張 磊，孫德河，王麗薇，薛 鵬，郭爽爽

（1.太原重工股份有限公司，技術中心，山西 太原 030024；2.太重（天津）濱海重型機械有限公司 技術中心，天津 300452）

重型臥式鋁擠壓機作為鋁擠壓生產(chǎn)線上的核心裝備，主要用于生產(chǎn)整體、大尺寸、薄壁、寬幅和高精度、高性能工業(yè)鋁材，對航空、航天、艦船和高鐵等國防和重大戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)具有重要支撐作用。當前，我國鋁擠壓加工行業(yè)仍面臨節(jié)能、減排的重大挑戰(zhàn)。重型臥式鋁擠壓機裝機功率大、運行能耗高，深入挖掘其節(jié)能潛力，對于鋁擠壓加工行業(yè)綠色和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義，尤其是在世界鋁擠壓機總量中，中國的鋁擠壓機擁有量已居世界第一，而近年新建的重型臥式鋁擠壓機也主要由國內(nèi)廠家自行設計建造，由此，加快重型臥式鋁擠壓機節(jié)能技術自主研發(fā)及應用，推動鋁擠壓加工行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展恰逢其時。

我公司研制的重型臥式鋁擠壓機產(chǎn)品，其核心技術特征是“短行程”，自1994 年國內(nèi)首次開發(fā)應用該技術以來，短行程鋁擠壓機憑借短流程工序、新型傳動系統(tǒng)和工模具快速調(diào)整等獨特技術優(yōu)勢，節(jié)能價值不斷凸顯，現(xiàn)已成為當代鋁擠壓機的主流機型[1]。

重型臥式鋁擠壓機屬于傳統(tǒng)高能耗設備，其耗能多少取決于油泵與電機組合及其工作狀態(tài)。出于投資成本考慮，部分用戶要求配置定量泵而非變量泵，這類壓機常常在擠壓時產(chǎn)生高壓大流量溢流，在非擠壓時因全流量低壓循環(huán)，導致電機高耗能和系統(tǒng)發(fā)熱，而因此采取的冷卻措施又會產(chǎn)生二次能耗。在選擇配置電機時，需首先確定電機功率，該功率一般按照主工作缸最高擠壓速度下的油泵輸出流量和最大工作壓力來計算，然后根據(jù)各個機構的工作速度和空程速度與負載力需求，合理匹配泵的流量和壓力，最大限度地發(fā)揮各油泵的功能，減少能耗。

重型臥式鋁擠壓機電機功率確定時，若按最大工作壓力、最大擠壓速度所需流量計算，通常將其最大擠壓速度定為20mm/s，而考慮此類壓機常用于難變形鋁合金擠壓，實際最大擠壓速度一般在5mm/s～12mm/s 之間，而一些硬鋁合金型材所需實際最大擠壓速度甚至低于1mm/s，也就是說，較大的最大擠壓速度僅適于極個別工況。由此，在重型臥式鋁擠壓機設計時，充分研判擠壓制品工藝需求，適當降低最大擠壓速度，同時進行更合理的擠壓速度和油泵流量匹配，減小功率匹配損失，壓機必將獲得更具經(jīng)濟性的投資和運行效益。

本文結(jié)合擠壓制品實際工藝需求，對某重型臥式鋁擠壓機進行系統(tǒng)能耗分析，確定系統(tǒng)節(jié)能設計方向，并應用變頻技術進行變頻節(jié)能控制系統(tǒng)設計，以期為同類設備節(jié)能與減排設計提供參考。

1 能耗分析

重型臥式鋁擠壓機設備能源消耗包括電能、液壓油、冷卻水、壓縮空氣和潤滑脂。由于壓機的設備特性，電能消耗在設備總能源消耗中占比較大，而在電能消耗中，與主泵組相關的泵和電機所消耗電能占比則高達80%以上。

某典型鋁合金制品擠壓工藝流程為：供錠器供錠—擠壓桿頂料—供錠器返回—擠壓筒套料、鎖緊—填充擠壓—排氣—突破擠壓—擠壓結(jié)束—卸壓—脫壓余—筒與桿回程—主剪剪切—主剪返回—供錠器供錠。

依據(jù)上述擠壓工藝流程，以及輔助機構動作需求，采用定量泵、變量泵與電液比例閥組合的新型傳動系統(tǒng)，對工作泵組投入進行分析和匹配，并將工作泵組分為主泵組和非主泵組，其中主泵組為主工作缸、側(cè)工作缸、擠壓筒鎖緊缸、主剪缸、壓模缸、模內(nèi)剪缸和移動模架缸提供動力能源，非主泵組為頂墊缸、快換模缸、模座頂起缸、供錠器主臂缸、供錠器鉗口缸、模座壓緊缸和主剪打料缸提供動力能源。

以某噸位重型臥式鋁擠壓機為例，獲取靠主泵組提供動力的各機構驅(qū)動功率大小，確定主泵組功率消耗占工作泵組總功率消耗比值約為86%。

2 系統(tǒng)設計

近年來，各類型壓機采用節(jié)能控制系統(tǒng)的研究和實踐備受關注[2-6]。經(jīng)市場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，鋁擠壓機的節(jié)能需求迫切，許多鋁擠壓加工廠家明確提出壓機需要配備節(jié)能系統(tǒng)，以此響應落實行業(yè)綠色和可持續(xù)發(fā)展需求。

目前，重型臥式鋁擠壓機系統(tǒng)油泵與電機組合方式通常有兩種，即定量泵與普通定頻電機組合、變量泵與普通定頻電機組合，如圖1 所示，即用部分或全部變量泵替代定量泵，但此舉并不能顯著降低電機在額定轉(zhuǎn)速下的無功能耗，其根源在于系統(tǒng)配置的是普通的定頻電機，待機時電機高速空轉(zhuǎn)下的泵損耗、電機損耗，以及小流量擠壓時變量泵內(nèi)泄損耗仍然存在，尤其是考慮壓機工況，或是長時間高壓小流量，或是短時間低壓大流量，非主泵組電機長時間空轉(zhuǎn)，而主泵組電機是在高額定頻率、小偏角下工作，功率損失十分嚴重。

圖1 油泵與電機組合形式

2.1 框架硬件組成

結(jié)合主泵組電能消耗占比較大，開發(fā)主泵組變頻節(jié)能控制系統(tǒng)，核心技術在于使用變頻電機，用變頻調(diào)速替代原有的電機恒額定轉(zhuǎn)速運行，并對電機頻率與泵偏角進行合理配置[7-10]。

系統(tǒng)主要硬件包括PLC 控制器、變頻器、變頻電機、變量泵及其閥控器，如圖2 所示。在硬件選型上，綜合考慮成本因素和性價比，變頻器可選國產(chǎn)品牌產(chǎn)品，電機可選國產(chǎn)或進口品牌產(chǎn)品。

圖2 系統(tǒng)主要硬件

2.2 工作制度及模式

壓機工況主要有兩種：長時間高壓小流量和短時間低壓大流量。根據(jù)不同工況對流量、響應等驅(qū)動條件的需求，設計了相適應的系統(tǒng)工作制度及模式，具體內(nèi)容如下。

MODE0：待機模式，此時電機頻率為0Hz，油泵偏角為0°，無輸出；

MODE1：輸出模式，此時電機頻率為max，油泵偏角根據(jù)流量需求量進行變化；

MODE2：節(jié)能模式，此時電機頻率與油泵偏角進行實時分配，根據(jù)機構動作所需流量，自動調(diào)節(jié)輸出的電機頻率和泵偏角。

2.3 控制流程及轉(zhuǎn)換條件

主泵組控制流程如圖3 所示。各模式轉(zhuǎn)換條件如下。

圖3 主泵組控制流程

MODE0 模式轉(zhuǎn)換條件：（a）程序初始化；（b）電機未接收到啟動指令；（c）擠壓未選擇此泵，且擠壓剩余時間允許此泵進入停止狀態(tài)。

MODE1 模式轉(zhuǎn)換條件：確保所有泵已進入MODE2 模式，即電機啟動到允許最大頻率的過程是所有電機順序進入MODE2 模式（運行頻率在最小頻率之上），然后選擇MODE1 模式的電機同時提升到最大頻率，其轉(zhuǎn)換條件為：（a）擠壓機中無鑄錠，且已收到上錠信號；（b）擠壓即將結(jié)束。

MODE2 模式轉(zhuǎn)換條件：首先確保此泵編號之前的泵MODE2 模式已完成（如啟動4 號泵電機，應保證1，2，3 號泵電機運行頻率已經(jīng)到最小允許頻率之上，已避開變頻器啟動初期電流過大影響車間電網(wǎng)的情況），其轉(zhuǎn)換條件為：（a）自動狀態(tài)，擠壓完成后未收到出料信號；（b）擠壓過程，選擇此泵（根據(jù)上位機設定最大擠壓速度選擇），突破動作完成后；（c）擠壓過程，未選擇此泵，擠壓剩余時間允許進入MODE2 模式（提前啟動）。

2.4 程序編制

基于MODE0 模式示例編制PLC 程序，如圖4所示。

圖4 PLC 程序（MODE0）

3 結(jié)論

通過對重型臥式鋁擠壓機系統(tǒng)能耗進行分析，確定油泵與電機組合消耗電能占比較高，是系統(tǒng)節(jié)能設計重點。結(jié)合壓機機構組成和運行工況，針對主泵組開發(fā)變頻節(jié)能控制系統(tǒng)，確定了包括PLC 控制器、變頻器、變頻電機、變量泵及其閥控器的系統(tǒng)框架組成，通過定義工作制度及模式，控制流程及轉(zhuǎn)換條件，編制PLC 控制程序等，實現(xiàn)電機頻率與泵偏角的合理匹配，滿足了擠壓工藝實際需求。經(jīng)現(xiàn)場實測表明，壓機變頻節(jié)能控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定，且節(jié)能效果顯著，功率儀實測數(shù)據(jù)顯示，參與擠壓油泵節(jié)能約30%，待機油泵節(jié)能約55%。由此，針對壓機等傳統(tǒng)高能耗設備，以深入分析設備工藝需求為基礎，使功率配置與工藝需求匹配，最大程度降低無功能耗，是一條值得推廣應用的節(jié)能實踐路徑。