直接驅動電液伺服系統及其在鋼鐵行業中的應用

摘 要：對直接驅動電液伺服系統的原理和特．董進行了詳細的介紹。詳細介紹了直接驅動電液伺服系統在鋼鐵行業的應用前景。
關鍵詞：直接驅動電液伺服系統；鋼鐵：交流變頻調速
0．引言
　　直接驅動電液伺服系統是交流伺服技術和液壓技術相結合的產物，它最主要的特點是應用交流伺服電動機而不用電液伺服閥。這種新型的伺服系統具有電動機控制的靈活性和液壓大出力的雙重優點。在一般技術性能要求的伺服裝置上，已經可以代替使用電液伺服閥的傳統型電液伺服系統。這種新型伺服系統被稱為直接驅動電液伺服系統，或稱為直接驅動容積控制（Direct Drive Volume Contro1）系統。在國外，有時簡稱為“無閥系統”。
1．直接驅動電液伺服系統的原理及特點
　　傳統的閥控系統無法避免溢流損失造成的系統溫升高、散熱難、效率較低的問題；而傳統的泵控系統雖然效率較高，但動態性能差。結合交流伺服電動機調速系統快速發展，國內外發展了一種新型電動液壓伺服系統一直接驅動電液伺服系統，其結構原理圖如圖1所示。


　　直接驅動電液伺服系統是用交流伺服電動機、可雙向轉動的定量泵取代了電液伺服系統中的伺服閥和變量泵，交流伺服電動機驅動可雙向轉動的定量泵， 定量泵直接驅動油缸。通過改變電動機的正反轉、電動機的速度、和運轉時間來控制油缸的正反向、油缸速度的快慢和位置。直接驅動電液伺服系統的優點在于：1）節能效果顯著，有效降低生產成本。直接驅動電液伺服系統避免了節流損耗和溢流、卸荷損耗。而且直接驅動電液伺服系統還提高了伺服電動機的效率和改善功率因數，這是其他液壓調速方式無法解決的。2）提高了系統的壽命和可靠性。直接驅動電液伺服系統的液壓泵可以選用價格低廉、可靠性高的定量泵，去掉了對環境要求較高的液壓伺服元件，從而對傳動介質及過濾要求可適當降低。電動機和泵長期在低于額定轉速下運行，減少了泵的磨損和系統的噪聲，提高了使用壽命和系統可靠性。3）直接驅動電液伺服系統中的電動機與執行元件的油缸可以做到較為理想的功率匹配。油箱的體積也可以很小。4）系統元件數目少，可實現集成一體化，體積小、重量輕、效率高。
　　總的來說。直接驅動電液伺服系統具有高效節能、小型集成化、操作與控制簡單、價格便宜。又有環保的優勢。克服了傳統電液伺服系統的的缺點。具有重大的實用價值。國外已經在精密鍛壓機、注塑機、船用舵機減搖裝置、鑄造設備、印刷機、六自由度平臺、2500噸成型機等裝置上采用直接驅動電液伺服系統。取得了．很大的經濟效益。例如。日本商船大學的練習船“汐路丸”號的舵機于1998年改造時也采用了日本第一電氣株式會社設計和生產的直接驅動電液伺服系統驅動的舵機裝置，所需電力能源只有改造前的十分之一。該系統投入使用5年以來，一直工作正常，運行狀況大大超過改造前的操舵性能， 還可進行舵減搖的試驗研究。該船改造前后傳統型和直接驅動電液伺服系統驅動型對比如表1所示。

2．國內外對直接驅動電液伺服系統的研究現狀
　　世界上最早研究直接驅動電液伺服系統的國家是日本、德國、美國和瑞典。日本是世界上能源最匱乏的國家之一，所以El本對節能技術方面的研究比較深入。El本第一電氣株式會社對直接驅動電液伺服系統有著近十年的研究，取得領先的研究成果，并已經達到了實用的階段。其研制的直接驅動電液伺服系統已經在精密鍛壓機、船用舵機、連鑄設備、印刷機、六自由度平臺、250o噸液壓成型機等裝置上得到了應用。日本的NAMBU公司和OPTON公司都有直接驅動電液伺服系統的成型產品。美國，德國、俄羅斯、瑞士等國家對直接驅動電液伺服系統的研究目前集中在電動靜液作動器（EHA）、注塑機、制磚廠和液壓電梯上。從國外的直接驅動電液伺服系統的研制情況可以看出，目前國外在直接驅動電液伺服系統的研制方面已具備相對成熟的技術，而且已有專業廠家生產。
　　國內對直接驅動電液伺服系統的研究起步稍晚，主要研究單位有浙江大學、哈爾濱工業大學、廣東工業大學北京航空航天大學和太原理工大學。浙江大學流體傳動及控制國家重點實驗室建立變頻液壓系統試驗臺。在該試驗臺上可以模擬直線水平運動、直線垂直運動和回轉運動的負載。他們提出了幾種典型的VVVF液壓系統，包括驅動直線水平負載（已用于注塑機等設備中）、驅動垂直運動負載的開式系統回路（用于液壓電梯）以及由變頻器，經異步電動機驅動雙向液壓泵的閉式系統回路（可用于驅動大型機床的主軸或回轉工作臺）。太原理工大學的權龍教授針對直接驅動電液伺服系統這種新型電液動力源也有深入的研究，為此還申請了國家自然科學基金資助項目。他們對直接驅動電液伺服系統進行了分析和比較，研究了泵和電動機的多種組合并進行了試驗研究。揭示了該系統特有的內在規律。它指出直接驅動電液伺服系統是一種高效、高動態的液壓動力源。哈爾濱工業大學對直接驅動電液伺服系統的研究已經有兩年，對直接驅動電液伺服系統的理論分析和試驗研究取得了實質性的進展。
3．直接驅動電液伺服系統在鋼鐵行業中的應用前景
　　鋼鐵行業雖然現在效益較好，但是據專家預計今后鋼鐵行業發展仍將受到國際國內經濟形勢的左右。市場需求會影響行業的效益，但主要是取決于企業自身的競爭力。目前我國鋼鐵行業仍然存在低水平重復建設問題，高技術含量、高附加值的產品不能滿足多元化的需要，一般產品過剩，作為世界第一大產鋼國，每年仍要進口近萬噸的高附加值產品。因此，對中國鋼鐵企業來說，抓住市場好轉的有利時機，狠抓產品結構調整和技術升級，努力降低成本，才能具有市場優勢。才是真正的長遠持久之計。
　　鋼鐵行業中鑄造、鋼材的軋制和型材的擠壓都是耗能非常大的。現在工業上采用的動力裝置大多為異步電動機驅動液壓伺服系統。異步電動機的效率隨著負載的變化而變化。負載越低，效率也越低。異步電動機在負載率為75％以上時效率較高，低于5O％效率明顯下降，低于30％電機效率顯著變壞，在液壓系統設計時，往往考慮設備要有一定的通用性，其電機通常按照最大負荷、最高轉速來選擇，有時還留有一定的裕量。而在實際的工作中，由于加工的對象不同，通常只用到額定容量的一半甚至更少。即使在最大負荷的工作條件下，在整個工作循環中，各工步最大功率與最小功率也相差很大。例如，鋼型材擠出機相差近2O倍。而采用直接驅動電液伺服系統后，合理選擇驅動器（或者是變頻器）的運行參數可使電動機的效率接近理論最大運行效率，從而達到節能的效果。在連續鑄鋼設備中，熔鋼的流量控制裝置是很重要的部分，它能自動的控制鋼錠錠模液面，從而保證連鑄鋼錠的尺寸和質量。日本鋼管株式會社（NKK）福山制鐵所1997年改造的連鑄設備上采用了第一電氣株式會社設計的直接驅動電液伺服執行機構，節能效果十分顯著，改造前福山制鐵所每年的電費為500萬日元，改造后每年的電費銳減到9萬日元。只有改造前的18f～。而且，直驅式電液伺服系統的油罐很小，所用的液壓油非常少，符合消防法的要求，同時改造后的連鑄設備解決了廢油處理和環保等方面的難題。
　　從以上分析我們可以看出，直接驅動電液伺服系統的應用是節能增效的有效手段。因此，直接驅動電液伺服系統如果能在國內鋼鐵行業中得到推廣，必將取得巨大的經濟效益和社會效益。
4．結論
　　直接驅動電液伺服系統是交流伺服技術和液壓技術的學科交叉的技術革新成果，使用時既有液壓大出力的特點，又有電氣傳動能耗低和控制靈活的優勢。直接驅動電液伺服系統在使用中沒有空載能量損失，節能高效，因此在注塑機、精密鍛壓機、船用舵機減搖裝置、鑄造設備、印刷機、六自由度平臺、液壓電梯、飛機作動系統等領域具有廣大的應用前景。