关于中厚板全液压矫直机液压系统驱动电机功率的选取.pdf

总第 1 4 7期 2 0 1 4年第1 期 山西冶金 S HA NXI ME TA L LU RGY T o t a l 1 4 7 No ． 1 ， 2 01 4 I | l 生产实践 直甩摄恭 。 关于中厚板全液压矫直机液压系统驱动电机功率的选取★ 范海龙 ， 韩贺永 ， 张艳峰 ， 王君 1 ． 太原重工股份有限公司轧钢设备分公司矫直机设计研究所， 山西太原0 3 0 0 2 4 ； 2 ．太原科技大学山西省冶金设备设计理论与技术重点实验室， 山西太原0 3 0 0 2 4 摘要 在计算中厚板全液压矫直机液压系统驱动电机功率时， 存在选取液压系统压力和流量数值不精确等问 题， 导致计算所得电机功率过大， 设备资源浪费。 针对这些问题 ， 提出一种根据液压系统栽荷谱选取压力和流量 的方法， 以计算系统电机功率， 即根据栽荷谱 ， 通过分析不同工况下系统的工作状态， 选取该工况下所需液压系 统的压力和流量， 计算得出该工况所需的电机功率。通过现场采集数据验证了以这种方法计算出的电机功率 能够满足实际生产需要， 新得到的电机功率值小于原先使用的电机功率， 可达到节约能源的目的。 关键词 液压系统栽荷谱功率计算节能 中图分类号 T G3 3 3 ． 2 * 3 文献标识码 B 文章编号 1 6 7 2 1 1 5 2 2 0 1 4 0 1 0 o 2 8 0 3 液压系统的动力源于液压泵 ，而液压泵的驱动 又主要依靠三相异步交流电机。运用传统方法计算 电机功率 时由于选取的压力和流量数值不恰当 ， 导 致计算所得的电机功率超出实际所需功率值。 根据异步电机输出功率效率曲线可知 输出功 率值在电机额定功率值的7 0 ％～ 1 0 0 ％之间时，电机 工作效率高， 而且效率变化范围小； 为确保电机的高 效率， 应使系统的输出功率在此区间 。在实际生产 中选用的电机额定功率值远远大于电机实际消耗功 率值 ， 使得电机工作效率低下 ， 造成资源的浪费。 为从根本上提高企业的经济效益，降低生产成 本 ，可以在不影响企业正常生产 的基础上选取额定 功率较低的电机， 使输出功率在合理区间， 保证电机 的高效应用。为满足这一要求， 在计算电机功率时， 需要根据各工况特点，认真分析液压系统的载荷谱 和工作状态 ，选取恰当的液压泵压力和流量值 以计 算 电机功率 。 1 传统的计算驱动电机功率的方法 本次实验 以某钢厂 中厚板全液压矫直机 A G C 系统为实验平台。矫直机设计矫直力为 3 0 0 0 t ， 液 压缸活塞直径 D 6 4 0 IT l m，活塞杆直径 d 4 8 5 m m， 收稿 日期 2 0 1 3 - 0 3 1 2 ★基金项目 太原市科技创斯项 目 1 2 0 1 6 4 0 4 2 ； 博士科研启 动基金 项 目 2 0 1 2 2 0 4 7 第一作者简介 范海龙 1 9 7 6 一 ， 男， 太原重工股份有限公司 轧钢分公 司矫直机设计研究所主任 设计师 ， 工程 师。E ma i l ● 工作行程 s 3 0 0 m m。 两台液压泵同时为系统提供动 力。 液压系统每个工作泵设计工作流量为 2 6 0 L ／ m i n ， 工作压力为 2 6 MP a ， 根据公式 JP 肇 ． 1 7 7 p 式 中 P P 为液压泵的最大工作压力 ， P a ； q 为液压泵 的流量 ， L ／ m i n ； ／ 。 为安全系数 ， 取 0 ． 9 ； Ij} 为经验系数 ， 取 6 1 2 。 代人数据 ， 求得电机功率 P - 1 2 2 k W， 根据电机 样本实际选取电机额定功率为 1 3 2 k w。 2 根据载荷谱计算电机功率 载荷谱是指在实际生产 中不同工况下液压系统 承受载荷 的大小。 根据液压系统载荷谱计算电机功率，首先需要 分析液压系统不同工况下的载荷，得出液压系统所 需的相应压力和流量后 ，根据理论公式计算出该载 荷下所需的电机功率 ； 然后 ， 在此基础上加上各种损 耗和电机盈余量 ，进而得到系统在该工况下的理论 电机功率值 ； 最后 ， 从各工况 中选取计算所得电机功 率的最大值作为液压系统驱动电机功率。 矫直机液压系统工作分为四个工况， 即空载、 加载、 快进、 工进。由于液压系统在空载和加载工况下消耗的 功率很小， 不影响电机功率的选择， 在I比 处忽略不计。 2 ． 1 液压缸快进工况 液压缸快进工况是指液压缸从初始位置运动到 矫直机辊缝所需位置的过程 。 在这一运动过程中， 液 压缸做匀速运动， 系统设定液压缸运动速度为 5 m m ／ s 。 2 0 1 4年第 1 期 快进时四缸一起运动， 蓄能器在此过程中分担 2 0 ％的 流量。 根据参考文献[ 2 ] 中的公式， 液压缸快进时， 两台 泵起工 作，每个 液压泵为系统挺供的流量Q 1 5 4 L ／ m i n 。 此时安装在液压缸内的压力传感器可以在操作平台 上直接读出此时缸内油液的压力 P a 1 1 ．7 M P a 。 根据传统公式 3 】 盟 ． 2 式中 P a 为液压泵的工作压力； Q为液压泵的工作流 量； 为液压泵的工作效率， 由参考文献[ 3 ] 知7 0 ．8 。 经计算得到此时电机功率 P - 3 7 ．5 k W。 2 ．2 液压缸工进工况 矫直机对板材进行矫直时 ，设计最大矫直力为 3 0 0 0 t 。由系统设计的控制精度可知， 在此工况下， 液压缸的运动速度最大为 1 ． 5 m m ／ s 。根据参考文献 [ 3 ]可知 ，此时每个工作泵为系统提供的流量 Q 4 7 L ／ mi n 。 活塞杆重力忽略不计 ， 系统工作时处于 平衡状态。 根据参考文献[ 4 ] ， 取背压为 3 ． 5 M P a 。 代 入数据， 此时系统压力 P C 2 6 ．4 M P a 。运用传统公式 2 ， 可知此时电机功率值 P 2 6 k W。 系统电机在各工况下所需要的功率如上计算所 得； 系统电机工作时， 电机空转至少需要消耗 3 0 ％的 额定功率 ， 即需要 4 8 k W。在计算此工况所需的电 机功率时， 为保证系统工作的安全， 应在理论计算电 机功率 的基础上再取 1 5 ％～ 2 5 ％的功率值作 为功率 盈余量 6 ] 。各工况理论需要的电机功率应在原始计 算基础上加上电机损耗功率和电机功率的安全盈余 量这两部分功率。 将各工况系统参数总结如表 1 所示。 表 1 各工况参数总结 工况 单泵流量／ L ra i n 工况压力， 】Ⅵ P a 电机功率， k w 快进 l 5 4 l 1 ．7 1 0 6 工进 4 7 2 6 _4 9 2 3 数据处理 在工厂现场 ，通过 电气控制柜观测 电机工作时 的电流， 根据公式计算电机实际工作消耗的功率。 为 减少实验数据的误差，对各工况电机的电流进行多 次取值。 3 ． 1 液压缸快进工况 在测量快进 阶段电机电流时，为保证实验数据 的准确性，采集液压缸在不同位移下的多组电流数 据。 由于运动初期电流不稳定 ， 所以只是选取电流稳 定后的电流值。根据公式 ] 1 ． 7 3 2 ． 3 式中 P为电机功率 ； U为电机 电压 ； ， 为电机电流 ； 为功率因数； 为电机效率。 电机电压 U 3 8 0 V ， O ． 8 9 ， 7 0 ．9 5 ，将数据代 人式 3 ， 得出多组电机功率的数值， 与根据载荷谱 计算出的电机功率值和实际选用的电机功率值进行 比较 ， 结果如图 1 所示。 呈 褂 暴 脚 一⋯⋯⋯ ⋯⋯⋯- ⋯⋯⋯一 ▲ ▲ ． ▲ ． ▲ ▲ ▲ ▲ y V V V V ’ ◆观测电机功率值 -- -1 8 - -计算电机功率值 1 ▲ r 实际使用电机功率值 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 时间 ／ s 图 1 快进工况下功率值比较 由图 1 可知，虽然在快进阶段由于运动位移不 同， 电流值有所差异， 但是无论功率值如何变化 ， 均 小于理论计算值。这就说明系统处于 陕进工况时理 论功率值能够满足系统工作的要求。 3 ． 2 液压缸 工进 工况 在矫直机对钢板进行矫直的工作过程中，虽然 设计矫直力为 3 0 0 0 t ， 但是在实际工作 中为保证设 备的安全， 不会使设备达到满载荷状态； 当矫直力大 于 2 8 0 0 t 时， 液压系统便会自动卸荷； 当矫直力达 到 2 7 0 0 ～ 2 8 0 0 t 时， 记录电流值， 得出多组电机功 率的数值 ， 将其与根据载荷谱计算出的电机功率值 和实际选用电机功率值进行比较， 结果如图 2 所示。 - ▲ ▲ ▲ ● ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ⋯⋯⋯一 ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲J ▲ ▲ T T T T T T T T T 一 一一一．_一一J‘ 一 一 一一⋯ 一 观测电机功率值 ◆计算电机功率值 实际使用电机功率值 l 2 3 4 5 6 7 8 9 l 0 时间 ， s 图 2 工进工况下功率值 比较 ∞ 加 ∞ ∞ ∞ ∞ 加 O ∞ 加 ∞ 舳 ∞ 加 加 O 督 暴 面 3 0 山西冶金 E - ma i l a x y j b j b 1 2 6 ． c o n l 第 3 7卷 由图 2 可知， 虽然在工进阶段由于矫直力不同， 导致电流值有所不同， 需要消耗的功率也不同， 但是 无论功率值如何变化， 均小于理论计算值。 这就说明 理论计算所得功率值能够满足该工况下系统的正常 工作需要。 4 结果及分析 分析上述图表可知，理论的电机功率值完全满 足实际生产的需要，现场采集的数据可以充分证明 理论算法的正确性。理论电机功率值与实际选用电 机额定功率相比， 更接近实际测量值， 能够确保电机 的高效使用。 如上页图 1 所示 ，液压缸快进阶段所需的电机 功率最大，因此只要电机功率满足液压缸快进工况 所需的电机功率 ，就可以满足整个液压系统的工作 需要。快进工况理论 电机功率为 1 0 6 k W。根据电机 选型手册 ， 选取 1 1 0 k W 的电机即可。 某钢厂为液压系统选择 电机为 1 3 2 k W， 电机使 用功率远远小于电机额定功率。根据电机功率效率 曲线， 此模式导致电机效率降低 ， 造成大量资源的浪 费。 根据载荷谱计算选用的电机， 既能满足生产实际 的需求 ， 又可保证电机处于高效的工作状态 。 5 结论 1 利用载荷谱计算电机功率时， 应先根据经验 公式 式 1 初选电机功率 ， 再根据载荷谱分析各工 况工作状况， 得出系统工作所需的压力和流量， 最后 对液压系统驱动电机功率进行核算，结合电机样本 手册， 最终确定电机选型。 2 通过选型手册最终确定选用 1 1 0 k W 的电机， 这与实际选用的电机相比节约了 1 6 ％的能源，确保 电机处于较高的工作效率。这种方法通过降低企业 的生产成本， 从根本上提高了企业的经济效益； 同时 又与我国目前倡导的资源节约型经济相契合。 3 这种方法是在现有液压系统驱动电机选型理 论的基础上进行的更优化的实践性探索 。 参考文献 [ 1 ] 张忠信． 电动机调速技术[ M] ．北京 石油工业出版社， 1 9 9 6 ． [ 2 ] 杨培元， 朱福元， 主编． 液压系统设计简明手册[ M] ． 北京 机械 工业 出版社 ， 2 0 1 1 ． [ 3 ] 许贤良。 韦文术， 主编． 液压缸及其设计[ M] ． 北京 国防工业出 版社 。 2 0 1 1 ． [ 4 】 成大先 ， 主编． 机械设计手册． 第 5 版． 北京 化学工业出版社， 2 Ol 1 ． [ 5 ] 戴文进。 主编． 电机设计[ M] ． 北京 清华大学出版社， 2 0 1 0 ． [ 6 ] 刘军营， 主编．液压传动系统设计与应用实例解析[ M] ． 北京 ．机 械工业 出版社 ， 2 0 1 1 ． [ 7 ] 黄坚， 郭中兴 ， 主编． 实用电机设计计算手册[ M] ．上海 上海科 学技术 出版社 ， 2 0 1 0 ． 编辑 胡玉香 Dr i v e M o t o r Po we r S e l e c t i o n o f Hy d r a u l i c S y s t e m i n M e d i u m Pl a t e Hy d r a ul i c S t r a i g ht e ne r F a n Ha i l o n g ， Ha n He y o n g ， Z h a n g Ya n f e n g， Wa n g J u n 1 ． De s i g n a n d R e s e a r c h I n s t i t u t e o f S t r a i g h t e n e r ， S t e e l R o l l i n g E q u i p me n t S u b c o mp a n y ， Ta i y u a n He a v y I n d u s t r y Co ． ， Lt d ． ， S h a n x i ． ， T a i y u a n ． ， 0 3 0 0 2 4 ； 2 ． S h a n x i M e t a l l u r g y M a c h i n e r y De s i g n Th e o r y a n d Te c h n o l o g y La b ， Ta i y u a n Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o gy， T a i y u a n S h a n x i 0 3 0 0 2 4 Ab s t r a c t s T h e c a l c u l a t i o n r e s u l t o f d ri v e mo t o r p o w e r i n me d i u m p l a t e h y d r a u l i c s t r a i g h t e n e r wa s h i g h e r t h a n a c t u a l d e ma n d ． Th e b i g g e r p o we r mo t o r s w e r e d e s i g n e d ，wh i c h l e a d t o e n e r g y r e s o u r c e w a s t e ．On e o f r e a s o n s w a s t h a t t h e p r e s s u r e a n d fl u x c h o i c e w a s i mp r e c i s e i n a n a l y s i s o f h y d r a u l i c s y s t e m．A n e w me tho d o f mo t o r s y s t e m p o we r c a l c u l a t i o n wa s b a s e d o n h y d r a u l i c s y s t e m l o a d s p e c t r u m t o c h o o s e t h e p r e s s u r e a n d fl o w ．Ac c o r d i n g t o t h e l o a d s p e c t r u m， b y a n a l y z i n g t h e s t a t u s o f w o r k i n g u n d e r d i ff e r e n t c o n d i t i o n s t o s e l e c t t h e p r e s s u r e a n d fl u x o f t h e h y d r a u l i c s y s t e m，a n d c a l c u l a t e d the mo t o r p o we r b a s e d 0 n r e q u i r e d c o n d i t i o n ．Ve ri fi e d b y d a t u m c o l l e c t e d a t s i t e ，t h e mo t o r p o w e r wa s c a l c u l a t e d b y w a y o f t h i s me tho d ， a c t u al p r o d u c t i o n r e q u i r e me n t s wa s s a t i s fi e d a n d t h e p u r p o s e o f e n e r gy c o n s e r v a t i o n wa s a c h i e v e d ． Ke y wo r d s h y d r a u l i c s y s t e m， l o a d s p e c t r u m， p o we r c a l c u l a t i o n ， e n e r gy c o n s e r v a t i o n