〔南通棉花機械有限公司，江蘇南通226000〕

我國棉花檢驗體制改革時，227±10 kg、1.4 m×0.53 m×0.7（+0.15）m的Ⅰ型棉包在棉花加工行業(yè)迅速推廣，很快就在該行業(yè)全面普及。按照棉包平均高度0.78 m、平均重量227 kg計算，我國的棉包成包密度ρ=227/（1.4×0.53×0.78）=392.2（kg/m3）。同樣是產(chǎn)棉大國，我們的近鄰烏茲別克斯坦目前仍然采用前蘇聯(lián)的棉花包裝標準，其棉包包型尺寸：長0.96 m、寬0.59 m、平均包高0.81 m，棉包平均包重225 kg。

圖1 烏茲別克斯坦塔什干軋花廠打包記錄單

根據(jù)計算，烏茲別克斯坦的棉包成包密度ρ=490 kg/m3，比我國的棉包增大了約25%，其棉包為高密度棉包。生產(chǎn)高密度棉包，對于提高棉包運輸裝載率是非常有價值的，如果我國棉包的成包密度也為490 kg/m3，則一節(jié)60 t的火車車皮從目前裝載約43 t皮棉將提高到約52 t，節(jié)省的棉花運輸費用將是非常可觀的。生產(chǎn)高密度棉包，必然要加大棉花打包時的壓縮密度。我國棉花加工廠使用的MDY-400型棉花打包機棉箱內(nèi)（橫截面）尺寸是1.36 m×0.5 m，打包時最終成包壓縮高度是0.5 m，則棉花成包時的壓縮密度ρ壓縮=667 kg/m3；而烏茲別克斯坦的棉花打包機棉箱內(nèi)（橫截面）尺寸是0.94 m×0.575 m，打包時成包壓縮高度是0.52 m，其棉花成包時的壓縮密度ρ壓縮=800 kg/m3。

按照棉花的壓縮理論，棉花壓縮時正壓面的壓強p=·105（N/m2）、對棉花的壓縮力

式中：

A——與棉纖維回潮率（含水率）密切相關的系數(shù)（當棉花回潮率在6%時，A=178.95；

S——棉箱內(nèi)部橫截面面積/cm2。

按照上述公式，按棉花的回潮率6%計算，我國的MDY-400 型棉花打包機將227 kg 棉花壓縮到0.5 m，需要352 t的壓縮力。烏茲別克斯坦的棉花打包機將225 kg棉花壓縮到0.52 m，則需要484 t的壓縮力，壓縮力加大了37%，可見，生產(chǎn)高密度的棉包，則要求打包機能提供更大的壓縮力。在相同的生產(chǎn)效率下，高密度棉花打包機配備的電機功率必然要加大。例如，生產(chǎn)效率同為20包/小時的打包機，我國的MDY-400（A）型棉花打包機的主機功率90 kW，而烏茲別克斯坦的棉花打包機的主機功率為132 kW，增加了46.7%。顯然，高密度棉花打包機的噸皮棉電耗會大幅度上升。如何降低高密度棉花打包機的電能消耗，成為一個需要解決的技術問題。

當前，世界主要生產(chǎn)棉花的國家使用的棉花打包機均采用雙棉箱、雙工位結構，雙工位上是打包機的兩大預壓機構：預壓/推料（送棉）機構和主壓（縮）/脫箱機構，這兩大機構的動力裝置均為液壓缸，動力源為電機與液壓泵組成的電機泵組，電機泵組輸送帶壓力的液壓油驅動液壓缸動作，打包機所消耗電能的約95%用于這兩大機構，因此，必須對高密度棉花打包機兩大機構的控制方式、電機泵組的配置及控制方式采用有別于常規(guī)打包機的設計，否則是不可能降低高密度棉花打包機噸皮棉電耗的。能夠降低打包機電耗的方法有：

一、在主壓/脫箱機構待機不工作時，停止其動力源（電機泵組）的運轉

以下壓式棉花打包機為例，打包機打（壓縮）一個棉包主要動作流程如下：

打（壓縮）一個棉包的全過程之中，在轉箱期間，預壓/推料機構和主壓/脫箱機構均在待機不工作，但轉箱過程短暫，不超過12秒，因此，預壓/推料機構90%以上的時間均處在工作狀態(tài)，而主壓/脫箱機構有兩段待機不工作時間：“穿絲、捆扎過程”和“待機（等待）+轉箱過程”，在這兩段時間，讓主壓電機停轉，自然能夠降低打包機的電耗。烏茲別克斯坦使用的前蘇聯(lián)時代烏克蘭生產(chǎn)的老式棉花打包機，其主壓電機在待機階段是停止運轉的，比較節(jié)能。但是，采取這種方法，主壓電機因為頻繁地啟動/停止會受到很大的損害（以及電路中的交流接觸器）。據(jù)了解，雖然烏茲別克斯坦的老式打包機每小時打棉包在7包以下，其主壓電機線圈也因為過熱經(jīng)常燒毀。因此，在棉花加工廠，這種方法不適合用于每小時打10包以上的棉花打包機（對于棉短絨打包機，可以采用這種方法）。

圖2 打包機測試現(xiàn)場

二、在主壓/脫箱機構待機不工作時，將主壓電機轉換到“Y”（星形）狀態(tài)運行

此方法避免了電機的頻繁啟動，同時電機在運行狀態(tài)下，從“Y”（星形）切換到“△”（三角）的瞬時電流也遠小于啟動時的電流，能最大程度減少周期性頻繁地“Y”-“△”切換對電機的損害。當三相電源的電壓為U，線電流為I，三相異步電動機以“△”狀態(tài)運行時，電功率為31/2U·I；以“Y”狀態(tài)運行時，電功率為U·I（為“△”狀態(tài)運行時的57.74%）。在主壓/脫箱機構待機時，將主壓電機切換到“Y”狀態(tài)運行，也一定能降低打包機噸皮棉電耗。

對于烏茲別克斯坦的棉花打包機，按每小時生產(chǎn)20包棉包為例，每包用時180秒，其中主壓/脫箱機構待機、主壓電機（功率77 kW）空載運行時間約70秒。假定電機空載電流為額定電流的38%（電機空載電流約為額定電流的33%～40%），由于31/2U·I=77 kW，則：

以“△”狀態(tài)運行時，主壓電機的空載功率=0.38×31/2U·I=29.26 kW；

以“Y”狀態(tài)運行時，主壓電機的空載功率=0.38U·I=16.893 kW，

兩者之差為12.367 kW。

當主壓電機周期性地“Y”-“△”切換后，每小時節(jié)約電能=（70/180）×12.367=4.81（kW·h）。上述為估算數(shù)據(jù)。圖5為烏茲別克斯坦軋花廠的工作人員對打包機主壓電機進行周期性地“Y”-“△”切換試驗及測得的主壓電機電能消耗減少的數(shù)據(jù)（為防止交流接觸器損壞，試驗時，生產(chǎn)線將產(chǎn)量下降到每小時3包）。經(jīng)過數(shù)據(jù)對比，在每小時打3包的情況下，主壓電機周期性地“Y”-“△”切換后，主壓電機的電能消耗降低了17.5%。

圖3 打包機配電柜

圖4 三相功率表

圖5 測試記錄

由于存在控制大功率電機的交流接觸器疲勞強度、使用壽命等問題，該方法恐難長期使用，同時節(jié)能效果亦有限。故此方法要運用于棉花打包機，還需要進行更長時間的試驗，同時還要有非?？煽磕陀玫慕涣鹘佑|器。

三、主壓電機泵組采用調速電機泵組

棉花打包機對棉花壓縮打包時，

式中：

m——棉花的質量/kg；

L——棉箱內(nèi)橫截面長度/m；

W——棉箱內(nèi)橫截面寬度/m；

H——對棉花的壓縮高度/m。

由于m、L、W、S均為定值，當棉花的回潮率固定，即A的數(shù)值也為定值后，打包過程中的壓縮力即隨著壓縮高度的變化而變化。以國內(nèi)MDY-400打包機為例，壓縮力與壓縮高度關系曲線如表1所示。

表1 壓縮力與壓縮高度關系曲線

由表1可知，棉花打包壓縮全行程中，最后約0.6 m的行程壓縮力才隨著壓縮高度的減小而明顯增大和急劇增大，而之前的約1.5 m的行程，壓縮力增加的幅度很小。現(xiàn)行的棉花打包機主壓電機泵組通常由三相異步電機和恒功率變量柱塞泵構成。電機輸出功率N=31/2U·I=液壓泵的功率=p·Q/（612 η），

p——液壓泵輸出液壓油的壓強/（N/m2）；

Q——液壓泵輸出液壓油的流量/（L/min）；

η——電機泵組的總效率，通常為0.85；

n——電機（泵）的轉速/（r/min）；

q——液壓泵每轉輸出的液壓油量/（L/r），稱為液壓泵的排量；

ηV——液壓泵的容積效率，通常柱塞泵ηV=0.92；

S主壓缸——主壓油缸活塞的受壓面積/cm2。

恒功率變量泵在變量之前，其排量q基本為固定值（最大值），變量之后，q開始減小。由于電機的轉速n恒定，液壓泵變量之前，液壓泵輸出的流量也不變，也由于S主壓缸為定值、U、η基本為定值，因此電機的電流I（代表了電機的輸出功率、電機的負荷）跟隨打包壓縮力F、壓縮高度變化而變化（見表2）。液壓泵開始變量后，隨著F、p不斷增大，q、Q持續(xù)減小，使得液壓泵總體上保持恒功率、電機滿負荷運行。電機電流表指針擺動情況或數(shù)值的變化情況即表示了主壓電機在打包壓縮過程中輸出功率的變化過程。

表2 主電壓電機在打包壓縮過程中輸出功率的變化

所以，在打包壓縮初始一半以上的行程中，電機處于低負荷運行狀態(tài)中（能效低，浪費電能），只在壓縮最后不足一半的行程，電機才滿負荷運行。毋庸置疑，任何一種機械，其動力電機只有在帶有載荷時，一直保持滿負荷運行；在空載時，能夠停止運轉或盡可能低的轉速運轉，才能最大程度地節(jié)省電能。因此，①電機負荷較低時（包括主壓下行的初始階段、主壓上行、脫箱下行階段），提高主壓電機泵組轉速、加大柱塞泵的輸出流量，從而加大電機負荷、加快主壓/脫箱機構工作速度、縮短工作時間；②當主壓/脫箱機構待機時（穿絲捆扎階段、轉箱階段），盡可能降低電機泵組的轉速。通過這兩點，即能使主壓電機達到比較理想的節(jié)能效果。

按照當今技術，有多種方法可以實現(xiàn)電機泵組的調速，如伺服電動機、伺服驅動器、伺服泵組合；三相異步電動機、永磁耦合調速器、變量柱塞泵組合；永磁同步電動機、變頻器、變量柱塞泵組合等，其中伺服電動機與伺服泵組合已被證明能夠達到最佳的節(jié)能效果，在陶瓷壓機、注塑機上已經(jīng)普遍使用。但是，到目前沒有伺服變量泵和沒有雙軸伸的伺服電動機，按照棉花的壓縮特性，如果采用伺服電動機與伺服泵組合作為主壓機構的動力源，棉花打包機的液壓系統(tǒng)將很復雜，造價昂貴。綜合比較，采用額定頻率100 Hz、同步轉速1 500 r/min的永磁同步電動機（包括變頻器）與常規(guī)變量柱塞泵組合是節(jié)能效果更理想的配置。

主壓電機泵組采用永磁同步電動機泵組后，根據(jù)電機與泵的技術特性，高速允許1 800 r/min。因此，電機泵組即可以1 800 r/min的轉速工作在主壓/脫箱機構的低負載階段（提高電機的負荷與能效）。

前面已經(jīng)敘述，在主壓/脫箱機構待機時，使電機泵組停轉，必然最節(jié)電，但通常情況，主壓/脫箱機構待機均只有幾十秒，為避免電機頻繁地承受快速啟動帶來的瞬時大電流的沖擊傷害，在幾十秒內(nèi)，也不適合讓永磁同步電動機完全停止，經(jīng)測算，在空載時，電機泵組以300 r/min的轉速為最佳。主壓電機采用永磁同步電動機后，在壓縮一個棉包的過程，主壓電機泵組的轉速如上圖。

電機的輸出功率N=液壓泵的功率=p·n·q·ηV/（612 η），在主壓上行和脫箱下行低負載階段，p恒定，電機的輸出功率與轉速n成正比，在主壓下行的初始階段，負載雖不大，但也是逐步增大的。永磁同步電動機超過額定頻率（超速）運轉時為恒功率，當電機泵組以1 800 r/min的轉速工作時，必須設定液壓壓力發(fā)訊值p，當p·n·q·ηV/（612 η）達到電機額定功率時，控制電機的轉速n降低，保證電機不超載。

永磁同步電動機低于額定頻率運轉時為恒轉矩（扭矩），轉矩=9 550 N/ n。由于轉矩恒定，空載時，當永磁同步電動機的轉速為300 r/min時，其輸出功率僅為1 500 r/min轉速時的1/5。

液壓泵需要的轉矩=9 550p·q·ηV/（612 η），在空載狀態(tài)，p為由管路、閥塊帶來的回油阻力，轉速越小，液壓泵的輸出流量Q（=n·q·ηV）就越小，自然回油阻力p也就越小，所以，電機滿負荷時的輸出轉矩≥液壓泵需要的轉矩，永磁同步電動機泵組在低速空載時，電機不會超載。

以每小時打20包棉包的烏茲別克斯坦棉花打包機為例，三相異步電動機泵組（轉速1 480 r/min）和永磁同步電動機泵組在主壓上行與脫箱下行（此時三相異步電動機泵組所需功率約為滿載荷的70%）、待機空載時電耗對比情況如下（假定主壓下行與脫箱上行階段時間長度不變化，假定高低速變化的切換時間為0秒）：

因此，烏茲別克斯坦高密度棉花打包機主壓電機泵組采用永磁同步電動機泵組，在主壓上行與脫箱下行、空載階段，一小時可減少電耗約5 kW·h。上述數(shù)據(jù)中，永磁同步電動機空載低速時的功率為理論輸出功率，由于低速時，泵的輸出流量很小，負荷很小，電機的實際輸出功率應小于15.4 kW，所以實測對比差值應更大。

在主壓下行、脫箱上行階段，泵的流量與電機轉速會發(fā)生改變，難以準確估算電機功率以及電能的消耗，需要通過實驗測定?？梢钥隙ǖ氖?，采用永磁同步電動機泵組調速后，電機的能效提高，隨著主壓下行、脫箱上行階段的時間縮短，相應增加了電機空載時間，電機的能耗必然小于相同功率的三相異步電動機。

永磁同步電動機的功率因數(shù)和效率均高于相同功率與轉速的三相異步電動機（指電機定子線圈的磁場轉速）。永磁同步電動機的功率因數(shù)可達到0.95～0.96，其運行時，自身的損耗少、發(fā)熱少、能效高，更節(jié)能。

四、采用智能控制技術、對打包機主壓、預壓兩大機構均進行智能調速

上面敘述了對打包機主壓電機泵組進行調速，能夠很好地實現(xiàn)主壓電機的節(jié)能。采用智能調速技術后，打包機自身能根據(jù)前道設備（主要為軋花機）的皮棉產(chǎn)量信號，也就是由淌棉道進入打包機的實時皮棉產(chǎn)量信號決定主壓電機泵組空載時是否停轉。當皮棉產(chǎn)量很低時，主壓/脫箱機構待機時間很長，主壓電機泵組空載時可停轉（充分節(jié)能）；當需要啟動電機泵組時，因為時間充裕，可以實現(xiàn)緩速啟動，避免啟動時電流過大。

棉花打包機預壓/推料（送棉）機構的動力源為定量泵，在三相異步電動機的帶動下，輸出的液壓油流量恒定，機構的預壓和送棉兩部分以固定的頻次（速度）往復循環(huán)動作，不會因為進入打包機的皮棉量的改變而發(fā)生改變，當打包機前道皮棉產(chǎn)量較低時，預壓電機泵組的能效下降、電能消耗增加。當打包機采用智能技術、預壓電機泵組采用永磁同步電機泵組后，打包機將根據(jù)皮棉產(chǎn)量信號，自我調整預壓/推料（送棉）機構往復循環(huán)的頻次（速度）、自我決定機構循環(huán)動作的停止與重啟，使得預壓電機泵組始終保持高能效狀態(tài)。

所以，打包機智能調速控制技術，就是使打包機不再以固定的速度、節(jié)奏、程序工作，而是根據(jù)前道設備的皮棉產(chǎn)量信號，自我調整改變工作速度（節(jié)奏）和流程等，使打包機主壓、預壓兩大機構的動力電機帶載荷時，盡可能地滿負荷運行；空載時，以盡可能低的速度（含停轉）運轉，實現(xiàn)打包機更大程度的節(jié)能。

獲取打包機前道設備的實時皮棉產(chǎn)量信號，方法有多種：

①取“集棉機兩只出棉羅拉間距”信號

皮棉從集棉機兩只出棉羅拉之間流出，兩只羅拉的間距隨著皮棉的流量而變化，因此，可采用位移傳感器采集羅拉間距信號作為實時皮棉產(chǎn)量信號；

②取“軋花機主電機（鋸片主軸電機）電流”信號；

③取“軋花機喂花輥電機轉速”信號。

上述信號均與打包機前道設備的皮棉產(chǎn)量正相關，均可使用，但均需對這些信號進行較為復雜的邏輯運算編程、誤差評估與修正、合成等處理之后，才能成為打包機智能控制信號。因與本文章的中心內(nèi)容無關，故對信號的處理方法不予敘述。

打包機預壓/推料（送棉）機構往復循環(huán)動作，不斷將皮棉送入打包機，隨著進入打包機棉箱皮棉量的增加，預壓油缸的壓力也隨著上升，當壓力達到一設定數(shù)值，即發(fā)出包重計量（棉花重量達到規(guī)定重量）信號。在打一個棉包的全過程，預壓油缸在初始幾次和最后幾次的上行起步的瞬間會出現(xiàn)較大的液壓沖擊，形成的較大噪音都是由預壓油缸的壓力變化所引起的，壓力大和壓力小均引起沖擊，且原因不同。根據(jù)能量守恒原理，這些沖擊、噪音不僅有害，也消耗電能，浪費能源。一般自動打包機只能以固定的程序（固定的動作節(jié)拍）控制預壓油缸的上行，難以克服這些問題。采用智能技術后，打包機內(nèi)部檢測預壓油缸的壓力，根據(jù)壓力信號的變化，智能改變預壓油缸上行起步時的控制程序，使打包全程中預壓油缸均沖擊小，動態(tài)性能好。

打包機智能控制技術不僅是對主壓、預壓兩大機構的電機泵組進行智能調速，還使打包機自我智能修正調整主要運動機構的動作特性，讓打包機實現(xiàn)最大程度的節(jié)能，同時還減少液壓油的發(fā)熱，減少故障，全面提高打包機的性能。

五、結語

棉花打包機智能控制調速技術能夠解決烏茲別克斯坦的高密度棉花打包機噸皮棉電耗大的問題，同樣該技術也適用于我國棉花加工行業(yè)現(xiàn)有的棉花打包機，它不僅能使我們的棉花打包機節(jié)能效果更好，更能使我國的棉花打包機的技術水平有一個大的躍升。