艾同輝,姚寧,張令,張偉,劉尚

（1.天津瀚福精密液壓技術(shù)有限公司，天津 300350；2.合海橡塑裝備制造有限公司，山東 東營 257000；3.燕山大學(xué)河北省重型機(jī)械流體動力傳輸與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 秦皇島 066004）

HFST伺服液壓系統(tǒng)在輪胎硫化機(jī)中的應(yīng)用研究

艾同輝1,姚寧2,張令2,張偉3,劉尚3

（1.天津瀚福精密液壓技術(shù)有限公司，天津 300350；2.合海橡塑裝備制造有限公司，山東 東營 257000；3.燕山大學(xué)河北省重型機(jī)械流體動力傳輸與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 秦皇島 066004）

根據(jù)輪胎硫化機(jī)的生產(chǎn)工藝要求和伺服電機(jī)調(diào)速特性設(shè)計(jì)的HFST伺服液壓系統(tǒng)，采用壓力、流量單獨(dú)控制，是一種實(shí)現(xiàn)液壓驅(qū)動硫化機(jī)節(jié)能的新型液壓伺服驅(qū)動與控制技術(shù)。現(xiàn)場性能測試表明，HFST伺服液壓系統(tǒng)完全滿足現(xiàn)場主機(jī)需求，對于降低能耗，提高響應(yīng)速度和壓力控制精度，具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢。

液壓輪胎硫化機(jī)；HFST伺服液壓系統(tǒng)；節(jié)能

隨著汽車工業(yè)和輪胎工業(yè)的不斷發(fā)展，對輪胎的均勻性提出了越來越高的要求，輪胎硫化機(jī)是輪胎工業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中最為重要的工藝設(shè)備之一，種類多、數(shù)量大，大約占到輪胎企業(yè)設(shè)備投資總額的25%以上，硫化機(jī)被視為輪胎生產(chǎn)現(xiàn)代化水平的象征和標(biāo)志。

輪胎硫化是輪胎制造的最后一道工序，而輪胎硫化機(jī)則是影響輪胎質(zhì)量的關(guān)鍵設(shè)備之一，尤其是高等級的子午線輪胎[1]。由于機(jī)械式硫化機(jī)具有重復(fù)定位精度低、施力不均勻、受力構(gòu)件容易變形等缺點(diǎn)，國外輪胎廠家生產(chǎn)高等級子午線輪胎時普遍采用液壓硫化機(jī)，國外大型輪胎廠使用液壓硫化機(jī)比率達(dá)60%以上，國內(nèi)近年來液壓硫化機(jī)的使用比例也大幅上升。

目前市場上生產(chǎn)和使用的硫化機(jī)液壓系統(tǒng)主要以異步電機(jī)加恒功率變量泵的控制形式，來滿足開合模工況下壓力和流量需求。只要硫化機(jī)開始工作，液壓泵輸出功率保持不變，但除了開合模外其它工況時并不完全匹配，需要通過溢流和節(jié)流消耗掉一部分能量，從而系統(tǒng)功率浪費(fèi)大，油液溫度升高。

在節(jié)能減排的大背景下，節(jié)能型硫化機(jī)已被眾多輪胎制造廠家所逐步接受，將會成為今后市場的主流產(chǎn)品。伺服電機(jī)液壓系統(tǒng)具有效率高、系統(tǒng)油液溫升低、控制系統(tǒng)響應(yīng)快、重復(fù)精度高、系統(tǒng)穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，在注塑機(jī)行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用[2,3]，是目前行業(yè)的最前沿技術(shù)。

本文設(shè)計(jì)的HFST伺服液壓系統(tǒng)，結(jié)合了伺服電機(jī)快速的無級調(diào)速特性和液壓油泵的自主調(diào)節(jié)油壓特性，采用壓力、流量雙閉環(huán)控制，是一種實(shí)現(xiàn)液壓驅(qū)動硫化機(jī)節(jié)能的新型液壓伺服泵驅(qū)動與控制技術(shù)。

1 HFST伺服液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 功率消耗分析

液壓輪胎硫化機(jī)的功率消耗情況如表1所示。在輪胎硫化機(jī)運(yùn)行中，主要工藝過程[4]包括：裝胎機(jī)構(gòu)升/降、硫化機(jī)開模/合模、下環(huán)升/降、上環(huán)升/降、加壓缸升/降、加壓保壓、卸胎機(jī)構(gòu)升/降等幾個階段，每個階段需要的壓力和流量有很大差別，壓力從最小的5 MPa到最高的24 MPa，流量從最小的5 L/min到90 L/min；各階段所需的功率輸出也有很大不同，最大的是快速開合模過程的15 kW，最小的是裝胎和卸胎動作的0.8 kW。如果主機(jī)采用異步電機(jī)加恒功率變量泵控制時，液壓泵輸出功率始終保持不變，當(dāng)設(shè)定的流量及壓力超過工藝需求時，通過液壓泵出口處的溢流閥和節(jié)流閥來調(diào)節(jié)負(fù)載壓力和流量，據(jù)統(tǒng)計(jì)采用此種方式控制的液壓硫化機(jī)，溢流和節(jié)流帶來的能量損失[5]高達(dá)36%～50%。

表1 某輪胎硫化機(jī)功率情況列表

如果當(dāng)執(zhí)行元件所需的負(fù)載和速度發(fā)生變化時，可以通過調(diào)整伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速來控制泵的流量與負(fù)載速度相適應(yīng)，就可取消液壓系統(tǒng)的節(jié)流控制，有效減少系統(tǒng)溢流和節(jié)流損失。

1.2 HFST伺服液壓系統(tǒng)工作原理

新型的HFST伺服液壓系統(tǒng)驅(qū)動部分用伺服電機(jī)取代原異步電機(jī)，用內(nèi)嚙合齒輪泵取代原葉片泵和柱塞泵，另外增加伺服驅(qū)動器，可以對生產(chǎn)所需的壓力和流量分別控制，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

圖1 HFST伺服液壓系統(tǒng)控制簡圖

HFST伺服液壓系統(tǒng)工作原理為：液壓泵的流量與電機(jī)的轉(zhuǎn)速為正比關(guān)系，油泵輸出壓力也正比于電機(jī)的輸出扭矩。在油壓未建立時，用流量正比于轉(zhuǎn)速的方式運(yùn)轉(zhuǎn)油泵。油壓建立起來后，利用偏差來進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制，油壓可以穩(wěn)定在給定值。

總之，當(dāng)壓力未達(dá)到給定值時，伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速由流量指令控制；壓力到達(dá)后，伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速由壓力指令和壓力反饋差值運(yùn)算出來的速度控制。同時泵驅(qū)動系統(tǒng)通過獲取壓力閥的控制信號得到相應(yīng)的系統(tǒng)壓力，并且使其與電機(jī)設(shè)定的在不同壓力下的最低可靠穩(wěn)定運(yùn)行轉(zhuǎn)速曲線相比較，從而得到在當(dāng)前壓力下電機(jī)運(yùn)行的最低頻率，從而避免出現(xiàn)壓力脈動的情況。

1.3 回路的改進(jìn)

由于HFST伺服液壓系統(tǒng)可以通過伺服控制器控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而對系統(tǒng)的流量和壓力分別進(jìn)行控制，液壓回路可以大大簡化，重新設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)原理圖如圖2所示，系統(tǒng)主要特點(diǎn)如下：

（1）裝胎機(jī)構(gòu)升/降回路、硫化機(jī)開模/合?；芈?、下環(huán)升/降回路、上環(huán)升/降回路、卸胎機(jī)構(gòu)升/降回路主要由換向閥、平衡閥和安全閥組成，取消了原系統(tǒng)的節(jié)流閥、減壓閥和液壓鎖等元件，系統(tǒng)簡單緊湊；

（2）加壓缸升/降系統(tǒng)也由伺服電機(jī)定量泵系統(tǒng)供油，減少了一套高壓小流量泵，可以實(shí)現(xiàn)無負(fù)載時的快速升降和加壓保壓工況，系統(tǒng)在油缸處設(shè)有壓力傳感器和蓄能器，可以保證壓力的精度。

2 新型HFST伺服液壓系統(tǒng)性能測試

HFST伺服液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)、加工、集成完成后，在合海橡塑裝備制造有限公司與主機(jī)進(jìn)行聯(lián)機(jī)測試，如圖3所示。

2.1 HFST伺服液壓系統(tǒng)響應(yīng)速度

HFST伺服液壓系統(tǒng)響應(yīng)速度快慢是衡量泵驅(qū)動部分和控制系統(tǒng)的重要技術(shù)性能指標(biāo)。

（1）系統(tǒng)響應(yīng)時間以及靜態(tài)誤差

試驗(yàn)過程，在指令流量99%狀態(tài)下進(jìn)行壓力測試，從0～110 kgf/cm2壓力響應(yīng)測試波形如圖4所示，圖中深色為設(shè)定壓力，淺色線為實(shí)際壓力。

從圖4中可以看出，壓力上升時間（0～110 kgf/cm2）為96 ms，壓力響應(yīng)上升時間越短，越可縮短機(jī)器生產(chǎn)周期，提高生產(chǎn)效率；壓力幾乎沒有過沖，壓力過沖量越少，越可有效保護(hù)合模時對模具的沖擊；穩(wěn)態(tài)壓力波動±1.25 kgf/cm2以內(nèi)，保證對壓力控制的穩(wěn)定性。

HFST伺服液壓系統(tǒng)響應(yīng)速度快，能提升硫化機(jī)成型的能力和運(yùn)行效率，響應(yīng)速度快是液壓伺服驅(qū)動的技術(shù)性能優(yōu)勢之一。

圖2 HFST伺服液壓系統(tǒng)原理圖

圖3 合海橡塑裝備制造有限公司硫化機(jī)測試現(xiàn)場

圖4 壓力響應(yīng)測試曲線

（2）多段壓力的跟隨性測試

給定99%速度，用PLC給定的壓力輸入信號，壓力跟隨性曲線如圖5所示，通過PLC對壓力信號的輸出（深色線條），通過壓力傳感器對系統(tǒng)壓力的監(jiān)測（淺色線條）。

從圖5中可以看出，給定和實(shí)測壓力差值±5 kgf/cm2以內(nèi)，兩者的重合度較高，說明壓力控制的跟隨性好。

（3）多段流量的跟隨性測試

給定45 kgf/cm2壓力，用PLC給定變化的轉(zhuǎn)速信號，電機(jī)轉(zhuǎn)速跟隨特性曲線如圖6所示，圖中淺色是速度信號的給定值，深色是編碼器對電機(jī)轉(zhuǎn)速的實(shí)測值。

從圖6中可以看出，給定和實(shí)測轉(zhuǎn)速差值±1%以內(nèi)，上述兩者的重合度較高，說明速度控制的跟隨性高。

圖5 多段壓力測試曲線

圖6 多段流量測試曲線

（4）伺服系統(tǒng)過載測試

給定99%轉(zhuǎn)速，在負(fù)載壓力為110 kgf/cm2時，監(jiān)測伺服控制器的輸出電流（灰色線條）如圖7所示，伺服驅(qū)動器額定功率15 kW，額定電流31 A，達(dá)到給定壓力時僅為額定功率下運(yùn)行，1.5倍過載可達(dá)60 s。而伺服電機(jī)額定功率為12.5 kW，額定扭矩為70 N.m，額定轉(zhuǎn)速1 700 r/min，達(dá)到110 kgf/cm2最大壓力時，電機(jī)輸出扭矩為81 N.m，僅為額定扭矩的1.15倍，伺服電機(jī)具有短時過載能力，在1 000 r/min低轉(zhuǎn)速時可達(dá)2倍過載，在2 300 r/min高轉(zhuǎn)速時可達(dá)1.5倍過載。

可見該系統(tǒng)留有較大的余量，可降低機(jī)器運(yùn)行時的故障率，避免出現(xiàn)過熱故障、過載故障等影響生產(chǎn)。

2.2 主機(jī)工作時特性測定

在輪胎硫化機(jī)運(yùn)行中，有多組不同的工藝動作，各階段需要不同的壓力和流量，下面對硫化機(jī)工作時各動作進(jìn)行特性測試：

（1）裝胎機(jī)構(gòu)降—裝胎機(jī)構(gòu)升—裝胎機(jī)構(gòu)降—上環(huán)降所得到測試曲線如圖8所示，其中深色線是壓力指令，淺色線是壓力反饋，灰色線是流量指令。

從圖8中看出，這幾個動作都采用壓力控制，裝胎機(jī)構(gòu)降時壓力值為4.5 MPa，裝胎機(jī)構(gòu)升時壓力值為5 MPa，上環(huán)降壓力值為4.5 MPa，響應(yīng)時間都在100 ms以內(nèi)。

（2）合?！訅焊咨?/p>

硫化機(jī)所有工藝動作里，開合模及保壓是兩個重要的環(huán)節(jié)，合模及加壓缸下測試曲線如圖9所示，其中深色線是壓力指令，淺色線是壓力反饋，灰色線是流量指令，淺灰色是速度反饋。

圖7 伺服控制器輸出電流曲線

圖8 裝胎設(shè)備升降及上環(huán)降測試曲線

開合模動作工況最為惡劣，壓力需要達(dá)到12.5 MPa，100%流量運(yùn)行，從上圖的測試波形可以看出：所設(shè)計(jì)HFST伺服液壓系統(tǒng)完全可以滿足工況。

（3）加壓缸升—加壓缸降

加壓缸升/降測試曲線如圖10所示，其中深色線是壓力指令，淺色線是壓力反饋，灰線是流量指令，淺灰色是速度反饋。

加壓缸上升時速度達(dá)到最大值，下降時仍采用壓力控制，壓力值在9 MPa，響應(yīng)時間在100 ms。

（4）卸胎機(jī)構(gòu)降—卸胎機(jī)構(gòu)升—上環(huán)升

卸胎升降及上環(huán)升測試曲線如圖11所示，其中深色線是壓力指令，淺色是壓力反饋，灰色線是流量指令，淺灰色是速度反饋。

從圖11中看出，這幾個動作均采用壓力控制，卸胎設(shè)備升時壓力值為3.5 MPa，卸胎設(shè)備降時壓力值為4 MPa，上環(huán)升壓力值為5 MPa，響應(yīng)時間都在100 ms以內(nèi)。

（5）系統(tǒng)耗電量的測量

系統(tǒng)耗電量是硫化機(jī)能耗的一個重要衡量標(biāo)準(zhǔn)，將功率表接入總電源，測量整臺硫化機(jī)裝胎至出胎一周期的用電情況，如圖12所示。

圖12 現(xiàn)場系統(tǒng)耗電量測量

圖10 加壓缸上/下測試曲線

圖11 卸胎升降及上環(huán)升測試曲線

硫化機(jī)一周期運(yùn)行時間為15 min，經(jīng)測量：HFST伺服液壓系統(tǒng)的硫化機(jī)一周期用電量約0.305 kW.h，而普通液壓系統(tǒng)硫化機(jī)一周期用電量約0.5 kW.h，節(jié)電效率高達(dá)39%。

除上述試驗(yàn)外，還對硫化機(jī)的整機(jī)噪音和油液溫度進(jìn)行了檢測，硫化機(jī)工作過程中開合模最高噪音是80 dB，其他動作過程噪音低于75 dB。液壓系統(tǒng)工作時油溫在不采用冷卻器的情況下為45℃。由此可見，HFST伺服液壓系統(tǒng)能夠明顯降低硫化機(jī)整機(jī)噪音和工作油溫。

對硫化機(jī)的性能測試實(shí)驗(yàn)說明，HFST伺服液壓系統(tǒng)完全滿足現(xiàn)場硫化機(jī)工藝需求，并且對于降低硫化機(jī)能耗，提高系統(tǒng)響應(yīng)速度和壓力控制精度，具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢。

3 結(jié)論

與傳統(tǒng)的普通異步電機(jī)加變量泵相比，由于HFST伺服液壓系統(tǒng)可以通過伺服控制器控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而對系統(tǒng)的流量和壓力進(jìn)行單獨(dú)控制，有效減少系統(tǒng)溢流和節(jié)流損失，帶來較好的節(jié)能潛力。

HFST伺服液壓系統(tǒng)具有高精度、高靈敏度、低噪音的優(yōu)點(diǎn)。從現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)得出新設(shè)計(jì)的HFST伺服液壓系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

（1）采用伺服電機(jī)作為主油泵驅(qū)動，電機(jī)滿負(fù)載時動態(tài)響應(yīng)快，壓力動態(tài)響應(yīng)時間低于100 ms，全面提高了動力源的技術(shù)特性。

（2）以該測試機(jī)型為例，伺服控制根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行自動調(diào)速，大大降低輔助工段的能量損耗，節(jié)能效果高達(dá)39%。節(jié)省電量，直接降低耗電費(fèi)用。根據(jù)測試，使用HFST伺服液壓系統(tǒng)每小時可省電約0.78 kW.h，按照單臺設(shè)備一年運(yùn)行300天，每天24 h計(jì)算，每年可節(jié)省電費(fèi)近萬余元，經(jīng)濟(jì)效益可觀。

（3）結(jié)合伺服電機(jī)的過載特性控制，可使生產(chǎn)效率提高20%以上。普通液壓系統(tǒng)的設(shè)備，開合模時間各需約15～18 s，使用HFST伺服液壓系統(tǒng)的設(shè)備，伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速2 200r/min，開模時間可縮減到11 s，合模時間縮減為9 s，伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到2 350 r/min，開模時間則可降低至9.4 s，合模時間降低為8 s，從而縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，提高生產(chǎn)量。

（4）可有效降低油溫，減少發(fā)熱量，一方面可以省掉水冷或用風(fēng)冷卻器代替水冷，相應(yīng)液壓系統(tǒng)的油箱尺寸也可以減小，從而降低了液壓系統(tǒng)的成本，也減少了硫化機(jī)設(shè)備的占地空間；另一方面，油溫降低，可以延長液壓系統(tǒng)和機(jī)臺閥組的使用壽命。

（5）使用HFST伺服液壓系統(tǒng)控制設(shè)備，可以刪減掉部分液壓元件，從而簡化控制，提高設(shè)備的穩(wěn)定性，也減少了事故率和維護(hù)成本。

（6）工作噪聲低，設(shè)備運(yùn)行時，HFST伺服液壓系統(tǒng)設(shè)備可比普通系統(tǒng)設(shè)備噪音值降低約10 dB。

[1] 陳維芳，余召賜.我國輪胎硫化機(jī)“十一五”現(xiàn)壯與“十二五”發(fā)展展望.橡塑技術(shù)與裝備，2011，(02):4～9.

[2] 杜青林.液壓注塑機(jī)伺服泵控制方法研究[D].2010.

[3] 張濤，李斌禮，李子玉.基于液壓泵伺服驅(qū)動的注塑機(jī)節(jié)能技術(shù)研究[J].2010(8)：73～75.

[4] 韓青，毛林猛，曹飛祥.液壓輪胎定型硫化機(jī)系統(tǒng)研究[J].制造裝備技術(shù).2013(8)：55～58.

[5] 韓青，葉選林，任杉等.液壓輪胎定型硫化機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真[J].機(jī)床與液壓.2014(1)：117～119.

備注：因版面色彩原因，部分圖片未能清晰顯示，如想進(jìn)一步了解，請聯(lián)系作者 aitonghui@hanfook.com.cn。

Application research of HFST servo-hydraulic system for tire curing press

Application research of HFST servo-hydraulic system for tire curing press

Ai Tonghui1, Yao Ning2, Zhang Ling2, Zhang Wei3, Liu Shang3
(1.Tianjin HanFook Precision Hydraulic Technology Co.,LTD., Tianjin 300350; 2. Hehigher Rubber & Plastic Equipment Manufacture Co., LTD., Dongying 257000,Shandong,China; 3. Yanshan University, Hebei Provincial Key Laboratory of Heavy Machinery Fluid PowerTransmission and Control, Qinhuangdao 066004,Hebei,China)

According to the requirements of the production process and the servo motorspeedcharacteristics of the tire curing press, HFST servo-hydraulic system adopting pressure and flow controlling individually is a kind of new technology with hydraulic servo driving and controlling used for that hydraulic-driven curing press achieves energy-effi cient. HFST servo-hydraulic system can meet the needs of the host site fully, it is a clear technological advantage to reduce energy consumption and to improve the response speed and precision of pressure controlling according to the fi eld performance tests .

HFST servo-hydraulic system tire vulcanizing machine energy-effi cient

TQ330.43

1009-797X(2016)19-0060-07

B

10.13520/j.cnki.rpte.2016.19.011

（R-01）

艾同輝（1980-），男，畢業(yè)于濟(jì)南大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動化專業(yè)，主要從事液壓行業(yè)的研發(fā)，設(shè)計(jì)，銷售管理工作，現(xiàn)任天津瀚福精密液壓技術(shù)有限公司副總經(jīng)理。

2016-08-01