​电液混合驱动技术在钣金设备上的应用

电液伺服混合驱动是一项节能环保的新技术，它不仅可以提升设备性能，节约大量的电力和液压油，也使得设备的维护费用非常低。目前，混合驱动技术在金加工设备上的应用已经崭露头角，越来越多地受到了客户的欢迎，必将形成一场绿色革命。“中国制造”遍布世界各地，中国早已成为“世界加工厂”，其中，我国装备制造业的增加值占全国GDP的25%，产值居世界第一。然而，我国制造业资源消耗大、环境污染严重，资源效率与国际先进水平相比尚有较大差距。2012年，我国一次能源消费量36.2亿吨标煤，消耗全世界20%的能源，单位GDP能耗是世界平均水平的2.5倍，美国的3.3倍，日本的7倍。钣金制造业是中国非常庞大的一个产业，从业人数众多，企业大量使用各种液压设备，如折弯机、剪板机、液压机、冲床等。目前，该行业市场竞争非常激烈，附加值低。针对这种现状，为鼓励制造业走科技含量高、经济效益好、资源消耗低、环境污染少的新型工业化道路，国家相继出台了《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020）》、《国家“十二五”科学和技术发展规划》，重点发展先进的绿色制造技术与产品，突破制造业绿色产品设计、环保材料、节能工艺、绿色回收处理等关键技术，推广绿色制造技术与装备的应用及产业示范等。电液伺服混合驱动是一项节能环保的新技术，它不仅可以提升设备性能，节约大量的电力和液压油，也使得设备的维护费用非常低。目前，混合驱动技术在钣金加工设备上的应用已经崭露头角，越来越多地受到了客户的欢迎，必将形成一场绿色革命。电液混合驱动技术原理电液混合驱动技术是通过改变伺服电机的转速来改变伺服泵的输出流量，并通过伺服控制器实现流量和压力的双闭环。电液混合驱动技术主要分为两种，一种为伺服电机与单向定量泵的组合：ServoVariable-speedPump，简称SVP，如图1所示。另一种为伺服电机与双向泵的组合：DoubleServoVariable-speedPump，简称DSVP，如图2所示。图1SVP液压系统图2DSVP液压系统DSVP与SVP最大的区别在于油泵不同，SVP的油泵只能单向旋转，需要通过换向阀来控制执行元件的前进和后退。DSVP的油泵可以双向旋转，可依靠伺服电机的正反转来控制双向泵的液流换向，从而控制执行元件的前进和后退。组成伺服泵组的油泵可通过四象限分布形式来区分SVP和DSVP，如图3所示。第一和第三象限表示泵、第二和第四象限表示马达，满足第一和第二象限的油泵只能有一个流量输出口，理论上此口可逆，可输入流量，做马达用，故可组成SVP；只有满足四个象限上的特征即有相反的两个流量输出或输入口的油泵才能用于DSVP，DSVP相当于两个SVP。图3油泵四象限通过按油泵变量与定量形式的分类，SVP与DSVP各有两种组合形式，如图4所示。其中，型号为A10FZO、A10FZG、A10VZO和A10VZG的元器件为目前企业应用广泛的新型四象限油泵。图4伺服泵组型谱目前，电机驱动技术主要指由普通交流电机、变频电机和伺服电机来进行驱动的技术，而油泵亦有定量泵和变量泵之分，采用不同驱动技术及油泵所组成的系统会产生不同的效率、性能和成本，这些指标各有三个等级。所组成系统的比较如图5所示，笑脸代表“好”，哭脸代表“差”。图5不同形式泵组之间的比较由混合驱动技术组成的液压系统，当液压系统空运转时，通过伺服电机控制泵的转速，使其空载功率消耗最小；当伺服电机启动时，油泵可接近于无压力无流量启动，启动功率极小；在油缸工进、保压阶段，当系统压力达到设定压力时，伺服控制系统会根据设备所需速度和压力给伺服电机相应的转速和扭矩指令，使液压系统不再产生溢流损失和节流损失。电液混合驱动技术的优势性能优势⑴出众的位置控制性能，重复定位精度±0.005mm；⑵杰出的轨迹跟随性能，同步精度高，工进时同步精度在0.020mm之内；⑶过载保护性能，对不同规格设备的系统进行最大扭矩控制，防止人为因素造成系统过载。经济优势⑴显著节能，提高效率，最大可节约电能70%，节约液压油80%；⑵采用泵控取代常规阀控，消除节流损失，产生的热量极少；⑶需求的油量精确配给，通过动态调节伺服电动机的速度进行优化；⑷无用功耗少；⑸当不需要流量或压力时，可关闭伺服电动机；⑹一般情况，硬件技术升级成本回收周期为1～2年。对设备和人的保护意义⑴热平衡温度低，无需冷却装置，液压部件寿命延长；⑵空闲、快下、保压、返程状态下噪声明显下降，dB值降低10，从而改善工作环境。对环境保护的意义电力消耗减少，CO2排放减少，热量排放减少。以一台100吨折弯机为例，理论功率11kW，每天运转8h，每250个工作日，按70%节电水平计算节约的电力：11×0.7×8×250=15400kWh（度）；1kWh相当于0.172千克煤发出的热量，热排放（标准煤）减少量：15400×0.172=2648千克标准煤。由此可知，每年至少减排6吨CO2，中国每年有22万台成形设备在运转，如果全部采用此技术，可节约电能21亿度。比例伺服阀或伺服阀控制技术存在的劣势⑴电液伺服阀对油液污染特别敏感。工作油污染将加快电液伺服阀磨损及故障发生，导致电液伺服系统工作可靠性和性能稳定性降低，因此必须强化和完善过滤技术，提高液压油的清洁度，同时也增加了电液伺服系统的成本。⑵使用泵站系统增加了成本。电液伺服系统需要一套泵站系统提供恒压油源，使得系统的体积增大、复杂程度增高，从而增加了系统的成本。⑶系统能量浪费严重。电液伺服阀提供的负载压力最大只有油源压力的三分之二，因此系统能量浪费严重，还会引起系统发热，附加的冷却装置进一步增大了系统的装机功率和成本，而发热也是造成液压系统发生故障的主要原因之一。⑷电液伺服阀加工精度高，价格贵，维修不方便。电液混合驱动技术在钣金设备上的应用在数控折弯机上的应用电液混合驱动技术应用于数控折弯机上，可实现高精度的压力、位置及同步控制，并能降低能耗。目前主要有两种控制技术，其一是高性能的闭式泵控技术，我们称之为DSVP系统，另一种是开式泵控系统，我们称之为SVP系统。两种控制原理接近，SVP一般让伺服电机按一个方向旋转或停止，它可以替代压力阀和流量阀的功能，而DSVP则没有限制，它可以替代压力阀、流量阀和方向阀功能，其控制原理如图6所示，DSVP应用液压原理如图7所示。图6控制原理图图7DSVP折弯机液压原理与某公司合作，对其混合驱动折弯机工艺曲线和技术参数进行采集，其中，工艺曲线如图8所示，该图可实时反映出机床运行过程中两只油缸运行的速度、位置、压力及其相应的误差。图8中有三条盆状曲线，褐色表示理论控制曲线反映运动轨迹的规划；绿色表示一根轴Y1的实际运动轨迹；红色表示另外一根轴Y2的实际运动轨迹；其他的曲线反映速度和压力的模拟给定量及压力传感器的实时反馈。系统动作控制的好反映在曲线光滑，工作周期短，曲线重叠。当机床运行产生偏差，数控系统计算出轴Y1和Y2实际位置及两者差值，经过系统运算调整同步偏差，同时将两轴平均位置与理论位置进行比较调整其偏移量。图8折弯机工作过程中的工艺曲线该设备与电液伺服折弯机（使用比例伺服阀）的技术参数如表1所示，它们的最大工作力均为160t。DSVP混合驱动系统与传统阀控系统相比较，其在待机状态下几乎不消耗能量，在油缸工进和保压阶段，当系统压力达到设定压力时，控制系统会根据设备所需要的速度和压力，给混合驱动系统相应的转速和扭矩指令，从而消除了节流损失，节能效果显著，综合节能70%。两种系统的耗能比较如图9所示。图9DSVP泵控系统与阀控定量泵系统耗能比较采用电液混合驱动系统折弯机的油箱容积减少了75%，降低了用油量的成本，需求油量精确配给，热平衡温度低，无需冷却装置，液压元件寿命延长，对液压油颗粒敏感度从NS7降为NS9。与电传动相比，不需要更换滚珠丝杠及润滑脂的维护。图10为DSVP在数控折弯机上的应用，图11为SVP在数控折弯机上的应用。图10DSVP在数控折弯机上的应用图11SVP在数控折弯机上的应用表1电液伺服折弯机和电液混合驱动折弯机技术参数的对比在剪板机上的应用在剪板机上电液混合驱动技术充分发挥了伺服电机的调速性能，结合优化后的压力和流量控制算法按需供油，与原来的定量泵系统相比，可大大的节省能源。伺服对压力、流量的快速跟随，保证了剪切力和剪切速度。伺服最快响应速度可达13ms，确保系统更快的建立压力。图12为SVP在剪板机上的应用。图12SVP在剪板机上的应用在油压机上的应用电液混合驱动技术应用在油压机上，伺服系统是按需供油，大大提高了节能效果，其重复控制精度可达±0.010mm。闭式和开式两种伺服泵控技术的控制原理如图13所示。图13伺服油压机控制原理图图14伺服油压机耗能曲线图15SVP在伺服油压机上的应用图16DSVP在伺服油压机上的应用电液混合驱动技术应用在油压机上，可节能约40%～70%，耗能曲线如图14所示，伺服系统仅在需要时才旋转，噪声综合下降30%。伺服系统采用高效的弱磁算法，充分发挥伺服电机的高转速，使系统获得更大的流量输出，提高了油压机的整体效率和时间节拍。目前电液混合驱动技术已经在一些高精的冲压设备上得到了广泛的应用。SVP和DSVP在伺服油压机上的应用分别如图15、图16所示。结束语用交流伺服驱动油泵直接控制油缸，提高了液压系统的效率和精度，省去了调压回路和调速回路，让油路更加简单可靠