液壓壓磚機(jī)仿真模型的建立與節(jié)能分析

液壓壓磚機(jī)仿真模型的建立與節(jié)能分析

0plc控制原理隨著世界工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，能源不足和環(huán)境污染日益嚴(yán)重。減少節(jié)能和減少是全世界的共同優(yōu)先事項(xiàng)。全自動(dòng)壓磚機(jī)是集機(jī)、電、液、氣和現(xiàn)代控制技術(shù)于一體,針對(duì)大型磚廠開發(fā)的一種全新產(chǎn)品,是一種低投入、高效益、便于大規(guī)模推廣應(yīng)用的工藝技術(shù)與成套裝備本文作者基于AMESim軟件建立壓磚機(jī)液壓系統(tǒng)模型,利用statechart工具箱建立符合實(shí)際PLC控制原理的控制模型;對(duì)典型粉料壓制規(guī)程仿真,對(duì)系統(tǒng)能耗進(jìn)行研究,分析能量損失嚴(yán)重的原因;基于負(fù)載特性和功率匹配提出節(jié)能措施,仿真和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用取得了良好的節(jié)能效果。1基于手動(dòng)系統(tǒng)的建模和模型驗(yàn)證1.1液壓系統(tǒng)建模首先根據(jù)液壓元件的具體參數(shù)建立了元件的仿真模型,得到的仿真曲線與樣本曲線接近或者在誤差允許范圍之內(nèi),驗(yàn)證了液壓元件仿真模型滿足動(dòng)靜態(tài)特性要求。但是文中主要研究液壓系統(tǒng)的能耗問(wèn)題,所以對(duì)原液壓系統(tǒng)中具體元件的建模過(guò)程不做詳細(xì)的介紹。將負(fù)載模型也添加到仿真模型中,利用AMESim軟件結(jié)合液壓系統(tǒng)原理圖建立的上?；芈贩抡婺Ｐ腿鐖D1所示,中框回路、送磚布料回路的仿真模型如圖2所示。實(shí)際壓磚機(jī)的電氣控制部分是PLC程序,沒(méi)有辦法直接連到仿真模型中,文中采用AMESim軟件中的statechart工具箱,將上模油缸、中框油缸和料車油缸的位移作為輸入變量,因?yàn)橛透椎膭?dòng)作有伸出和縮回,所以添加了一個(gè)仿真時(shí)間信號(hào)來(lái)輔助判斷具體的動(dòng)作過(guò)程。在/#0中確定初始條件,在State0當(dāng)中輸入系統(tǒng)的初始狀態(tài),也就是每個(gè)閥的初始得電狀態(tài);在Event_00n中編輯對(duì)應(yīng)的觸發(fā)事件,也就是3個(gè)液壓缸位移信號(hào)的變化情況,在Staten中確定每個(gè)閥的動(dòng)作狀態(tài),其中控制動(dòng)態(tài)插裝閥的電磁閥的控制信號(hào)為1或者0,比例閥的控制信號(hào)為漸變的連續(xù)信號(hào),具體如圖3所示。1.2次排氣后上模和中框位移如圖4所示為位移仿真與實(shí)驗(yàn)曲線,因?yàn)?個(gè)液壓缸位移大小相差很大,為了更清晰地表現(xiàn),采用了3個(gè)坐標(biāo)系,曲線1對(duì)應(yīng)于坐標(biāo)系I,以此類推。曲線1為上模位移曲線,0~1.1s時(shí)上?？焖傧滦械?.5m并進(jìn)行慣性壓制,1.1~1.8s進(jìn)行一次壓制,上模壓下到0.55m;1.8~1.88s一次排氣,上模微微抬起1~2mm的位移;2~3s進(jìn)行二次壓制,上模壓下到0.565m;3~3.08s二次排氣,上模微微抬起;3.2~4s進(jìn)行3次壓制,包括泵壓和增壓器加壓,上模壓下到0.5,75m。4~4.2s保壓,保壓結(jié)束后上模液壓缸無(wú)桿腔卸荷,上模回程。曲線2為中框位移,在一次排氣同時(shí)中框主動(dòng)跟隨下降了指定距離10mm,在二次排氣同時(shí)中框主動(dòng)跟隨下降了指定距離25mm。在上模返程的減速段中框開始脫模,8.7s時(shí)下降到145mm的位置。曲線3為送磚布料液壓缸位移仿真與實(shí)驗(yàn)曲線,等到脫模完成之后料車開始推出,在3s的時(shí)間內(nèi)行程1.2m,到達(dá)指定位置后中框開始返程上升形成容腔,容納料框的粉料,中框回到初始位置后料車開始回程,到16.5s時(shí)回程結(jié)束,開始下一輪的工作循環(huán)。將部分仿真曲線與實(shí)驗(yàn)采集的曲線進(jìn)行對(duì)比基本吻合,驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性,可以用來(lái)研究實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程。2壓制程序系統(tǒng)能耗特性通過(guò)對(duì)整個(gè)壓制過(guò)程的能耗進(jìn)行研宄,對(duì)比液壓泵輸出的總功和執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出的有用功來(lái)判斷系統(tǒng)的效率。下面給出的功率曲線對(duì)于動(dòng)力元件是通過(guò)壓力與流量相乘得出消耗的功率,對(duì)于執(zhí)行元件是通過(guò)外負(fù)載力與運(yùn)動(dòng)速度相乘得出輸出的有用功率,對(duì)于控制元件是通過(guò)閥前后的壓差與通過(guò)的流量相乘得出損失的功率,并通過(guò)對(duì)功率在時(shí)間上的積分得到相對(duì)應(yīng)的能量消耗,這里以經(jīng)常壓制的粉煤灰磚進(jìn)行分析說(shuō)明。如圖5(a)所示為液壓泵的輸出功率曲線,液壓泵采用恒壓變量泵,與蓄能器配合使用,整個(gè)壓制規(guī)程壓力基本上維持在15~16MPa之間,液壓泵的輸出功率主要由系統(tǒng)的流量決定。0~1s時(shí)上橫梁利用自重快速下行,依靠充液油箱對(duì)上模油缸的無(wú)桿腔進(jìn)行補(bǔ)油,液壓泵的流量?jī)H僅維持自身的泄漏,輸出功率很小。如圖5(b)所示為整個(gè)壓制規(guī)程液壓泵的能耗曲線,整個(gè)壓制過(guò)程液壓泵消耗的能量為870kJ。如圖6(a)所示為系統(tǒng)的有用功率與能耗曲線,三次壓制過(guò)程有用功率較大,送磚布料時(shí)的有用功率較小。如圖6(b)所示為系統(tǒng)的有用能耗曲線,有用能耗為469kJ?？梢运愠鲆簤合到y(tǒng)的效率比較低,僅為53.9%,能量損失比較嚴(yán)重。表1所示為整個(gè)液壓系統(tǒng)關(guān)鍵部分的能耗統(tǒng)計(jì),從中可以看出控制閥上面的節(jié)流損失占了相當(dāng)一部分的能量,上?；芈分饕性诒壤逖b閥YV1和比例閥YV8上面,中框回路主要集中在限位插裝閥YV16和調(diào)速比例閥YV13上面,料車回路主要集中在比例閥YV19上面。分析能量損失嚴(yán)重的原因在上?；芈分兄饕怯捎诠β什黄ヅ?也就是液壓源的輸出功率與負(fù)載需要的功率不匹配造成的;而在中框和料車回路中主要是由于壓力不匹配造成的,尤其是在料車回路當(dāng)中,料車伸出與回程時(shí)負(fù)載所需要的壓力不是很大,但是液壓源提供的壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)負(fù)載所需要的壓力,這樣在比例閥YV19上面造成了很大的能量損失,甚至超過(guò)了料車的有用功輸出。所以對(duì)于單泵多負(fù)載的系統(tǒng)來(lái)說(shuō),由于恒壓變量泵設(shè)定的壓力只有一個(gè),當(dāng)負(fù)載的壓力較小時(shí),節(jié)流損失很大。3缸無(wú)桿腔的壓力和行程壓力粉料受力與行程的關(guān)系圖類似于雙曲線,粉料受力等同于上模壓下缸無(wú)桿腔的壓力,也就是負(fù)載壓力;行程就是壓下位移,等同于系統(tǒng)的流量。而恒功率泵調(diào)定的壓力和流量也近似于雙曲線,所以這里考慮采用恒功率泵作為液壓源,探討在壓磚機(jī)液壓系統(tǒng)的節(jié)能效果。3.1液壓泵站及泵的流量分析根據(jù)杠桿調(diào)節(jié)式恒功率變量泵的液壓職能原理圖,建立的力士樂(lè)A4VSO355LR2D液壓泵的仿真模型如圖7所示。設(shè)置恒功率調(diào)定值75kW,壓力控制閥的調(diào)定壓力為20MPa。采用比例溢流閥模擬外負(fù)載的變化,設(shè)置變化范圍為0~35MPa對(duì)泵進(jìn)行加載,得到的壓力-流量曲線如圖8(a)所示,樣本的流量壓力曲線如圖8(b)所示。通過(guò)對(duì)比樣本曲線可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)液壓泵剛進(jìn)入恒功率調(diào)節(jié)工況時(shí),由于恒功率閥芯動(dòng)作會(huì)使彈簧進(jìn)一步壓縮,造成在原先彈簧設(shè)定值的基礎(chǔ)上增加微量的壓縮,這也就是進(jìn)入恒功率調(diào)節(jié)段時(shí)流量輕微減少的原因;而當(dāng)負(fù)載的壓力太高時(shí),由于高壓引起的泄漏也是不可避免的,導(dǎo)致液壓泵的功率出現(xiàn)下降,不再是嚴(yán)格的恒功率控制。但是對(duì)于文中采用的帶有壓力控制閥的恒功率泵來(lái)說(shuō),在達(dá)到恒壓閥調(diào)定壓力時(shí)輸出功率幾乎是沒(méi)有下降的,仿真的曲線與樣本的曲線很接近,驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性,這樣即使在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中也可以看成是恒功率控制,仿真與實(shí)際的應(yīng)用比較吻合。3.2液壓泵遠(yuǎn)程直接增壓采用恒功率泵可以實(shí)現(xiàn)3次壓下時(shí)液壓源與負(fù)載的功率匹配,為了實(shí)現(xiàn)料車伸出、中框回程和料車回程時(shí)液壓源與負(fù)載的壓力匹配,這里考慮采用帶遠(yuǎn)程調(diào)壓閥的恒功率泵控制。如圖9所示為改進(jìn)的液壓源原理圖,在液壓泵的遠(yuǎn)程調(diào)壓口增加了溢流閥4和電磁換向閥5,恒功率泵上的壓力控制閥3的彈簧設(shè)定值為5MPa,溢流閥4的設(shè)定值為15MPa。上模壓制、回程和中框跟隨、脫模工序時(shí)電磁閥5得電,溢流閥進(jìn)行溢流工作,這時(shí)液壓泵可以調(diào)定的最高工作壓力為5+15=20MPa,并且當(dāng)系統(tǒng)壓力達(dá)到恒功率閥調(diào)定壓力8.5MPa時(shí),液壓泵進(jìn)行恒功率控制;料車伸出、中框回程和料車回程這3個(gè)工序時(shí)電磁閥5失電,壓力控制閥3的彈簧腔接回油箱,液壓泵出口的壓力依靠壓力控制閥的彈簧力調(diào)定,此時(shí)的液壓泵就作為恒壓變量泵進(jìn)行調(diào)節(jié),泵出口的壓力維持在5MPa。3.3第一次壓制壓制根據(jù)圖9所示的液壓源原理圖,建立對(duì)應(yīng)的仿真模型,并添加到整個(gè)壓磚機(jī)液壓系統(tǒng)仿真模型中,在完成相同壓制規(guī)程的情況下進(jìn)行仿真研究,如圖10所示為泵出口的壓力曲線,從曲線中可以看出在第3次壓制時(shí)延長(zhǎng)了壓制0.3s的壓制時(shí)間,這個(gè)階段是磚坯成型的關(guān)鍵階段,增加這部分時(shí)間更加有利于磚坯的壓制成型,是保證磚坯致密穩(wěn)定的有利時(shí)間。如圖11所示為液壓泵的功率與能耗曲線,從圖中可以看出恒功率泵在第一次壓制時(shí)由于使用增壓器進(jìn)行流量放大,在壓制后期會(huì)進(jìn)入到恒功率工作階段,但是時(shí)間較短;第二次壓制開始不久后即進(jìn)入到恒功率工作階段,第三次壓制與上?；爻屉A段則是完全在恒功率工作階段,整個(gè)壓制規(guī)程系統(tǒng)的能量消耗為682kJ,要低于原來(lái)的恒壓泵控系統(tǒng)870kJ,可以節(jié)省21.6%的能量。4實(shí)驗(yàn)曲線與仿真曲線的對(duì)比對(duì)使用帶遠(yuǎn)程調(diào)壓閥的恒功率泵控系統(tǒng)作為液壓源進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探究,由于現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)條件有限,只在該壓磚機(jī)上面進(jìn)行了空載實(shí)驗(yàn),如圖12所示為實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)。這里將采集的實(shí)驗(yàn)曲線與仿真曲線進(jìn)行了對(duì)比,如圖13所示為上模液壓缸位移仿真與實(shí)驗(yàn)曲線,如圖14和圖15所示分別為上模液壓缸無(wú)桿腔和有桿腔壓力仿真與實(shí)驗(yàn)曲線。從上面的這些仿真曲線與實(shí)驗(yàn)曲線的對(duì)比,可以看出兩者在曲線走勢(shì)上與數(shù)值大小上面基本吻合,也從側(cè)面上驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性,研究所得到的結(jié)論的正確性。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中系統(tǒng)壓力沒(méi)有出現(xiàn)大的波動(dòng),系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性良好。根據(jù)企業(yè)統(tǒng)計(jì)的耗電量,比原來(lái)的恒壓泵系統(tǒng)減少20%左右,雖然與仿真有少量的偏差,但是在允許的偏差范圍內(nèi)。5恒功率泵控制系統(tǒng)仿真研究節(jié)能減排已經(jīng)成為時(shí)代的主題,每一套液壓產(chǎn)品的節(jié)能研究應(yīng)該是根據(jù)負(fù)載和系統(tǒng)的特性量身定做的,具備一定的專一性。文中的主要成果總結(jié)如下:(1)基于AMESim建立了完善的液壓系統(tǒng)仿真模型,利用statechart工具包建立了接近實(shí)際的控制模型,仿真曲線與實(shí)驗(yàn)曲線對(duì)比驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性;(2)通過(guò)能耗分析得出原液壓系統(tǒng)的效率較低,僅為53.9%,找出了系統(tǒng)能量損失嚴(yán)重的部分與具體原因:在上?；芈分兄饕怯捎诠β什黄ヅ?而在中框和料車回路中主要是壓力不匹配造成的。對(duì)于單泵多負(fù)載的系統(tǒng)來(lái)說(shuō),由于恒壓變量泵設(shè)定的壓力只有一個(gè),當(dāng)負(fù)載的壓力較小時(shí),控制閥上的節(jié)流損失很大。(3)基于負(fù)載特性和功率匹配的思想提出了采用恒功率泵的節(jié)能措施,建立了恒功率液壓泵的仿真