采用變頻調(diào)速的砌塊成型機(jī)液壓系統(tǒng)節(jié)能分析

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(1.太原理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 山西 太原　030024; 2.太原理工大學(xué) 力學(xué)學(xué)院， 山西 太原　030024)

引言

砌塊成型機(jī)是以工業(yè)廢渣(煤粉灰、爐渣、冶煉渣等尾礦渣)為原料，生產(chǎn)新型建筑材料的設(shè)備，該設(shè)備變廢為寶，屬于環(huán)保設(shè)備。但砌塊成型設(shè)備液壓系統(tǒng)本身一直存在功率損失大和能源浪費嚴(yán)重的問題。分析原因，主要是由于設(shè)備液壓系統(tǒng)流量不匹配，系統(tǒng)存在大量的溢流損失所致。液壓系統(tǒng)的節(jié)能是指使液壓系統(tǒng)的動力源供應(yīng)的壓力和流量自動與執(zhí)行元件的負(fù)載變化相適應(yīng)[1]，即動力源提供的動力正好是執(zhí)行元件所需要的動力。暢琦等研究的砌塊成型機(jī)液壓系統(tǒng)動力是由一個限壓式變量泵和一個定量泵組成，主要對砌塊成型機(jī)模頭成型回路進(jìn)行改善，可以基本滿足系統(tǒng)對流量的適應(yīng)，降低了液壓系統(tǒng)溢流損失，實現(xiàn)了節(jié)能的效果[2]。但變量泵相對定量泵來講，價格更高，控制更復(fù)雜，抗污染能力更弱一些[3]。特別在砌塊成型機(jī)這樣的一種使用環(huán)境下，為了提高系統(tǒng)的可靠性，應(yīng)盡量選用抗污染能力更強(qiáng)的定量齒輪泵。另一方面， 限壓式變量泵的工作曲線決定了只有工況與曲線相近時，節(jié)能效果才會較好。通過對砌塊成型機(jī)成型過程綜合分析，在分析成型過程各階段對壓力、流量需求的基礎(chǔ)上，綜合考慮，本研究決定采用變頻電機(jī)驅(qū)動定量泵作為動力源，通過調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，使液壓泵的輸出功率盡可能與負(fù)載功率匹配，達(dá)到降低能量損失的目的。同時，又可以提高系統(tǒng)的可靠性。

1　變頻調(diào)速的機(jī)理

液壓泵的輸出流量與電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系表達(dá)式如下所示：

q=ηVVn/1000

(1)

式中：ηV為液壓泵的容積效率；V為液壓泵的排量；n為電機(jī)轉(zhuǎn)速；q為液壓泵流量。

電機(jī)的轉(zhuǎn)速n=60f(1-s)/p，因此有：

q=0.06ηVVf(1-s)/p

(2)

式中:f為輸入頻率；p為電機(jī)磁極對數(shù)；s為電機(jī)轉(zhuǎn)差率。

由(2)式可知，變頻調(diào)速技術(shù)是通過改變電機(jī)定子繞組供電頻率f來改變電動機(jī)轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)液壓定量泵的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)對液壓泵輸出流量的控制，使液壓泵的輸出流量滿足工藝需求。變頻調(diào)速范圍寬，平滑性好，具有優(yōu)良的動、靜態(tài)特性，是一種理想的高效、高性能的調(diào)速手段[4]。

2　采用變頻調(diào)速的砌塊成型機(jī)液壓系統(tǒng)

采用變頻調(diào)速的砌塊成型機(jī)液壓系統(tǒng)由模頭成型回路、模箱回路、布料箱布料回路、儲料斗開關(guān)回路、供托板回路及馬達(dá)旋轉(zhuǎn)回路6部分組成，液壓系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

改進(jìn)后的砌塊成型機(jī)液壓系統(tǒng)與原液壓系統(tǒng)相比主要是系統(tǒng)的動力源不同。在原液壓系統(tǒng)中，系統(tǒng)的動力源采用普通電機(jī)驅(qū)動限壓式變量泵，為系統(tǒng)提供能量，但缺點是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、故障率高、抗污染能力差。此外，采用限壓式變量泵只能對模頭成型回路進(jìn)行節(jié)能改善，具有局限性。改進(jìn)后的液壓系統(tǒng)，采用變頻調(diào)速電機(jī)驅(qū)動定量齒輪泵，不僅彌補(bǔ)了限壓式變量泵抗污染能力差的缺點，而且高轉(zhuǎn)速且調(diào)速范圍寬的定量泵滿足變頻電機(jī)在不同工況下的頻繁變速需要，從而實現(xiàn)了節(jié)能，提高了系統(tǒng)的可靠性。

砌塊成型機(jī)液壓系統(tǒng)有6個執(zhí)行元件，合理安排多個執(zhí)行元件動作順序,會降低系統(tǒng)的裝機(jī)功率。因此，本研究提出了新的排序方式,6個執(zhí)行元件相互穿插進(jìn)行,使系統(tǒng)的能量利用充分。

砌塊成型過程：兩個定量泵同時向模頭液壓缸上腔供油，模頭液壓缸在差動連接下，快速下降0.6 s；當(dāng)模頭接觸到干性模料時，差動連接斷開，只有定量泵1向模頭液壓缸上腔供油，模頭振動工進(jìn)5 s。為了縮短成型周期，在模頭工進(jìn)5 s時，同步完成以下四個動作：定量泵7向儲料斗倉門液壓缸供油，倉門打開；定量泵7向托板液壓缸供油，托板液壓缸復(fù)位；定量泵7卸荷；定量泵7向儲料斗倉門供油，倉門關(guān)閉。當(dāng)模頭壓制砌塊完成時，兩個定量泵向模箱下腔供油，模箱在差動連接下快速上升0.7 s，在模箱上升0.7 s內(nèi)，工藝需要模頭上腔泄壓。砌塊壓制成型以后，兩個定量泵同時向模頭液壓缸下腔供油，模頭上升0.58 s，兩個定量泵同時向托板液壓缸供油，托板液壓缸轉(zhuǎn)移砌塊1.25 s，兩個定量泵同時向模箱液壓缸上腔供油， 模箱下降1.45 s；定量泵7向布料箱液壓缸供油，布料箱伸出1 s，與此同時，定量泵1向布料馬達(dá)供油，馬達(dá)運轉(zhuǎn)1 s；布料完成后，定量泵7向布料箱供油，布料箱縮回0.37 s，整個成型周期10.95 s。

3　砌塊成型機(jī)液壓系統(tǒng)的仿真分析

衡量液壓系統(tǒng)是否實現(xiàn)節(jié)能，從液壓系統(tǒng)的能耗，整個周期運行的時間，性價比等綜合考慮。利用AMESim仿真軟件，在HCD庫中分別組建原砌塊成型機(jī)液壓系統(tǒng)模型，如圖2所示；采用變頻調(diào)速的砌塊成型機(jī)液壓系統(tǒng)模型，如圖3所示。在兩種仿真模型系統(tǒng)中，對應(yīng)液壓缸參數(shù)設(shè)置相同，負(fù)載參數(shù)設(shè)置相同。原液壓系統(tǒng)的定量泵流量81 L/min及溢流閥設(shè)定壓力為6 MPa，限壓式變量泵的最大流量為43 L/min，在負(fù)載壓力為14 MPa時輸出流量為0；改進(jìn)后液壓系統(tǒng)的定量泵1流量16 L/min，溢流閥的額定壓力15 MPa，泵7的流量80 L/min，溢流閥的額定壓力 6.3 MPa。

圖2　原砌塊成型機(jī)的AMESim模型

圖3　采用變頻調(diào)速的砌塊成型機(jī)的AMESim模型

4　砌塊成型機(jī)液壓系統(tǒng)仿真結(jié)果分析

通過AMESim軟件仿真，得出變頻電機(jī)驅(qū)動定量泵回路和普通電機(jī)驅(qū)動變量泵回路在一個周期內(nèi)的功率曲線如圖4所示。對比分析可知，在保證系統(tǒng)各項功能指標(biāo)前提下，普通電機(jī)驅(qū)動變量泵輸出壓力和流量過剩，系統(tǒng)最大輸出功率17 kW；變頻電機(jī)驅(qū)動定量齒輪泵按負(fù)載所需提供能量，系統(tǒng)輸出最大功率只有6 kW。變頻電機(jī)驅(qū)動定量泵液壓系統(tǒng)的功率曲線在普通電機(jī)驅(qū)動變量泵液壓系統(tǒng)之下，大大降低了能量的損耗。在一個成型周期內(nèi)，普通電機(jī)驅(qū)動變量泵液壓系統(tǒng)所需時間為11.4 s，而變頻電機(jī)驅(qū)動定量泵液壓系統(tǒng)的所需時間縮短到10.95 s。

圖4　普通電機(jī)驅(qū)動變量泵回路和變頻電機(jī)驅(qū)動定量泵回路在一個周期內(nèi)的功率曲線

圖5是普通電機(jī)驅(qū)動變量泵和變頻電機(jī)驅(qū)動定量泵對應(yīng)溢流閥的流量輸出曲線。普通電機(jī)驅(qū)動變量泵系統(tǒng)中，限壓式變量泵的工作特性曲線只與模頭壓制回路的工況曲線相近， 輸出流量隨負(fù)載流量變化而調(diào)節(jié)，所以在模頭壓制回路的節(jié)能效果最佳，但是對于整個成型回路，系統(tǒng)仍存在溢流損失。采用變頻電機(jī)驅(qū)動定量泵，變頻電機(jī)工作在50 Hz以上是恒功率特性，定量泵在模頭壓制回路輸出小流量大壓力，在其他回路輸出大流量小壓力，系統(tǒng)無溢流損失，效率高。

圖5　普通電機(jī)驅(qū)動變量泵和變頻電機(jī)驅(qū)動定量泵對應(yīng)溢流閥的流量輸出曲線

圖6是兩個系統(tǒng)在一周期內(nèi)各自普通電機(jī)驅(qū)動定量泵對應(yīng)溢流閥的輸出曲線。原砌塊成型機(jī)液壓系統(tǒng)，普通電機(jī)驅(qū)動定量泵，輸出恒定流量，沒有合理分配到系統(tǒng)工作中。而采用變頻調(diào)速的砌塊成型機(jī)系統(tǒng)，6個執(zhí)行元件相互穿插進(jìn)行的排序方式,是實現(xiàn)節(jié)能的另一途徑。所以，改進(jìn)后的砌塊成型機(jī)液壓系統(tǒng)中普通電機(jī)驅(qū)動定量泵對應(yīng)的溢流損失值比原液壓統(tǒng)中普通電機(jī)驅(qū)動定量泵對應(yīng)的溢流損失值低，減小能量溢流。

圖6　兩個系統(tǒng)在一周期內(nèi)各自普通電機(jī)驅(qū)動定量泵對應(yīng)溢流閥輸出曲線

5　結(jié)論

采用變頻電機(jī)驅(qū)動定量泵的變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用在砌塊成型機(jī)液壓系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)的輸出功率與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的消耗功率達(dá)到自適應(yīng)調(diào)節(jié)匹配，提高能量利用效率,體現(xiàn)了節(jié)能的本質(zhì)。

參考文獻(xiàn)：

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