直接驅(qū)動電液伺服系統(tǒng)及其在鋼鐵行業(yè)中的應(yīng)用

摘 要：對直接驅(qū)動電液伺服系統(tǒng)的原理和特．董進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。詳細(xì)介紹了直接驅(qū)動電液伺服系統(tǒng)在鋼鐵行業(yè)的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：直接驅(qū)動電液伺服系統(tǒng)；鋼鐵：交流變頻調(diào)速
0．引言
　　直接驅(qū)動電液伺服系統(tǒng)是交流伺服技術(shù)和液壓技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它最主要的特點是應(yīng)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(tǒng)具有電動機控制的靈活性和液壓大出力的雙重優(yōu)點。在一般技術(shù)性能要求的伺服裝置上，已經(jīng)可以代替使用電液伺服閥的傳統(tǒng)型電液伺服系統(tǒng)。這種新型伺服系統(tǒng)被稱為直接驅(qū)動電液伺服系統(tǒng)，或稱為直接驅(qū)動容積控制（Direct Drive Volume Contro1）系統(tǒng)。在國外，有時簡稱為“無閥系統(tǒng)”。
1．直接驅(qū)動電液伺服系統(tǒng)的原理及特點
　　傳統(tǒng)的閥控系統(tǒng)無法避免溢流損失造成的系統(tǒng)溫升高、散熱難、效率較低的問題；而傳統(tǒng)的泵控系統(tǒng)雖然效率較高，但動態(tài)性能差。結(jié)合交流伺服電動機調(diào)速系統(tǒng)快速發(fā)展，國內(nèi)外發(fā)展了一種新型電動液壓伺服系統(tǒng)一直接驅(qū)動電液伺服系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。


　　直接驅(qū)動電液伺服系統(tǒng)是用交流伺服電動機、可雙向轉(zhuǎn)動的定量泵取代了電液伺服系統(tǒng)中的伺服閥和變量泵，交流伺服電動機驅(qū)動可雙向轉(zhuǎn)動的定量泵， 定量泵直接驅(qū)動油缸。通過改變電動機的正反轉(zhuǎn)、電動機的速度、和運轉(zhuǎn)時間來控制油缸的正反向、油缸速度的快慢和位置。直接驅(qū)動電液伺服系統(tǒng)的優(yōu)點在于：1）節(jié)能效果顯著，有效降低生產(chǎn)成本。直接驅(qū)動電液伺服系統(tǒng)避免了節(jié)流損耗和溢流、卸荷損耗。而且直接驅(qū)動電液伺服系統(tǒng)還提高了伺服電動機的效率和改善功率因數(shù)，這是其他液壓調(diào)速方式無法解決的。2）提高了系統(tǒng)的壽命和可靠性。直接驅(qū)動電液伺服系統(tǒng)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(huán)境要求較高的液壓伺服元件，從而對傳動介質(zhì)及過濾要求可適當(dāng)降低。電動機和泵長期在低于額定轉(zhuǎn)速下運行，減少了泵的磨損和系統(tǒng)的噪聲，提高了使用壽命和系統(tǒng)可靠性。3）直接驅(qū)動電液伺服系統(tǒng)中的電動機與執(zhí)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(tǒng)元件數(shù)目少，可實現(xiàn)集成一體化，體積小、重量輕、效率高。
　　總的來說。直接驅(qū)動電液伺服系統(tǒng)具有高效節(jié)能、小型集成化、操作與控制簡單、價格便宜。又有環(huán)保的優(yōu)勢。克服了傳統(tǒng)電液伺服系統(tǒng)的的缺點。具有重大的實用價值。國外已經(jīng)在精密鍛壓機、注塑機、船用舵機減搖裝置、鑄造設(shè)備、印刷機、六自由度平臺、2500噸成型機等裝置上采用直接驅(qū)動電液伺服系統(tǒng)。取得了．很大的經(jīng)濟(jì)效益。例如。日本商船大學(xué)的練習(xí)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(shè)計和生產(chǎn)的直接驅(qū)動電液伺服系統(tǒng)驅(qū)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(tǒng)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(jìn)行舵減搖的試驗研究。該船改造前后傳統(tǒng)型和直接驅(qū)動電液伺服系統(tǒng)驅(qū)動型對比如表1所示。

2．國內(nèi)外對直接驅(qū)動電液伺服系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀
　　世界上最早研究直接驅(qū)動電液伺服系統(tǒng)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(jié)能技術(shù)方面的研究比較深入。El本第一電氣株式會社對直接驅(qū)動電液伺服系統(tǒng)有著近十年的研究，取得領(lǐng)先的研究成果，并已經(jīng)達(dá)到了實用的階段。其研制的直接驅(qū)動電液伺服系統(tǒng)已經(jīng)在精密鍛壓機、船用舵機、連鑄設(shè)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(yīng)用。日本的NAMBU公司和OPTON公司都有直接驅(qū)動電液伺服系統(tǒng)的成型產(chǎn)品。美國，德國、俄羅斯、瑞士等國家對直接驅(qū)動電液伺服系統(tǒng)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(qū)動電液伺服系統(tǒng)的研制情況可以看出，目前國外在直接驅(qū)動電液伺服系統(tǒng)的研制方面已具備相對成熟的技術(shù)，而且已有專業(yè)廠家生產(chǎn)。
　　國內(nèi)對直接驅(qū)動電液伺服系統(tǒng)的研究起步稍晚，主要研究單位有浙江大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、廣東工業(yè)大學(xué)北京航空航天大學(xué)和太原理工大學(xué)。浙江大學(xué)流體傳動及控制國家重點實驗室建立變頻液壓系統(tǒng)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(zhuǎn)運動的負(fù)載。他們提出了幾種典型的VVVF液壓系統(tǒng)，包括驅(qū)動直線水平負(fù)載（已用于注塑機等設(shè)備中）、驅(qū)動垂直運動負(fù)載的開式系統(tǒng)回路（用于液壓電梯）以及由變頻器，經(jīng)異步電動機驅(qū)動雙向液壓泵的閉式系統(tǒng)回路（可用于驅(qū)動大型機床的主軸或回轉(zhuǎn)工作臺）。太原理工大學(xué)的權(quán)龍教授針對直接驅(qū)動電液伺服系統(tǒng)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(xué)基金資助項目。他們對直接驅(qū)動電液伺服系統(tǒng)進(jìn)行了分析和比較，研究了泵和電動機的多種組合并進(jìn)行了試驗研究。揭示了該系統(tǒng)特有的內(nèi)在規(guī)律。它指出直接驅(qū)動電液伺服系統(tǒng)是一種高效、高動態(tài)的液壓動力源。哈爾濱工業(yè)大學(xué)對直接驅(qū)動電液伺服系統(tǒng)的研究已經(jīng)有兩年，對直接驅(qū)動電液伺服系統(tǒng)的理論分析和試驗研究取得了實質(zhì)性的進(jìn)展。
3．直接驅(qū)動電液伺服系統(tǒng)在鋼鐵行業(yè)中的應(yīng)用前景
　　鋼鐵行業(yè)雖然現(xiàn)在效益較好，但是據(jù)專家預(yù)計今后鋼鐵行業(yè)發(fā)展仍將受到國際國內(nèi)經(jīng)濟(jì)形勢的左右。市場需求會影響行業(yè)的效益，但主要是取決于企業(yè)自身的競爭力。目前我國鋼鐵行業(yè)仍然存在低水平重復(fù)建設(shè)問題，高技術(shù)含量、高附加值的產(chǎn)品不能滿足多元化的需要，一般產(chǎn)品過剩，作為世界第一大產(chǎn)鋼國，每年仍要進(jìn)口近萬噸的高附加值產(chǎn)品。因此，對中國鋼鐵企業(yè)來說，抓住市場好轉(zhuǎn)的有利時機，狠抓產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整和技術(shù)升級，努力降低成本，才能具有市場優(yōu)勢。才是真正的長遠(yuǎn)持久之計。
　　鋼鐵行業(yè)中鑄造、鋼材的軋制和型材的擠壓都是耗能非常大的。現(xiàn)在工業(yè)上采用的動力裝置大多為異步電動機驅(qū)動液壓伺服系統(tǒng)。異步電動機的效率隨著負(fù)載的變化而變化。負(fù)載越低，效率也越低。異步電動機在負(fù)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(tǒng)設(shè)計時，往往考慮設(shè)備要有一定的通用性，其電機通常按照最大負(fù)荷、最高轉(zhuǎn)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(fù)荷的工作條件下，在整個工作循環(huán)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(qū)動電液伺服系統(tǒng)后，合理選擇驅(qū)動器（或者是變頻器）的運行參數(shù)可使電動機的效率接近理論最大運行效率，從而達(dá)到節(jié)能的效果。在連續(xù)鑄鋼設(shè)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(zhì)量。日本鋼管株式會社（NKK）福山制鐵所1997年改造的連鑄設(shè)備上采用了第一電氣株式會社設(shè)計的直接驅(qū)動電液伺服執(zhí)行機構(gòu)，節(jié)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(qū)式電液伺服系統(tǒng)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(shè)備解決了廢油處理和環(huán)保等方面的難題。
　　從以上分析我們可以看出，直接驅(qū)動電液伺服系統(tǒng)的應(yīng)用是節(jié)能增效的有效手段。因此，直接驅(qū)動電液伺服系統(tǒng)如果能在國內(nèi)鋼鐵行業(yè)中得到推廣，必將取得巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。
4．結(jié)論
　　直接驅(qū)動電液伺服系統(tǒng)是交流伺服技術(shù)和液壓技術(shù)的學(xué)科交叉的技術(shù)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(yōu)勢。直接驅(qū)動電液伺服系統(tǒng)在使用中沒有空載能量損失，節(jié)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(shè)備、印刷機、六自由度平臺、液壓電梯、飛機作動系統(tǒng)等領(lǐng)域具有廣大的應(yīng)用前景。