低速而高效
第一臺(tái)新式驅(qū)動(dòng)壓機(jī)于2015 年投產(chǎn)(圖1)，當(dāng)時(shí)這臺(tái)壓機(jī)原本是為了測(cè)試而研發(fā)的，但是憑借其卓越的性能很快被客戶選中。在經(jīng)過(guò)2500 萬(wàn)次打擊頻次后，其能量消耗比傳統(tǒng)的壓機(jī)減少了約20%。為了充分挖掘諸如此類的新潛力，西馬克集團(tuán)開(kāi)始尋求新的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方案，從而逐步形成利用力矩電機(jī)的理念，其特點(diǎn)是在低旋轉(zhuǎn)速率下可以產(chǎn)生非常高的扭矩。通過(guò)這一應(yīng)用，力矩電機(jī)可以取代傳統(tǒng)伺服電機(jī)并減少傳動(dòng)系統(tǒng)的復(fù)雜性。
匯集經(jīng)驗(yàn)與智慧
乍一看，新式壓機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與配有離合和飛輪的傳統(tǒng)壓機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)非常相似，但其系統(tǒng)的獨(dú)特性在于它的加速方式。不同于傳統(tǒng)的摩擦離合器加速方式，它采用力矩電機(jī)直接與偏心軸相連進(jìn)行加速。當(dāng)偏心軸的轉(zhuǎn)速與飛輪速度達(dá)到一致時(shí)，離合器直接閉合而無(wú)任何摩擦損耗。成形所需的能量由飛輪提供，在鍛造完成后，離合器脫離。為了減速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，力矩電機(jī)切換至發(fā)電機(jī)模式，能量將反饋回電網(wǎng)或者轉(zhuǎn)化為恢復(fù)飛輪速度的補(bǔ)充能量。對(duì)于傳統(tǒng)的壓機(jī)，這部分能量不得不損失掉，但是西馬克集團(tuán)的壓機(jī)可以對(duì)此進(jìn)行再次利用。
飛輪本身也由一臺(tái)力矩電機(jī)進(jìn)行加速、保持速度以及減速。這個(gè)概念也可實(shí)現(xiàn)飛輪的快速啟動(dòng)和停止，從而在處理模具干預(yù)時(shí)節(jié)約了寶貴的時(shí)間。新式驅(qū)動(dòng)也分離了動(dòng)作次序，在以前，動(dòng)作次序必須要保持直接連續(xù)性，該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)賦予了工藝極大的自由度，客戶也由此受益，例如延長(zhǎng)了轉(zhuǎn)移時(shí)間窗口就是帶來(lái)的好處之一，如圖2 所示，在節(jié)拍為每分鐘30次時(shí)的距離和時(shí)間曲線，與傳統(tǒng)的伺服壓機(jī)相比，MEERtorque®驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)更短的鍛造時(shí)間和更長(zhǎng)的轉(zhuǎn)移時(shí)間窗口。
西馬克集團(tuán)堅(jiān)持飛輪概念
隨著新式壓機(jī)的更迭，西馬克集團(tuán)一直堅(jiān)持通過(guò)內(nèi)建飛輪系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的多樣化。他們堅(jiān)信飛輪系統(tǒng)依然是提供能量最高效的方式，而其他的伺服壓機(jī)沒(méi)有飛輪，能量輸入高達(dá)兆瓦級(jí)別，所有能量均需要來(lái)自主電機(jī)。這會(huì)產(chǎn)生電壓峰值并導(dǎo)致最終產(chǎn)品更高的能量消耗。而西馬克集團(tuán)的系統(tǒng)也有峰值，但是保持在變頻器的中間電路當(dāng)中，沒(méi)有對(duì)主電機(jī)等異常的外部沖擊。“非傳統(tǒng)伺服壓機(jī)”的理念誕生于2014 年。有了這臺(tái)壓機(jī)，除了提高效率之外，西馬克集團(tuán)的目標(biāo)還在于更加方便的維護(hù)和進(jìn)一步降低成本，從而使用戶受益。根據(jù)Scholles 的統(tǒng)計(jì)，由于該系統(tǒng)的磨損率極其低，這一目標(biāo)確實(shí)實(shí)現(xiàn)了。設(shè)備也不再需要對(duì)整套進(jìn)行組裝，比如制動(dòng)器，制動(dòng)只需用到電機(jī)。此外，離合器僅在偏心軸與飛輪速度同步時(shí)才啟動(dòng)，其尺寸可以更小，幾乎沒(méi)有任何磨損。由于使用了力矩電機(jī)，無(wú)需復(fù)雜的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)，所有這些優(yōu)勢(shì)最終都得以實(shí)現(xiàn)。
輾環(huán)機(jī)的電液直驅(qū)系統(tǒng)
在環(huán)件軋制過(guò)程中有一半的時(shí)間設(shè)備是停止的，因?yàn)檫@個(gè)時(shí)候是上料或下料的時(shí)間，或者是操作人員不得不等待坯料完成加熱。為了減少相對(duì)高的輔助循環(huán)時(shí)間帶來(lái)的能量損失，西馬克集團(tuán)的專家提出了使用電液直驅(qū)的想法，用在輾環(huán)機(jī)上。輾環(huán)機(jī)的電液直驅(qū)系統(tǒng)這一新的理念在許多方面都同時(shí)獲得了成功，它實(shí)現(xiàn)了西馬克集團(tuán)為自身設(shè)定的目標(biāo)——與客戶合作、為客戶想要生產(chǎn)的產(chǎn)品找到最具性價(jià)比的解決方案。新開(kāi)發(fā)的輾環(huán)機(jī)于2016 年投放市場(chǎng)，到目前為止已經(jīng)銷售出軋制力為100 噸、200 噸和1000 噸的此類型輾環(huán)機(jī)。
精準(zhǔn)控制的運(yùn)動(dòng)
在電液直驅(qū)系統(tǒng)里，一臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)一個(gè)泵，直接轉(zhuǎn)化為液壓缸的動(dòng)作。如果泵的轉(zhuǎn)速降低，能源消耗和噪聲水平也會(huì)顯著下降。在輾環(huán)機(jī)上，這些驅(qū)動(dòng)直接安裝在環(huán)軋的運(yùn)動(dòng)軸上。這意味著他們能夠受到極其精確的控制，在動(dòng)作中不會(huì)損失任何所施加的軋制力。在運(yùn)動(dòng)軸靜止的時(shí)候，泵減速，此時(shí)電機(jī)不再消耗任何能量。因此，所需的驅(qū)動(dòng)功率會(huì)降低25%到40%，噪聲也會(huì)降低15%。相比于傳統(tǒng)輾環(huán)機(jī)，這種全新理念的輾環(huán)機(jī)RAWEH 的另一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)是具有更低的投資和運(yùn)行成本。由于不再需要集中的液壓系統(tǒng)，不再需要像以前那樣為液壓站專門建造一個(gè)房間；花費(fèi)高昂且需要大量勞動(dòng)力的管道工作也不需要了；液壓油的需求量減少90%。另外，也消除了由于漏油而帶來(lái)環(huán)境污染的危險(xiǎn)。這一理念融合了迄今為止已建成的500 多臺(tái)輾環(huán)機(jī)的專業(yè)知識(shí)。從緊湊的電液直驅(qū)系統(tǒng)的使用中獲得的經(jīng)驗(yàn)，表明運(yùn)動(dòng)軸的位置和力都能得到很好的控制。所用零部件數(shù)量的減少意味著系統(tǒng)非常穩(wěn)定，幾乎不容易出故障。RAW ecompact®系列輾環(huán)機(jī)(圖3)是為新進(jìn)入輾環(huán)領(lǐng)域的生產(chǎn)商和環(huán)件制造車間開(kāi)發(fā)的，具有5 個(gè)規(guī)格，軋制力從63 噸到125 噸。這種RAW ecompact®輾環(huán)機(jī)擁有西馬克集團(tuán)Ecoplants 的生態(tài)設(shè)備標(biāo)簽，這是公司授予高效設(shè)備解決方案的標(biāo)志。
可轉(zhuǎn)化的理念
這些創(chuàng)新并不意味著西馬克集團(tuán)的工程師或者客戶需要做出重大改變。操作人員不會(huì)覺(jué)得有任何不同，設(shè)備的外觀和操作感覺(jué)仍然與傳統(tǒng)輾環(huán)機(jī)一樣。西馬克集團(tuán)需要對(duì)維護(hù)人員進(jìn)行培訓(xùn)，但是對(duì)于傳統(tǒng)輾環(huán)機(jī)驅(qū)動(dòng)單元也同樣需要培訓(xùn)。在機(jī)械設(shè)備方面，其他類型的油缸被安裝到不同的設(shè)備位置上，但這些都是典型的修改。2014 年西馬克集團(tuán)開(kāi)發(fā)了在2000 噸環(huán)件制坯壓機(jī)上應(yīng)用速度控制軸向柱塞泵的理念。每個(gè)油缸的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括4 臺(tái)電機(jī)，這種原理的特別之處就是實(shí)際鍛造過(guò)程的供電與這個(gè)案例中提升和下降的動(dòng)力供電是分開(kāi)的。油缸作用面積可以由閥來(lái)控制：油缸作用面積在鍛造過(guò)程中很大，這樣能在低速下提供很高的鍛造力。在快速運(yùn)動(dòng)時(shí)，例如提升和下降，較小的油缸作用面積可以帶來(lái)小的壓力和更高的速度。壓機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向是靠變換伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這也使得能源得到有效利用。不光采用了能源按需提供的原理，而且將下降過(guò)程中運(yùn)動(dòng)質(zhì)量的勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電制動(dòng)能量，就像壓機(jī)機(jī)架在卸載狀態(tài)下的減壓能量和彈性回彈能量一樣。這種能量被存儲(chǔ)在變頻器的中間回路并反饋給主干線。
結(jié)束語(yǔ)
西馬克集團(tuán)采用的創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)理念已成功應(yīng)用于模鍛壓機(jī)和輾環(huán)機(jī)，并成就了模鍛壓機(jī)和輾環(huán)機(jī)的又一次技術(shù)提升；實(shí)踐證明這一解決方案不僅提高了設(shè)備效率，而且降低了能耗和設(shè)備維護(hù)成本。未來(lái)，這一理念也將推廣到其他適用設(shè)備，為更多西馬克集團(tuán)的客戶帶來(lái)收益。
