文／余繼軍，許樂平·南京埃斯頓自動化股份有限公司

電液混合驅(qū)動技術(shù)助力液壓機轉(zhuǎn)型升級

文／余繼軍，許樂平·南京埃斯頓自動化股份有限公司

制造業(yè)是國民經(jīng)濟的主體，是立國之本、興國之器、強國之基。目前，我國制造業(yè)仍然大而不強，在自主創(chuàng)新能力、資源利用效率、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)水平、信息化程度、質(zhì)量效益等方面差距明顯，轉(zhuǎn)型升級和跨越發(fā)展的任務(wù)緊迫而艱巨。《中國制造2025》是我國實施制造強國戰(zhàn)略第一個十年的行動綱領(lǐng)?！吨袊圃?025》提出五個方針：驅(qū)動創(chuàng)新、質(zhì)量在先、綠色發(fā)展、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、人才為本。本文主要對金屬成形機床重要細分領(lǐng)域——液壓機的新機器發(fā)展方向及后市場再制造進行了思考。通過市場分析闡明再制造市場的巨大容量，通過案例分析闡述了符合《中國制造2025》發(fā)展方向的技術(shù)發(fā)展路線。

液壓機的市場及后市場現(xiàn)狀簡述

在2010～2014年間，我國金屬成形機床每年的總產(chǎn)量都在22萬臺以上，僅液壓機的產(chǎn)量每年有3萬臺左右。經(jīng)過“黃金十年”的發(fā)展，液壓機社會保有量超過30萬臺。社會保有機床絕大多數(shù)是普通液壓控制機床即普通三相異步電動機驅(qū)動定量或變量油泵，開關(guān)閥控制油路，少量機床用到比例閥和比例泵的調(diào)速方式。使用伺服電機進行調(diào)速、調(diào)壓、定位的新機床比例非常低。傳統(tǒng)液壓機的裝機功率大，傳動效率低，液壓油需求量大，加工周期長，機床待機時間長，無功損耗大。如果能夠在提高傳動效率、縮短加工周期、減少無功消耗、減少液壓油使用、降低液壓油溫度延長運動部件壽命等方面進行革新，那么距離實現(xiàn)“綠色制造”目標會邁進一大步。對于市場存量30萬臺的液壓機床，如果也能進行節(jié)能化改造和升級，那么“綠色再制造”將會提供十分巨大的后市場。

在液壓機上使用電液伺服混合驅(qū)動技術(shù)可以獲得一舉三得的效益。首先，伺服成形機床為用戶提升了效率、節(jié)約了大量的電費、獲得了更高的產(chǎn)品質(zhì)量，而且?guī)淼慕?jīng)濟效益是持續(xù)的；其次，在日益飽和的機床制造市場創(chuàng)造了新的消費熱點，為機床產(chǎn)業(yè)鏈提供了新的發(fā)展機會，使得機床制造商、伺服系統(tǒng)制造商、數(shù)控系統(tǒng)及其他功能部件供應(yīng)商共同獲利；最后，對于社會，一方面使國內(nèi)成形機床轉(zhuǎn)型升級，技術(shù)接近國際一流水平、能耗達到國際同等水平，另一方面，大幅提高了能源利用率，大幅減少了碳排放量的同時還振興了成形機床制造業(yè)，社會效益巨大。

液壓機行業(yè)綠色發(fā)展的主要難點

制約液壓機綠色發(fā)展的主要因素有以下幾點：

⑴企業(yè)創(chuàng)新意識和能力的限制。中國經(jīng)濟經(jīng)過快速發(fā)展階段，市場需求巨大，制造企業(yè)習(xí)慣于批量制造機床，對于技術(shù)、專業(yè)要求高的產(chǎn)品很少去深入研究。在激烈的市場同質(zhì)化競爭中往往希望以價格取勝。結(jié)果是產(chǎn)量越來越大，利潤越來越少。在新常態(tài)經(jīng)濟環(huán)境下，面臨人才缺乏、資金缺乏，無力開發(fā)技術(shù)含量高的產(chǎn)品。

⑵新技術(shù)主動推廣能力限制。制造企業(yè)普遍經(jīng)營狀況差，銷售和市場推廣力度弱，銷售人員素質(zhì)偏低，對新技術(shù)不了解，等待客戶提出明確需求。故而即使企業(yè)開發(fā)出節(jié)能產(chǎn)品也很難主動推向市場。

⑶系統(tǒng)化配套能力限制。液壓機發(fā)展到現(xiàn)在，已經(jīng)不僅僅是一臺加工母機，可能是一臺智能加工島，也可能是智能生產(chǎn)線中的一環(huán)。對于一個復(fù)雜系統(tǒng)，需要多項技術(shù)支撐，能夠提供高水平系統(tǒng)集成技術(shù)的供應(yīng)商比較少。

⑷轉(zhuǎn)型、升級政策扶植力度不夠的限制。目前國內(nèi)對液壓機的綠色制造和技術(shù)改造缺乏支持政策，無法真正調(diào)動企業(yè)的積極性，市場引導(dǎo)雖會持續(xù)，但過程較長。

液壓機節(jié)能改造的案例及效果分析

電液混合驅(qū)動技術(shù)簡介

電液混合驅(qū)動技術(shù)是以交流伺服系統(tǒng)的調(diào)速特性來調(diào)節(jié)系統(tǒng)各階段的壓力、流量輸出，并可以進行位置精確控制，幾乎沒有無功損耗，同時還可以省去冷卻裝置，實現(xiàn)按需供能，從而提高系統(tǒng)能源利用率。電液混合驅(qū)動技術(shù)主要包含兩種，一種是伺服電機與單向定量泵組合（Servo Variable Speed Pump，簡稱SVP），如圖1所示；另外一種是伺服電機與雙向泵組合（Double Servo Variable Speed Pump，簡稱DSVP），如圖2所示。目前，在液壓機行業(yè)中，由于出色的節(jié)能效果及其他優(yōu)勢，電液混合驅(qū)動技術(shù)得到了企業(yè)的廣泛認可。

圖1 SVP系統(tǒng)液壓圖

圖2 DSVP系統(tǒng)液壓圖

節(jié)能原理分析

普通液壓機通常以三相異步電機驅(qū)動定量或變量泵，通過節(jié)流閥和壓力閥來控制壓力、流量輸出，實現(xiàn)壓機運行動作。采用電液混合驅(qū)動技術(shù)的伺服液壓機則是依靠SVP系統(tǒng)進行壓力、流量雙閉環(huán)調(diào)節(jié)，實現(xiàn)按需供能，另外對于高精度液壓機，則是通過DSVP系統(tǒng)進行位置、壓力、流量三環(huán)控制，實現(xiàn)節(jié)能的同時還能確保高精度定位。

液壓機工作的時序是：待料→滑塊下行→加壓→保壓→滑塊上行→液壓頂出等。普通液壓機定量泵系統(tǒng)按照系統(tǒng)最大壓力及最大流量來確定功率，恒功率泵系統(tǒng)以工況確定最大功率。電機的轉(zhuǎn)速都是恒定的。實際加工中機床的工藝流轉(zhuǎn)、上下料時間遠大于加工時間，甚至高達5∶1，這意味著大部分時間機床處于待機狀態(tài)，電機空運轉(zhuǎn)，無功消耗巨大，另外液壓機在保壓階段，需要的供油量較小，幾乎所有的液壓油通過溢流閥流回油箱，產(chǎn)生大量的熱量，造成能源浪費。油溫迅速升高，導(dǎo)致油液黏度下降，系統(tǒng)面臨失效風(fēng)險。因此，一般情況下機床還會配備冷卻系統(tǒng)，從而也造成一定能源浪費。

相比于普通液壓機，使用電液混合驅(qū)動技術(shù)的液壓機在待料階段，電機處于待機狀態(tài)，幾乎無耗能?；瑝K下行，快下、工進、保壓等工況下，伺服則分別處于低壓高速、高速高壓、高壓低速階段，均有較大節(jié)能空間。尤其在保壓階段，由于伺服的調(diào)節(jié)特性，電機幾乎以零轉(zhuǎn)速維持，大大減小耗能，整個運行周期能耗都得到極大的降低。兩種驅(qū)動方式油壓機耗能對比情況，如圖3所示。

圖3 油壓機工藝耗能情況

除良好的節(jié)能效果外，電液混合驅(qū)動型液壓機還具有以下多方面優(yōu)勢：

⑴油溫溫升。由于無功消耗非常少，從而油溫溫升得到較大下降，省去冷卻裝置的同時整個油箱體積及液壓油都可減少，從而減低制造成本。

⑵生產(chǎn)效率。由于永磁同步伺服電機的快速響應(yīng)特性，從零至額定轉(zhuǎn)速小于20ms，從而縮短生產(chǎn)成形周期。

⑶運行噪聲。伺服無極調(diào)速結(jié)合多種流量加減速曲線，可使噪聲減少5～10dB。

⑷電網(wǎng)沖擊。傳統(tǒng)異步電機的星形啟動方式，啟動瞬間電流可達額定值的5～7倍，對電網(wǎng)沖擊較大。而伺服電機可通過參數(shù)設(shè)置軟啟動，以減小對電網(wǎng)沖擊。

⑸定位精度。由于DSVP系統(tǒng)具有位置閉環(huán)，從而極大的提高了系統(tǒng)定位精度。

⑹壓力精度。伺服系統(tǒng)以100μs為壓力調(diào)節(jié)周期，確保壓力穩(wěn)態(tài)精度小于±50kPa。

電液混合驅(qū)動液壓機應(yīng)用案例

⑴315t普通型液壓機與電液混合驅(qū)動伺服液壓機測試對比。

與某壓機生產(chǎn)廠商合作，對其標配電液混合驅(qū)動315t油壓機工藝工況進行測試采集數(shù)據(jù)。普通液壓機配備22kW異步電機和63cc/r恒功率柱塞泵，伺服液壓機配備埃斯頓ProNet系列22kW永磁同步伺服電機及驅(qū)動器和50cc/r內(nèi)嚙合齒輪泵。

經(jīng)埃斯頓監(jiān)控軟件Esview實時監(jiān)測，電液混合驅(qū)動型伺服壓機壓力精度高，流量平滑，且在保壓及待料時能耗極低。采集壓力傳感器的反饋，通過比例壓力閥保壓時，保壓壓力會有1MPa的過沖。而通過伺服泵保壓，壓力過沖情況基本得到抑制，并且保壓時，壓力波動很小可以維持在±50kPa以內(nèi)。在壓力精度要求較高的場合，泵保壓的方式比閥保壓方式壓力精度更高。

從測試結(jié)果來看，配備電液混合驅(qū)動伺服型油壓機在能耗、油溫、生產(chǎn)效率及抑制噪聲方面都有明顯優(yōu)勢，如表1所示。

表1 315t油壓機對比測試結(jié)果

⑵1000t薄板拉伸液壓機節(jié)能改造。

圖4 1000t薄板拉伸液壓機

與某汽車生產(chǎn)公司合作，對其生產(chǎn)線液壓機設(shè)備進行電液伺服節(jié)能改造。改造機型為一臺1000t薄板拉伸液壓機，如圖4所示。主泵電機總裝機功率210kW，油泵為3臺160cc/r、1臺107cc/r恒功率變量泵，只對電機進行了改造，采用埃斯頓永磁同步伺服電機。經(jīng)埃斯頓監(jiān)控軟件Esview采集電流變化，用互感式電度表實測耗電量，對比未改造的同型號壓機加工同樣工件機床耗電量。測試比對結(jié)果見表2。

表2 伺服油壓機對比測試數(shù)據(jù)

由表2數(shù)據(jù)來看，相同工藝節(jié)拍下伺服液壓機在耗電量和油液溫升方面均明顯優(yōu)于普通機床。如果該臺液壓機以每天工作16小時，每年250個工作日來計算，那么其每年節(jié)電約為144000kW·h，以0.85元/kW·h計算，每年可節(jié)省電費122400元。該生產(chǎn)線由5臺機床組成，每年可節(jié)約電費60余萬元。

液壓機智能化發(fā)展方向

《中國制造2025》指明了中國工業(yè)未來的發(fā)展方向，制造業(yè)將由粗放型向定制化、智能化、綠色化及網(wǎng)絡(luò)化方向轉(zhuǎn)型升級。規(guī)模企業(yè)以其強大的技術(shù)及人才實力發(fā)展液壓機成套工藝設(shè)備及周邊設(shè)備自動化，從而為制造企業(yè)提供定制化及智能化生產(chǎn)線解決方案。液壓機的伺服化是單機智能化的前提條件，單機智能化是智能生產(chǎn)線和智能工廠的必要條件。單機智能化則需要使用伺服系統(tǒng)和數(shù)控系統(tǒng)再輔以工業(yè)以太網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)作業(yè)計劃遠程下達、加工和質(zhì)量數(shù)據(jù)遠程傳輸?shù)龋纬绍囬g物聯(lián)網(wǎng)。數(shù)控系統(tǒng)不但有自動編程、前饋控制、模糊控制、自學(xué)習(xí)控制、工藝參數(shù)自動生成、運動參數(shù)動態(tài)補償?shù)戎悄芑δ?，并有故障診斷專家系統(tǒng)，使自診斷和故障監(jiān)控功能更趨于完善。埃斯頓為客戶定制的智能沖壓生產(chǎn)線，如圖5所示。

圖5 埃斯頓智能沖壓生產(chǎn)線

在智能化工廠，機器之間相互關(guān)聯(lián)，多臺伺服液壓機與機器人等周邊自動化設(shè)備組成智能生產(chǎn)線。依靠信息物理系統(tǒng)實現(xiàn)人機交互接口和物理進程的交互?？蛻艨赏ㄟ^APP在線下訂單，并通過大數(shù)據(jù)分析及企業(yè)協(xié)同層把需求下發(fā)至中間執(zhí)行層處理?？蓪崿F(xiàn)實時資料搜集與傳輸功能、高效能計算機與分析預(yù)測功能、遠程監(jiān)控與診斷功能及模擬功能等。采用“智能化”制造技術(shù)，可以追蹤每種零件的來源，可以快速確認及解決任何可能產(chǎn)生的質(zhì)量缺陷和安全問題。

結(jié)束語

電液混合驅(qū)動技術(shù)在液壓機上應(yīng)用，其意義不僅僅局限于節(jié)能增效，更重要的在于它符合《中國制造2025》戰(zhàn)略方向，讓戰(zhàn)略落地生根。電液混合驅(qū)動伺服液壓機可以保持液壓機的結(jié)構(gòu)簡單、性價比高的優(yōu)勢又可以甩掉高能耗機床的帽子，繼續(xù)與伺服機械壓力機同臺競技?？梢灶A(yù)期液壓機可以全部伺服化、智能化，完全可以跟上時代的步伐，其獨特的柔性安裝、高功率密度和高精度（速度、位置、壓力）的優(yōu)勢將發(fā)揮得淋漓盡致。

余繼軍，副總經(jīng)理，碩士研究生，資深液壓工程師，主要研究方向：電液伺服技術(shù)在鍛壓設(shè)備上的應(yīng)用、電液伺服混合驅(qū)動技術(shù)在成形機床上的應(yīng)用、互聯(lián)網(wǎng)+與智能制造。主持完成了2000t大型伺服折彎機液壓系統(tǒng)及大型數(shù)控液壓墊設(shè)計，獲得2項發(fā)明、十余項實用新型專利。