直接驱动电液伺服系统及其在钢铁行业中的应用

摘 要：对直接驱动电液伺服系统的原理和特．董进行了详细的介绍。详细介绍了直接驱动电液伺服系统在钢铁行业的应用前景。
关键词：直接驱动电液伺服系统；钢铁：交流变频调速
0．引言
　　直接驱动电液伺服系统是交流伺服技术和液压技术相结合的产物，它最主要的特点是应用交流伺服电动机而不用电液伺服阀。这种新型的伺服系统具有电动机控制的灵活性和液压大出力的双重优点。在一般技术性能要求的伺服装置上，已经可以代替使用电液伺服阀的传统型电液伺服系统。这种新型伺服系统被称为直接驱动电液伺服系统，或称为直接驱动容积控制（Direct Drive Volume Contro1）系统。在国外，有时简称为“无阀系统”。
1．直接驱动电液伺服系统的原理及特点
　　传统的阀控系统无法避免溢流损失造成的系统温升高、散热难、效率较低的问题；而传统的泵控系统虽然效率较高，但动态性能差。结合交流伺服电动机调速系统快速发展，国内外发展了一种新型电动液压伺服系统一直接驱动电液伺服系统，其结构原理图如图1所示。


　　直接驱动电液伺服系统是用交流伺服电动机、可双向转动的定量泵取代了电液伺服系统中的伺服阀和变量泵，交流伺服电动机驱动可双向转动的定量泵， 定量泵直接驱动油缸。通过改变电动机的正反转、电动机的速度、和运转时间来控制油缸的正反向、油缸速度的快慢和位置。直接驱动电液伺服系统的优点在于：1）节能效果显著，有效降低生产成本。直接驱动电液伺服系统避免了节流损耗和溢流、卸荷损耗。而且直接驱动电液伺服系统还提高了伺服电动机的效率和改善功率因数，这是其他液压调速方式无法解决的。2）提高了系统的寿命和可靠性。直接驱动电液伺服系统的液压泵可以选用价格低廉、可靠性高的定量泵，去掉了对环境要求较高的液压伺服元件，从而对传动介质及过滤要求可适当降低。电动机和泵长期在低于额定转速下运行，减少了泵的磨损和系统的噪声，提高了使用寿命和系统可靠性。3）直接驱动电液伺服系统中的电动机与执行元件的油缸可以做到较为理想的功率匹配。油箱的体积也可以很小。4）系统元件数目少，可实现集成一体化，体积小、重量轻、效率高。
　　总的来说。直接驱动电液伺服系统具有高效节能、小型集成化、操作与控制简单、价格便宜。又有环保的优势。克服了传统电液伺服系统的的缺点。具有重大的实用价值。国外已经在精密锻压机、注塑机、船用舵机减摇装置、铸造设备、印刷机、六自由度平台、2500吨成型机等装置上采用直接驱动电液伺服系统。取得了．很大的经济效益。例如。日本商船大学的练习船“汐路丸”号的舵机于1998年改造时也采用了日本第一电气株式会社设计和生产的直接驱动电液伺服系统驱动的舵机装置，所需电力能源只有改造前的十分之一。该系统投入使用5年以来，一直工作正常，运行状况大大超过改造前的操舵性能， 还可进行舵减摇的试验研究。该船改造前后传统型和直接驱动电液伺服系统驱动型对比如表1所示。

2．国内外对直接驱动电液伺服系统的研究现状
　　世界上最早研究直接驱动电液伺服系统的国家是日本、德国、美国和瑞典。日本是世界上能源最匮乏的国家之一，所以El本对节能技术方面的研究比较深入。El本第一电气株式会社对直接驱动电液伺服系统有着近十年的研究，取得领先的研究成果，并已经达到了实用的阶段。其研制的直接驱动电液伺服系统已经在精密锻压机、船用舵机、连铸设备、印刷机、六自由度平台、250o吨液压成型机等装置上得到了应用。日本的NAMBU公司和OPTON公司都有直接驱动电液伺服系统的成型产品。美国，德国、俄罗斯、瑞士等国家对直接驱动电液伺服系统的研究目前集中在电动静液作动器（EHA）、注塑机、制砖厂和液压电梯上。从国外的直接驱动电液伺服系统的研制情况可以看出，目前国外在直接驱动电液伺服系统的研制方面已具备相对成熟的技术，而且已有专业厂家生产。
　　国内对直接驱动电液伺服系统的研究起步稍晚，主要研究单位有浙江大学、哈尔滨工业大学、广东工业大学北京航空航天大学和太原理工大学。浙江大学流体传动及控制国家重点实验室建立变频液压系统试验台。在该试验台上可以模拟直线水平运动、直线垂直运动和回转运动的负载。他们提出了几种典型的VVVF液压系统，包括驱动直线水平负载（已用于注塑机等设备中）、驱动垂直运动负载的开式系统回路（用于液压电梯）以及由变频器，经异步电动机驱动双向液压泵的闭式系统回路（可用于驱动大型机床的主轴或回转工作台）。太原理工大学的权龙教授针对直接驱动电液伺服系统这种新型电液动力源也有深入的研究，为此还申请了国家自然科学基金资助项目。他们对直接驱动电液伺服系统进行了分析和比较，研究了泵和电动机的多种组合并进行了试验研究。揭示了该系统特有的内在规律。它指出直接驱动电液伺服系统是一种高效、高动态的液压动力源。哈尔滨工业大学对直接驱动电液伺服系统的研究已经有两年，对直接驱动电液伺服系统的理论分析和试验研究取得了实质性的进展。
3．直接驱动电液伺服系统在钢铁行业中的应用前景
　　钢铁行业虽然现在效益较好，但是据专家预计今后钢铁行业发展仍将受到国际国内经济形势的左右。市场需求会影响行业的效益，但主要是取决于企业自身的竞争力。目前我国钢铁行业仍然存在低水平重复建设问题，高技术含量、高附加值的产品不能满足多元化的需要，一般产品过剩，作为世界第一大产钢国，每年仍要进口近万吨的高附加值产品。因此，对中国钢铁企业来说，抓住市场好转的有利时机，狠抓产品结构调整和技术升级，努力降低成本，才能具有市场优势。才是真正的长远持久之计。
　　钢铁行业中铸造、钢材的轧制和型材的挤压都是耗能非常大的。现在工业上采用的动力装置大多为异步电动机驱动液压伺服系统。异步电动机的效率随着负载的变化而变化。负载越低，效率也越低。异步电动机在负载率为75％以上时效率较高，低于5O％效率明显下降，低于30％电机效率显著变坏，在液压系统设计时，往往考虑设备要有一定的通用性，其电机通常按照最大负荷、最高转速来选择，有时还留有一定的裕量。而在实际的工作中，由于加工的对象不同，通常只用到额定容量的一半甚至更少。即使在最大负荷的工作条件下，在整个工作循环中，各工步最大功率与最小功率也相差很大。例如，钢型材挤出机相差近2O倍。而采用直接驱动电液伺服系统后，合理选择驱动器（或者是变频器）的运行参数可使电动机的效率接近理论最大运行效率，从而达到节能的效果。在连续铸钢设备中，熔钢的流量控制装置是很重要的部分，它能自动的控制钢锭锭模液面，从而保证连铸钢锭的尺寸和质量。日本钢管株式会社（NKK）福山制铁所1997年改造的连铸设备上采用了第一电气株式会社设计的直接驱动电液伺服执行机构，节能效果十分显著，改造前福山制铁所每年的电费为500万日元，改造后每年的电费锐减到9万日元。只有改造前的18f～。而且，直驱式电液伺服系统的油罐很小，所用的液压油非常少，符合消防法的要求，同时改造后的连铸设备解决了废油处理和环保等方面的难题。
　　从以上分析我们可以看出，直接驱动电液伺服系统的应用是节能增效的有效手段。因此，直接驱动电液伺服系统如果能在国内钢铁行业中得到推广，必将取得巨大的经济效益和社会效益。
4．结论
　　直接驱动电液伺服系统是交流伺服技术和液压技术的学科交叉的技术革新成果，使用时既有液压大出力的特点，又有电气传动能耗低和控制灵活的优势。直接驱动电液伺服系统在使用中没有空载能量损失，节能高效，因此在注塑机、精密锻压机、船用舵机减摇装置、铸造设备、印刷机、六自由度平台、液压电梯、飞机作动系统等领域具有广大的应用前景。