挤压机挤压过程液压系统建模与能耗分析方法.pdf

本发明公开了挤压机挤压过程液压系统建模与能耗分析方法，以10MN铝挤压机为研究对象，针对挤压过程的能耗损失严重的问题，通过技术手段分析了挤压机液压系统的能量流向、能量转换形式与能量消耗，并给出相应的理论能耗公式，有助于总结出耗能的关键元件，令挤压机的节能优化更有目的性。

权利要求书
1.  挤压机挤压过程液压系统建模与能耗分析方法，包括如下步骤：
第一步：进行挤压过程能耗分析、柱塞变量泵能耗分析、插装阀阀块能耗分析和挤压缸能耗分析；
挤压过程能耗分析：观察与能源转化、能量损失相关的元件，包括柱塞变量泵、插装阀、主缸，根据元件的输入、输出能耗关系，建立系统的功率平衡方程：Pp＝ηpPpi＝Pc+Pv(1)；其中，Ppi、Pp、ηp分别表示液压泵的输入功率、输出功率和效率，Pc为主缸1的输出功率，Pv为插装阀阀块的功率损失；
柱塞变量泵能耗分析：对不同泄漏形式设定如下：泵柱塞副泄漏损失qpp、滑靴副泄漏损失qps、配流副泄漏损失qpv、容积压缩损失qpc；此外，将机械效率分为三部分的损失：泵内部件之间相对运动引起的库伦摩擦转矩损失Tps，轴承滚动摩擦产生的力矩损失Tpr；泵内油液粘性阻尼引起的转矩损失Tpv；
柱塞变量泵的能耗关系设定如下：qpa＝qpt-Δqp＝qpt-(qpp+qps+qpv+qpc)，Tpi＝Tpa+ΔTp＝Tpa+Tps+Tpr+Tpv；
柱塞变量泵的功率损失公式：ΔPp＝Ppi-Pp＝2πnTpi-pqpa；其中，qpa、qpt分别是液压的实际流量和理论流量，Tpi、Tpa分别为液压的电机供给转矩和输入转矩；
插装阀阀块的功率损失：插装阀的功率损失表现为局部压力损失，当油液进入阀口，在阀芯处的过流面积迅速变小，形成压差，消耗能量，其中压差与阀的开口度和进口压力有关，因压差造成的功率损失可用以下公式表示：Pv＝ΔpAqvA；其中，ΔpA为阀口压差，qvA为流经主阀口的流量；
挤压缸能耗分析：挤压缸的功率损失ΔPc有活塞杆与活塞缸之间的机械摩擦损失Pcf、因缸内泄漏形成的容积损失Pck以及活塞杆运动造成的动能势能损失Pcr，挤压缸的输出功率为Pco，得到挤压缸的功率平衡方程：Pc＝Pco+ΔPc＝Pco+Pcf+Pck+Pcr；
第二步：建立仿真系统模型；
挤压过程液压系统建模仿真：设置挤压过程的液压控制系统模型；
柱塞变量泵模型建立；
挤压缸模型建立；
插装阀模型建立；
第三步：进行仿真结果验证；
仿真结果验证：设置仿真时间为69s，通信间隔时间为0.01s，运行模型并查看仿真结果，得到挤压过程的挤压速度曲线，通过处理，得到挤压过程的各耗能元件的功率特性曲线，接着进一步分析模型的能耗情况；
第四步：进行能耗分析；
能耗分析：对模型的耗能元件进行能耗分析，分析其功率消耗和功率损失，包括柱塞变量泵的输出能耗与损失能耗、进油阀的局部压力损失能耗、泄压阀的溢流损失能耗、挤压缸的输出能耗与损失能耗，并对上述能耗建立曲线图并进行对比，量化能耗分布；
第五步：基于能耗分析进行能耗改进；进行能耗改进：依照得到的量化分布数据，进行针对性改进，提高能耗效率。

2.  根据权利要求1所述的挤压机挤压过程液压系统建模与能耗分析方法，其特征在于所述的第二步中，进行柱塞变量泵模型建立：泵体为斜盘式轴向柱塞变量泵，包括配流盘、柱塞容腔、斜盘柱塞连接器和斜盘控制器三部分；其中，为配流盘设置四个端口，分别表示进油口、出油口、柱塞油口和缸体转角，其进油口、出油口分别与配流盘的高压腔、低压腔相连，缸体转动一周，柱塞完成一次吸油和排油；柱塞容腔由柱塞、液压容腔和泄漏口组成，一端连接柱塞油口，另一端连接斜盘柱塞连接器；斜盘柱塞连接器的传动轴惯性输入端连接电机，当缸体转动，连接器能够驱动柱塞往复运动，并根据输出转角实现吸油和排油功能；斜盘控制器连接斜盘柱塞连接器的斜盘惯性输入端，可用于调节斜盘倾角，控制泵的排量。

3.  根据权利要求2所述的挤压机挤压过程液压系统建模与能耗分析方法，其特征在于所述变量泵的参数表示如下：柱塞径向位置0.04m，柱塞直径28mm，柱塞数9null，柱塞直径间隙0.01mm，柱塞、缸体接触长度68.4mm，系统压力400null，最大斜盘倾角20degree，压力控制阀直径6mm，滑靴副流量泄漏5.6e-2*dpL/min，配流副流量泄漏1e-2*dpL/min，库伦摩擦力矩损失7mm，滚动摩擦力矩损失3mm，缸体转动惯量0.02Kgm2，转速2100rev/min。

4.  根据权利要求1所述的挤压机挤压过程液压系统建模与能耗分析方法，其特征在于所述的第二步中，进行挤压缸模型建立：设置各元件的参数如下所示：主缸：活塞直径730mm，活塞杆直径730mm，零点位置150mm，死区容积 50000cm3；辅助油缸：活塞直径200mm，活塞杆直径150mm，零点位置30mm，死区容积1000cm3，泄露模块缝隙直径0.1mm，泄露模块缝隙长度100mm；挤压杆：总质量5x106kg；其中的负载通过现场采集数据得到。

5.  根据权利要求1所述的挤压机挤压过程液压系统建模与能耗分析方法，其特征在于所述的第二步中，进行插装阀模型建立：各元件参数信息如下所示：阀通径40mm，面积比14.3:1null，阀口直径38.5mm，阀芯质量0.4kg，阀芯-10～10m，弹簧刚度1N/mm，预紧力1N。

说明书挤压机挤压过程液压系统建模与能耗分析方法
技术领域
本发明属于挤压机的能耗分析和成本控制技术领域，尤其涉及一种挤压机挤压过程液压系统建模与能耗分析方法。
背景技术
近年来，随着铝型材工业技术的发展以及节能减排的需要，对挤压机的能耗及产品成本的控制要求越来越高。
挤压机作为挤压工艺生产线上关键的设备，其能耗损失严重，挤压效率低，一个挤压周期的工作效率在60％左右，其损失的能量转化为热能。其中，所公认的挤压机能耗主要是在于液压挤压阶段，该阶段持续时间长、功率消耗大，是实现铝锭挤压成铝制品转化的过程。挤压机的动力系统为液压传动方式，能耗损失是液压系统的主要功率损失。
目前，针对挤压机的节能研究包括挤压机设备的节能改造、挤压工艺的参数优化以及提高挤压制品成材率等，但要解决问题，首先是要找到问题，当前还缺乏足够精确的技术方法快速准确的找到挤压机的待优化点。
发明内容
本发明以10MN铝挤压机为研究对象，针对挤压过程的能耗损失严重的问题，通过技术手段分析了挤压机液压系统的能量流向、能量转换形式与能量消耗，并给出相应的理论能耗公式，有助于总结出耗能的关键元件，令挤压机的节能优化更有目的性。
本发明提出一种挤压机挤压过程液压系统建模与能耗分析方法。
具体的，为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
挤压机挤压过程液压系统建模与能耗分析方法，包括如下步骤。
第一步，进行挤压过程能耗分析、柱塞变量泵能耗分析、插装阀阀块的能耗分析和挤压缸能耗分析。
挤压过程能耗分析：观察与能源转化、能量损失相关的元件，包括柱塞变量泵、插装阀、主缸，根据元件的输入、输出能耗关系，建立系统的功率平衡方程：Pp＝ηpPpi＝Pc+Pv(1)；其中，Ppi、Pp、ηp分别表示液压泵的输入功率、输出 功率和效率，Pc为主缸1的输出功率，Pv为插装阀阀块的功率损失。
柱塞变量泵能耗分析：对不同泄漏形式设定如下：泵柱塞副泄漏损失qpp、滑靴副泄漏损失qps、配流副泄漏损失qpv、容积压缩损失qpc；此外，将机械效率分为三部分的损失：泵内部件之间相对运动引起的库伦摩擦转矩损失Tps，轴承滚动摩擦产生的力矩损失Tpr；泵内油液粘性阻尼引起的转矩损失Tpv。
柱塞变量泵的能耗关系设定如下：qpa＝qpt-Δqp＝qpt-(qpp+qps+qpv+qpc)，Tpi＝Tpa+ΔTp＝Tpa+Tps+Tpr+Tpv。
柱塞变量泵的功率损失公式：ΔPp＝Ppi-Pp＝2πnTpi-pqpa；其中，qpa、qpt分别是液压的实际流量和理论流量，Tpi、Tpa分别为液压的电机供给转矩和输入转矩。
插装阀阀块的功率损失：插装阀的功率损失表现为局部压力损失，当油液进入阀口，在阀芯处的过流面积迅速变小，形成压差，消耗能量，其中压差与阀的开口度和进口压力有关，因压差造成的功率损失可用以下公式表示：Pv＝ΔpAqvA；其中，ΔpA为阀口压差，qvA为流经主阀口的流量。
挤压缸能耗分析：挤压缸的功率损失ΔPc有活塞杆与活塞缸之间的机械摩擦损失Pcf、因缸内泄漏形成的容积损失Pck以及活塞杆运动造成的动能势能损失Pcr，挤压缸的输出功率为Pco，得到挤压缸的功率平衡方程：Pc＝Pco+ΔPc＝Pco+Pcf+Pck+Pcr。
第二步：建立仿真系统模型。
挤压过程液压系统建模仿真：设置挤压过程的液压控制系统模型。
柱塞变量泵模型建立：泵体为斜盘式轴向柱塞变量泵，包括配流盘、柱塞容腔、斜盘柱塞连接器和斜盘控制器三部分；其中，为配流盘设置四个端口，分别表示进油口、出油口、柱塞油口和缸体转角，其进油口、出油口分别与配流盘的高压腔、低压腔相连，缸体转动一周，柱塞完成一次吸油和排油；柱塞容腔由柱塞、液压容腔和泄漏口组成，一端连接柱塞油口，另一端连接斜盘柱塞连接器；斜盘柱塞连接器的传动轴惯性输入端连接电机，当缸体转动，连接器能够驱动柱塞往复运动，并根据输出转角实现吸油和排油功能；斜盘控制器连接斜盘柱塞连接器的斜盘惯性输入端，可用于调节斜盘倾角，控制泵的排量。
考虑泵体的容积损失，包括柱塞副泄漏、滑靴副泄漏，考虑油液的压缩性，即可得到容积压缩损失，各柱塞的配流副泄漏之和在泵体出口处表示，泵体的机 械损失由带阻尼的旋转负荷扭矩模型表示，变量泵的参数表示如下：柱塞径向位置0.04m，柱塞直径28mm，柱塞数9null，柱塞直径间隙0.01mm，柱塞、缸体接触长度68.4mm，系统压力400null，最大斜盘倾角20degree，压力控制阀直径6mm，滑靴副流量泄漏5.6e-2*dpL/min，配流副流量泄漏1e-2*dpL/min，库伦摩擦力矩损失7mm，滚动摩擦力矩损失3mm，缸体转动惯量0.02Kgm2，转速2100rev/min。
挤压缸模型建立：建立挤压缸模型，分别考虑活塞杆与活塞缸之间的机械摩擦，辅助油缸的内泄漏，活塞杆运动的动能势能以及负载，设置各元件的参数如下所示：主缸：活塞直径730mm，活塞杆直径730mm，零点位置150mm，死区容积50000cm3；辅助油缸：活塞直径200mm，活塞杆直径150mm，零点位置30mm，死区容积1000cm3，泄露模块缝隙直径0.1mm，泄露模块缝隙长度100mm；挤压杆：总质量5x106kg；其中的负载通过现场采集数据得到。
插装阀模型建立：插装阀包括阀体和阀座，考虑阀的局部压力损失，各元件参数信息如下所示：阀通径40mm，面积比14.3:1null，阀口直径38.5mm，阀芯质量0.4kg，阀芯-10～10m，弹簧刚度1N/mm，预紧力1N。
第三步：进行仿真结果验证。
仿真结果验证：设置仿真时间为69s，通信间隔时间为0.01s，运行模型并查看仿真结果，得到挤压过程的挤压速度曲线，通过后处理，得到挤压过程的各耗能元件的功率特性曲线，考虑到仿真结果和实际结果存在误差，进一步分析模型的能耗情况。
第四步：进行能耗分析。
能耗分析：对模型的耗能元件进行能耗分析，分析其功率消耗和功率损失，包括柱塞变量泵的输出能耗与损失能耗、进油阀的局部压力损失能耗、泄压阀的溢流损失能耗、挤压缸的输出能耗与损失能耗，并对上述能耗建立曲线图并进行对比，量化能耗分布。
第五步：基于能耗分析进行能耗改进。
依照得到的量化分布数据，进行针对性改进，提高能耗效率。
本发明的有益之处在于：
本发明对挤压过程的工作原理与液压系统能耗进行分析，建立系统仿真模型，验证模型的正确性，并得到挤压过程耗能元件的能耗曲线，量化了能耗分布， 有助于得出得出造成挤压效率不高的主要能耗损失，并进行针对性的改进，该方法和仿真结果对挤压机节能研究和优化具有出色的理论依据和理论指导意义。
附图说明
图1为铝挤压机挤压过程的液压系统简图；其中，附图标记如下：1-主缸，2-辅助油缸，3-挤压杆，4-充液阀，5-主缸进阀，6-泄压阀，7-主缸退阀，8-主缸进回油阀，9-顺序阀，10-主缸退回油阀，11-三相异步电机，12-柱塞变量泵，13-安全阀；
图2为铝挤压机的液压过程的能量流向图；
图3为挤压过程液压系统仿真模型；
图4为单柱塞流量模型；其中，20-配流副泄漏，21-配流盘，22-进油口，23-出油口，24-柱塞油口，25-柱塞容腔，26-斜盘柱塞连接器，27-斜盘控制器，28-副泄漏口，29-柱塞，30-液压容腔；
图5为仿真与实际中的挤压速度对比图；
图6为仿真与实际中的电机输入能耗对比图；
图7为能耗分析中的输出能耗图；
图8为能耗分析中的能耗损失图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面将结合本发明中的说明书附图，对发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
挤压过程的液压系统原理简图如图1所示，挤压缸由两个辅助油缸2和一个主缸1组成，为非对称活塞式结构，各活塞杆末端固定并连接挤压杆3，辅助油缸2的主要功能是完成主缸1的前进和后退动作，而主缸1负责主要的挤压前进动作，推动挤压杆3进入挤压筒进行挤压工作。通过二通插装阀可以控制主缸1和辅助油缸2的油路，实现各种工况。
挤压过程是指挤压前进阶段，需要开启主缸进阀5、顺序阀9和主缸进回油 阀8，挤压之前，主缸1通过充液阀4先充液，挤压工作时泄压阀6能够限制挤压过程中的最大挤压力，实现过载保护。动力部分由三相异步电机11驱动柱塞变量泵12，输出高压液动力，并且电比例控制方式可控制柱塞变量泵12的斜盘倾角，调节其排量，实现挤压过程的速度控制。
液压过程的能量流向如图2所示。挤压机的液压系统包括动力元件、执行元件、控制调节元件、辅助元件、传动介质等，而每一个环节的功能实现都伴随着能量的消耗。
挤压过程中，液压系统共有三次能量转化：1、首先电动机通电，将电能转化为机械能；2、然后通过联轴装置，驱动液压泵运转将机械能转换为液压能，输出高压油；3、最后挤压油缸将液压能转化为机械能进行挤压工作。
不同形式能量之间的转化必然伴随着能量损失，主要包括机械摩擦损失、容积损失、溢流损失、局部压力损失、动能势能损失等，并将这部分的损失转变成热能，使油液温度升高。
挤压过程能耗分析：挤压过程的液压传动系统中，重点观察与能源转化、能量损失相关的元件，包括柱塞变量泵12、插装阀、主缸1等，并根据元件的输入、输出能耗关系，可以建立系统的功率平衡方程：
Pp＝ηpPpi＝Pc+Pv(1)；其中，Ppi、Pp、ηp分别表示液压泵的输入功率、输出功率和效率，Pc为主缸1的输出功率，Pv为插装阀阀块的功率损失。
柱塞变量泵12能耗分析：柱塞变量泵12的总效率主要包括容积效率和机械效率。容积效率是由于工作过程中液压泵的高压腔油液泄漏到低压腔中，主要的泄漏形式有泵柱塞副泄漏损失qpp、滑靴副泄漏损失qps、配流副泄漏损失qpv、容积压缩损失qpc。机械效率主要表现为三部分的损失：一是因泵内部件之间相对运动引起的库伦摩擦转矩损失Tps，包括配流副滑动摩擦转矩、滑靴副滑动摩擦转矩、球铰副之间滑动摩擦转矩等；二是因轴承滚动摩擦产生的力矩损失Tpr；三是因泵内油液粘性阻尼引起的转矩损失Tpv。
柱塞变量泵的能耗关系如下：qpa＝qpt-Δqp＝qpt-(qpp+qps+qpv+qpc)，Tpi＝Tpa+ΔTp＝Tpa+Tps+Tpr+Tpv(3)。
柱塞变量泵的功率损失ΔPp公式：ΔPp＝Ppi-Pp＝2πnTpi-pqpa；其中，qpa、qpt分别是液压的实际流量和理论流量，Tpi、Tpa分别为液压的电机供给转矩和输入转矩。
插装阀阀块的功率损失：插装阀通过调节阀芯和阀套之间的相对移动，改变阀口的流通截面积来控制主油路的油液流动方向，功率损失主要表现为局部压力损失，当油液进入阀口，在阀芯处的过流面积迅速变小，形成压差，消耗能量。压差与阀的开口度和进口压力有关，因压差造成的功率损失Pv可用以下公式表示：Pv＝ΔpAqvA；其中，ΔpA为阀口压差，qvA为流经主阀口的流量。
挤压缸能耗分析：挤压缸在挤压过程中能够实现机构的前进、挤压和后退的往复运动，其输入参数为油液的流量和压力，输出参数为机构的运动速度和力等[。挤压工作时，高压油进入挤压油缸无杆腔推动活塞，克服金属形变应力做功，其功率损失ΔPc主要有活塞杆与活塞缸之间的机械摩擦损失Pcf、因缸内泄漏形成的容积损失Pck以及活塞杆运动造成的动能势能损失Pcr，挤压缸的输出功率为Pco。
挤压缸的功率平衡方程：Pc＝Pco+ΔPc＝Pco+Pcf+Pck+Pcr。
挤压过程液压系统建模仿真：进入AMESim软件环境，草图模式下调用系统提供的液压库、机械库、液压元件设计库和信号库，搭建仿真模型，针对上文提及的柱塞变量泵、挤压缸、插装阀块和油路的能耗使用与功率损失进行HCD(主机控制器的驱动程序(HCD(HostControlDriver)))设计，并选择最简子模型。挤压过程的液压控制系统模型如图3所示。
柱塞变量泵模型：泵体为斜盘式轴向柱塞变量泵，主要包括配流盘21、柱塞容腔25、斜盘柱塞连接器26和斜盘控制器27，单柱塞流量模型如图4所示。其中配流盘21的四个端口分别表示进油口22、出油口23、柱塞油口24和缸体转角，其进油口22、出油口23分别与配流盘21的高压腔、低压腔相连，缸体转动一周，柱塞完成一次吸油和排油。柱塞容腔25由柱塞29、液压容腔30和副泄漏口28组成，柱塞容腔25一端连接柱塞油口24，另一端连接斜盘柱塞连接器26。斜盘柱塞连接器26的传动轴惯性输入端连接电机，当缸体转动，斜盘柱塞连接器26能够驱动柱塞往复运动，并根据输出转角实现吸油和排油功能。斜盘控制器27连接斜盘柱塞连接器26的斜盘惯性输入端，可用于调节斜盘倾角，控制泵的排量。
考虑泵体的容积损失，包括柱塞副泄漏、滑靴副泄漏，考虑油液的压缩性，即可得到容积压缩损失，各柱塞的配流副泄漏之和在泵体出口处表示，泵体的机 械损失由带阻尼的旋转负荷扭矩模型表示，变量泵的参数表示如下：柱塞径向位置0.04m，柱塞直径28mm，柱塞数9null，柱塞直径间隙0.01mm，柱塞、缸体接触长度68.4mm，系统压力400null，最大斜盘倾角20degree，压力控制阀直径6mm，滑靴副流量泄漏5.6e-2*dpL/min，配流副流量泄漏1e-2*dpL/min，库伦摩擦力矩损失7mm，滚动摩擦力矩损失3mm，缸体转动惯量0.02Kgm2，转速2100rev/min。
挤压缸模型：利用AMESim的HCD库和信号库，根据挤压缸的结构原理与功率损失建立挤压缸模型[4]，分别考虑活塞杆与活塞缸之间的机械摩擦、辅助油缸的内泄漏、活塞杆运动的动能势能以及负载，设置各元件的参数如下所示：主缸：活塞直径730mm，活塞杆直径730mm，零点位置150mm，死区容积50000cm3；辅助油缸：活塞直径200mm，活塞杆直径150mm，零点位置30mm，死区容积1000cm3，泄露模块缝隙直径0.1mm，泄露模块缝隙长度100mm；挤压杆：总质量5x106kg；其中的负载通过工业现场采集数据得到。
插装阀模型：插装阀包括阀体和阀座，通过HCD库进行设计[6]，考虑阀的局部压力损失，各元件参数信息如下所示：阀通径40mm，面积比14.3:1null，阀口直径38.5mm，阀芯质量0.4kg，阀芯-10～10m，弹簧刚度1N/mm，预紧力1N。
仿真结果验证：设置仿真时间为69s，通信间隔时间为0.01s，运行并查看仿真结果，得到挤压过程的挤压速度曲线，通过后处理，得到挤压过程的各耗能元件的功率特性曲线，为了验证模型的有效性，仿真结果与实验数据进行对比，如图5、6所示，仿真与实际的挤压完成时间分别为63s和66s，挤压的完成时间基本一致；由于仿真考虑的比较理想化，仿真的速度和电机输入功率虽然存在误差，但曲线的总体趋势相差不大，可进一步分析模型的能耗情况。
能耗分析：对模型的耗能元件进行能耗分析，分析其功率消耗和功率损失，包括柱塞变量泵的输出能耗与损失能耗、进油阀的局部压力损失能耗、泄压阀的溢流损失能耗、挤压缸的输出能耗与损失能耗如图7、8所示。
根据上文的仿真结果，可以清晰地反映了挤压过程的各耗能元件的能量消耗和损失情况，通过进一步计算，可知总能耗为1.17kW，挤压缸输出的有用功占总能耗的71.2％，能量损失最大的是溢流损失占17.1％，变量泵的能耗损失占9.15％，挤压缸的能耗损失占2.1％，其他损失占0.45％。
进行能耗改进：依照得到的量化分布数据，进行针对性改进，提高能耗效率。
对挤压过程的工作原理与液压系统能耗进行分析，在AMESim平台上建立系统仿真模型，验证了模型的正确性。并得到挤压过程耗能元件的能耗曲线，量化了能耗分布，得出挤溢流能耗损失是造成挤压效率不高的主要原因，可以降低泄压阀溢流量或者采用蓄势器回收损失的能量；其次是变量泵的效率不高，可以采用其他的变流量传动方式降低系统能耗，该研究方法和仿真结果对挤压机节能研究具有一定的理论依据。
综上所述，即为本发明实施例内容，而显然本发明的实施方式并不仅限于此，其可根据不同应用环境，利用本发明的功能性实现相应的需求。