采用伺服壓力機實現沖壓節能的定量研究

文驍陽，高建波*，王啟武，李琦，張傳錦，呂言

(1.齊魯工業大學(山東省科學院) 山東省科學院激光研究所，山東 濟寧 272000；2. 濟寧科力光電產業有限責任公司，山東 濟寧 272000；3. 天津天鍛壓力機有限公司，天津 300142)

壓力機是進行板材沖壓加工的重要設備，世界金屬制品超過三分之一源于沖壓制造。傳統機械壓力機和油壓機采用三相異步電機為沖壓生產提供機械能量，即使在滑塊不需要做功的時候電機也必須保持高速旋轉，這是傳統壓力機能耗較高的原因之一[1]。其次，機械壓力機的飛輪和離合器機構摩擦發熱，進一步降低了能源效率[2]。傳統油壓機采用各種閥門控制油液的流向和壓強，雖然能夠產生非常靈活的沖壓動作，但是采用節流閥和溢流閥的控制方法也導致了嚴重的能量損失[3]。

自從伺服壓力機于20世紀90年代出現以來，已得到了廣泛應用。與傳統壓力機相比，伺服壓力機(特別是機械式伺服壓力機)的突出特點是在獲得油壓機優秀成形性能的基礎上，能夠達到并超過機械壓力機的生產效率[4]。由于伺服壓力機采用伺服電機為動力源，不僅可做到滑塊的任意調速和啟停，而且取消了機械壓力機中的飛輪和離合器以及油壓機中的溢流閥，從而大為減少了能量損耗。這對于當今人類面臨的能源日益短缺和溫室氣體大量排放問題，顯得尤其重要。

國內外科研和工程人員對沖壓生產能耗進行了一些研究。Lohse等[5]建立了油壓機的能耗分析專用仿真模型，并利用實驗壓力機驗證了模型的有效性。Landgrebe等[6]通過將沖壓和注塑設備聯合運行，簡化工藝，獲得了20%的節能效果。Liu等[7]將沖壓過程劃分為多個階段，對每個階段啟動不同的油泵，從而將油壓機效率提高了約22%。鄭龍龍等[8]、喬禮惠等[9]通過改造油壓機的控制系統，分別使所研究的壓力機能耗降低了20%和47%。鮑建輝等[10]分析了200～1600 kN機械壓力機能耗數據，認為單次比能耗是較為合適的同類型機械壓力機能耗評價指標。姚靜等[11]通過對某20 000 kN油壓機能耗特性進行測量和計算，得到了傳統油壓機從電機到滑塊的能量傳遞效率在10%～15%的結論，并提出了通過改變工藝過程來提高能量傳遞效率的方法。鄧寧林[12]對1100 kN機械伺服壓力機的能耗進行了測量，并與同噸位傳統機械壓力機進行了對比，得到了伺服壓力機節能60%以上的結論。

采用伺服壓力機是沖壓生產實現節能降耗的有效方法，但是相關研究卻并不充足，特別是來源于生產實踐的實測數據更是稀少。這使得科研和工程人員無法判斷伺服壓力機在特定生產場合能否達到預定節能指標，從而影響生產實踐工作，并且在采用伺服壓力機進行生產時也難以正確衡量節能效果。基于此，本研究研制了一臺6300 kN伺服壓力機，對其生產能耗進行了定量測量和分析，結果表明其單次能耗較傳統壓力機降低了86.4%，能量傳遞效率也有所提高。

1 儀器與設備

1.1 測量儀器

用于被測伺服壓力機整機能耗測量的三相電能表為正泰公司產品，型號為DTSU666，精度1級，其有功電能測量精度符合GB/T 17215.321—2008標準[13]。

采用被測伺服壓力機內置伺服控制系統的測量功能測量其電機轉速和轉矩。此控制系統為日本發那科公司產品，型號為Power Motion i-Model A。設備技術資料顯示，控制系統對相關數據的測量精度高于1級。

1.2 被測設備

被測壓力機是本研究為國內某家電企業生產的一臺公稱力為6300 kN的多連桿機械伺服壓力機，用于取代傳統8000 kN油壓機進行洗衣機外殼沖壓。被測伺服壓力機作為第一臺拉伸壓力機與后續四臺傳統機械壓力機組成自動化沖壓生產線，并與配套的送料、折彎、裝配、質檢和包裝等多道工序相結合，構成一條完整的洗衣機生產線。被測壓力機外觀如圖1所示。

被測壓力機所加工的制件為某型號滾筒洗衣機箱體外殼，材料為冷軋鍍鋅板，尺寸為1900 mm×950 mm×0.8 mm，拉伸高度為32.4 mm。被測壓力機僅完成拉伸加工，后續的4臺機械壓力機完成沖孔、剪裁和折邊加工。沖壓加工后的制件外形如圖2所示。

圖1 被測伺服壓力機外觀Fig.1 Image of the servo press under test

圖2 制件外觀圖Fig.2 Mechanical view of the product

被測壓力機于2017年年底通過驗收并交付用戶使用，進行連續生產。被測壓力機主要技術參數見表1。

表1 被測壓力機主要技術參數

2 測量方法

2.1 測量系統

本研究的能耗測量方案如圖3所示。

圖3 測壓力機能耗測試方案示意圖Fig.3 Energy testing concept for the servo press under test

圖3僅顯示與能耗相關的設備，其他設備如機械框架和油氣潤滑系統等沒有繪制。壓力機工作時，電能由電網經過電能表進入控制柜。電能表不屬于伺服壓力機系統，而是附加的能耗測量專用設備，用來測量被測壓力機整機能耗。電能表通過RS485串行數據接口與計算機相連，進行實時數據記錄。控制柜根據用戶設置參數控制伺服電機旋轉，進而經機械傳動機構帶動滑塊上下運行。控制系統在對伺服電機進行控制的時候，可同時對電機的轉矩和轉速進行測量和存儲。這些數據可隨后導出到外部計算機，用來進行滑塊能耗分析。傳動機構包括減速箱、螺桿、螺母、連桿、導軌和滑塊，其結構如圖4所示。

圖4 被測壓力機傳動系統結構Fig. 4 Structure of the transmission system of the servo press under test

圖3中的“其他設備”包括被測壓力機中的其他大型耗電零部件，包括用于驅動液壓墊和潤滑系統的電機以及其他電氣控制設備。耗電較大的設備主要是各種用途的電機，總裝機容量為233 kW，具體見表2。

表2 被測伺服壓力機中的電機

在上述壓力機和測試系統情況下，本研究在如下兩個位置對能耗相關數據進行實時測量和記錄：在電網輸入端通過三相電能表直接測量并實時記錄整個壓力機的能耗；在壓力機控制系統內部對伺服電機的轉矩和轉速進行測量和記錄。

2.2 沖壓工藝曲線

被測壓力機的沖壓曲線如圖5所示。能耗數據跟隨沖壓曲線而變化。

圖5 被測伺服壓力機沖壓曲線Fig.5 Press curve of the servo press under test

由圖5可以看到，滑塊從上死點350 mm開始從靜止狀態加速下行。到達70 mm后減速，緩慢下壓。在下死點保持0.6 s后，首先以40%的速度緩慢上移至60 mm脫模，然后以高速回程，最后到達上死點停止。這個曲線在試生產時針對所采用的模具和制件通過調試獲得，可保證成形最優，并且沖壓過程時間最短。

2.3 能耗評價指標

本研究采用3個不同的指標對壓力機的能耗情況進行評價。

2.3.1 單次能耗

單次能耗Wq定義為每個沖壓循環整機所消耗的能量(kW·h)。這個指標衡量生產一個產品壓力機所消耗的能量，此數據可通過測量系統中的電能表直接讀取。

2.3.2 單次比能耗

利用單次能耗和公稱力參數，可以按照鮑建輝等[10]的方法計算壓力機的單次比能耗，即計算下式：

(1)

其中Eq是壓力機的單次比能耗(kW·h/kN)；Fn為壓力機公稱力(kN)。

2.3.3 能量傳遞效率

利用伺服電機的轉矩Tm和轉速ωm可計算伺服電機的功率：

Pm=Tmωm，

(2)

Pm可取正數和負數，分別對應電機運行于驅動和制動兩種模式。驅動時，電機將電能轉換為機械能；制動時，電機將機械能轉換為電能。

考慮從電機到滑塊之間傳動系統的效率ηm，可由電機功率計算滑塊功率Ps，即

(3)

根據被測壓力機傳動結構的機械特點，取機械傳動效率為ηm=90%，可較為精確地反映實際情況。

滑塊在一個沖壓循環內對制件的做功Ws可通過對功率進行累積得到，即

(4)

其中Ts是一個沖壓循環所需時間,N是一個沖壓循環中所采樣的數據點數量，Psi是第i個采樣點的滑塊功率，Δt是數據采樣時間間隔。

進而可通過下式計算壓力機能量傳遞效率ηq[11]：

(5)

3 測量結果

3.1 沖壓產品

板材按正常生產工藝沖壓之后，經測量，拉伸深度為32.4 mm。經視覺和觸摸檢查發現，表面光滑平整，無裂縫和褶皺，因而制件符合產品質量要求。產品外觀如圖6所示。

圖6 沖壓產品外觀Fig.6 Image of the pressed product

3.2 測量數據

壓力機正常生產中，利用電能表對整機功耗進行了連續1 h的測量，每0.25 s進行一次數據采用。測量結束時得到總有功能耗為19.757 kW·h，制件數量為209個。這209個沖壓循環中整機能耗大小以數據點的形式呈現在圖7中。

圖7 209個沖壓循環的整機功耗Fig.7 Energy consumption of the whole system of 209 press cycles

作為示例，一個沖壓循環的整機功率和能耗曲線見圖8，其他沖壓循環的曲線與此類似。

圖8 單沖壓循環整機功率和能耗曲線Fig.8 Power and energy consumption of the whole system within one press cycle

從圖8曲線可以看到，約7～14 s整機功率曲線波動較大，此時間對應滑塊運行的沖壓過程。在其他時間，功率曲線平穩但非零，對應滑塊靜止，壓力機處于待機狀態，此時能耗曲線平穩上升。由此可見，待機狀態時壓力機仍然持續消耗電能。若能夠縮短待機時間，則能夠進一步降低整機能耗。

沖壓過程中的電機轉矩和轉速數據記錄了4組，數據采用時間為1 ms。利用公式(2)～(4)可得到這4個沖壓循環中滑塊的做功數值，Ws分別為0.037 4，0.036 9，0.036 3，0.038 5 kW·h。

作為示例，其中一個沖壓循環的滑塊功率和能耗曲線見圖9，其他沖壓循環的曲線與此類似。

圖9 單沖壓循環滑塊功率和能耗曲線Fig.9 Power and energy consumption of the slide within one press cycle

從圖9中可以看到，滑塊功率曲線包含3個正峰和3個負峰，分別對應能耗曲線的上升和下降過程。正峰表示電機處于驅動狀態，電能轉化為滑塊的機械能；負峰表示電機處于制動狀態，滑塊的機械能轉化為電能。電機制動發電的3個負峰對應滑塊的3個動作：(1)滑塊下行接近制件前的減速；(2)滑塊由下死點抬升初期被模具中的氮氣彈簧頂起；(3)滑塊上行回到上死點前的減速。通過電機的這3個發電過程，壓力機可實現對滑塊能量的回收再利用，而不是變成熱量消耗掉，從而提高了能源利用率。

3.3 能耗評價指標

3.3.1 單次能耗

根據前述測量數據(圖7)，首先可計算被測壓力機整機每個沖壓循環的能耗平均值，得到單次能耗指標：

被測壓力機所替代的設備為傳統8000 kN油壓機。該設備裝機容量為250 kW。根據以往的生產測試結果可知，這種壓力機正常情況下的生產效率為3 次/min，負載率約為50%，即平均功耗為125 kW。由此可計算單次能耗為：

可見，被測壓力機的單次能耗僅為所替代傳統油壓機的Wq/Wq1=13.6%，每件產品節能86.4%。

此外，由于在實際生產中受生產線后續設備速度的限制，被測壓力機在兩次沖壓之間需要等待約10 s的時間。在這段等待時間中壓力機消耗著大量不必要的能量，計算約0.025 kW·h。若被測壓力機能夠消除這個等待時間而充分發揮生產效率，則能夠將單次能耗從0.094 5 kW·h進一步降低至0.069 5 kW·h，從而可將節能效果進一步提升至90%。

3.3.2 單次比能耗評價指標

由單次能耗和壓力機公稱力可得到被測壓力機單次比能耗指標：

作為參考，被測壓力機所替代的8000 kN傳統油壓機的單次比能耗為：

相當于被測壓力機的5.78倍。

3.3.3 能量傳遞效率

對滑塊沖壓能耗數據求平均值，可得到被測壓力機單個沖壓循環的滑塊做功平均值：

除以單次能耗，即可得能量傳遞效率：

與姚靜等[11]得到的普通油壓機10.7%～14.3%的能量傳遞效率相比，本研究被測壓力機的ηq高出25.2%～27.8%。

按前文所述，若將被測壓力機每次沖壓之間的等待時間消除，則可將能量傳遞效率進一步提高到：

4 結論

通過以上測試分析可以看出，本研究所制造的6300 kN伺服壓力機節能效果較傳統壓力機有了顯著的提升。與所替代的8000 kN傳統油壓機相比，單次能耗指標大幅度降低。與文獻報道的傳統油壓機數據相比，能量傳遞效率指標得到了顯著提高。此外，若被測壓力機能夠充分發揮生產效率潛力，則可進一步提高能源利用率。

由于現有文獻數據不充分，尚無法對被測壓力機的單次比能耗數據與其他產品進行對比。后續研究將繼續對所生產的各種壓力機進行廣泛的能耗測試和研究，不斷充實相關數據和知識，為壓力機的節能降耗構筑堅實的理論和實踐基礎。