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舊機床液壓係統節能改造研究

2023-7-25 來（lái）源：湄洲灣（wān）職業技術學院作者：趙慶新陳建洪陳菡菡

摘要：在製造產業升級過程中（zhōng），出現大量的老舊機床，為避免浪費資源，急需改造升級（jí）。文章針對舊（jiù）機（jī）床液壓係統節（jiē）能改造進行研（yán）究（jiū），分別應用變頻調速技術以及液壓係統熱能（néng）回收技術對舊（jiù）機床進行改造（zào），經模型仿（fǎng）真能耗分析：其經濟效益明顯提高，節能環保效果顯著。

關鍵詞：變頻調速；節能改造；能耗分析

當前，新一輪科技革命和產業變革，重塑國際產業（yè）分工（gōng）格局，“中國製造 2025”國家戰略布局實施，迫切需要我國由“製造（zào）業大國”向（xiàng）“製造業強國（guó）”轉變，為實（shí）現中華民族偉大複興的中國夢打下堅實基礎。在製造業產（chǎn）業升級過程中（zhōng），如（rú）何處理利用大量（liàng）老舊機床（chuáng）的難題亟待解決。在我國發展和興起機床再製造，不僅可以實現大量（liàng）廢棄機床再利用，大大節約了資源和能源，也減少了環境汙染，還可以進行節能改造提高再製造機床的能效利用（yòng）率；但以往的研究主要關（guān）注機械設計改造（zào）和數（shù）字化改造等，對機床液壓（yā）係統（tǒng）再（zài）改造的研究甚少，控製液壓係統溫度對節約（yuē）能源（yuán）和提高加工精度具有現實意義。

1、原有液壓係統存在問題

液壓係統主（zhǔ）要由潤（rùn）滑和冷卻兩（liǎng）個模塊組成，機床的（de）運（yùn）動及動力不僅是靠液壓（yā）係（xì）統的油液來傳遞的，而且（qiě）隻有在潤滑和冷卻運（yùn）行順暢下才能（néng）保機床正常工作。在機床運行過程中（zhōng），由於工（gōng）藝過程和負載是（shì）隨時變化的，液（yè）壓係統的壓力和流量都會有明顯波動，如在（zài）空載或空行程時所需流量是（shì）很小的，係統（tǒng）處於（yú）供（gòng）大（dà）於求的狀態（tài），此時能耗的浪（làng）費是最大的。、

一台機床有許多零部件，很多是由液壓係統驅動的，如潤滑模塊、冷（lěng）卻模塊、液壓能耗模塊等。

機床在工作過程中工序和負載是隨機變化的，其所消（xiāo）耗的能量也不是（shì）恒（héng）定不變（biàn）的，在不同的工序中（zhōng）液壓係（xì）統所（suǒ）需的流量及壓力變化較大。於是，當機床功耗低時，液壓係統所需實際流量較小的時候，泵的實際供應量將遠遠（yuǎn）超出實際所（suǒ）需流量，這時候溢（yì）流閥將起（qǐ）作用，多餘的液體將會（huì）經溢流閥回到油箱。據能量守恒定律，這種經溢流（liú）後的液壓油浪費很多的電能。當機床處於供大於求狀態的時間越長，係統所耗（hào）散的能量也就越多。根據流體力學（xué）原理可以得到，泵的轉速不變時，泵的供油（yóu）壓力F和轉速（sù）n的（de）平方成正比，泵的輸出（chū）流量Q與（yǔ）轉（zhuǎn）速n成正比，所消耗的功率P等（děng）於流量（liàng）Q與壓力F的乘積，其關係為：

由式（3）可得，當（dāng）轉速n降低時，功率P將更加明顯地降低。要使機床的液壓係（xì）統節能環保，必須控製泵的（de）流量Q。舊機床最常見的方法是調節閥門來控製流量，如圖1所示。

圖1 舊機床調節流量方法

圖 1中所示舊機床流量調節回路主（zhǔ）要是由節流閥、溢流閥和定量泵等組（zǔ）成，此回路的電動機以恒定（dìng）速度運轉，而係統流量是通過調節節流閥大小來（lái）實現的。此設計方案的電機未（wèi）根據實際需（xū）要做調整，始終滿（mǎn）負荷運行，能量消耗很（hěn）大，且係統溫度將會持續（xù）升高，為了提高企業效益及節能減（jiǎn）排，此類（lèi）機床必須進行節能改造再利用。

2、變頻調速節能技術

變頻（pín）調（diào）速是把工頻電源（50 Hz或60 Hz）變換成各（gè）種頻率（lǜ）的交流電源，以實現電機的變速（sù）運行（háng）的設備，其中控製電路完成對（duì）主電路的控（kòng）製，整流電路將交流電變換成直流（liú）電，直（zhí）流中間電路對整流電路的（de）輸出進行（háng）平滑濾波，逆變電路將直流電再變換成交流電。在機床上采用（yòng）這種變頻調速技術的方法可以實現按（àn）需給流量（liàng），資源浪費可明顯減少，經濟（jì）效率顯著提高。交流電動機的（de）轉（zhuǎn）速表達式為：

式中：n為異步電動機的轉速；f為異步電動機的（de）頻率；s為電動機轉差（chà）率；p為電動機（jī）極對數，由式（4）可以看出（chū），轉速 n與頻率 f成正比，隻要改變頻率 f即可改變電動機的轉速，當（dāng）頻率 f 在（zài） 0～50 Hz 的範圍內變化時，電動機轉速調節範圍非常寬。變頻器就是通過改變電動機電源頻率實現速（sù）度調節的，是一種理想的高效率、高性能（néng）的調速（sù）手段。

經（jīng）過變頻調速改造後（hòu）的係統，通過變頻改變電機的轉速 n 來改變（biàn）泵的流量及壓力，以達到實際需要的適合流（liú）量，從而達到（dào）減少能耗目的。如圖 2所示為改造後的變頻調（diào）速結（jié）構圖。

圖2 改造後流量調節示意圖

此設（shè）計是（shì）在舊的液壓係統上，增加了調速控製單（dān）元，變頻控製裝置獲取機床工況負（fù）載信號以及（jí）節流閥、溢（yì）流閥壓力信號後，改變頻率 f來調節電機轉速n，從而給（gěi）出係統實際所需流（liú）量。采用此種設計與舊機床（chuáng）流量調節方法相（xiàng）比，其經濟效益和節能（néng）減排（pái）效果明（míng）顯提高，如圖3 所（suǒ）示。

圖3 改造前後能（néng）耗比較圖

舊（jiù）機床流量調節方法：當係統閥門全開時，電機轉速 n1 恒定不變，通（tōng）過調（diào）節（jiē）閥門將（jiāng）流量從 Q1調整為 Q2，相應係統壓力由 F1增大到 F2。由式（3）可知，功率 P 沒有降低，但（dàn）係統壓力 F 卻增大較多，摩擦發熱導致係（xì）統溫度明顯升高。改造後增加變頻控製裝（zhuāng）置（zhì）通過變頻調（diào）速來實現流量調節，此時係統負載特性曲線仍為 R1，而通過變頻調速改變電機轉速，電機轉速從n1下降到n2，穩定工況點為兩者交點C處。此時流（liú）量為Q2，壓力為F3，功率P降（jiàng）低了，圖3中剖麵線（xiàn）部分即為改造（zào）後相對應改造前的P減（jiǎn）小值，可見（jiàn）改造後的係統，節能效果顯著。

3、液壓係（xì）統熱能回收技（jì）術（shù）

現存的很多大機床的製（zhì）造（zào）年代久（jiǔ）遠，由於當初技術薄弱、經（jīng）濟（jì）落後，隻求能用夠用即可（kě），因此其體（tǐ）積龐大且（qiě）製造粗糙。因液壓（yā）係統設計不合理，機床工作（zuò）時油液吸收了多餘的熱能而導致溫度升高（gāo），此時若無適當的冷卻方（fāng）式，油液自身因（yīn）長期（qī）高溫影響品質，高（gāo）溫高熱會使機床重要零部件產生形變，甚至影（yǐng）響機床（chuáng）加工精度；當冬季氣溫較低，機床需要提前較長（zhǎng）時間熱機，極端情況下油（yóu）液需要（yào）加熱後機床才能正常使用。對於油溫的控（kòng）製，針（zhēn）對低溫舊機床是安（ān）裝加熱管，此（cǐ）方（fāng）式簡單易行（háng）但（dàn）缺陷明顯，出現油溫分布不均勻，以及局部（bù）過熱影響油液品質。當油液出現高溫時，舊機床采用（yòng）排（pái）熱風扇給予降溫，工作環境溫度升高。

鑒於原有油溫分布不（bú）均和工作環境溫度高的（de）情況（kuàng），對舊係統進行節能改造，改（gǎi）進之後（hòu）油（yóu）溫控製係統更節能環保（bǎo），其原理如圖4所示。

圖4 節能型油（yóu）溫控製係統

為了解決（jué）舊係統加熱管局部過熱（rè）問題，運用了帶有薄壁螺（luó）旋形（xíng）的熱交換器，增加接觸麵積（jī），並把熱量儲存起來。換向（xiàng）閥 4、13、14與（yǔ）控製中心配合，實現冷卻模式和預熱模式的（de）智能（néng）切換。當係（xì）統溫度過（guò）高時，溫（wēn）度數顯反饋到控製中（zhōng）心，係統（tǒng）進入冷（lěng）卻模式，油液（yè）從熱交換器左邊（biān）入口進入，熱交換結束後從右邊出（chū）口排出，熱量（liàng）儲存在蓄熱裝置中，冷卻後（hòu）油液再回到油箱。當係統溫度較低時，切換到預熱模式，此時換向閥 4、13、14做出移位工作（zuò），低溫油液先進入蓄熱裝置，溫度升高後進入熱交換器（qì）預熱，熱傳遞後的油液（yè）經換向閥14回到油箱。

4、改造前後機床能耗仿真分析（xī）

機床（chuáng）在加工的過程中，機床的（de）主傳動模塊、進給模塊、冷卻潤滑模塊、液壓模塊、其餘能（néng）耗模塊等 5 大能耗模塊的狀態是不（bú）斷變化的過程，而且不同的工序影響和控製著機床狀態。Simulink 是美國 Mathworks 公（gōng）司推出 MATLAB 中的一種（zhǒng）可視化仿真工具（jù），利用Simulink/Stateflow可以建立改造前後機床能耗仿真模（mó）型。在 Stateflow 中，對於機床的每一個工況狀態，機床（chuáng）的主傳動模塊、進給模塊、冷卻潤滑模塊、液壓模塊、其餘能（néng）耗模（mó）塊等都會處在不同的狀態，在不同的（de）工（gōng）序時，各個模塊所消耗的能耗也是不（bú）同的。

利用邏（luó）輯仿真模（mó）型可以進行仿真能耗計算（suàn），呈現（xiàn）出機床改造（zào）前後各能耗模塊的能耗狀況（kuàng）。為了便於驗證能耗邏輯模型的可執行性，以一大重型鏜銑床為實驗對象進行節能改造（zào），此機床不僅液壓係統進行了（le）變頻調速（sù）改造、能耗回收改造，還進行（háng）了主（zhǔ）傳動模塊和進給模塊零部件輕量化改（gǎi）造，利用改造前後的機床對同一個工（gōng）件進行加工，而且要求加工環境、工件材料以及工（gōng）藝過程都是相同（tóng）的，本實驗加（jiā）工零件共 12道工序。分別監測（cè）不同工序的能耗和時長，然後輸入到能耗仿真模型中，待模型運行結（jié）束後，就將得到改造前後機床各（gè）能耗模（mó）塊的能耗情況如表1所示。

表1 改（gǎi）造（zào）前、後機床各模塊能耗情況表（biǎo）

由表 1 中改造前後的數據（jù）情況來看，本實驗機床經過節能改造後，各個模塊的能耗均比改造前明顯減少，僅有其他這項模塊比改造之前的能耗（hào）增加較多（duō）。出現這種的情況主要原因是經過改造之後，其他模塊裏麵增加了排（pái）屑係統及自動換刀係統，造成了其能耗不降反（fǎn）升。

5、結論

本文以一大重型鏜銑（xǐ）床為實驗對象，對（duì）其液壓係統進行變頻調（diào）速（sù）以及熱能回收節能改造（zào），並利用Simulink/Stateflow進行仿真模型能耗分析，可知改造（zào）後機床各個模塊的能耗比改造前消耗的能量減少明顯，液壓模塊節能達到（dào） 32.859%，經濟效益明顯提高（gāo），節能環保效（xiào）果顯著（zhe）。

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