王倩玥 曹華軍 林江海 賴科旭 李本杰 葛威威

1.重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶,400044 2.齊魯工業(yè)大學(xué)山東省機(jī)械設(shè)計(jì)研究院,濟(jì)南,2500313.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,成都,610500

0 引言

隨著工業(yè)的快速發(fā)展,能源緊缺、環(huán)境惡化和全球氣候變暖已成為全世界廣泛關(guān)注的課題。面向“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo),綠色制造成為制造業(yè)發(fā)展的必由之路[1-2]。機(jī)械加工系統(tǒng)在制造業(yè)中占主導(dǎo)地位,因此,降低機(jī)械加工系統(tǒng)的能耗對(duì)制造業(yè)可持續(xù)發(fā)展非常重要[3-4]。其中,被譽(yù)為“工業(yè)母機(jī)”的機(jī)床是最具代表性的加工系統(tǒng),機(jī)床具有高能耗和低能效的特點(diǎn)。以我國(guó)為例,目前現(xiàn)存的機(jī)床數(shù)量已超700萬臺(tái),以單臺(tái)機(jī)床平均功率7.5 kW為基準(zhǔn),每年機(jī)床的總能耗達(dá)到三峽水電站總發(fā)電量的兩倍以上[5]。此外,機(jī)床在加工過程中的平均能效低于30%[6]。因此,開展機(jī)床節(jié)能增效研究意義重大。

目前圍繞機(jī)床能效已開展大量研究。KARA等[7]建立了金屬切削過程經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠斫沂炯庸?shù)和比能耗之間的關(guān)系,并通過車削和銑削實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型的預(yù)測(cè)精度。BALOGUN等[8]研究了45鋼、Ti-6Al-4V鈦合金以及AW6082-T6鋁合金銑削過程中的比能耗特性,并提出一種切削寬度和未變形切屑厚度的優(yōu)化模型。劉飛團(tuán)隊(duì)[9-10]建立了可表征機(jī)床能效相關(guān)參數(shù)與工件相關(guān)參數(shù)之間關(guān)系的新型能效評(píng)價(jià)模型,并將其用于干式滾齒機(jī)床和濕式滾齒機(jī)床的能效評(píng)價(jià),結(jié)果表明干式滾齒機(jī)床的能效明顯高于濕式滾齒機(jī)床的能效。趙剛等[11]研究了干式銑削過程工藝參數(shù)與單位切削能耗和機(jī)床能效之間的定量關(guān)系,發(fā)現(xiàn)增大切削速度的進(jìn)給量、減小切削深度可提高機(jī)床能效,且機(jī)床能耗隨材料去除率的增大而減小。倪恒欣等[12]對(duì)變參數(shù)下機(jī)床能耗分布特性進(jìn)行了研究,建立了高速干切滾齒機(jī)床能耗預(yù)測(cè)模型。王秋蓮[13]建立了機(jī)械加工系統(tǒng)能量模型,并構(gòu)建了一個(gè)集成能量利用率和比能效率的能量效率評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

上述關(guān)于能效的研究主要基于材料去除能耗。然而,在加工過程中,工件和刀具之間的劇烈摩擦?xí)饦O大的熱效應(yīng),導(dǎo)致工件、刀具和機(jī)床的熱變形,從而影響加工精度,其中因熱變形造成的誤差占機(jī)床總誤差的40%～70%[14-15]。冷卻系統(tǒng)是維持機(jī)床熱平衡、保證加工精度的關(guān)鍵設(shè)備,其中精密機(jī)床的冷卻系統(tǒng)能耗占機(jī)床總能耗的70%以上[16]。為準(zhǔn)確全面評(píng)估機(jī)床加工能效,用于熱調(diào)控的機(jī)床冷卻系統(tǒng)的能耗需要被考慮。

1 干切機(jī)床效率特性

1.1 干切機(jī)床能量流邊界

圖1 干切機(jī)床能量流研究區(qū)域示意圖Fig.1 Diagram of energy flow area of dry-cutting machine tool

傳統(tǒng)的機(jī)床能效研究只針對(duì)切削區(qū)能量流進(jìn)行分析,不考慮機(jī)床外部冷卻系統(tǒng)能量以及機(jī)床其他空間的傳熱。然而干切機(jī)床能量流區(qū)域不僅要包括傳統(tǒng)的切削部分,還要包括圖1中的其他冷卻設(shè)備,如空氣過濾器、低溫冷風(fēng)機(jī)、排屑器等。機(jī)床系統(tǒng)分為機(jī)床本體和由一系列外圍熱調(diào)控設(shè)備及其內(nèi)部的冷卻液組成的冷卻系統(tǒng)(圖2)。電能(Ee)從外界輸入,機(jī)床系統(tǒng)內(nèi)部通過部件之間的產(chǎn)熱(Qgen)與散熱(Qdis)進(jìn)行熱傳導(dǎo)。冷卻系統(tǒng)的各種工作流體流經(jīng)機(jī)床切削區(qū)設(shè)備、軸承和電機(jī)等組成的產(chǎn)熱區(qū)域,通過強(qiáng)制對(duì)流和熱傳導(dǎo),發(fā)揮不同程度的冷卻作用,對(duì)機(jī)床進(jìn)行熱調(diào)控。因此,除去材料去除能耗(EMR),冷卻系統(tǒng)的一部分電能消耗Qco(在數(shù)量上等于工作流體與機(jī)床本體之間的熱交換能量)也被視為有用的主動(dòng)冷卻能耗。此外,機(jī)床通過輻射和自然對(duì)流進(jìn)行的被動(dòng)冷卻也起到了熱調(diào)控的作用,這部分熱交換能量同樣應(yīng)被視為有用的能耗。其中,通?？珊雎詿彷椛?因?yàn)樗闹岛苄?對(duì)機(jī)床的熱調(diào)控幾乎沒有影響[24-25]。

圖2 考慮冷卻能耗的干切機(jī)床能量流邊界Fig.2 Energy flow boundary of dry-cutting machine tools considering cooling energy consumption

1.2 干切機(jī)床效率分析

機(jī)床的傳統(tǒng)能效被定義為加工時(shí)間t內(nèi)材料去除所消耗的能量和機(jī)床輸入能量之間的比值[29],也可稱之為材料去除能效,即

(1)

式中,Ee,MT為機(jī)床驅(qū)動(dòng)器的電能輸入,kJ;Ee,PD為機(jī)床外圍設(shè)備的電能輸入,kJ;EMR為材料去除能耗,kJ;Pcut為材料去除功率,kW;P為機(jī)床的輸入功率,kW。

機(jī)床驅(qū)動(dòng)器的電力需求主要分為主軸驅(qū)動(dòng)輸入和進(jìn)給軸驅(qū)動(dòng)輸入。機(jī)床驅(qū)動(dòng)部分的電能輸入可表示為

(2)

機(jī)床的外圍設(shè)備包括切削液站、潤(rùn)滑站、空氣壓縮站、液壓站、空氣過濾器等。外圍設(shè)備的電力需求可以看作是一個(gè)可由測(cè)算獲得的常量[30]。外圍設(shè)備的總電能輸入為

Ee,PD=∑kak(t)·Pin,k

(3)

式中,ak(t)為第k個(gè)外圍設(shè)備隨時(shí)間變化的功率特性系數(shù);Pin,k為第k個(gè)外圍設(shè)備正常運(yùn)行所需的功率,kW。

為區(qū)別于傳統(tǒng)的材料去除能效,定義了考慮材料去除和冷卻能耗的新綜合能效,即

(4)

ΔQ=∑Hout-∑Hin+Qnc

(5)

式中,Ee,tot為總的電能輸入,kJ;ΔQ為工作流體和自然對(duì)流帶走的熱能;Hout為流出機(jī)床的工作流體的焓,kJ;Hin為流入機(jī)床的工作流體的焓,kJ;Qnc為機(jī)床自然對(duì)流的傳熱量,kJ。

表1 不同能量形態(tài)下的能量與對(duì)比

(6)

式中,T0為環(huán)境空氣的溫度,K;Tsource為熱源的溫度,K。

(7)

(8)

(9)

對(duì)于普通機(jī)床,為方便計(jì)算,其外形可以看作長(zhǎng)方體。根據(jù)牛頓冷卻定律,自然對(duì)流的傳熱率可通過下式進(jìn)行計(jì)算[32]:

(10)

式中,hnc為自然對(duì)流傳熱系數(shù),通常取值為9.7 W/(m2·K);Anc為自然對(duì)流換熱面積,m2;Tsurf為機(jī)床表面的平均溫度,K。

(11)

(12)

(13)

(14)

表2 不同流體的冷卻特性

(20)

圖3 干切機(jī)床流示意圖Fig.3 Diagram of exergic flow fordry-cutting machine tools

(21)

(22)

表3 機(jī)床兩種能效的對(duì)比

(23)

(24)

εnc值越大,說明機(jī)床自身在其所在空間的散熱性能越好。

εtot=ηⅠ+εco+εnc

(25)

(26)

(27)

(28)

(29)

圖4 機(jī)床效率評(píng)價(jià)模型結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure diagram of exergy efficiency evaluation model for machine tools

3 實(shí)驗(yàn)案例

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文選取YE3120CNC7型號(hào)高速干切滾齒機(jī)床為研究對(duì)象。該機(jī)床適用于外圓齒輪的綠色高效加工,其特點(diǎn)是切削速度高,采用比熱容低的壓縮空氣對(duì)滾刀和齒輪工件所在的切削區(qū)域進(jìn)行冷卻。此類機(jī)床封閉的加工空間(以下簡(jiǎn)稱“機(jī)床空間”)容易產(chǎn)生熱能累積,這部分累積的熱能會(huì)傳遞給機(jī)床相關(guān)的運(yùn)動(dòng)部件和結(jié)構(gòu)部件,從而引起熱誤差,降低加工精度。機(jī)床以及與冷卻有關(guān)的主要外圍設(shè)備如圖5所示。Pt100型熱電偶用于測(cè)量機(jī)床空間、流體進(jìn)出口和車間環(huán)境的各參考點(diǎn)溫度,采樣頻率為1Hz,數(shù)據(jù)由NI9214數(shù)據(jù)采集卡采集;功率分析儀HIOKI3390用于采集機(jī)床需要的功率數(shù)據(jù);各項(xiàng)數(shù)據(jù)由筆記本電腦記錄。與高速干切滾齒機(jī)床熱調(diào)控有關(guān)的外圍設(shè)備主要包括液壓站(機(jī)床內(nèi)部)、潤(rùn)滑站(機(jī)床內(nèi)部)、靜電式空氣過濾器(圖5b)和空氣壓縮站的空壓機(jī)(圖5c)、冷干機(jī)(圖5d)。冷卻系統(tǒng)各設(shè)備使用的相應(yīng)工作流體包含液壓油、潤(rùn)滑劑、壓縮空氣和機(jī)床內(nèi)部的熱空氣。

(a)實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置

(b)靜電式空氣過濾器 (c)空壓機(jī) (d)冷干機(jī)圖5 高速干切滾齒機(jī)床實(shí)驗(yàn)裝置及外圍冷卻設(shè)備示意圖Fig.5 Experimental setup of high-speed dry hobbing machine and its peripheral cooling devices

實(shí)驗(yàn)采用PM-HSS滾刀長(zhǎng)時(shí)間加工外圓柱齒輪。滾刀和工件的主要技術(shù)參數(shù)見表4。結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)條件,主軸轉(zhuǎn)速和軸向進(jìn)給速度分別設(shè)置為800 r/min和2 mm/r。

表4 滾刀和齒輪工件的主要技術(shù)參數(shù)

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在參數(shù)設(shè)置不變的條件下,由圖6可知,每個(gè)外圍設(shè)備的能耗都可近似于一個(gè)恒定值。通過對(duì)機(jī)床外圍設(shè)備實(shí)施通電和斷電操作,得到各個(gè)設(shè)備的功率需求。液壓泵、潤(rùn)滑泵、排屑器、空氣過濾器和冷凍空氣干燥器的電能需求分別為1.94,0.75,1.16,1.62,0.34 kW。

圖6 機(jī)床部分外圍設(shè)備啟停功率變化Fig.6 Power change of machine tool’s peripheral devices

圖7為一個(gè)滾齒加工周期內(nèi)機(jī)床的全過程總功率輸入曲線。由圖知,由于切入、全切和切出階段形成的切屑不同,機(jī)床在切削階段的輸入功率是變化的。對(duì)機(jī)床總功率數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算可得:在空載待機(jī)階段、快速進(jìn)給階段、空氣切削階段和切削階段,機(jī)床的平均功率需求分別為2.07,3.62,3.81,7.13 kW。切削功率(Pcutting)等于切削階段功率和空切階段功率(Pair-cutting)之差,而快速進(jìn)給功率(Prf)等于快速進(jìn)給階段功率和空載階段功率(Pidle)之差。機(jī)床驅(qū)動(dòng)器的功率等于機(jī)床總功率與各外圍設(shè)備的近似恒定功率之和的差值。

圖7 加工單個(gè)工件的機(jī)床功率Fig.7 The power profile for hobbing a single workpiece

機(jī)床在預(yù)熱一段時(shí)間后開始加工,圖8展示了機(jī)床各參考點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化情況。為簡(jiǎn)化計(jì)算,在不改變數(shù)據(jù)分布的前提下,以60為采樣間隔對(duì)原始的33 606組溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行均勻采樣,得到561組溫度數(shù)據(jù)點(diǎn)。圖中下標(biāo)in表示流體入口處,下標(biāo)out表示流體出口處。機(jī)床表面的平均溫度(Tsurf)保持在299 K(26 ℃)左右,而環(huán)境溫度(T0)為294 K(21 ℃)左右。由圖8觀察到,機(jī)床啟動(dòng)后溫度隨著加工時(shí)間的增加迅速升高,這表明熱能在機(jī)床中逐漸累積;經(jīng)過一段時(shí)間后,溫度上升速度逐漸減慢,并保持相對(duì)穩(wěn)定的值;最終,當(dāng)機(jī)床關(guān)閉后,溫度急劇下降。其間,機(jī)床空間溫升(Tam-T0)最大值超過8 K,因此該機(jī)床熱效應(yīng)較為顯著。此外,潤(rùn)滑劑和液壓油的進(jìn)出流體具有一定的溫差,表明它們對(duì)機(jī)床空間具有一定的冷卻效果。

圖8 參考點(diǎn)溫度隨時(shí)間的測(cè)量值Fig.8 Temperatures at reference pointschanged with time

圖9 高速干切機(jī)床工作流體的冷卻率Fig.9 The cooling exergies of cooling fluids for HSDH machine tool

圖10 高速干切滾齒機(jī)床總效率構(gòu)成Fig.10 Compositions of total exergy efficiency of HSDH machine tool

圖11 機(jī)床驅(qū)動(dòng)器及冷卻設(shè)備效率指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.11 Exergy efficiency indicator evaluation results of machine tool diver and cooling devices

4 結(jié)論與展望

與傳統(tǒng)的能效評(píng)估方法相比,本文評(píng)價(jià)模型可以準(zhǔn)確揭示熱平衡條件下機(jī)床冷卻能量利用特性,表明冷卻系統(tǒng)的節(jié)能潛力。未來可基于該研究開展機(jī)床冷卻設(shè)備參數(shù)優(yōu)化,挖掘機(jī)床冷卻效果與加工精度之間的關(guān)聯(lián)性。