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舊機(jī)床液壓系統(tǒng)節(jié)能改造研究

2023-7-25 來源：湄洲灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院作者：趙慶新陳建洪陳菡菡

摘要：在制造產(chǎn)業(yè)升級過程中，出現(xiàn)大量的老舊機(jī)床，為避免浪費(fèi)資源，急需改造升級。文章針對舊機(jī)床液壓系統(tǒng)節(jié)能改造進(jìn)行研究，分別應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)以及液壓系統(tǒng)熱能回收技術(shù)對舊機(jī)床進(jìn)行改造，經(jīng)模型仿真能耗分析：其經(jīng)濟(jì)效益明顯提高，節(jié)能環(huán)保效果顯著。

關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速；節(jié)能改造；能耗分析

當(dāng)前，新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革，重塑國際產(chǎn)業(yè)分工格局，“中國制造 2025”國家戰(zhàn)略布局實(shí)施，迫切需要我國由“制造業(yè)大國”向“制造業(yè)強(qiáng)國”轉(zhuǎn)變，為實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的中國夢打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。在制造業(yè)產(chǎn)業(yè)升級過程中，如何處理利用大量老舊機(jī)床的難題亟待解決。在我國發(fā)展和興起機(jī)床再制造，不僅可以實(shí)現(xiàn)大量廢棄機(jī)床再利用，大大節(jié)約了資源和能源，也減少了環(huán)境污染，還可以進(jìn)行節(jié)能改造提高再制造機(jī)床的能效利用率；但以往的研究主要關(guān)注機(jī)械設(shè)計(jì)改造和數(shù)字化改造等，對機(jī)床液壓系統(tǒng)再改造的研究甚少，控制液壓系統(tǒng)溫度對節(jié)約能源和提高加工精度具有現(xiàn)實(shí)意義。

1、原有液壓系統(tǒng)存在問題

液壓系統(tǒng)主要由潤滑和冷卻兩個(gè)模塊組成，機(jī)床的運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力不僅是靠液壓系統(tǒng)的油液來傳遞的，而且只有在潤滑和冷卻運(yùn)行順暢下才能保機(jī)床正常工作。在機(jī)床運(yùn)行過程中，由于工藝過程和負(fù)載是隨時(shí)變化的，液壓系統(tǒng)的壓力和流量都會有明顯波動(dòng)，如在空載或空行程時(shí)所需流量是很小的，系統(tǒng)處于供大于求的狀態(tài)，此時(shí)能耗的浪費(fèi)是最大的。、

一臺機(jī)床有許多零部件，很多是由液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的，如潤滑模塊、冷卻模塊、液壓能耗模塊等。

機(jī)床在工作過程中工序和負(fù)載是隨機(jī)變化的，其所消耗的能量也不是恒定不變的，在不同的工序中液壓系統(tǒng)所需的流量及壓力變化較大。于是，當(dāng)機(jī)床功耗低時(shí)，液壓系統(tǒng)所需實(shí)際流量較小的時(shí)候，泵的實(shí)際供應(yīng)量將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出實(shí)際所需流量，這時(shí)候溢流閥將起作用，多余的液體將會經(jīng)溢流閥回到油箱。據(jù)能量守恒定律，這種經(jīng)溢流后的液壓油浪費(fèi)很多的電能。當(dāng)機(jī)床處于供大于求狀態(tài)的時(shí)間越長，系統(tǒng)所耗散的能量也就越多。根據(jù)流體力學(xué)原理可以得到，泵的轉(zhuǎn)速不變時(shí)，泵的供油壓力F和轉(zhuǎn)速n的平方成正比，泵的輸出流量Q與轉(zhuǎn)速n成正比，所消耗的功率P等于流量Q與壓力F的乘積，其關(guān)系為：

由式（3）可得，當(dāng)轉(zhuǎn)速n降低時(shí)，功率P將更加明顯地降低。要使機(jī)床的液壓系統(tǒng)節(jié)能環(huán)保，必須控制泵的流量Q。舊機(jī)床最常見的方法是調(diào)節(jié)閥門來控制流量，如圖1所示。

圖1 舊機(jī)床調(diào)節(jié)流量方法

圖 1中所示舊機(jī)床流量調(diào)節(jié)回路主要是由節(jié)流閥、溢流閥和定量泵等組成，此回路的電動(dòng)機(jī)以恒定速度運(yùn)轉(zhuǎn)，而系統(tǒng)流量是通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥大小來實(shí)現(xiàn)的。此設(shè)計(jì)方案的電機(jī)未根據(jù)實(shí)際需要做調(diào)整，始終滿負(fù)荷運(yùn)行，能量消耗很大，且系統(tǒng)溫度將會持續(xù)升高，為了提高企業(yè)效益及節(jié)能減排，此類機(jī)床必須進(jìn)行節(jié)能改造再利用。

2、變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)

變頻調(diào)速是把工頻電源（50 Hz或60 Hz）變換成各種頻率的交流電源，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變速運(yùn)行的設(shè)備，其中控制電路完成對主電路的控制，整流電路將交流電變換成直流電，直流中間電路對整流電路的輸出進(jìn)行平滑濾波，逆變電路將直流電再變換成交流電。在機(jī)床上采用這種變頻調(diào)速技術(shù)的方法可以實(shí)現(xiàn)按需給流量，資源浪費(fèi)可明顯減少，經(jīng)濟(jì)效率顯著提高。交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式為：

式中：n為異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速；f為異步電動(dòng)機(jī)的頻率；s為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率；p為電動(dòng)機(jī)極對數(shù)，由式（4）可以看出，轉(zhuǎn)速 n與頻率 f成正比，只要改變頻率 f即可改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)頻率 f 在 0～50 Hz 的范圍內(nèi)變化時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬。變頻器就是通過改變電動(dòng)機(jī)電源頻率實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的，是一種理想的高效率、高性能的調(diào)速手段。

經(jīng)過變頻調(diào)速改造后的系統(tǒng)，通過變頻改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速 n 來改變泵的流量及壓力，以達(dá)到實(shí)際需要的適合流量，從而達(dá)到減少能耗目的。如圖 2所示為改造后的變頻調(diào)速結(jié)構(gòu)圖。

圖2 改造后流量調(diào)節(jié)示意圖

此設(shè)計(jì)是在舊的液壓系統(tǒng)上，增加了調(diào)速控制單元，變頻控制裝置獲取機(jī)床工況負(fù)載信號以及節(jié)流閥、溢流閥壓力信號后，改變頻率 f來調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速n，從而給出系統(tǒng)實(shí)際所需流量。采用此種設(shè)計(jì)與舊機(jī)床流量調(diào)節(jié)方法相比，其經(jīng)濟(jì)效益和節(jié)能減排效果明顯提高，如圖3 所示。

圖3 改造前后能耗比較圖

舊機(jī)床流量調(diào)節(jié)方法：當(dāng)系統(tǒng)閥門全開時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速 n1 恒定不變，通過調(diào)節(jié)閥門將流量從 Q1調(diào)整為 Q2，相應(yīng)系統(tǒng)壓力由 F1增大到 F2。由式（3）可知，功率 P 沒有降低，但系統(tǒng)壓力 F 卻增大較多，摩擦發(fā)熱導(dǎo)致系統(tǒng)溫度明顯升高。改造后增加變頻控制裝置通過變頻調(diào)速來實(shí)現(xiàn)流量調(diào)節(jié)，此時(shí)系統(tǒng)負(fù)載特性曲線仍為 R1，而通過變頻調(diào)速改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，電機(jī)轉(zhuǎn)速從n1下降到n2，穩(wěn)定工況點(diǎn)為兩者交點(diǎn)C處。此時(shí)流量為Q2，壓力為F3，功率P降低了，圖3中剖面線部分即為改造后相對應(yīng)改造前的P減小值，可見改造后的系統(tǒng)，節(jié)能效果顯著。

3、液壓系統(tǒng)熱能回收技術(shù)

現(xiàn)存的很多大機(jī)床的制造年代久遠(yuǎn)，由于當(dāng)初技術(shù)薄弱、經(jīng)濟(jì)落后，只求能用夠用即可，因此其體積龐大且制造粗糙。因液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理，機(jī)床工作時(shí)油液吸收了多余的熱能而導(dǎo)致溫度升高，此時(shí)若無適當(dāng)?shù)睦鋮s方式，油液自身因長期高溫影響品質(zhì)，高溫高熱會使機(jī)床重要零部件產(chǎn)生形變，甚至影響機(jī)床加工精度；當(dāng)冬季氣溫較低，機(jī)床需要提前較長時(shí)間熱機(jī)，極端情況下油液需要加熱后機(jī)床才能正常使用。對于油溫的控制，針對低溫舊機(jī)床是安裝加熱管，此方式簡單易行但缺陷明顯，出現(xiàn)油溫分布不均勻，以及局部過熱影響油液品質(zhì)。當(dāng)油液出現(xiàn)高溫時(shí)，舊機(jī)床采用排熱風(fēng)扇給予降溫，工作環(huán)境溫度升高。

鑒于原有油溫分布不均和工作環(huán)境溫度高的情況，對舊系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造，改進(jìn)之后油溫控制系統(tǒng)更節(jié)能環(huán)保，其原理如圖4所示。

圖4 節(jié)能型油溫控制系統(tǒng)

為了解決舊系統(tǒng)加熱管局部過熱問題，運(yùn)用了帶有薄壁螺旋形的熱交換器，增加接觸面積，并把熱量儲存起來。換向閥 4、13、14與控制中心配合，實(shí)現(xiàn)冷卻模式和預(yù)熱模式的智能切換。當(dāng)系統(tǒng)溫度過高時(shí)，溫度數(shù)顯反饋到控制中心，系統(tǒng)進(jìn)入冷卻模式，油液從熱交換器左邊入口進(jìn)入，熱交換結(jié)束后從右邊出口排出，熱量儲存在蓄熱裝置中，冷卻后油液再回到油箱。當(dāng)系統(tǒng)溫度較低時(shí)，切換到預(yù)熱模式，此時(shí)換向閥 4、13、14做出移位工作，低溫油液先進(jìn)入蓄熱裝置，溫度升高后進(jìn)入熱交換器預(yù)熱，熱傳遞后的油液經(jīng)換向閥14回到油箱。

4、改造前后機(jī)床能耗仿真分析

機(jī)床在加工的過程中，機(jī)床的主傳動(dòng)模塊、進(jìn)給模塊、冷卻潤滑模塊、液壓模塊、其余能耗模塊等 5 大能耗模塊的狀態(tài)是不斷變化的過程，而且不同的工序影響和控制著機(jī)床狀態(tài)。Simulink 是美國 Mathworks 公司推出 MATLAB 中的一種可視化仿真工具，利用Simulink/Stateflow可以建立改造前后機(jī)床能耗仿真模型。在 Stateflow 中，對于機(jī)床的每一個(gè)工況狀態(tài)，機(jī)床的主傳動(dòng)模塊、進(jìn)給模塊、冷卻潤滑模塊、液壓模塊、其余能耗模塊等都會處在不同的狀態(tài)，在不同的工序時(shí)，各個(gè)模塊所消耗的能耗也是不同的。

利用邏輯仿真模型可以進(jìn)行仿真能耗計(jì)算，呈現(xiàn)出機(jī)床改造前后各能耗模塊的能耗狀況。為了便于驗(yàn)證能耗邏輯模型的可執(zhí)行性，以一大重型鏜銑床為實(shí)驗(yàn)對象進(jìn)行節(jié)能改造，此機(jī)床不僅液壓系統(tǒng)進(jìn)行了變頻調(diào)速改造、能耗回收改造，還進(jìn)行了主傳動(dòng)模塊和進(jìn)給模塊零部件輕量化改造，利用改造前后的機(jī)床對同一個(gè)工件進(jìn)行加工，而且要求加工環(huán)境、工件材料以及工藝過程都是相同的，本實(shí)驗(yàn)加工零件共 12道工序。分別監(jiān)測不同工序的能耗和時(shí)長，然后輸入到能耗仿真模型中，待模型運(yùn)行結(jié)束后，就將得到改造前后機(jī)床各能耗模塊的能耗情況如表1所示。

表1 改造前、后機(jī)床各模塊能耗情況表

由表 1 中改造前后的數(shù)據(jù)情況來看，本實(shí)驗(yàn)機(jī)床經(jīng)過節(jié)能改造后，各個(gè)模塊的能耗均比改造前明顯減少，僅有其他這項(xiàng)模塊比改造之前的能耗增加較多。出現(xiàn)這種的情況主要原因是經(jīng)過改造之后，其他模塊里面增加了排屑系統(tǒng)及自動(dòng)換刀系統(tǒng)，造成了其能耗不降反升。

5、結(jié)論

本文以一大重型鏜銑床為實(shí)驗(yàn)對象，對其液壓系統(tǒng)進(jìn)行變頻調(diào)速以及熱能回收節(jié)能改造，并利用Simulink/Stateflow進(jìn)行仿真模型能耗分析，可知改造后機(jī)床各個(gè)模塊的能耗比改造前消耗的能量減少明顯，液壓模塊節(jié)能達(dá)到 32.859%，經(jīng)濟(jì)效益明顯提高，節(jié)能環(huán)保效果顯著。

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