采用变频调速的砌块成型机液压系统节能分析

2015-04-16，，

液压与气动 2015年3期

，，

(1.太原理工大学机械工程学院，山西太原　030024; 2.太原理工大学力学学院，山西太原　030024)

引言

砌块成型机是以工业废渣(煤粉灰、炉渣、冶炼渣等尾矿渣)为原料，生产新型建筑材料的设备，该设备变废为宝，属于环保设备。但砌块成型设备液压系统本身一直存在功率损失大和能源浪费严重的问题。分析原因，主要是由于设备液压系统流量不匹配，系统存在大量的溢流损失所致。液压系统的节能是指使液压系统的动力源供应的压力和流量自动与执行元件的负载变化相适应[1]，即动力源提供的动力正好是执行元件所需要的动力。畅琦等研究的砌块成型机液压系统动力是由一个限压式变量泵和一个定量泵组成，主要对砌块成型机模头成型回路进行改善，可以基本满足系统对流量的适应，降低了液压系统溢流损失，实现了节能的效果[2]。但变量泵相对定量泵来讲，价格更高，控制更复杂，抗污染能力更弱一些[3]。特别在砌块成型机这样的一种使用环境下，为了提高系统的可靠性，应尽量选用抗污染能力更强的定量齿轮泵。另一方面，限压式变量泵的工作曲线决定了只有工况与曲线相近时，节能效果才会较好。通过对砌块成型机成型过程综合分析，在分析成型过程各阶段对压力、流量需求的基础上，综合考虑，本研究决定采用变频电机驱动定量泵作为动力源，通过调节电机转速，使液压泵的输出功率尽可能与负载功率匹配，达到降低能量损失的目的。同时，又可以提高系统的可靠性。

1　变频调速的机理

液压泵的输出流量与电机转速的关系表达式如下所示：

q=ηVVn/1000

(1)

式中：ηV为液压泵的容积效率；V为液压泵的排量；n为电机转速；q为液压泵流量。

电机的转速n=60f(1-s)/p，因此有：

q=0.06ηVVf(1-s)/p

(2)

式中:f为输入频率；p为电机磁极对数；s为电机转差率。

由(2)式可知，变频调速技术是通过改变电机定子绕组供电频率f来改变电动机转速，从而调节液压定量泵的转速，实现对液压泵输出流量的控制，使液压泵的输出流量满足工艺需求。变频调速范围宽，平滑性好，具有优良的动、静态特性，是一种理想的高效、高性能的调速手段[4]。

2　采用变频调速的砌块成型机液压系统

采用变频调速的砌块成型机液压系统由模头成型回路、模箱回路、布料箱布料回路、储料斗开关回路、供托板回路及马达旋转回路6部分组成，液压系统原理图如图1所示。

改进后的砌块成型机液压系统与原液压系统相比主要是系统的动力源不同。在原液压系统中，系统的动力源采用普通电机驱动限压式变量泵，为系统提供能量，但缺点是系统结构复杂、故障率高、抗污染能力差。此外，采用限压式变量泵只能对模头成型回路进行节能改善，具有局限性。改进后的液压系统，采用变频调速电机驱动定量齿轮泵，不仅弥补了限压式变量泵抗污染能力差的缺点，而且高转速且调速范围宽的定量泵满足变频电机在不同工况下的频繁变速需要，从而实现了节能，提高了系统的可靠性。

砌块成型机液压系统有6个执行元件，合理安排多个执行元件动作顺序,会降低系统的装机功率。因此，本研究提出了新的排序方式,6个执行元件相互穿插进行,使系统的能量利用充分。

砌块成型过程：两个定量泵同时向模头液压缸上腔供油，模头液压缸在差动连接下，快速下降0.6 s；当模头接触到干性模料时，差动连接断开，只有定量泵1向模头液压缸上腔供油，模头振动工进5 s。为了缩短成型周期，在模头工进5 s时，同步完成以下四个动作：定量泵7向储料斗仓门液压缸供油，仓门打开；定量泵7向托板液压缸供油，托板液压缸复位；定量泵7卸荷；定量泵7向储料斗仓门供油，仓门关闭。当模头压制砌块完成时，两个定量泵向模箱下腔供油，模箱在差动连接下快速上升0.7 s，在模箱上升0.7 s内，工艺需要模头上腔泄压。砌块压制成型以后，两个定量泵同时向模头液压缸下腔供油，模头上升0.58 s，两个定量泵同时向托板液压缸供油，托板液压缸转移砌块1.25 s，两个定量泵同时向模箱液压缸上腔供油，模箱下降1.45 s；定量泵7向布料箱液压缸供油，布料箱伸出1 s，与此同时，定量泵1向布料马达供油，马达运转1 s；布料完成后，定量泵7向布料箱供油，布料箱缩回0.37 s，整个成型周期10.95 s。

3　砌块成型机液压系统的仿真分析

衡量液压系统是否实现节能，从液压系统的能耗，整个周期运行的时间，性价比等综合考虑。利用AMESim仿真软件，在HCD库中分别组建原砌块成型机液压系统模型，如图2所示；采用变频调速的砌块成型机液压系统模型，如图3所示。在两种仿真模型系统中，对应液压缸参数设置相同，负载参数设置相同。原液压系统的定量泵流量81 L/min及溢流阀设定压力为6 MPa，限压式变量泵的最大流量为43 L/min，在负载压力为14 MPa时输出流量为0；改进后液压系统的定量泵1流量16 L/min，溢流阀的额定压力15 MPa，泵7的流量80 L/min，溢流阀的额定压力 6.3 MPa。

图2　原砌块成型机的AMESim模型

图3　采用变频调速的砌块成型机的AMESim模型

4　砌块成型机液压系统仿真结果分析

通过AMESim软件仿真，得出变频电机驱动定量泵回路和普通电机驱动变量泵回路在一个周期内的功率曲线如图4所示。对比分析可知，在保证系统各项功能指标前提下，普通电机驱动变量泵输出压力和流量过剩，系统最大输出功率17 kW；变频电机驱动定量齿轮泵按负载所需提供能量，系统输出最大功率只有6 kW。变频电机驱动定量泵液压系统的功率曲线在普通电机驱动变量泵液压系统之下，大大降低了能量的损耗。在一个成型周期内，普通电机驱动变量泵液压系统所需时间为11.4 s，而变频电机驱动定量泵液压系统的所需时间缩短到10.95 s。

图4　普通电机驱动变量泵回路和变频电机驱动定量泵回路在一个周期内的功率曲线

图5是普通电机驱动变量泵和变频电机驱动定量泵对应溢流阀的流量输出曲线。普通电机驱动变量泵系统中，限压式变量泵的工作特性曲线只与模头压制回路的工况曲线相近，输出流量随负载流量变化而调节，所以在模头压制回路的节能效果最佳，但是对于整个成型回路，系统仍存在溢流损失。采用变频电机驱动定量泵，变频电机工作在50 Hz以上是恒功率特性，定量泵在模头压制回路输出小流量大压力，在其他回路输出大流量小压力，系统无溢流损失，效率高。

图5　普通电机驱动变量泵和变频电机驱动定量泵对应溢流阀的流量输出曲线

图6是两个系统在一周期内各自普通电机驱动定量泵对应溢流阀的输出曲线。原砌块成型机液压系统，普通电机驱动定量泵，输出恒定流量，没有合理分配到系统工作中。而采用变频调速的砌块成型机系统，6个执行元件相互穿插进行的排序方式,是实现节能的另一途径。所以，改进后的砌块成型机液压系统中普通电机驱动定量泵对应的溢流损失值比原液压统中普通电机驱动定量泵对应的溢流损失值低，减小能量溢流。