液壓機(jī)智能節(jié)能成套控制系統(tǒng)

文／王文兵，庹漢明·重慶溢希恩真節(jié)能電力設(shè)備有限公司

液壓機(jī)智能節(jié)能成套控制系統(tǒng)

文／王文兵，庹漢明·重慶溢希恩真節(jié)能電力設(shè)備有限公司

王文兵，技術(shù)中心總監(jiān)，全面負(fù)責(zé)技術(shù)中心工作，2014年參加重慶節(jié)能行業(yè)地方標(biāo)準(zhǔn)立標(biāo)工作，并成功立標(biāo)。

近年來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)，各項(xiàng)建設(shè)取得巨大成就，但也付出了巨大的資源和環(huán)境代價(jià)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展與資源環(huán)境的矛盾日趨尖銳，群眾對(duì)環(huán)境污染問(wèn)題反應(yīng)強(qiáng)烈。這種狀況與經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)不合理、增長(zhǎng)方式粗放直接相關(guān)。不加快調(diào)整經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)變?cè)鲩L(zhǎng)方式，資源將支撐不住，環(huán)境將容納不下，社會(huì)將承受不起，經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展也難以維持。只有堅(jiān)持節(jié)約發(fā)展、清潔發(fā)展、安全發(fā)展，才能實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)又好又快發(fā)展。同時(shí)，溫室氣體排放引起全球氣候變暖，備受國(guó)際社會(huì)廣泛關(guān)注。進(jìn)一步加強(qiáng)節(jié)能減排工作，也是應(yīng)對(duì)全球氣候變化的迫切需要。為此，國(guó)家制定了一系列政策和措施，如《2014-2015年節(jié)能減排低碳發(fā)展行動(dòng)方案的通知》。通知中指出：加快發(fā)展低能耗低排放產(chǎn)業(yè)。加強(qiáng)對(duì)服務(wù)業(yè)和戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)相關(guān)政策措施落實(shí)情況的督促檢查，力爭(zhēng)到2015年服務(wù)業(yè)和戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)增加值占GDP的比重分別達(dá)到47%和8%左右。加快落實(shí)《國(guó)務(wù)院關(guān)于加快發(fā)展節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)的意見(jiàn)》，組織實(shí)施一批節(jié)能環(huán)保和資源循環(huán)利用重大技術(shù)裝備產(chǎn)業(yè)化工程，完善節(jié)能服務(wù)公司扶持政策準(zhǔn)入條件，實(shí)行節(jié)能服務(wù)產(chǎn)業(yè)負(fù)面清單管理，積極培育“節(jié)能醫(yī)生”、節(jié)能量審核、節(jié)能低碳認(rèn)證、碳排放核查等第三方機(jī)構(gòu)，在污染減排重點(diǎn)領(lǐng)域加快推行環(huán)境污染第三方治理。到2015年，節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值達(dá)到4.5萬(wàn)億元。

重慶溢希恩真節(jié)能電力設(shè)備有限公司成立于2006年，一直以來(lái)從事液壓機(jī)、壓鑄機(jī)的節(jié)能節(jié)電改造，是重慶地區(qū)液壓機(jī)、壓鑄機(jī)智能節(jié)能系統(tǒng)的《地方行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》制定單位，地方標(biāo)準(zhǔn)DB50于2015年正式頒布實(shí)施。公司研制的“液壓機(jī)、壓鑄機(jī)智能節(jié)能成套控制系統(tǒng)”獲得一項(xiàng)發(fā)明專利、多項(xiàng)實(shí)用專利，并且榮獲重慶市“高新技術(shù)產(chǎn)品”稱號(hào)。

液壓機(jī)概述及工作原理

液壓壓力機(jī)又稱液壓成形壓力機(jī)，利用帕斯卡定律制成的液體壓強(qiáng)傳動(dòng)的機(jī)械，是用來(lái)使各種金屬與非金屬材料成形加工的設(shè)備。其用途廣泛，適用于彎曲、翻邊、拉深、成形和冷擠壓等沖壓工藝，壓力機(jī)是一種用靜壓來(lái)加工產(chǎn)品的設(shè)備。適用于金屬粉末制品的壓制成形工藝和非金屬材料，如塑料、玻璃鋼、絕緣材料和磨料制品的壓制成形工藝，也可適用于校正和壓裝等工藝。自19世紀(jì)問(wèn)世以來(lái)發(fā)展很快，液壓機(jī)在工作中的廣泛適應(yīng)性，使其在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門(mén)獲得了廣泛的應(yīng)用。

液壓壓力機(jī)主要由機(jī)架、液壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、加壓油缸、上模及下模等組成，加壓油缸裝在機(jī)架上端，并與上模連接，冷卻系統(tǒng)與上模、下模連接。其特征在于機(jī)架下端裝有移動(dòng)工作臺(tái)及與移動(dòng)工作臺(tái)連接的移動(dòng)油缸，下模安放在移動(dòng)工作臺(tái)的上面。

液壓系統(tǒng)作為整個(gè)機(jī)械的重要組成部分,直接影響著整個(gè)壓力機(jī)的性能,其主要由以下部分組成：

⑴能源裝置——液壓泵。它將動(dòng)力部分（電動(dòng)機(jī)或其他原動(dòng)機(jī)）所輸出的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成液壓能，給系統(tǒng)提供壓力油液。

⑵執(zhí)行裝置——液壓缸、液壓馬達(dá)。通過(guò)它將液壓能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，推動(dòng)負(fù)載做功。

⑶控制裝置——液壓閥。通過(guò)它們的控制和調(diào)節(jié)，使液流的壓力、流速和方向得以改變，從而改變執(zhí)行元件的力（或力矩）、速度和方向，根據(jù)控制功能的不同，液壓閥可分為壓力控制閥、流量控制閥和方向控制閥。壓力控制閥又分為溢流閥（安全閥）、減壓閥、順序閥、壓力繼電器等；流量控制閥包括節(jié)流閥、調(diào)整閥、分流集流閥等；方向控制閥包括單向閥、液控單向閥、梭閥、換向閥等。根據(jù)控制方式不同，液壓閥可分為開(kāi)關(guān)式控制閥、定值控制閥和比例控制閥。

⑷輔助裝置——油箱、管路、蓄能器、濾油器、管接頭、壓力表開(kāi)關(guān)等，通過(guò)這些元件把系統(tǒng)連接起來(lái)，以實(shí)現(xiàn)各種工作循環(huán)。

⑸工作介質(zhì)——液壓油。絕大多數(shù)液壓油采用礦物油，系統(tǒng)用它來(lái)傳遞能量。

液壓機(jī)節(jié)能空間分析

⑴設(shè)備選型產(chǎn)生的富余量。

液壓機(jī)的額定允許工作能力一般大于模具的實(shí)際需求能力10%～20%，這就導(dǎo)致設(shè)備的不滿負(fù)荷運(yùn)行，從而產(chǎn)生節(jié)能富余量。

⑵油泵配置產(chǎn)生的富余量。

設(shè)計(jì)液壓機(jī)時(shí)，在油泵選型的過(guò)程中，油泵的工作流量及壓力會(huì)大于液壓機(jī)最大負(fù)荷的10%～15%，產(chǎn)生了富余量。泵出口壓力一般是根據(jù)最遠(yuǎn)環(huán)路，最大需求壓力，然后結(jié)合需求設(shè)計(jì)的流量，再乘以一定的安全系數(shù)后確定的，再查找與其一致的泵銘牌參數(shù)來(lái)確定泵型號(hào)，而不是根據(jù)實(shí)際的運(yùn)行特性曲線確定泵型號(hào)。因此，泵在實(shí)際運(yùn)行中，一般都工作在特性曲線的右下側(cè)，故實(shí)際流量要比系統(tǒng)實(shí)際需求流量大20%～50%，多余的油通過(guò)溢流閥直接流回油箱。

⑶設(shè)備運(yùn)行富余量。

液壓機(jī)工作時(shí)，有卸壓、加壓、保壓等過(guò)程，系統(tǒng)只有在加壓及回程短時(shí)間處于大負(fù)荷狀態(tài)，別的時(shí)間均處于不滿負(fù)荷及空載狀態(tài)，多余的液壓油均通過(guò)溢流閥回油箱，產(chǎn)生大量的能源浪費(fèi)。一般情況下，滿載狀態(tài)時(shí)間約占整個(gè)工作時(shí)間的30%，設(shè)備絕大部分時(shí)間均處于不滿負(fù)荷及空載狀態(tài)，產(chǎn)生了大量富余量。

液壓機(jī)變頻節(jié)能原理

液壓油泵的用電量占整個(gè)液壓機(jī)用電量的97%以上，所以降低其耗電量是液壓機(jī)節(jié)能的關(guān)鍵。液壓機(jī)在快速下行、慢速下行、保壓、卸壓回程、活塞頂出、活塞退回、緩沖缸頂出等階段所需壓力和流量都是變化的，當(dāng)液壓機(jī)的油量需求發(fā)生變化時(shí)，由設(shè)在油泵出口的溢流閥來(lái)調(diào)節(jié)負(fù)載壓力和流量，而電機(jī)的輸出功率不變，因而造成能量浪費(fèi)。

變頻調(diào)速裝置由整流電路、濾波電路、逆變電路和控制電路組成，其功能是通過(guò)整流環(huán)節(jié)將交流電經(jīng)過(guò)整流、濾波變?yōu)橹绷麟?，又通過(guò)逆變環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)變成不同頻率的交流電輸出給電機(jī)。這可讓液壓油泵電機(jī)在不同的轉(zhuǎn)速下工作。另外，根據(jù)油泵的理論，油泵的輸出流量為Q。在液壓系統(tǒng)中，流量Q，壓力H、轉(zhuǎn)速n和電動(dòng)機(jī)功率P四者之間的關(guān)系如下：電動(dòng)機(jī)功率P與流量Q的立方成正比關(guān)系（圖1），通過(guò)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n，即可改變流量Q，達(dá)到改變電動(dòng)機(jī)功率P的目的。泵轉(zhuǎn)速降低16%，流量降為原有流量的84%，系統(tǒng)則節(jié)電40%，系統(tǒng)仍然運(yùn)行在設(shè)計(jì)流量的范圍內(nèi)，不會(huì)影響正常的工藝要求。液壓閥控制和智能變頻節(jié)能控制能耗對(duì)比，如圖2所示。采用液壓閥控制時(shí)：⑴管道阻力h與流量Q的平方成正比；⑵電機(jī)在恒速運(yùn)行時(shí)，流量為100%情況下（工作點(diǎn)為A），水泵軸功率與點(diǎn)Q1、A、H1、坐標(biāo)原點(diǎn)O所包容的面積成正比；⑶電機(jī)在恒速運(yùn)行時(shí)，流量70%情況下（工作點(diǎn)為B），水泵功率與點(diǎn)Q2、B、H2、坐標(biāo)原點(diǎn)O所包容的面積之間變化不大，所以水泵軸功率變化不大，輸入功率減小很少。采用智能變頻調(diào)速控制時(shí)，由于管道特性沒(méi)有改變，水泵特性發(fā)生變化（工作點(diǎn)為C），水泵軸功率與點(diǎn)Q2、C、H3、坐標(biāo)原點(diǎn)O所包容的面積成正比，故其節(jié)能量與C、B、H2、H3所包容的面積成正比，輸入功率大大減小。

圖1 電機(jī)功率、流量、壓力、轉(zhuǎn)速關(guān)系

圖2 液壓閥控制和智能變頻節(jié)能控制能耗對(duì)比

液壓機(jī)變頻智能節(jié)能成套控制系統(tǒng)

“液壓機(jī)智能節(jié)電成套控制系統(tǒng)”綜合應(yīng)用了智能數(shù)據(jù)采集技術(shù)、智能數(shù)據(jù)處理技術(shù)、PLC控制技術(shù)、電機(jī)參數(shù)自測(cè)技術(shù)、伺服變頻技術(shù)，對(duì)設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)“壓力、流量、溫度、轉(zhuǎn)速、電流、工況”等進(jìn)行采集分析，通過(guò)智能控制程序及HMI操作，建立能耗最佳運(yùn)行模式，在保證設(shè)備工藝要求的情況下使運(yùn)行功率最大限度接近實(shí)際負(fù)荷需求功率。

改造后的效果：⑴高節(jié)電率。電費(fèi)成本降低15%～80%；⑵提高功率因數(shù)。由原系統(tǒng)的0.2～0.8提高到0.9以上，運(yùn)行更加穩(wěn)定；⑶維修率降低。設(shè)備由硬啟動(dòng)變?yōu)檐泦?dòng),維修率降低30%～65%；⑷優(yōu)化電網(wǎng)。抑制電網(wǎng)的瞬變和浪涌，減少線損；⑸提高運(yùn)行效率。增加了變壓器的負(fù)荷能力，降低了系統(tǒng)的增容成本；⑹雙系統(tǒng)設(shè)備。節(jié)能設(shè)備采用雙系統(tǒng)，可在工頻和節(jié)能上隨時(shí)切換，使設(shè)備可靠運(yùn)行得到保障；⑺改造周期短。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)情況制定改造方案，不影響生產(chǎn)。

案例介紹

項(xiàng)目背景

沈陽(yáng)世紀(jì)華通汽車部件有限公司是浙江世紀(jì)華通車業(yè)股份有限公司的全資子公司，主要產(chǎn)品有汽車內(nèi)飾件和汽車沖壓件。2014年溢希恩真對(duì)沈陽(yáng)世紀(jì)華通公司液壓機(jī)進(jìn)行改造，改造前的問(wèn)題主要表現(xiàn)為：⑴功率因數(shù)低，全廠只能同時(shí)啟動(dòng)60%的液壓機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)；⑵通過(guò)溢流閥控制，多余的油從溢流閥回流，造成能量的浪費(fèi)；⑶啟動(dòng)電流大，影響電網(wǎng)穩(wěn)定；⑷設(shè)備運(yùn)行噪聲大；⑸機(jī)械磨損嚴(yán)重。

改造范圍及節(jié)能效果

根據(jù)沈陽(yáng)世紀(jì)華通的實(shí)際情況，對(duì)該廠的沖壓車間24臺(tái)液壓機(jī)設(shè)備前后共進(jìn)行3次節(jié)能改造，共計(jì)改造4514kW，88個(gè)回路。部分改造完成的液壓機(jī)工程竣工驗(yàn)收記錄，如圖3所示。

結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，溢希恩真已為上海通用、一汽豐田、長(zhǎng)安汽車、東風(fēng)小康、吉利汽車、江淮汽車、宗申集團(tuán)、力帆集團(tuán)等知名企業(yè)提供了專業(yè)的節(jié)能分析和解決方案，幫助這些企業(yè)成功實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排的目標(biāo)，得到了廣大客戶的一致好評(píng)。展望未來(lái)，溢希恩真將以《國(guó)家節(jié)能行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》制定單位為目標(biāo)，以節(jié)能減排為己任，用心、用技術(shù)、用專業(yè)為客戶提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)。

圖3 工程竣工驗(yàn)收記錄