【中國耐火材料網(wǎng)】
淄博桑德機械設(shè)備有限公司 田江濤
概述
目前我國鍛造行業(yè)和耐火材料成型行業(yè)廣泛應(yīng)用的壓力機多為摩擦壓力機。摩擦壓力機承受的是短期沖擊負(fù)荷，即壓力機的負(fù)載具有強烈的沖擊性，在一個完整的工作周期內(nèi)只在較短的時間內(nèi)承受工作載荷，而較長的時間內(nèi)是空程運轉(zhuǎn)；還由于壓力機的工作負(fù)荷一般在設(shè)計值的60%左右，電機長時間處于空載，而一般電機空載功率因數(shù)為0.2~0.3，所以現(xiàn)有摩擦壓力機耗能很大。
隨著我國勞動力、生產(chǎn)原料、燃料成本的增加，對生產(chǎn)機械也提出了更高的要求--自動化、智能化，其目的在于降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，提高產(chǎn)品的競爭力。我們現(xiàn)在所使用的大多數(shù)摩擦壓力機的技術(shù)水平處于上世紀(jì)50～60年代的水平，還處于"大馬拉小車、頭腦簡單四肢發(fā)達(dá)"的工作狀態(tài)，要達(dá)到以上性能，比較困難。
隨著計算機技術(shù)、電力電子技術(shù)、數(shù)字化控制技術(shù)的發(fā)展，一種新型的動力系統(tǒng)--開關(guān)磁阻電動機調(diào)速系統(tǒng)（Switched Reluctance Driver，簡稱SRD）應(yīng)運而生，它是以現(xiàn)代電力電子與微機數(shù)控技術(shù)為基礎(chǔ)的機電一體化產(chǎn)品，由于其獨有的性能，使其非常適用于螺旋壓力機的驅(qū)動系統(tǒng)，解決了現(xiàn)有驅(qū)動系統(tǒng)存在的問題，提升了壓力機的性能，為我國壓力機技術(shù)的發(fā)展提供了強有力的技術(shù)支持。
SD系列電動程控螺旋壓力機吸收了我國在大功率開關(guān)磁阻電機方面的研究成果，將開關(guān)磁阻電機的特點和螺旋壓力機的要求有機的結(jié)合，采用PLC控制，實現(xiàn)了螺旋壓力機的數(shù)字化控制，為鍛造、耐火材料行業(yè)提供了專用的成型設(shè)備。
經(jīng)過我們幾年來的實踐，SD系列電動螺旋壓力機在節(jié)能方面有著廣闊的發(fā)展空間。
1 摩擦壓力機和電動螺旋壓力機能量傳遞效率的比較
摩擦壓力機承受的是短期沖擊負(fù)荷，即壓力機的負(fù)載具有強烈的沖擊性，在一個完整的工作周期內(nèi)只在較短的時間內(nèi)承受工作載荷，而較長的時間內(nèi)是空程運轉(zhuǎn)；還由于壓力機的工作負(fù)荷一般在設(shè)計值的60%左右，電機長時間處于空載，而一般電機空載功率因數(shù)為0.2~0.3，所以現(xiàn)有摩擦壓力機耗能很大，有效能耗只占總能量的20-40%。從能量傳遞鏈來看，摩擦壓力機是通過三角帶將能量由電機傳遞到立輪，立輪通過摩擦將能量從立輪傳遞到平輪上，平輪驅(qū)動滑塊上下運動產(chǎn)生沖擊力。
各環(huán)節(jié)的能量傳遞效率
電機效率:L=96%
三角帶效率：M=90%
摩擦效率：N=25-50%
螺旋副效率：Q=93%
總效率=LXMXNXQ=96%X90%X25-50%X93%=20-40%
由于電動螺旋壓力機具有最短的傳動鏈和很高的效率。淄博桑德機械設(shè)備有限公司作為耐火材料成型領(lǐng)域電動螺旋壓力機的開拓者，進(jìn)行了有益的嘗試，我們開發(fā)的SD20、SD20A系列電動螺旋壓力機廣泛應(yīng)用于鍛造成型和耐火材料成型，其傳動方式是電機通過聯(lián)組三角帶驅(qū)動螺桿頻繁正反轉(zhuǎn)運動，具有傳動鏈短，效率高的特點。
各環(huán)節(jié)的能量傳遞效率
電機效率:L=96%
三角帶效率：M=90%
螺旋副效率：Q=93%
總效率=LXMXQ=96%X90%X93%=80%
從能量傳遞角度考慮，電動螺旋壓力機比傳統(tǒng)的摩擦壓力機節(jié)能40-60%。
2 開關(guān)磁阻電動機調(diào)速系統(tǒng)簡介及節(jié)能效果
開關(guān)磁阻電動機調(diào)速系統(tǒng)由電機及控制器兩大部分組成，開關(guān)磁阻電機與傳統(tǒng)電機差別很大，為雙凸極結(jié)構(gòu)，其定、轉(zhuǎn)子均由普通硅鋼片疊壓而成，轉(zhuǎn)子上既無繞組也無永磁體，定子齒極上繞有集中繞組。控制器包括嵌入式微處理器、可編程邏輯器件、IGBT驅(qū)動電路、電力電子器件、軟件及通信接口，完成電動機的驅(qū)動與控制。如圖1、圖2所示。
電機裝有位置傳感器，位置信號反饋給控制器，控制器按程序數(shù)字化控制電機運轉(zhuǎn)。如圖2所示，當(dāng)絕緣柵雙極晶體管（IGBT）S1、S2導(dǎo)通時，A相繞組從直流電源U吸收電能，而當(dāng)S1、S2關(guān)斷時，繞組電流經(jīng)續(xù)流二極管D1、D2繼續(xù)流通，并回饋給電源U。因此，SRD的特點是具有再生作用，系統(tǒng)節(jié)電、效率高。因此開關(guān)磁阻電動機調(diào)速系統(tǒng)可以數(shù)字化控制設(shè)備的工作執(zhí)行機構(gòu)，屬于數(shù)控調(diào)速和數(shù)控伺服系統(tǒng)。
圖1 SRD控制器系統(tǒng)框圖 圖2 SRM控制原理圖
開關(guān)磁阻電動機調(diào)速系統(tǒng)與傳統(tǒng)的調(diào)速電機相比，其特點在于：
1、可頻繁起停及正反轉(zhuǎn)切換。
2、高起動轉(zhuǎn)矩，低起動電流，對電網(wǎng)沖擊小。當(dāng)起動轉(zhuǎn)矩達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩的150%時，起動電流僅為額定電流 的30%。
3、系統(tǒng)效率高，在寬廣的調(diào)速范圍內(nèi)比其它調(diào)速系統(tǒng)效率高10%以上，功率因數(shù)0.98以上。
4、調(diào)速范圍寬，低速下可長期運轉(zhuǎn)。可以在50～3000轉(zhuǎn)/分鐘范圍內(nèi)無級調(diào)速。
5、過載能力強，可靠性高，三相輸入電源缺相或堵轉(zhuǎn)時不燒電機和控制器。
6、制動力巨大，可以滿足快速停止所需制動力矩的要求。
從開關(guān)磁阻調(diào)速電動機的特點看，不論在高速、低速狀態(tài)都能保持高效率，所以國家發(fā)改委、科技部和環(huán)保總局2006年聯(lián)合發(fā)文《國家鼓勵發(fā)展的資源節(jié)約綜合利用和環(huán)境保護(hù)技術(shù)》資源節(jié)約部分第三十二項推廣該電機，原文件如下：
開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)是一種機電一體化節(jié)能型調(diào)速電機系統(tǒng)。它由開關(guān)磁阻電動機、功率變換器及控制器組成。同傳統(tǒng)的直流及交流電機調(diào)速系統(tǒng)比較，具有以下優(yōu)點：電機結(jié)構(gòu)堅固；效率高，不僅在額定輸出狀態(tài)下，而且在寬廣的調(diào)速范圍內(nèi)也能保持高效率運行；一般系統(tǒng)效率達(dá)80%以上；啟動轉(zhuǎn)矩大、啟動電流小；制動性能好，能實現(xiàn)再生制動，節(jié)約電能效果顯著；系統(tǒng)調(diào)控性能好，四象限控制靈活；具有無刷結(jié)構(gòu)，適合于在高粉塵、高速、易燃易爆等惡劣環(huán)境下運行；可以在各行各業(yè)應(yīng)用。
3、 SD20A系列電動程控螺旋壓力機的節(jié)能優(yōu)勢
SD系列電動程控螺旋壓力機采用特殊設(shè)計的壓力機結(jié)構(gòu)，可替代現(xiàn)有摩擦壓力機，其整機結(jié)構(gòu)由開關(guān)磁阻電機、控制柜、皮帶傳動機構(gòu)（或齒輪傳動）、飛輪、螺桿、螺母、滑塊、制動器和機身組成，如圖3所示。
圖3 SD系列電動程控螺旋壓力機
1-開關(guān)磁阻電機 2-皮帶傳動 3-飛輪
4-制動器 5螺桿 6-螺母 7-滑塊 8-機身
開關(guān)磁阻調(diào)速電機驅(qū)動螺旋壓力機的飛輪與螺桿一起頻繁正反轉(zhuǎn)運動，螺母與螺桿形成運動付，螺桿驅(qū)動螺母和滑塊上下運動，產(chǎn)生打擊力。以PLC為核心的控制系統(tǒng)設(shè)計有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ五個工作程序段，各程序段的打擊速度可以通過觸摸屏進(jìn)行設(shè)置。可采集壓力機各瞬間工作狀態(tài)進(jìn)行邏輯判定，完成對電機控制和制動裝置的控制、氣動出模控制。
從SD20A系列電動螺旋壓力機的設(shè)計來看，節(jié)能有以下優(yōu)勢：
- l 把電機由連續(xù)運行狀態(tài)改為間歇運行狀態(tài)，在成形過程的上料、成型、出磚和清理模具這四個過程中原來電機是一直運轉(zhuǎn)的，而現(xiàn)在電機只需要在成型過程中運轉(zhuǎn)，其它三個過程電機是停止的，不需要消耗能量。
- l 開關(guān)磁阻調(diào)速電動機具有啟動電流小，能耗少的特點，從SD20A-1250電動螺旋壓力機實際運行電流來看，兩臺75千瓦電機最大啟動電流120安培，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于一臺異步75千瓦電機的起動電流。
4、實際應(yīng)用情況
經(jīng)過五年多的努力，電動程控螺旋壓力機已經(jīng)在我國耐火材料行業(yè)、鍛造成型行業(yè)形成了星火燎原之勢，獲得了行業(yè)人士的認(rèn)可和接受。從應(yīng)用情況來看，電動程控螺旋壓力機繼承了摩擦壓力機的優(yōu)點，效率高，適應(yīng)性廣，更換模具方便。從節(jié)能方面考慮，比摩擦壓力機節(jié)能40%-70%左右，減少傭工1～2人。從制品質(zhì)量方面看，減少了成型過程中人為因素，產(chǎn)品的一致性得到了提高，產(chǎn)品成品率在98%以上；設(shè)備的維護(hù)費用降低到摩擦壓力機的40%。
表1是上虞自立股份有限公司在鎂碳磚生產(chǎn)過程中的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。表2是營口濮耐股份有限公司的生產(chǎn)統(tǒng)計數(shù)據(jù)。表3是偃師中岳耐火材料有限公司的生產(chǎn)統(tǒng)計數(shù)據(jù)。
表1 上虞自立股份有限公司生產(chǎn)統(tǒng)計數(shù)據(jù)
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設(shè)備名稱
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班次
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人員
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產(chǎn)量
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班產(chǎn)量
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人均效率
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電耗
（度）
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噸電耗
（度）
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噸維修費用
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塊
|
噸
|
塊
|
噸
|
塊
|
噸
|
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SD10-630
|
61
|
122
|
16226
|
203
|
265
|
3.249
|
133
|
1.624
|
4938
|
20.833
|
2.16元
|
|
J67-630
|
61
|
183
|
20198
|
227
|
331
|
3.739
|
110
|
1.246
|
9850
|
38.933
|
5.27元
|
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兩者對比
|
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80.3%
|
89.4%
|
80%
|
86.8%
|
121%
|
130%
|
50%
|
53.5%
|
41%
|
表2 營口濮耐股份有限公司生產(chǎn)統(tǒng)計數(shù)據(jù)
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設(shè)備名稱
|
產(chǎn)量
（塊）
|
電耗
（度）
|
噸電耗
（度）
|
塊耗電
（度）
|
有效班產(chǎn)量
（塊）
|
平均合格率
|
|
SD10-630
|
9636
|
3488
|
34.627
|
0.362
|
357
|
98.85%
|
|
J67-630
|
13507
|
20520
|
103.31
|
1.519
|
436
|
|
|
兩者對比
|
71%
|
17%
|
34%
|
24%
|
82%
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表3 偃師中岳耐火材料有限公司統(tǒng)計數(shù)據(jù)
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鎂碳磚噸磚電耗
|
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摩擦壓力機
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電動螺旋壓力機
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2012年7月
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2012年8月
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2012年9月
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2013年2月
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2013年3月
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2013年4月
|
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39.5
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40.1
|
38.7
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11.7
|
11.8
|
12.3
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平均噸電耗39.4度
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平均噸電耗11.9度
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噸磚節(jié)電率69.7%
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從以上分析及實踐統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，電動螺旋壓力機終將取代摩擦壓力機，成為我國鍛造成型和耐火材料成型的主力設(shè)備，成為一款綠色成型設(shè)備，為我國行業(yè)發(fā)展和節(jié)能減排提供有力的技術(shù)支持