基于能量流和仿真的壓鑄機能耗建模與評估

陳書輝，蔡恒志，章猛，劉輝，張超勇

(1.華中科技大學數字制造裝備與技術國家重點實驗室，湖北武漢 430074； 2.力勁集團深圳領威科技有限公司，廣東深圳 518109)

0 前言

壓鑄是將熔融金屬在高速高壓下充填鑄型，并在高壓下結晶凝固形成鑄件的過程，是一種先進的金屬鑄造工藝，可以快速形成表面平整、組織致密、精度高、性能優良的鑄件。中國是壓鑄產品生產世界第一大國。數據表明：2018年中國壓鑄件產量已接近400萬噸，且還在持續增長。目前中國壓鑄行業已有很大的發展，但是相比發達國家，中國的壓鑄設備普遍存在能耗高、能源利用率低的問題。據壓鑄協會統計，中國目前各類壓鑄機保有量在10萬臺左右，其一年可耗電13～40×10kW·h，能耗巨大，但是能量利用率卻比較低下。壓鑄件生產成本中能源成本占較高比例，研究壓鑄機能耗特性與節能技術以降低成本、提高效率，已成為了壓鑄行業的必然趨勢。

壓鑄生產過程中伴隨著多次能量形式轉換，電能—液壓能—機械能，每個環節都存在一定的能量損耗。高壓大流量液壓系統是驅動壓鑄機的源泉，也是壓鑄生產過程能量損失最大的環節。本文作者從液壓系統著手，研究壓鑄機液壓系統的能耗特性。近年來，國內外學者研究液壓設備的節能優化較多，對壓鑄機液壓系統能耗特性研究較少。ZHAO等對液壓系統的能量損耗進行了分析，提出了能量損耗的基本公式，并且驗證了其準確性。CHEN等開發了一種能源監測和分析系統，可以有效獲取壓鑄機能量數據，并通過數據挖掘評估壓鑄車間的性能。LIU等提出了一種壓鑄機參數優化模型，結果表明該模型可以節省5%～9%的能源和材料成本，具有較大實用價值。ADITHIYAA等使用K近鄰法和灰狼優化法優化了擠壓鑄造工藝的工藝參數，結果表明該方法可以有效改善機械性能。楊海東等運用功率鍵合圖分析了擠壓機液壓系統的能耗特性，結果表明造成擠壓機效率不高的原因是溢流能量損耗與變量泵效率低下。姚靜等人運用AMESim仿真研究了鍛造操作機的能耗特性，結果顯示多執行器不同負荷與單壓力源不能合理匹配造成了極大的節流損失。程冬宏等利用AMESim軟件仿真對比了變量非對稱泵控系統與傳統負載敏感閥控系統的能耗特性，結果顯示前者較后者能耗降低了37%。

壓鑄機液壓系統能耗模型構建可以為壓鑄機能耗性能評估提供理論依據，給出能量損耗的關鍵環節，指導設計者進一步改進壓鑄機；同時，可以為使用者設置合理的工藝參數組合，在保證壓鑄產品質量的同時耗能最少，達到節能增效的目標。因此建立完善、準確的能耗模型對壓鑄行業節能增效具有重要意義。本文作者建立壓鑄機的能量流模型與能耗計算模型，采用AMESim研究壓鑄機液壓系統的能耗特性及其影響因素，提出了仿真測算壓鑄機功耗與能效等級的新方法，為壓鑄機的節能優化以及壓鑄機液壓系統的設計與控制提供理論指導。

1 壓鑄機能耗模型構建

1.1 壓鑄機簡介

文中研究對象為力勁集團公司DCC2000臥式冷室壓鑄機，設備鎖模力2×10N，結構如圖1所示，主要技術參數如表1所示。壓鑄機穩定工作時動作呈周期循環，基本動作周期如圖2所示。除這些動作外，還可以視具體工況，包括其他動作，如抽芯、錘頭跟蹤等。

圖1 壓鑄機基本結構

表1 DCC2000壓鑄機主要技術參數

圖2 壓鑄機動作周期

1.2 壓鑄機能量流分析

壓鑄機的結構、動作比較復雜，元件眾多。為詳細研究壓鑄機工作過程中的能量流動狀態，建立壓鑄機整機能量流示意，如圖3所示。

圖3 壓鑄機能量流示意

壓鑄機整機能耗主要由電氣系統、液壓系統、輔助系統三部分能耗組成。其中液壓系統耗能最大，該部分能耗占據整機能耗的90%以上。液壓系統中電動機帶動泵旋轉，推動液壓油運動，將機械能轉化為液壓能與熱能；液壓油在控制閥組的控制下推動液壓缸活塞運動，將液壓能轉化為機械能與熱能；液壓缸活塞桿對執行機構做功，進而完成復雜的壓鑄順序動作。壓鑄機在整個能量流動過程中能量轉化次數較多，伴隨各種能量損失，能量利用率較低。

1.3 壓鑄機液壓系統原理

壓鑄機液壓系統原理如圖4所示，頂出機構由兩個相同的液壓缸并聯組成；壓射機構由壓射液壓缸、增壓液壓缸與兩個蓄能器組合構成。通過調整特定換向閥的換向，即可實現壓鑄機工序動作。其中合開模、頂出頂退、慢速壓射、回錘、蓄能動作均由液壓泵直接供油；快速壓射則由液壓泵和壓射蓄能器同時供油；增壓動作則由液壓泵、壓射蓄能器和增壓蓄能器同時供油。

圖4 壓鑄機液壓系統原理

1.4 壓鑄機能耗計算模型

壓鑄機總的能耗包括執行機構有用功、電機損耗、液壓泵損耗、液壓缸損耗、液壓管路損耗、液壓閥損耗、執行機構損耗。根據能量守恒定律，在壓鑄機工作時，輸入壓鑄機系統的總有功能量為

(1)

式中：為壓鑄機輸入總有功能量，kJ；為工作的固定功率元件的數量；o為第個固定功率元件產生的能耗，kJ；為工作的電機數量；m為第個電機產生的能量損耗，kJ；為液壓泵的數量；p為第個泵產生的能量損耗，kJ；為液壓油流經管路的段數；L為第段管路產生的能量損耗，kJ；為液壓閥的數量；v為第個液壓閥產生的能量損耗，kJ；為工作的液壓缸數量；c為第個液壓缸產生的能量損耗，kJ；為執行機構的數量；f為第個執行機構產生的能量損耗，kJ；T為第個執行機構產生的有用功，kJ。

為了量化壓鑄機各機構的能量消耗情況，文中給出各機構能耗的基本計算公式。

(1)電機損耗功率。電機損耗功率包括定子鐵損、定子繞組損耗、轉子繞組損耗、摩擦損耗、風阻損耗和雜散損耗，組成較為復雜。為簡化公式，使用電機與泵的效率間接計算電機損耗功率：

(2)

式中：m為第個電機的損耗功率，kW；m為第個電機的總效率；p為第個液壓泵的總效率；p為第個泵的輸出壓力，MPa；p為第個泵的輸出流量，L/min。

(2)液壓泵損耗功率。液壓泵損耗功率包括機械摩擦損耗與容積損耗，前者由泵體與軸、柱塞的摩擦造成，后者由泵高壓腔內泄漏、油液可壓縮性造成。為簡化公式，使用泵的效率計算泵損耗功率：

(3)

式中：p為第個泵的損耗功率，kW。

(3)液壓缸損耗功率。液壓缸損耗功率包括機械損耗與容積損耗，前者由活塞與缸體的摩擦造成，后者由液壓缸高壓腔內泄漏、油液可壓縮性造成。

c=c-inc-in-c-outc-out-cc

(4)

式中：c為第個液壓缸的損耗功率，kW；c-in為第個液壓缸的輸入壓力，MPa；c-in為第個液壓缸的輸入流量，L/min；c-out為第個液壓缸的輸出壓力，MPa；c-out為第個液壓缸的輸出流量，L/min；c是第個液壓缸的輸出力，N；c為第個液壓缸活塞桿速度，m/s。

(4)液壓管路損耗功率。液壓管路損耗包括沿程壓力損耗與局部壓力損耗，前者由黏性液壓油與管壁摩擦造成，后者由液壓油局部湍流造成。

(5)

式中：L為第段管路的損耗功率，kW；ΔL為第段管路的壓降，MPa；L為流經第段管路的流量，L/min。

(5)液壓閥損耗功率。液壓閥包括壓力控制閥、流量控制閥與方向控制閥；壓力控制閥損耗以溢流閥造成的溢流損耗為主，流量控制閥與方向控制閥損耗則主要是節流損耗。

(6)

式中：v為第個液壓閥的損耗功率，kW；Δv為第個液壓閥的壓降，MPa；v為流經第個液壓閥的流量，L/min。

(6)執行機構損耗功率與執行機構有用功率。液壓缸活塞桿對外做功，分為執行機構損耗功率與有用功率；前者主要指機械摩擦損耗，后者指執行機構有用功。

f+T=TT

(7)

式中：f為第個執行機構的損耗功率，kW；T為第個執行機構的有用功，kW；T是第個液壓缸的輸出力，N；T第個液壓缸活塞桿速度，m/s。

結合式(1)—式(7)整理后可得壓鑄機系統能耗為

(8)

式中：為工作開始的時刻；為工作結束的時刻。

2 仿真模型構建

2.1 仿真模型的建立

為詳細準確地研究壓鑄機的能耗特性與能效等級，采用AMESim與C語言聯合仿真的方法研究壓鑄機液壓系統的能耗特性。根據壓鑄機液壓系統原理，采用AMESim建立壓鑄機液壓系統仿真模型，如圖5所示。

圖5 壓鑄機液壓系統仿真模型

為簡化模型，使用普通比例流量閥代替插裝式比例流量閥，使用流量反饋調節的調速電機加定量泵模擬實際壓鑄機的伺服系統；外部應用程序接口1用于在AMESim中導入C語言程序；元件5為功耗采集裝置，可利用式(1)—式(8)計算壓鑄機各部分的功率與能耗。仿真模型中主要參數設定如表2所示。

表2 仿真模型主要參數

2.2 控制流程

壓鑄機液壓系統元件眾多、動作復雜，使用AMESim直接建立控制系統較復雜。為降低難度，采用AMESim與C語言聯合仿真，在外部程序接口1中加載控制程序，充分發揮AMESim在機電液模型建立與C語言控制算法實現方面的優勢，構建準確高效的壓鑄機液壓系統仿真模型。

實際控制系統中的控制周期固定，控制算法每周期執行一次；但AMESim采用變步長仿真，控制算法每步執行一次，控制步長與控制周期不一致會導致仿真出現錯誤。為解決此問題，在AMESim中引入仿真時間采樣器3，設置采樣時間與控制周期一致，并設置控制程序僅在仿真時間與控制時間一致時執行。

2.3 模型實驗驗證

選取DCC2000冷室壓鑄機進行能耗測試實驗，獲得壓鑄機加工能耗數據，與仿真曲線相比較，以調試仿真模型。壓鑄機能耗實驗示意圖如圖6所示。

圖6 壓鑄機能耗實驗示意

測試儀器安裝好后，按照行業標準JB/T 12554—2016《壓鑄機能耗測定方法》設置壓鑄機各參數，啟動壓鑄機空載加工，用電能測試儀記錄壓鑄機能耗數據。在仿真模型中設置相同的參數，進行模擬仿真，獲得壓鑄機仿真能耗數據。

圖7為仿真模型仿真得出的壓射機構位移、速度與壓射壓力曲線，可知：壓射機構慢壓射穩定速度為0.14 m/s，慢壓射加速度約為0.2 m/s，加速平穩；快壓射速度為6 m/s，響應時間約為0.04 s，反應迅速；最大增壓壓力約為31 MPa，建壓時間約為0.06 s，反應迅速。此仿真模型在位移、速度與壓力要求上均符合壓鑄機基本功能需求。

圖7 壓射機構位移、速度與壓射壓力曲線

取壓鑄機穩定工作之后的某一周期的實測功率曲線與仿真功率曲線進行對比，如圖8所示，壓鑄機工作周期約為41 s。可知:仿真曲線與實測曲線基本吻合，功率大小、峰值出現時間、變化趨勢十分接近，誤差較小，較好地反映了壓鑄機加工功耗情況，驗證了仿真模型的準確性，故本文作者基于此仿真模型分析壓鑄機的能耗特性與能效等級。

圖8 壓鑄機工作周期功率曲線

3 壓鑄機能耗仿真結果與分析

3.1 常態加工能耗

通過仿真模型研究壓鑄機關鍵動作的能耗分布規律，根據壓鑄機能耗計算模型，通過功耗采集計算裝置可得壓鑄機各部件的功率與能耗情況。

(1)合模開模動作

合模可細分為常速合模—快速合模—高壓鎖模3個階段，常速合模與高壓鎖模階段行程較短，為便于分析合模動作的能耗數據，延長了常速合模與高壓鎖模階段的行程。仿真得到的壓鑄機合開模機構控制特性曲線與功耗曲線如圖9所示。可知：由于采用了伺服系統，壓鑄機溢流損耗很小，僅為總能耗的3%；有用功約占總能耗的50.5%，能效較高；節流損耗占比46.4%。其中快速合模與高壓鎖模階段能效較高，常速合模與開模階段能效較低，大部分能量為液壓閥消耗，合模過程中合模有用功在合模總能耗中占比63.2%，開模過程中開模有用功在開模總能耗中占比30.7%。

圖9 合模機構控制特性與功耗特性曲線

(2)壓射機構壓射與回錘動作

壓射動作可細分為慢速壓射—快速壓射—增壓—回錘4個階段，仿真得到的壓鑄機壓射動作曲線與功耗曲線如圖10所示。可知:壓射過程中快速壓射由液壓泵和蓄能器同時供能，瞬時能耗非常高，蓄能器輸出功率可達1.8 MW，有用功率可達480 kW；壓射過程有用功在壓射總能耗中約占21%；增壓以及保壓過程中為維持較高壓力，液壓泵持續工作，溢流損耗較大，所占比重約為27%；此外節流損耗約為51%。蓄能過程蓄能器輸出能量為負值，無有用功，此階段能量儲存在蓄能器中，能量轉化率為85%。此外因為快壓射階段蓄能器與液壓泵同時工作，圖中有用功、節流損失均在壓射過程超過泵輸出能量。

圖10 壓射機構控制特性與功耗特性曲線

3.2 不同增壓壓力對壓鑄加工能耗的影響

增壓壓力是壓射機構壓射腔的最高壓力值，決定了壓射機構最大壓射力。針對此壓鑄機，按照表3設置其增壓壓力、最大壓射力等參數，分別進行模擬仿真，研究其能耗特性。仿真得到的壓射機構能耗特性曲線如圖11所示。表4為不同增壓壓力下的能效。

表3 實驗參數設定

圖11 不同增壓壓力下壓射機構控制特性與功耗特性曲線

表4 不同增壓壓力下能效

由圖11與表4可知:壓射系統中不同的增壓壓力對壓射過程中的位移和速度基本無影響；不同的增壓壓力下的建壓反應時間也十分接近，均在0.06 s左右，沒有明顯差異；增壓壓力變化對壓鑄機壓射機構能耗影響比較小，這是因為增壓壓力變化僅作用在增壓階段，而增壓階段雖然壓力變化巨大，但是壓射錘頭位移非常小，液壓缸流量變化也非常小，所以能耗十分接近，均在111.8 kJ左右；由于蓄能器蓄能壓力有所變化，隨著增壓壓力增大，液壓泵輸出能量逐漸增大，能量利用率有微小下降。

3.3 不同壓射速度對壓鑄加工能耗的影響

由于慢速壓射在壓鑄機能耗中占比較小，只研究快速壓射速度對其能耗的影響。針對此壓鑄機，設其快速壓射速度分別為4、6、8 m/s，分別進行模擬仿真，研究其能耗特性。仿真得到的壓鑄機各部件速度、位移和能量曲線如圖12所示。表5為不同壓射速度下的能效。

圖12 不同快速壓射速度下壓射機構速度、位移和能量曲線

表5 不同壓射速度下能效

由圖12與表5可知，隨著壓射速度的增大，速度達到穩態的反應時間越長，且穩態速度波動越大；快速壓射速度對壓鑄機液壓系統總能耗與能量效率影響很小。壓射速度越快，液壓泵輸出能量與能量效率均逐漸增大，但增加幅度很小；這是由于液壓缸黏滯效應與液壓閥小口節流效應造成的。壓射速度越快，液壓缸由于黏滯效應，液壓缸的阻力越大，液壓缸效率逐漸降低；而液壓閥由于開口越大，小口節流效應越弱，液壓閥效率越高，兩者共同造成液壓系統總能量效率變化很小。

4 壓鑄機能效等級評估

JB/T 13248—2018《壓鑄機能效等級及評定方法》規范了壓鑄機的能耗測定方法，填補了國內相關標準的空白。但是標準中的能耗測定方法，必須在壓鑄機生產出來之后，才能通過實驗的方法測算壓鑄機的功耗與能效。盡管該方法準確、直觀，但是存在周期長、成本高的問題。通過壓鑄機液壓系統能耗仿真的方法，測算出壓鑄機的能耗，進而評估壓鑄機的能效等級，為壓鑄機能耗性能評估提供一種簡單、有效和成本低的新方法。

按照《壓鑄機能耗測定方法》的規定設置工藝參數進行壓鑄機能耗仿真實驗與能耗實測實驗，待模型與設備穩定運行后，測算并記錄壓鑄機20個周期的能耗數據。仿真測試結果與實驗測試結果如表6所示。

表6 DCC2000冷室壓鑄機能耗測試數據

由于仿真模型無法測算功率因數，取仿真功率因數與實驗功率因數相同，設為0.78。按照標準的規定對測試數據進行處理，計算出單模次能耗與比能耗。按照行業標準比能耗數值評估壓鑄機能效等級，實驗和仿真結果如表7所示。

表7 DCC2000冷室壓鑄機能效等級

根據實驗結果，壓鑄機實驗和仿真測定的比能耗數值上相差8%，差距很小。二者等級不同只是因為數值位于臨界線附近，在可接受范圍內，仿真結果有一定的準確性與參考價值。與實驗法相比，仿真法雖然準確度有所下降，但是仿真法簡單、成本低，可以在壓鑄機成品制造出來之前對壓鑄機能耗與能效進行預判，對壓鑄機的結構設計、參數優化提供指導。

5 結論

(1)基于能量守恒原理，分析了壓鑄機生產過程中的能量流，建立了壓鑄機各能耗單元的能耗數學模型，構建了壓鑄機液壓系統能耗仿真模型，驗證了其準確性，為研究壓鑄機能耗特性提供了理論方法。

(2)仿真分析了壓鑄機能耗特性，結果表明：合開模動作能量效率較高，有用功效率可達50%，由于采用了伺服系統，溢流損耗在合開模動作中僅占3%；壓射動作快速壓射階段瞬時功率非常高，蓄能器輸出功率可達1.8 MW，有用功率可達480 kW；壓射過程能效比較低，有用功占比為21%，為了在增壓及保壓過程中保持高壓，溢流損耗比較高，約占27%；增壓壓力變化對壓射機構能耗影響較小，這是由于增壓階段壓射錘頭位移非常小造成的；快速壓射速度對壓射機構能耗與能量效率影響很小，這是由于液壓缸黏滯效應與液壓閥小口節流效應共同造成的。

(3)使用仿真法測算了壓鑄機的能耗，評估了壓鑄機的能效等級。結果表明：仿真與實驗的比能耗數值僅相差8%，由于數值位于臨界線附近，導致仿真能效等級與實驗能效等級不同，但結果在可接受范圍之內，仿真法簡單有效且成本低，具有一定指導意義。