铝挤压机能耗建模与分析

铝挤压机能耗建模与分析

0挤压机能耗特性挤压机是压延工艺线的重要设备。其工作能力高，受到压延工艺的要求和机器本身的动态动力形式的限制，导致能耗严重、压缩效率低。由于抗压缩工艺的工作量约为60%，失去的能量转化为能耗。挤压机的能耗主要发生在挤压过程阶段,该阶段持续时间长,实现铝锭挤压成铝制品的转化过程。挤压机的动力系统为液压传动方式,能耗损失主要是液压系统的功率损失。目前针对挤压机的节能研究包括挤压机设备的节能改造、挤压工艺的参数优化及提高挤压制品成材率等本文将从挤压机液压系统原理的角度,对挤压过程能耗进行理论分析,并借助AMESim仿真软件做仿真与优化研究。1压缩过程中的能耗建模1.1压延工艺的原理挤压过程的液压系统原理简图如图1所示,系统采用交流异步电机+柱塞变量泵的动力及流量控制形式1.2液压系统的能量特性系统共有三次能量转化:首先电机通电,将电能转化为机械能;然后通过联轴装置,驱动液压泵运转将机械能转换为液压能,输出高压油;最后挤压油缸将液压能转化为机械能进行挤压做功。其中液压控制系统考虑动力元件、执行元件及控制元件的能量的传输、转化和损失,损失主要包括机械摩擦损失、容积损失、溢流损失、局部压力损失、动能势能损失等。能量流向如图2所示。重点研究关键的能耗元件:柱塞变量泵、插装阀、挤压缸PΔP2能源单元的能源分析2.1柱塞变量泵的能耗分析柱塞变量泵的总效率主要包括容积效率和机械效率功率损失ΔPqT2.2功率损失的控制插装阀通过调节阀芯和阀套之间的相对移动,改变阀口的流通截面积来控制主油路的油液流动方向,功率损失主要表现为局部压力损失,当油液进入阀口,在阀芯处的过流面积迅速变小,形成压差,消耗能量。因压差造成的功率损失可用以下公式表示。其中,Δp2.3抗压缩机的能耗分析挤压缸挤压工作时,高压油进入挤压油缸无杆腔推动活塞,克服金属形变应力做功挤压缸的功率平衡方程:3建模和模拟amesim3.1hcd设计模型的建立进入AMESim环境,草图模式下调用系统提供的液压库、机械库、液压元件设计库和信号库,搭建仿真模型,针对上文提及的柱塞变量泵、挤压缸、插装阀块和油路的能耗使用与功率损失进行HCD设计,并选择最简子模型。挤压过程的液压控制系统模型如图3所示。3.2盘控制器三部分积分卡式泵体的机械损失计算泵体为斜盘式轴向柱塞变量泵,主要包括配流盘、柱塞容腔、斜盘柱塞连接器和斜盘控制器三部分考虑泵体的容积损失,包括柱塞副泄漏、滑靴副泄漏,考虑油液的压缩性,即可得到容积压缩损失,各柱塞的配流副泄漏之和在泵体出口处表示,泵体的机械损失由带阻尼的旋转负荷扭矩模型表示,变量泵的参数如表1所示。3.3压缩波模拟模型利用AMESim的HCD库和信号库,根据挤压缸的结构原理与功率损失建立挤压缸模型3.4插装阀模仿模型插装阀包括阀体和阀座,通过HCD库进行设计3.5仿真结果验证设置仿真时间为69s,通信间隔时间为0.01s,运行并查看仿真结果,得到挤压过程的挤压速度曲线,通过后处理,得到挤压过程的各耗能元件的功率特性曲线,为了验证模型的有效性,仿真结果与实验数据进行对比,如图5、6所示,仿真与实际的挤压完成时间分别为63s和66s,挤压的完成时间基本一致;由于仿真考虑的比较理想化,仿真的速度和电机输入功率虽然存在误差,但曲线的总体趋势相差不大,可进一步分析模型的能耗情况。3.6损失能耗情况根据能耗平衡方程(1)和(2),对液压系统仿真模型的耗能元件进行能耗分析:包括变量泵和挤压缸的输出能耗,如图7损所示;变量泵的损失能耗、进油阀的局部压力损失能耗、泄压阀的溢流损失能耗、挤压缸损失能耗,如图8所示。根据上文的仿真结果,可以清晰地反映了挤压过程的各耗能元件的能量消耗和损失情况,通过进一步计算,可知总能耗为1.17kWh,挤压缸输出的有用功占总能耗的71.2%,能量损失最大的是溢流损失占17.1%,变量泵的能耗损失占9.15%,挤压缸的能耗损失占2.1%,其他损失占0.45%。4能耗特性的测量是压力压对挤压过程的工作原理与液压系统能耗进行分析,在AMESim平台上建立系统仿真模型,验证了模型的正确性。并得到挤压过程耗能元件的能耗曲线,量化了能耗分布,得出挤溢流能耗损失是造成挤压效率不