控制阀、压力控制阀门和顺序阀组成,用于控制液压流向,以实现液压系统的复杂动作。挤压油缸将高压油的液压能转化为挤压杆的机械能,挤压杆通过模具将机械能转换成变形能量挤压金属变形,剩余能量在回油路中进行释放。不同形式能量之间的转化必然伴随着能量损失,并且部分的能耗损失转变成热能,使油液温度升高。1.3挤压机挤压生产过程铝型材挤压机的挤压过程分为3个阶段:第一个阶段:主缸前进(空载状态),由辅助油缸执行,首先开启主缸进阀和主缸退阀,采用差动供油,主缸快速前进。随后为避免速度太快造成主缸超出限位,开启主缸进回油阀,变为非差动供油,主缸慢速前进,同时开启充液阀,油箱油液进入主油缸进行填充。第二个阶段:挤压前进,当挤压杆前进至与锭坯接触时,关闭主缸退阀断开差动供油,随着辅助油缸内压力不断升高达到一定值,开启顺序阀和泄压阀,高压油进入主油缸开始挤压工作。第三个阶段:快速后退,挤压前进结束后只开启主缸退阀和主缸退回油阀,主缸后退至起点,挤压过程结束。挤压机挤压生产过程的3个阶段,主要是通过插装阀的信号设置实现的。现场采集实验数据得到挤压过程3个工况的持续时间:空载前进10s,挤压前进65s,快速后退9s,如表3所示,从零时刻开始到84s结束,用以设置插装阀、顺序阀和充液阀的信号。挤压机在挤压过程中各动作阶段之间油缸的负载和速度不同,致使其能耗情况也有所不同,并且随着工作循环呈周期性变化,如图4所示为一个周期挤压过程中的能耗情况。空载前进和快速后退阶段与挤压工艺不相关,每次执行所需的时间和能耗基本一致,执行时间皆为10s左右,平均功率约为45kW,其中用于油缸空载移动克服摩擦力和回油压力的能耗约占30%;挤压前进阶段受到铝锭长度和制品截面积等因素影响,执行时间为1~2min左右,平均功率约为70kW,其中用于油缸做功的能耗约占60%~70%。挤压机的挤压过程总体能耗为3个阶段工况能耗之和。能耗模型通过挤压过程的功率来计算,液压系统的功率可分为输入功率和输出功率,按输出功率的作用可分为有用功率和损失功率,有用功对负载做功,损失功率则被消耗为热能。根据各阶段输入能量的消耗,建立挤压过程的能耗方程,如式(1)所示。式中:E在每个阶段,电机是液压系统的能量输入装置,其输出转矩和转速作为液压泵的输入,液压系统的液压缸对铝锭做功为能量的有用输出,液压系统的输入、输出以及损失能耗如下所示。式中:t2挤压机的能耗极限模型2.1挤压缸工作原理如图5所示为挤压机液压系统的原理图,三相异步电动机驱动柱塞变量泵为液压系统提供油压,通过二通插装阀可以控制主缸和辅助油缸的油路以实现各种工况。挤压缸由两个辅助缸和一个主缸组成,为非对称活塞式结构,各活塞杆末端固定并连接挤压杆,辅助油缸的主要功能是完成主缸的前进和后退动作,而主缸负责主要的挤压前进动作,推动挤压杆进入挤压筒进行挤压工作。充液阀开启时为主缸补充油液。当液压系统压力超过设定值时,先导溢流阀起到泄压保护作用。2.2油液流场的密封根据图5所示挤压机液压系统原理图以及图2所示挤压过程的基本能量流,建立功率键合图模型如图6所示。功率键合图建模时主要有如下几点假设:以等效集中参量来考虑液阻、液容和液感,管道中油液为层流;油缸与油管接口处、插装阀与油管接口处的液阻不计;主油缸以及辅助油缸的活塞密封性好,忽略前后腔之间的泄漏。忽略管道连接处的泄漏影响;假设油液的密度、黏度和体积弹性变量为理想状态,不因压力和温度的变化而变化,油液的动力黏度视为常值;对于系统中的泵、阀和油缸来说,因为制造精度较高且润滑条件良好,所以不考虑系统的库仑摩擦力;忽略柱塞变量泵出口的防倒吸单向阀的液阻,由于该段管路较短,因此忽略其液容;在变量泵的模型中,不考虑压力油通过柱塞作用在斜盘上力的影响,而用阻性元R影响液压系统动态特性的因素如表4所示。2.3数学模型的建立在对一个液压系统的动态特性进行数字仿真时,需要建立该系统在动态过程中的数学模型,即状态方程。根据图6挤压机功率键合图模型推导出相应的状态方程,由于功率键合图模型较为复杂,以下分别列出对应的状态方程。2.3.1溢流阀溢流动力学2.3.2主柱状方程2.3.3支持油的喷射2.3.4阀式方程2.3.5电机柱塞泵状态方程式中:Qω(2)液压泵输出压力式中:电动机转速滑差Δω=S3基于手动锁合图模型的可靠性验证3.1挤压机运行参数监控与分析挤压机监测系统如图7所示。通过铝型材挤压机的控制台可以采集到的数据包括挤压杆的前进、后退速度和电机的电压、电流值(电机的输入功率),在挤压机控制系统的PLC上加装以太网采集模块,对挤压机运行参数进行采集。挤压机监测系统统计分析从PLC拓展的以太网通讯模块传输而来的数据,完成对挤压机设备状态运行参数的监测与优化分析。绘制每台挤压机的设备状态参数变化曲线,便于挤压机运行状态监控与回溯。3.2实验数据与仿真曲线的对比仿真模型也可以得到挤压杆的速度、位移,虽然电机的仿真模型没有电流和电压值,但能得到角速度和转矩。文中将挤压机的空载前进、快速后退和挤压前进这3个阶段的实验数据与仿真曲线进行对比,如图8所示。由以上的对比图可知,功率键合图模型的能耗仿真曲线与实验数据一致,误差也被控制在较小的范围内,能够很好地反映出挤压机空载前进、快速后退、挤压前进的响应特性,实验结果证实了液压系统能耗模型的有效性。4抗压机的能耗模拟分析4.1系统能量消耗情况在挤压机液压系统仿真模型的基础上结合能耗方程、功率平衡与损失方程研究系统的能耗分布。如图9(a)所示为系统的输入输出能耗仿真结果,也就是柱塞泵的输入功率,挤压缸的输出功率。然后据此可以计算得到系统的输入、输出能耗。如图9(b)所示为泄压阀、柱塞泵、挤压缸、管路、插装阀的功率损失的仿真结果。综合分析以上仿真结果,可以清晰地看出挤压前进的各耗能元件的能量消耗和损失情况。能量损失最大的是溢流损失占17.1%,变量柱塞泵的能耗损失占9.15%,挤压缸的能耗损失占2.1%,其他损失占0.45%。由此可知变量泵容积调速挤压机效率不高的主要原因是溢流能耗损失,其次是变量泵的效率不高。4.2系统挤压速度仿真在工厂实际生产中,工人根据自己的经验设置工艺参数,造成了能源的损耗和浪费,其中挤压速度是一项重要的工艺参数。现假设负载与挤压速度无关,然后通过仿真研究挤压速度与挤压能耗的关系。按照操作规程挤压速度是在一定范围内进行取值的,现设定速度范围为5.5~12.4mm/s,速度变化率为50%,设置系统的泵输出流量、时间等参数,进行一个挤压前进过程仿真,得到不同速度设定值的挤压速度曲线如图11所示。通过仿真的后处理计算,可得系统的输入能耗、输出有用能耗(挤压能耗)以及总效率,如表5所示。由以上可知,固定规格的铝棒其挤压能耗恒定,挤压速度决定了系统的输入能耗及总效率,即挤压速度越快能耗越低、时间越短;但在实际生产中,速度越快制品成材率越低,更多的不合格品返回制成铝锭重新加工消耗能源,所以在保证制品品质的前提下适当提高挤压速度有利于降低生产能耗。5液压系统节能方法的研究(1)基于功率键合图对变量泵容积调速挤压机进行能耗特性建模及优化分析。结果表明,溢流能耗损失是造成挤压机能耗损失的主