潘克改進型正弦直接驅動系統新進展

文／李寶卿，郭康，劉帥·威普克潘克科技（北京）有限公司

威普克潘克公司為壓機配備的潘克改進型正弦直接驅動系統(PMSD 驅動系統），以RX系列徑向柱塞變量泵的獨特性能為基礎，經優化設計后，系統主管道中無需使用方向控制閥，能夠使壓機在沒有振動的情況下高頻率運轉。PMSD驅動系統能夠將系統壓力從全流量的350bar 升至流量略有下降的420bar，相當于在幾乎沒有任何額外投資的前提下，設備具有比正常鍛造力高出20%的中心負載鐓粗力。比照其他傳統的同噸位壓機油壓驅動系統，潘克改進型正弦直接驅動系統的能耗能夠節約30%左右，大大降低了客戶的運行成本。

工作原理

潘克改進型正弦直接驅動系統中，主工作缸的控制由雙向變量伺服主泵直接完成，無需在主管道中使用方向控制閥，如圖1 所示。這不僅可以非常精確地控制壓機運動部件的運行精度，還可以實現完全無沖擊的壓機運行操作，從而最大程度地減少了管道的泄漏和壓機故障。

圖1 潘克改進型正驅動系統原理簡圖

潘克改進型正弦直接驅動系統的核心部件是Wepuko PAHNKE公司生產的RX系列高壓徑向柱塞泵，如圖2 所示，它們由伺服裝置來精確控制主泵流量的變化，可以排出高達450bar 的工作壓力，連續可變的流量控制實現了無級調節的加壓速度。RX 系列主泵能夠在200 毫秒內完成輸出流量從0 至+100%到從0 至－100%的方向切換(1000 升/分鐘），所以，在主泵控制下，壓機回程的運行速度也可變化。這種變速實現了壓機平穩運行的需要。

節能特色

主泵和工作缸之間沒有方向控制閥

圖2 RX500 正弦泵(徑向柱塞變量泵)

伺服控制的RX500 型主泵在達到最大系統壓力時，自動切換成電氣控制壓力調節模式。這就避免了通過壓力調節(或卸壓）閥釋放高壓油，既不會聚集產生大量的熱量也不會導致油質迅速惡化。即便是逐級卸壓的定量泵也不具有這種優異性能，因為定量泵在達到最大壓力之前就已經開始降低下壓速度，并且定量泵在卸載時會引起系統的劇烈振動，也會加劇閥的磨損。

主泵控制系統能提供最大壓力

由于主泵本身可以控制系統的最大壓力，可以防止液壓油通過安全閥釋放回油箱。高壓油溢流時會產生大量的熱量，所以PMSD 驅動系統產生的熱能小，液壓油溫升小，降低了能量消耗和換熱器的使用功率。

釋壓能量的反饋

在壓機行程結束時，僅通過主泵就可以對工作缸進行完全、快速、無振動的卸壓。這個過程中，主泵反向偏擺，吸入高壓液壓油，其轉動能量由卸壓油提供，這也節約了大量能量。

回程動能的回饋

PMSD 系統里，壓機的回程運動也通過主泵來執行，而不是像傳統閥控系統那樣，油液全部通過節流閥釋放到油箱里。事實上，運動質量的所有動能都已經存儲在向上動作的移動流量中，這也節約了大量能量。

壓機負載、卸載、待機過程和零壓力工作中的損失

在泵空載運行時，主泵流量幾乎被設定為零，且主泵在不到百分之一秒的時間內就能恢復到最大排量運行狀態。在實際生產中，大型壓機(例如擠壓機）大部分時間都處在空載狀態上，這也就意味著空載狀態下的能量損耗相當可觀，需要對此階段的能耗進行優化。威普克潘克公司的RX500 型變量泵在壓機待機狀態、油溫最低且為42℃時，僅需要6.5kW 的運行功率，該功率僅是最大功率的1.44%，如圖3 所示。

由于RX500 主泵徑向柱塞泵采用1000 轉/分的低轉速，且所需扭矩比同排量的軸向柱塞泵低得多，所以RX500 主泵的空載運行功率很低。其他品牌所采用的軸向柱塞式泵，轉速大都選用1200 轉/分或1500 轉/分，主泵運行時需要更大的扭力，主泵空轉時會消耗將近19kW 的實際功率，約占其最大耗能的4.2%左右。

RX500 主泵是在排空的泵殼內旋轉，其他泵則是在充滿液壓油的泵殼內旋轉。在長時間、頻繁的空載運行過程中，威普克潘克的泵能夠節省大量能量。

圖3 待機狀態RX500 主泵消耗功率

節能模式

由于RX500 主泵的空載特性，我們還將所有主泵的供油壓力幾乎降低至零。在長時間的空載階段也節省了大量能量。

工作速度

我們對完整的自由鍛工序進行了詳細研究，結果顯示，只有較高的下壓鍛造速度(即使材料實際變形的速度快）才能夠達到最高的生產效率。在生產實踐中，過高的空程下降速度并不會對生產效率產生顯著影響，因為操作機或其他輔助設備在運行時需要一定的操作時間，壓機下降到指定位置后還需等待其他設備。而且，過快的下降速度在節約生產時間上并沒有任何優勢，實際情況同圖4 所示曲線正好相反，假設鍛造條形鍛件的話，這種情況就更容易理解。對于大型的自由鍛來說，在生產類似于餅件、平板、法蘭軸、環件或襯套時，情況也是相同的。例如，將板形鍛件從平面旋轉到豎直面時，操作機完成提升及旋轉動作需要6 秒，而要求鍛壓機在3 秒內達到上極限位置，這種設置對于提升鍛造效率是完全沒有用處的。

壓機在空程向下時，無論速度多快，都不會產生任何效益。但是在空程向下時，壓機同樣會產生磨損和能耗，所以空程下降速度越快，所需要的能量就越多，且需要選用更大規格相關零部件(例如更大規格的充液閥或低壓閥），這也會降低壓機系統的可靠性和可用性，這些因素疊加在一起會導致較低的生產效率。

圖4 傳統閥控系統與潘克改進型正弦直接驅動系統的比較

所以，在潘克改進型正弦直接驅動系統設計理念里，推薦使用更高的實際鍛造速度，建議回程和空程下降速度在合理范圍內即可。

精確性和平滑運行特性

潘克改進型正弦直接驅動系統可以精確調節工作缸的運行速度，通過主泵的伺服控制對運行速度進行優化。同時，由于系統主管道中沒有各種方向控制閥，所以系統故障率低，調節及維修簡單快捷。

潘克改進型正弦直接驅動系統的重要特點是通過配置嚴格的過濾設施、冷卻設施，確保傳動介質(液壓油）保持在最佳狀態下，并長期隨時可用。這些輔助設備雖使初期投資略有增加，但能大大降低生產運行期間的維修和維護工作量，使系統可以長時間連續運轉，減少停機次數，這些因素都使系統能夠在最低的運行成本下達到生產率最高，效益最大化。