基于液壓泵伺服驅動的擴徑機節能技術研究

吳少林，許益民

(武漢科技大學機械自動化學院，湖北武漢 430081)

液壓驅動和控制系統是擴徑機的重要組成部分。目前，國內基本上是全套引進國外電液控制系統的機械式擴徑機，其技術先進，控制精確，性能優良。然而在節能方面卻表現不足，由于動力源采用變量泵加溢流節流閥進行流量壓力的復合控制，這給系統帶來較大的溢流和節流損失，導致能耗較大，系統能量浪費嚴重，油溫也極易升高，還需專門配置冷卻系統，這樣又導致系統的復雜化，使得整個液壓系統體積龐大、成本增高。

近幾年出現了一種以伺服電機帶動定量泵進行流量壓力復合控制的動力源。這種動力源具有較高的能量轉換效率，節能效果較好，在液壓注塑機上的應用已較為成熟。目前，這種動力源也已應用于擴徑機液壓系統上，并且已有成功案例。

由于擴徑機液壓系統本身具有高壓大流量的特性，所以其溢流和節流損失浪費掉的能量在整個系統所需能量中會占據很大一部分。若能將浪費的能量所占比重控制在較小范圍內，系統所需能量將會降低，這樣可以減少大量能源的浪費。因為伺服電機驅動定量泵作為動力源可以根據負載的變化及時改變輸出的流量和壓力，減少了不必要的輸出，所以用這種新型動力源代替擴徑機液壓系統中傳統的動力源，就可以達到節能的目的，并且具有較好的節能效果。然而節能的實際效果還要取決于伺服電機和伺服驅動器的性能。文中將對液壓泵伺服驅動及控制技術在擴徑機液壓系統上帶來的節能效果進行探討。

1 系統構成及工作原理

1.1 擴徑工藝流程

擴徑時鋼管行進至擴徑工具上扇形塊工作長度段的末端，擴徑缸活塞首先快速后退運動，擴徑工具漲開，并與鋼管內壁充分接觸，這時擴徑缸活塞已走完設定的快進行程階段。從該位置后主油缸活塞開始慢速運動，即進入工進行程階段，此階段鋼管開始塑性變形，也就是擴徑過程。當擴徑缸活塞走完工進行程后會停止一段時間，即進入擴徑保壓階段。保壓結束后，擴徑缸活塞開始回程。接下來將進行第二步擴徑，其過程同第一步。上述擴徑周期動作流程如圖1所示。

圖1 擴徑周期動作流程圖

擴徑機液壓泵伺服驅動系統原理圖如圖2 所示，根據擴徑工藝流程，電磁鐵動作順序表如表1所示。

圖2 擴徑機液壓泵伺服驅動系統原理圖

表1 電磁鐵動作順序表

1.2 擴徑機的液壓泵伺服驅動及控制系統構成

擴徑機液壓泵伺服驅動及控制系統主要由交流永磁同步伺服電機、伺服驅動器、定量泵、壓力傳感器、編碼器構成。圖2 中泵組2～6 與泵組1 具有相同的配置及控制方式，因圖幅限制未全部畫出。異步電機驅動定量泵提供控制油。

系統工作時，擴徑機控制器將擴徑缸活塞動作的速度和系統所需的壓力設定值轉化為模擬信號或數字信號傳輸給伺服驅動器，伺服驅動器按指令信號要求驅動伺服電機帶動定量泵工作，擴徑缸活塞動作的速度和系統壓力控制要求與伺服電機的轉速和轉矩控制相對應。在擴徑過程中，保壓過程需要進行壓力控制，其他動作過程均為速度控制。

進行壓力控制時，伺服驅動器按擴徑機控制器給定的壓力控制信號驅動伺服電機進行轉矩控制，安裝在定量泵出口的壓力傳感器PH 在線實時檢測系統輸出壓力，并將檢測到的信號反饋給伺服驅動器，然后與擴徑機控制器給定信號進行對比修正。

進行速度控制時，伺服驅動器按擴徑機控制器給定的速度控制信號驅動伺服電機進行轉速控制，安裝在伺服電機軸端的編碼器PG 在線實時檢測伺服電機工作轉角變化，并將檢測到的信號反饋給伺服驅動器進行運算，然后與擴徑機控制器給定信號進行對比修正。

2 節能原理分析

由于伺服電機本身的能量轉化效率較高，系統流量壓力均采用閉環控制，這樣系統的流量壓力輸出均與負載的需求趨于一致，使得整個系統的能量利用率較高，流失浪費的部分降低。這主要表現在:

(1)采用伺服電機驅動定量泵使系統結構變得簡化，省去了溢流閥，其結果是避免了大量的溢流帶來的能量浪費和油液溫升。圖3 給出了采用傳統與新型動力源擴徑機液壓系統的能量利用與損耗的對比情況。溢流主要發生在擴徑工藝的工進階段，這個階段系統所需流量小，泵供給的流量大部分都經溢流閥回油箱，造成溢流損失。

圖3 傳統與新型動力源擴徑機液壓系統能量利用與損耗對比

(2)流量控制不再依賴于比例閥，減小了節流損失帶來的能量浪費，省去比例閥的同時液壓油品質要求也不用太高，系統維護檢修相對容易。

(3)管路變得簡單，大大降低了系統沿程壓力損失。

伺服電機本身的效率雖然很高，但是由于不同廠家生產的伺服電機和驅動控制器存在差異，其節電性能也有所不同。這主要是因為伺服電機的轉動慣量和效率存在一定差異，驅動器制動回路的設計導致節能效果存在一定差異。

3 結束語

交流伺服電機驅動液壓泵系統具有高效節能的特性，現已廣泛應用于注塑機，在擴徑機液壓系統上也已開始應用，需要進一步研發改進并推廣。在工業領域的其他行業應用較少，這是一個有待開發的方向。

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