伺服泵控?cái)?shù)控折彎?rùn)C(jī)能耗分析

翟 華，汪 強(qiáng)，嚴(yán)建文，3（.合肥工業(yè)大學(xué) 工業(yè)與裝備技術(shù)研究院，安徽 合肥 230009；2.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；. 3.航空結(jié)構(gòu)件成形制造與裝備安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230009）

伺服泵控?cái)?shù)控折彎?rùn)C(jī)能耗分析

翟 華1，2，3，汪 強(qiáng)1，嚴(yán)建文1，3
（1.合肥工業(yè)大學(xué) 工業(yè)與裝備技術(shù)研究院，安徽 合肥 230009；2.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；. 3.航空結(jié)構(gòu)件成形制造與裝備安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230009）

本文介紹了伺服泵控折彎?rùn)C(jī)液壓系統(tǒng)工作原理，建立泵控和閥控系統(tǒng)仿真模型。同時(shí)在一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)比較泵控和閥控模型的功率和油耗等，得出伺服泵控較閥控系統(tǒng)在減少能耗方面更有優(yōu)勢(shì)。

伺服泵控；AMESim仿真；能耗分析；折彎?rùn)C(jī)

數(shù)控折彎?rùn)C(jī)是目前使用較為廣泛的金屬板材成形設(shè)備，在汽車、機(jī)械、電力、五金以及電器等行業(yè)都有廣泛應(yīng)用。數(shù)控折彎?rùn)C(jī)液壓系統(tǒng)分為伺服比例閥控液壓同步控制系統(tǒng)和伺服泵控同步控制系統(tǒng)。目前數(shù)控折彎?rùn)C(jī)液壓系統(tǒng)多以閥控為主，泵控系統(tǒng)由于造價(jià)和技術(shù)等問(wèn)題尚未得到廣泛應(yīng)用。

張忠獅[1]指出伺服泵控系統(tǒng)可節(jié)能降耗、降低系統(tǒng)運(yùn)行成本和裝機(jī)容量，避免油溫過(guò)高導(dǎo)致油液黏度下降和熱膨脹而使得液壓元件的壽命、性能受到影響。本文以數(shù)控折彎?rùn)C(jī)為例，用AMESim軟件搭建泵控和閥控?cái)?shù)控折彎?rùn)C(jī)液壓系統(tǒng)仿真模型，對(duì)泵控和閥控系統(tǒng)進(jìn)行能耗比較分析。

1 數(shù)控折彎?rùn)C(jī)伺服泵控液壓系統(tǒng)

數(shù)控折彎?rùn)C(jī)伺服泵控液壓系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 數(shù)控折彎?rùn)C(jī)伺服泵控液壓原理圖

快進(jìn)階段：伺服電機(jī)1M/2M驅(qū)動(dòng)定量泵3正轉(zhuǎn)，給液壓缸12無(wú)桿腔供油，同時(shí)開(kāi)啟充液閥11，充液油箱打開(kāi)，給液壓缸12無(wú)桿腔供油。液壓缸12快速下行?；瑝K13快進(jìn)速度因伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速不同而變化。

工進(jìn)階段：伺服電機(jī)1M/2M驅(qū)動(dòng)定量泵3正轉(zhuǎn)，折彎刀接觸工件，充液閥關(guān)閉，液壓缸12僅由液壓泵3供油，液壓缸12開(kāi)始建壓。工進(jìn)速度由伺服電機(jī)1M/2M的轉(zhuǎn)速來(lái)控制。

保壓階段：滑塊13到下死點(diǎn)時(shí)，由伺服電機(jī)1M/ 2M驅(qū)動(dòng)的定量泵3停止轉(zhuǎn)動(dòng)，折彎刀持續(xù)下壓工件，減小工件在折彎刀離開(kāi)工件時(shí)的回彈變形量。

卸壓階段：伺服電機(jī)1M/2M帶動(dòng)定量泵3反轉(zhuǎn)，給液壓缸12有桿腔供油，滑塊13緩慢向上移動(dòng)。上行距離和速度由數(shù)控系統(tǒng)調(diào)節(jié)。

回程階段：伺服電機(jī)1M/2M帶動(dòng)定量泵3反轉(zhuǎn)，給液壓缸12有桿腔供油，同時(shí)開(kāi)啟充液閥11，液壓缸12無(wú)桿腔的油液大部分通過(guò)充液閥11回到充液油箱，回程速度由伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)控制。

2 基于AMESim的泵控和閥控系統(tǒng)比較

2.1 模型建立和工作進(jìn)程

建立如圖2所示的數(shù)控折彎?rùn)C(jī)閥控液壓系統(tǒng)模型和如圖3所示數(shù)控折彎?rùn)C(jī)泵控液壓系統(tǒng)模型。為簡(jiǎn)化模型將各控制模塊用AMESim中信號(hào)模塊來(lái)代替。由于泵控系統(tǒng)動(dòng)力源由兩個(gè)獨(dú)立的雙向定量泵提供，為簡(jiǎn)化仿真過(guò)程只對(duì)一組液壓缸和泵進(jìn)行建模仿真。

圖2 折彎?rùn)C(jī)閥控液壓系統(tǒng)仿真模型

圖3 折彎?rùn)C(jī)泵控液壓系統(tǒng)仿真模型

表1 動(dòng)作時(shí)間、速度表

折彎?rùn)C(jī)閥控和泵控液壓系統(tǒng)按照如表1所示的動(dòng)作時(shí)間表運(yùn)行。因?yàn)楸每叵到y(tǒng)是由伺服電機(jī)帶動(dòng)定量泵來(lái)提供動(dòng)力，而伺服電機(jī)與普通電機(jī)相比可以在更高的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，從而使得進(jìn)入液壓缸的流量加大，故泵控系統(tǒng)快下和回程的時(shí)間要比閥控系統(tǒng)短。

由于需要對(duì)泵控系統(tǒng)和閥控系統(tǒng)進(jìn)行比較，故在參數(shù)設(shè)置方面盡量一致。主要參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 主要參數(shù)設(shè)置

調(diào)節(jié)閥控系統(tǒng)中伺服閥開(kāi)口大小，即調(diào)節(jié)伺服閥輸入信號(hào)的電流值使得閥控系統(tǒng)在快進(jìn)、工進(jìn)和回程階段液壓缸活塞能達(dá)到相應(yīng)的速度值，同時(shí)通過(guò)各信號(hào)元件代替控制系統(tǒng)來(lái)控制各換向閥和充液閥的通斷，得到如圖4所示閥控系統(tǒng)液壓缸活塞位移-時(shí)間曲線。

圖4 液壓缸活塞位移-時(shí)間曲線

調(diào)節(jié)泵控系統(tǒng)中伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而改變雙向定量泵輸出的流量和方向，得到如表2液壓缸活塞速度值，同時(shí)通過(guò)各信號(hào)元件代替控制系統(tǒng)來(lái)控制各換向閥通斷。通過(guò)換向閥通斷控制泵控系統(tǒng)中充液閥的通斷，得到如圖4所示泵控系統(tǒng)液壓缸活塞位移-時(shí)間曲線。

2.2 功率比較

伺服電機(jī)較普通電機(jī)有更高的轉(zhuǎn)速，所以泵控系統(tǒng)在快下和回程階段耗時(shí)比閥控系統(tǒng)少。閥控系統(tǒng)設(shè)置仿真步長(zhǎng)0.001s，仿真時(shí)間8.5s；泵控系統(tǒng)設(shè)置仿真步長(zhǎng)0.001s，仿真時(shí)間6.75s。將仿真完成的雙向定量泵處流量和壓力數(shù)據(jù)導(dǎo)入matlab軟件中，得到如圖5所示泵控系統(tǒng)和閥控系統(tǒng)功率-時(shí)間曲線。

圖5 功率-時(shí)間曲線圖

可以看出，在工進(jìn)和回程階段，伺服泵控系統(tǒng)功率數(shù)值較大。閥控系統(tǒng)除快下時(shí)功率較小外，其余階段溢流損失能量。且通過(guò)matlab數(shù)值積分得到一個(gè)工作循環(huán)中泵控系統(tǒng)消耗的能量為43.69kJ；而閥控系統(tǒng)消耗能量為124.9kJ?？梢?jiàn)完成相同的動(dòng)作，泵控系統(tǒng)消耗能量?jī)H為閥控系統(tǒng)的約1/3。

2.3 油耗比較

通過(guò)AMESim中泵控系統(tǒng)和閥控系統(tǒng)仿真結(jié)果容易得到總耗油流量隨時(shí)間變化曲線。可以用快下時(shí)通過(guò)充液閥的流量與泵出口的流量之和作為總耗油流量指標(biāo)。圖6為閥控系統(tǒng)和泵控系統(tǒng)總耗油流量隨時(shí)間變化的曲線。通過(guò)數(shù)值積分得到：泵控系統(tǒng)耗油量為7.53L，閥控系統(tǒng)耗油量為10.243L。完成相同動(dòng)作，泵控系統(tǒng)消耗油量較閥控系統(tǒng)減少約1/4。

圖6 總流量-時(shí)間曲線圖

3 結(jié)論

本文針對(duì)數(shù)控折彎?rùn)C(jī)用比例伺服閥控和伺服泵控兩種系統(tǒng)建立仿真模型，比較了一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)兩種系統(tǒng)的功率和耗油量，結(jié)果證明伺服泵控折彎?rùn)C(jī)液壓系統(tǒng)在減少能耗方面更有優(yōu)勢(shì)。而且實(shí)際過(guò)程中，機(jī)器不是一直在工作狀態(tài)，經(jīng)常會(huì)在待機(jī)狀態(tài)。而在待機(jī)狀態(tài)，伺服泵控系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)勢(shì)將比工作狀態(tài)更明顯。

[1] 張忠獅.液壓系統(tǒng)能耗分析與降耗措施研究 [J].液壓與氣動(dòng)，2008，（1）：38-40.

[2] 冼燦標(biāo)，孫友松，黎 勉，等.泵控伺服液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能分析及試驗(yàn)研究[J].液壓與氣動(dòng)，2011，（12）：11-15.

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[4]袁太平，尹顯明.1000kN數(shù)控折彎?rùn)C(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)及控制[J].機(jī)床與液壓，2016，（8）：157-158.

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The energy consumption analysis of CNC press brake based on servo pump control technology

ZHAI Hua1,2,3，WANG Qiang1，YAN Jianwen1,3
（1.Institute of Industry and Equipment Technology，Hefei University of Technology，Hefei 230009,Anhui China; 2.College of Mechanical and Automotive Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009,Anhui China; 3.Anhui Province Key Lab of Aerospace Structural Parts Forming Technology and Equipment，Hefei 230009,Anhui China）

The hydraulic system working principle of CNC servo pump controlled press brake has been introduced in the text.The simulation models of pump control and valve control systems have been established. Meanwhile,the power and oil consumption of the above two systems have been compared in a working cycle.It is obtained that servo pump control system has advantages in energy consumption by comparing with valve control system.

Servo pump control;AMESim simulation;Energy consumption analysis

TG315.4+6

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2017.02.010

1672-0121（2017）02-0033-04

2016-11-26；

2017-02-17

2016年度安徽省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目（1604a0902129，1604a0902138）

翟 華（1973-），男，博士，教授，研究院副院長(zhǎng)，從事校直工藝?yán)碚摷霸O(shè)計(jì)、液壓系統(tǒng)及元件、現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論及方法等研究。E-mail：jxzhaihuajx@sina.com