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在成型机上使用速度控制液压供应系统进行电液负载感应
摘要
在可变电液供应系统的工业应用中，需要具有低能耗，低噪音，高可靠性和易维护性以及便利的成本效益的高功率传输能力。只有使用变量供应系统和适当的控制策略才能获得有关容量控制液压能的最新原则，而这些原则符合以上要求。目前工作的目的是研究低速驱动概念的适用性，该概念将速度控制感应电机与负载感应控制策略中应用的一种定量泵相结合。驱动概念的建议方法已在驱动器原型上进行了实验验证。用于汽车工业中铸件产品加工的液压压力机也已被考虑。
关键词：金属成形机；电液系统；负载传感；速度控制定量泵；实验
1介绍
降低驱动系统的能耗和噪声以及成本效益，是现代机械设计中重要的方面。 所有上述的要求对配备液压供应系统和驱动系统的机器来说尤为重要。
使用液压供应系统的工业应用需要具有低能耗和高成本效益的高功率传输能力。容量控制液压能的原理（例如使用变量泵的可变供应系统）已证明满足上述要求。在这方面，电液解决方案尤其可以利用现代电信号传输和控制器设计的所有优点。
原则上，这种可变供应系统可以通过液压或电力进行控制。为了控制流量或因此控制介质的压力，定速感应电动机与变量容积泵结合使用是一种常用的解决方案。出于同样的目的，第二个方面，代表着与变速马达结合使用的定量容积泵的应用，由于其具有吸引力的价格，最近在实践中获得了重要的意义。 与液压机械解决方案相比，此类系统具有多项优点，例如能经济地使用能源，对用户友好的过程控制以及易于维护。
尤其是，电液变速定量泵最近成为一些基础研究工作的对象（参见[1-3]），以及新型控制原理的早期应用的工作描述（例如，用于塑料注塑机 [4,5]）。 速度控制泵的驱动概念仍然是一个有吸引力的研究课题[6-8]。
然而，实际上，最先进的液压站通常配备有由液压机械控制装置控制的泵。尽管已知定量泵与变量泵（简单设计，可靠性，低噪音，成本效益等）的优点，但造成这种情况的原因之一是使用传统驱动策略。通常提到的对应用速度控制定量泵的偏见是由于变频器和数字控制设备的额外成本。因为必要的电气设备价格下降，其可靠性和用户友好性，这种偏见是没必要的。此外，它还提供了一些重要的功能，如将控制器集成到变频器中，控制器参数化的简易性，监控的简易性等。那些操作变频器所必需的数字设备和电气传感器也可用于显着改善系统动力学 - 智能电动液压系统。 数字控制设备可以将控制动态调整为电机极限，从而有助于最大限度地提高系统性能，并适应机器工作循环的实际负载条件 - 负载传感控制策略。
为了达到有关机械稳态和动态性能的高标准，设计人员（如果他们意识到上述的所有优点）可以重新设计和更新现有的控制解决方案。在将驱动系统从液压机械系统重新设计到使用恒速泵的系统中时，设计师经常会遇到一些问题，包括：“速度控制定量泵概念的特性和比较优势或缺点是什么 ，特别是在动态行为方面？”和“是否可以用一个液压机械控制的变量泵替代现有的液压供应系统，以及一个速度可控的定量泵？”主要关注的是电动机旋转部件的高惯性与变量泵斜盘的对比。
为了回答上述问题，工业冲压制动器的情况被考虑用于汽车工业中的铸造产品精加工。如图1所示，需要更换所讨论的带有液压机械控制轴向柱塞泵的液压折弯机的部分液压方案。
本文的目的是研究速度控制感应电机与在节能负载感应驱动概念内驱动的定量泵的适用性，其中压力适应系统中的实际负载。建议的驱动概念在机器驱动的原型上进行了实验验证。
为了实现这一目标，首先需要澄清当前状态，工作特性和机器参数，并确定机器的工作阶段和操作参数。然后使用速度控制感应电机和在节能负载传感控制策略中应用的定量泵驱动的等效原型来检查机器的操作过程。
图1 现有的液压机械控制泵
2液压折弯机的工作情况
如第3章中所述建立了一个特殊设计的试验台，以检查速度控制感应电机与成型机或压机领域的定量泵的适用性。为了完成预定的任务，有必要在整个工作周期内建立机器的真实工作状态及其压力特性。测量的压力曲线描述了现有液压供应系统和执行器的实际动态。选择最具机械加工动态要求的泵的压力曲线。相关的压力曲线和相应的加工阶段如图2所示。
图2 整个工作周期内的压力曲线，工作阶段
注：pressure profile on pump outlet 泵的出口压力曲线
pressure at cylinder 在气缸上的压力
machining cycle - start 加工循环 - 启动
cylinder feed forward - fast, slow 气缸前馈 - 快速，缓慢
working fhases - machining of workpiece 工作时间-加工工件
cylinder down end 气缸下端
cylinder backward in two phases1 and 2 气缸向后两相1和2
end position 终点位置
ejection of workpiece 工件的喷射
tool openig, data acquisition 顶部打开，数据采集
machining cycle - end 加工循环 - 结束
图2中显示了两个压力值，即气缸压力（）和泵压力（）。 气缸压力提供有关工作进度和气缸对应力的信息。压力曲线对于提供所需系统的动态性是具有决定性的。泵必须供给机器的所有子系统，而不仅仅是由气缸驱动的作业工具。它必须对所有负载变化做出反应，例如车削，固定和弹出设备的活动。图2所示的采集泵压曲线是由上述所有子系统活动提供的。所提出的泵压曲线被用作进一步研究的起点。
所获得的泵压曲线已被简化，因为在工作曲线中只能动态地再现最苛刻的压力变化。所有重要的时间参数和压力振幅都被保留下来：启动时间和压力变化结束（例如，切换附加负载的开/关），压力变化持续时间，压力振幅等。只忽略了动态不重要的相位。此外，应用了压力幅度的阶跃变化，代表了测试控制概念动态的最苛刻情况的动态。
通过在负载感应控制概念中使用速度控制定量泵，可以获得动态可比较的压力曲线。简化的配置文件如图3所示。
图3 简化的压力曲线
注：reference value pref 参考值pref
disturbance tool switch on/off 干扰 工具 打开/关闭
使用比例压力阀产生的简化压力曲线（图4），使用Visual Designer软件进行控制。过程的所有其他控制和调节功能也在同一环境中生成。Visual Designer是一种软件工具，可用作数据采集，控制和过程管理以及测试和状态监测领域的编程工具。Visual Designer已被用于生成参考压力曲线，泵压力和EM速度数据采集。从采集的数据中进一步计算泵的体积流量和消耗的EM电力。可视化设计也被用于可视化结果。
图4 测试台的结构
注：pipeline system equivalent length 管道系统等效长度
frequency converter with controllers (Siemens) 带控制器的变频器（西门子）
monitoring and graphical interfacing (Visual Designer) 监视和图形界面（Visual Designer）
constant internal gear pump 恒定的内部齿轮泵
induction motor 感应电机
pressure relief valve 减压阀
switch valve 开关阀
loading unit 加载单元
proportional pressure valve 比例压力阀
3测试台设计
如图4所示，专门的测试台设计用于真实模拟机器上的实际情况。考虑了现有动力装置的驱动能力。 为测试设备引入了那些用于建议驱动概念的组件。 市场上可用的低成本工业部件被有意用于建造钻机。
现有的液压机械控制的轴向柱塞泵被一个由15千瓦的速度控制感应电机驱动的恒定内啮合齿轮泵（PGF3 31 / 032RE07VE4，Bosch-Rexroth）取代，该齿轮泵将用于新的驱动概念。电动机由适当的变频器驱动（Midimaster vector 6SE32，Siemens）[12]。该泵提供等效长度和尺寸（可比较的液压容量和电感率[9]）的液压管路系统，并且与现有的压闸管路的系统相对应。
系统的过载可以通过一个额外的减压阀来防止。测试台的其余部件是加载单元，压力传感器以及控制和信号采集系统。装载单元由两个节流阀和组成，它们与比例压力阀共同组成压力机的液压缸。加载单元的组件可以真实模拟真实系统的工作负载。通过安装在节流阀前方的换向阀来模拟控制装置的干扰，例如打开/关闭附加的致动器，使得液压流量几乎瞬时改变。在泵的出口端口（）和管道系统（）的末端应用两个附加压力传感器进行压力变化采集。所有控制定量泵和变速电动机所需的设备（控制结构，控制器设置等）都集成在变频器中。参考值，数据采集，监测和图形界面的设置均使用个人电脑进行。
4负载传感控制概念
液压能量控制有两个主要原则：通过使用阀门节流原理或通过使用具有可调扫气量的液压泵来节流发生器部件（泵）和电机部件（执行器）之间的流体的流量-体积原理控制。第一原理的特征是有利的高动态性，由于节流造成的大量能量损失以及运行效率差。对于体积控制的原理，预期动力学行为较差，但预期功率效率明显较好。
负载感应（LS）概念是上述两个原理有利特性的组合。在使用单个泵供应多个具有不同负载的独立阀来控制执行器时，在负载感应概念中，调节供应压力以适应执行器的最高压力值。图5显示了不同供应原理的使用和浪费能量之间的比较。
当使用定量泵时（图5左），必须始终将设置在泄压阀上的压力设置为高于所施加的负载所需的最高压力，同样，泵的体积流量必须足够大以提供给所有压力执行器。当由于节流而使在控制阀处的压力分别从降低到或时，它会导致能量损失-压力相关损失。 额外的损失取决于泵的供应量通常比执行器所需的量多的事实。多余的流体通过泄压阀排出。一些能量是由于节流转化为与热流有关的能量损失。它不仅导致更高的能耗，而且还使得安装大型泵和更精细的冷却设备十分必要。
如果使用变量泵，例如具有旋转斜盘的液压机械控制的轴向活塞泵，如在所讨论的成型机中的情况那样，可以调节流量并因此减少能量损失（图5 ，中）。 在作为压力控制泵的功能中，该变量泵仅提供所需的恒定供应压力的量。
图5 根据不同的供应原则比较使用和浪费的能量
注：constant pump 定量泵
variable pump pressure control 变量泵压力控制
waste energy 浪费的能量
leakage 泄漏
在负载传感系统中，供应压力是可变的。它通过改变来适应最高的负载压力。它位于高于最高负载压力的值处。当使用带变量泵的LS系统时，压力和流量相关的损失降低（图5右）。压力是在最高负载的执行器处测量的，而泵则根据压力增加一定的（实际的泵控制压力为：）进行控制，以满足液压管道系统中的损失。在加载传感操作期间使用变量泵为多个阀控制执行器提供最经济的能量供应类型。
LS（HMLS）的液压机械设计在一段时间里已经在移动液压领域作为具有高运行效率的驱动概念而众所周知。 HMLS设计由于其主要为液压机械信号流而具有某些缺点，如在这种系统中所应用的那样。以下是对液压系统设计的限制，不利的动态特性，振荡和不稳定的操作，以及通过引入负载感应不能轻易避免使用的控制器的选择有限。
这个问题可以通过使用电子液压设计和电子执行信号传输来解决。通过采用控制工程措施，电动液压负载传感（EHLS）为负载感应中的阀来控制执行器的动态特性提供了可能性，从而实现信号传输的高动态性，以及使系统设计和减轻重量有了更多自由度。如图6所示，EHLS系统通过使用速度控制电动机和定量泵作为可变供给系统实现。
图6
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