静压造型线伺服直驱泵控液压系统的理论计算与工程实践

张友亮，赵林栋，董永博，张成纪，李建松，田丽红，沈志昆，吴俊建

（国机铸锻机械有限公司，山东济南 250306）

静压造型采用气压预紧、液压压实，具有成型率高、表面光滑、自动化程度高等特点，逐渐成为铸造造型工艺的首选。

静压造型生产线采用液压传动，其液压系统主要由动力泵站、蓄能器站、独立冷却过滤循环系统、控制阀台等组成。常规动力泵站采用三相异步电机驱动定量泵+变量泵的技术方案。由于存在溢流损失、压力损失、电机功率因数低等因素，液压系统发热严重，即使配备蓄能器，也将存在较高的温升，而不得不采用强制水冷，造成水源及能量浪费，不符合降本增效、节能降耗的时代主题。

一般认为，设计良好的液压系统总体效率不超过67%，其余以热量的形式耗散为油液的温升。权威数据表明，1MPa 压力损失将使油温上升0.57℃。正常情况下，油液温度不应超过70℃。油温每升高10℃，油液寿命将减半。

1 液压系统主要技术参数

静压造型线现场配置几十条油缸，多缸同时动作，所需系统流量较大。通常系统流量及装机功率取决于生产率。有鉴于此，为减小装机功率，液压系统采用油泵+蓄能器的传动方案；为减小噪声和脉动，液压系统选用柱销式叶片泵；为获得稳定压力，降低成本，采用蓄能器+补偿氮气瓶的技术方案；为减小功率损失，采用蓄能器位置控制油泵升压、卸荷的技术方案，主要技术参数如表1 所示，蓄能器位置控制原理简图如图1 所示。

2 总体控制方案选择

为进一步降低系统能耗，结合直驱式容积控制电液伺服技术的不断发展，动力系统拟采用伺服直驱泵控、多泵合流的技术方案。其中，主驱动器接收来自控制装置的压力、流量控制指令，驱动伺服电机带动定量泵向系统供油。主驱动器与各从驱动器通过CAN 总线进行通讯，相应的主泵出口设置压力传感器，实时检测系统压力，构成压力闭环控制。伺服电机通过旋转编码器向驱动器反馈当前转速，构成转速闭环控制。有关控制原理如图2 所示。

表1 静压造型线液压系统主要技术参数

图1 蓄能器位置控制原理简图

图2 伺服直驱泵控合流系统原理简图

3 关键元件选型计算

油泵及蓄能器规格取决于所需的系统流量，针对静压造型线多缸同时动作的特点，采用分组、就近控制策略，将现场执行元件分为3 部分，分别计算出系统瞬时流量和平均流量，具体过程如下。

3.1 配置执行元件

分别计算各执行元件单独动作时，驱动执行元件所需的流量，主要执行元件配置及负载流量情况如表2 所示。

3.2 配置生产节拍

根据生产线要完成的工艺动作，在满足逻辑条件判断的前提条件下，考虑加、减速过程，分组配置生产节拍。

第一组：分箱推送、主机左定位、主机右定位、主机接箱升降、主机支撑、压头移动、百叶窗、静压缸、多触头、型板回转、内壁清理。

经理论计算，该组执行元件所需瞬时最大流量Qmax=1129L/min，平均流量Qv=295L/min，负载流量循环如图3 所示。

第二组：分箱升降、分箱机械手、分箱开沟、分箱过渡车、分箱车移动、内壁清理、1#车推缓、1 冷却线定位、2 冷却线定位、捅箱提升、捅箱移动、捅箱、台面清扫。

经理论计算，该组执行元件所需瞬时最大流量Qmax=557.8L/min，平均流量Qv=209L/min，负载流量循环如图4 所示。

第三组：合箱缓冲、液道定位、合箱车移动、合箱升降、合箱机械手、过渡车拨回、2#车推缓、浇注线定位、铣浇口定位、铣浇口Z 轴、铣浇口旋转、钻气孔定位、钻气孔Z 轴、钻气孔旋转。

经理论计算，该组执行元件所需瞬时最大流量Qmax=307.4L/min，平均流量Qv=155.7L/min，负载流量循环如图5 所示。对各组执行元件进行汇总处理，在整个动作循环周期内，系统所需瞬时最大流量Qmax=1775L/min，平均流量Qv=660.1L/min，主要执行元件负载流量循环如图6 所示。从该图可以追踪瞬时流量值，持续时间及所在位置，以此作为伺服电机泵组的选型依据。

3.3 伺服电机泵组选型

综合考虑伺服电机加速性能及过载能力，并考虑适当的安全余量，选用伺服电机额定转速1800r/min，配用叶片泵排量183mL/r，伺服电机驱动扭矩360N·m，伺服电机功率68kW，驱动器最大适配功率75kW，共4 台。

表2 主要执行元件配置及负载流量计算

图3 第一组执行元件负载流量循环图

图4 第二组执行元件负载流量循环图

图5 第三组执行元件负载流量循环图

图6 主要执行元件负载流量循环图汇总

表3 与常规动力系统运行工况对比

3.4 蓄能器选型计算

在选择蓄能器时，进行如下处理：将汇总之后的负载流量图进行离散化，平均分成120 个时间间隔Δt，每个时间间隔Δt代表0.5s。且认为在此时间范围内，系统所需流量qi是常量，则在第i 个时间间隔Δti内系统所需油量为qiΔti。以ΔVi表示蓄能器在第i 个时间间隔及以前各间隔内的充油和排油量的代数和，则有：

超出平均流量的部分由蓄能器和泵同时供油，低于平均流量的部分由泵向蓄能器供油。

所需蓄能器总容积为：

对于静压造型线许用压力范围，P1=9MPa，P2=11MPa，P0=8.5MPa，Vx=96.3L，代入以上公式可得出V0=784.4L。

所需补偿氮气瓶容积包含在计算所得的容积之内，配用补偿氮气瓶数量为：

实际补偿氮气瓶的数量取12。

4 现场应用及能耗对比

现场调试时，设定伺服电机运行参数，其最大反转速度为零，通过自学习不断优化。综合考虑响应速度和系统冲击，设定合理的油压PID 控制参数比例增益与积分时间。经连线调试，用户现场使用良好。液压系统电气控制室内配置能耗表，按时长统计耗能和产量等，如表3 所示。

两种类型动力系统的造型线生产率均为120型/h。据统计测算，采用伺服直驱泵控液压系统的平均能耗约在2.323kW·h/箱，而采用常规三相异步阀控系统的平均能耗约在3.747kW·h/箱，采用伺服直驱泵控液压系统的能耗约为常规三相异步阀控系统的61.9%，节能达38.1%。

5 结论

采用就近、分组控制策略，将现场执行元件分为3 组，并根据负载流量折算为伺服电机转速进行控制，伺服直驱泵组能快速响应负载压力、流量变化，具有较低的能耗。