鋁擠壓機(jī)能耗建模與分析

鋁擠壓機(jī)能耗建模與分析

0擠壓機(jī)能耗特性擠壓機(jī)是壓延工藝線的重要設(shè)備。其工作能力高，受到壓延工藝的要求和機(jī)器本身的動(dòng)態(tài)動(dòng)力形式的限制，導(dǎo)致能耗嚴(yán)重、壓縮效率低。由于抗壓縮工藝的工作量約為60%，失去的能量轉(zhuǎn)化為能耗。擠壓機(jī)的能耗主要發(fā)生在擠壓過(guò)程階段,該階段持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),實(shí)現(xiàn)鋁錠擠壓成鋁制品的轉(zhuǎn)化過(guò)程。擠壓機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)為液壓傳動(dòng)方式,能耗損失主要是液壓系統(tǒng)的功率損失。目前針對(duì)擠壓機(jī)的節(jié)能研究包括擠壓機(jī)設(shè)備的節(jié)能改造、擠壓工藝的參數(shù)優(yōu)化及提高擠壓制品成材率等本文將從擠壓機(jī)液壓系統(tǒng)原理的角度,對(duì)擠壓過(guò)程能耗進(jìn)行理論分析,并借助AMESim仿真軟件做仿真與優(yōu)化研究。1壓縮過(guò)程中的能耗建模1.1壓延工藝的原理擠壓過(guò)程的液壓系統(tǒng)原理簡(jiǎn)圖如圖1所示,系統(tǒng)采用交流異步電機(jī)+柱塞變量泵的動(dòng)力及流量控制形式1.2液壓系統(tǒng)的能量特性系統(tǒng)共有三次能量轉(zhuǎn)化:首先電機(jī)通電,將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能;然后通過(guò)聯(lián)軸裝置,驅(qū)動(dòng)液壓泵運(yùn)轉(zhuǎn)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為液壓能,輸出高壓油;最后擠壓油缸將液壓能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能進(jìn)行擠壓做功。其中液壓控制系統(tǒng)考慮動(dòng)力元件、執(zhí)行元件及控制元件的能量的傳輸、轉(zhuǎn)化和損失,損失主要包括機(jī)械摩擦損失、容積損失、溢流損失、局部壓力損失、動(dòng)能勢(shì)能損失等。能量流向如圖2所示。重點(diǎn)研究關(guān)鍵的能耗元件:柱塞變量泵、插裝閥、擠壓缸PΔP2能源單元的能源分析2.1柱塞變量泵的能耗分析柱塞變量泵的總效率主要包括容積效率和機(jī)械效率功率損失ΔPqT2.2功率損失的控制插裝閥通過(guò)調(diào)節(jié)閥芯和閥套之間的相對(duì)移動(dòng),改變閥口的流通截面積來(lái)控制主油路的油液流動(dòng)方向,功率損失主要表現(xiàn)為局部壓力損失,當(dāng)油液進(jìn)入閥口,在閥芯處的過(guò)流面積迅速變小,形成壓差,消耗能量。因壓差造成的功率損失可用以下公式表示。其中,Δp2.3抗壓縮機(jī)的能耗分析擠壓缸擠壓工作時(shí),高壓油進(jìn)入擠壓油缸無(wú)桿腔推動(dòng)活塞,克服金屬形變應(yīng)力做功擠壓缸的功率平衡方程:3建模和模擬amesim3.1hcd設(shè)計(jì)模型的建立進(jìn)入AMESim環(huán)境,草圖模式下調(diào)用系統(tǒng)提供的液壓庫(kù)、機(jī)械庫(kù)、液壓元件設(shè)計(jì)庫(kù)和信號(hào)庫(kù),搭建仿真模型,針對(duì)上文提及的柱塞變量泵、擠壓缸、插裝閥塊和油路的能耗使用與功率損失進(jìn)行HCD設(shè)計(jì),并選擇最簡(jiǎn)子模型。擠壓過(guò)程的液壓控制系統(tǒng)模型如圖3所示。3.2盤(pán)控制器三部分積分卡式泵體的機(jī)械損失計(jì)算泵體為斜盤(pán)式軸向柱塞變量泵,主要包括配流盤(pán)、柱塞容腔、斜盤(pán)柱塞連接器和斜盤(pán)控制器三部分考慮泵體的容積損失,包括柱塞副泄漏、滑靴副泄漏,考慮油液的壓縮性,即可得到容積壓縮損失,各柱塞的配流副泄漏之和在泵體出口處表示,泵體的機(jī)械損失由帶阻尼的旋轉(zhuǎn)負(fù)荷扭矩模型表示,變量泵的參數(shù)如表1所示。3.3壓縮波模擬模型利用AMESim的HCD庫(kù)和信號(hào)庫(kù),根據(jù)擠壓缸的結(jié)構(gòu)原理與功率損失建立擠壓缸模型3.4插裝閥模仿模型插裝閥包括閥體和閥座,通過(guò)HCD庫(kù)進(jìn)行設(shè)計(jì)3.5仿真結(jié)果驗(yàn)證設(shè)置仿真時(shí)間為69s,通信間隔時(shí)間為0.01s,運(yùn)行并查看仿真結(jié)果,得到擠壓過(guò)程的擠壓速度曲線,通過(guò)后處理,得到擠壓過(guò)程的各耗能元件的功率特性曲線,為了驗(yàn)證模型的有效性,仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,如圖5、6所示,仿真與實(shí)際的擠壓完成時(shí)間分別為63s和66s,擠壓的完成時(shí)間基本一致;由于仿真考慮的比較理想化,仿真的速度和電機(jī)輸入功率雖然存在誤差,但曲線的總體趨勢(shì)相差不大,可進(jìn)一步分析模型的能耗情況。3.6損失能耗情況根據(jù)能耗平衡方程(1)和(2),對(duì)液壓系統(tǒng)仿真模型的耗能元件進(jìn)行能耗分析:包括變量泵和擠壓缸的輸出能耗,如圖7損所示;變量泵的損失能耗、進(jìn)油閥的局部壓力損失能耗、泄壓閥的溢流損失能耗、擠壓缸損失能耗,如圖8所示。根據(jù)上文的仿真結(jié)果,可以清晰地反映了擠壓過(guò)程的各耗能元件的能量消耗和損失情況,通過(guò)進(jìn)一步計(jì)算,可知總能耗為1.17kWh,擠壓缸輸出的有用功占總能耗的71.2%,能量損失最大的是溢流損失占17.1%,變量泵的能耗損失占9.15%,擠壓缸的能耗損失占2.1%,其他損失占0.45%。4能耗特性的測(cè)量是壓力壓對(duì)擠壓過(guò)程的工作原理與液壓系統(tǒng)能耗進(jìn)行分析,在AMESim平臺(tái)上建立系統(tǒng)仿真模型,驗(yàn)證了模型的正確性。并得到擠壓過(guò)程耗能元件的能耗曲線,量化了能耗分布,得出擠溢流能耗損失是造成擠壓效率不