擠壓機DFEn節能系統

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(1.博世力士樂中國, 上海　200335； 2.德國博世力士樂， 德國)

引言

能源已成為工業生產中一個關鍵的成本因素環節，近年來，伴隨著全球氣候變暖等一系列環境問題，各個國家及國際組織都在呼吁企業節能高效生產，降低單位GDP的碳排放。而傳統的擠壓行業，也屬于典型的高耗能產業，其產品被廣泛地應用在樓宇、高鐵、航天以及船舶、海洋等行業，除了產品質量滿足需求外，這就需要每一個擠壓機相關的人員不斷應用最新的技術成果，通過設備的不斷創新，來實現高效節能綠色生產的目標。

1　擠壓機對驅動系統的要求

現代擠壓機的驅動系統一般采用液壓驅動。根據擠壓工藝要求，液壓系統需要保證執行機構快速準確地完成工藝循環過程，因此，其驅動系統必須滿足以下要求：

(1) 實現精確速度控制，提高產品質量；

(2) 通過液壓驅動系統和電控系統的功能，實現主機設備和輔機設備輔助動作快速準確，彼此銜接緊湊，沒有沖擊，工序輔助時間等待時間少，有效增加設備的有效工作時間；

(3) 使用高效節能系統，有效降低單位產品的能耗，實現綠色經濟生產；

(4) 設備噪聲低，降低環境污染。

伴隨科技的發展，近年來，變速系統的使用使得液壓控制系統更加智能、高效、低噪環保和更加緊湊。在開始時，SVP(變轉速+定量泵系統)變速泵系統被成功地應用于注塑機上，其SVP系統響應非常快速，結構也非常緊湊。擠壓機客戶的要求則有所不同，他們希望有一個耐用可靠、功能強大、智能簡單的高效系統，這一切需求來自擠壓機實際工藝要求。如在非擠壓工序中，負載小、速度高(即泵的輸出流量大)；而在擠壓工序中，負載非常高，同時要求的擠壓速度低(小流量)，且擠壓工作持續時間長(幾分鐘到幾十分鐘不等)。這種工況，SVP系統長時間的工作會由于電機超載(低速大扭矩)而導致系統停機，即便是兩點控制的油泵，看似解決了低速大扭矩的問題，但會在流量控制上，存在轉速和流量匹配的問題，以致使工藝開發不靈活。為此，Rexroth 研發的DFEn智能可變排量泵+變轉速系統，具有高性能、高效、高動態的特性，達到無級流量調節和最優扭矩控制為擠壓機的驅動系統提供了全新的設計理念，即能夠很好地適應低速大負載的工況。該系統充分發揮了液壓系統的高功率密度特性和電氣控制系統的易控性，根據工藝要求的壓力和流量，控制器可按照模型計算出泵的最佳轉速和擺角控制值，以實現工藝要求的同時，最大限度的降低電機的能耗。

SVP的扭矩取決于油泵的排量，而DFEn的扭矩取決于液壓系統的功率，如圖1所示。

圖1　Svp 和DFEn的對比

2　液壓系統設計分析

擠壓機液壓系統主要是給擠壓機主機和輔助設備動作提供動力源，如圖2所示。其主要動作：棒料加熱—剪切—送料到擠壓筒中心—裝料到擠壓筒—收回送料機構—閉合擠壓筒—擠壓主缸快進—預壓—卸壓排氣—再次關閉擠壓筒—擠壓—擠壓結束卸壓—擠壓軸回退—剪切。

圖2　擠壓機的系統配置簡圖

2.1　常規設計開環比例泵系統

對于常規的擠壓機系統，主要由低壓定量泵+高壓開環比例泵組成，在系統快進時，需要高低壓油泵合流，在擠壓時，僅保留高壓油泵工作，常見的Rexroth的A7VSO EP和A15VSO E2的油泵，其設備制造成本相對較低，同時，相對控制精度較低，由于設備高低速度切換時，容易產生沖擊，所以輔助時間較長；另外，由于擠壓時，低壓油泵全排量低壓卸荷，因此，能耗較高，同時需要較大的冷卻器。能耗如圖3所示。

圖3　開環系統的能耗

2.2　閉環比例電子泵系統

閉環比例電子泵系統，主要應用于產品精度要求高的擠壓機，可以實現其速度和壓力閉環控制和功率保護。因此，此系統可以實現真正意義上的主機和附機工作流量的按需分配；同時可以實現功率保護，并達到對電機保護。常見的Rexroth的A4VSO EO2 或A4VSO HS4 等油泵組成的系統被大量地使用在有色和黑色金屬擠壓機上，其原理如圖4、其中，EO2使用的模擬量的控制卡HS4、使用的數字量的控制卡，可以通過總線和PLC連接，且帶有主從控制模式。

圖4　閉環比例電子泵系統

由于實現了按需分配，其效率相對常規設計開環比例泵系統更高，其能量消耗如圖5所示。

圖5　閉環比例電子泵系統能耗對比

2.3　DFEn智能(可變排量泵+變轉速)液電混合系統

DFEn智能交互式(可變排量泵+變轉速)液電混合系統，其配置原理如圖6、圖7所示。在能量控制最優的前提下，可以真正的實現了按需分配，即工作是按需輸出流量，在等待和非工作時間，油泵做到最大限度地降低輸出能量，見圖8所示，降低噪音，最大限度的降低了噪聲和能量損失，相比傳統的擠壓機控制系統，節能系統可謂“小馬拉大車”，即小系統可實現大噸位。

圖6　DFEn系統接線

圖7　DFEn系統配置

圖8　DFEn系統能耗

如圖9所示，通過交互式的調試界面，使設備調試更加簡單快捷；通過Winped軟件，可以對控制參數進行優化，系統自帶PID控制模塊功能，主從控制等功能，可以進行在線調試和優化，調試結束后可以下載參數到本地。對于其他相同的設備調試，可以直接上傳以前優化好的參數到控制器，可以實現快速調試。

圖9　參數化調試界面

3　DFEn智能(可變排量泵+變轉速)液電混合系統特點

3.1　降低裝機功率

通過Winped軟件中斜坡功能，降低設備的沖擊產生的過載，同時通過功率限定來避免設備的過載。如圖10所示的是1400 t鋁合金擠壓機的檢測數據，其中高壓功率小于55 kW，低壓(除快進和快進沖擊)系統的最大功率小于55 kW，因此可知，可以通過優化將裝機功率從75 kW降低到55 kW，見圖11。

圖10　擠壓過程功率發布

圖11　DFEn擠壓過程

3.2　完美的工藝時間控制，這就意味著高的生產效率

結合客戶現有的產品和工藝數據，結合DFEn系統的斜坡功能、工藝仿真和工序時間優化計算，同時結合以前的工程經驗，透過實際工作情況的評估，分析，形成以客戶訂制的組優化的工藝，減少輔助動作的等待時間，縮短工作周期。這種優化一方面可以提高產能，另一方面非常節能。

3.3　能源效率高，這就意味著節能

通過有目標的采用變速變排量的油泵控制，可以精確地實現按需提供流量；根據工藝要求，在工序等待或無需能量消耗時，有效地降低轉速和排量，最大限度的降低能耗。同時，在正常工作過程中，系統根據實際壓力和流量指令，自動優化油泵的轉速和排量，實現工作過程中能量的最優管理；通過優化每個動作的切換時間，充分降低無載能量消耗，同時提高生產效率。基于成功地能量優化模型，使該系統工作在最佳的高效區間，因此，能量相對第二種方案，更加節能，這樣，在新系統設計和老系統改造時，可以選擇較小規格的冷卻器。

3.4　產品質量的提高依賴于可靠的系統和工藝

調節的每個執行機構具有穩定的重復性，一方面傳感器的實時監測結果可以用于生產過程中的質量閉環控制，同時這些參數也提供必要的維修信息，為設備預防預知維修服務。

3.5　生產能力的提高

通過使用完美的驅動技術以最小的功耗生產高質量的產品，同時，完美的設計和現場調試，可以防止氣蝕的發生，通過優化回路中閥門的切換時間，通過使用曲線設定功能，可以實現設備加載和卸壓更加平穩和柔和，有效延長元件的使用壽命和降低系統的故障率。

3.6　降低維修成本

延長液壓油及液壓元件的使用壽命，有效地降低設備的生產、維修成本。

4　結論

博世力士樂DFEn智能交互式(可變排量泵+變轉速)液電混合系統在鋁型材擠壓機上的成功投用，現已生產1年時間，其系統最大亮點：給主機廠提高設備的性能和整個系統能量管理提供了全新的設計思路。相對傳統的電比例泵系統，其更加高效節能，因此，為新投資設備和改造已有設備，提供了一個方向，具有很好的前景。同時，我們也應該意識到，由于擠壓機廠商對于工藝程序設計不夠完善，使得該系統節能優勢還未被充分挖掘。另外，電機提速滯后及能效低等問題還沒有很好的解決，因此，還需要進一步提升相關產品的性能和優化參數。

參考文獻：

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