挤压机挤压过程液压系统建模与能耗分析方法技术方案

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
挤压机挤压过程液压系统建模与能耗分析方法
本专利技术属于挤压机的能耗分析和成本控制
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术以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。本专利技术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，本专利技术的技术方案如下：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；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-ppaqpa；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；ppa表示为柱塞变量泵的出口压力；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四部分；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9个，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14.3:1l，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。本专利技术的有益之处在于：本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。...

【技术特征摘要】
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；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-ppaqpa；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；ppa表示为柱塞变量泵的出口压力；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...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨海东，蒋攀，梁鹏，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：广东;44