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基于载荷损耗系数的数控机床效率和能量利用率的研究

发布时间: 2019-05-07 09:04文字数: 2690字

  摘要: 针对数控机床能量效率低下,机床效率和能量利用率在线获取困难的问题,为提高其加工过程中的能效,提出一种基于载荷损耗系数的能耗数学模型而建立的机床效率和能量利用率的计算 方法。采用控制变量的思想,测试机床在不同材料、不同工艺参数下的输入和空载功率,计算出机 床的切削功率、效率和能量利用率。通过响应曲面的方法分析切削负载率、实载率和机床效率、能 量利用率的关系。结果表明: 同种材料的机床效率和能量利用率随着切削负载率和实载率的增大而增大; 而对于异种材料,其随着有用切削功率所占比例的增大而增大。为提高机床加工过程的能效,分析了提高机床效率和能量利用率的途径。

河南快三   关键词: 载荷损耗系数; 效率; 能量利用率; 响应曲面

  0 引言

  我国机床数量庞大,低端数控机床产能过剩,高档数控机床供应不足,能源消耗巨大,有效利用率低下, 研究其能效对于节约能源、减少污染具有重大意义,这也是绿色制造的未来发展趋势。

河南快三   机床能耗可以分为两个组成部分。一是机床空载的能量消耗。二是机床切削加工状态时能耗特性。机床空载能耗在整个加工能耗过程中,只占很小的一部分,研究意义不是很大。机床在切削加工时的能耗也分为两个部分: ①机械加工过程中的有效能耗; ②机床载荷能量损失能耗,而机床能量利用率受前者的影响较大。赵刚等[2]采用响应曲面方法分析了数控铣削加工过程中工艺参数与切削能耗和能效之间的关系。结论认为,降低基础能耗占比可以有效提高干式切削机床能效。切削的能耗占基础能耗的 61% ~ 69%[3],它是研究机床能效的重要组成。

  数控机床载荷能量损耗特性复杂,而载荷能量损耗的大小由载荷能量损耗系数决定。在机械加工中式中,E 为机床的直接能耗总量; P1 、P2 、P3 分别为基础功率、切削功率和空载功率; T1 为非切削状态的时间; T2 为切削状态的时间; T3 表示主轴加速以及到达指定工作位置的时间。

  按上式积分,得到机床的总功率:

  在着载荷损耗,所以对机床有用切削能耗的在线获取  现有的测算数控机床效率和能源利率用率的方法还是存在不足之处。本文通过对切削加工的过程进行建模分析,提出一种根据机床主动力系统加工能量流模型而建立的机床加工过程能量利用率的计算方法, 只要得到机床的基础数据,再测得实际加工时的总功率和空载功率,便可得到机床的有用切削功率,进而得到机床的能量利用率。

  1 机床加工系统能耗模型

河南快三   能量是机械加工系统运行的基础。能量的流动和

河南快三   2 机床效率测算方法

河南快三   机械加工系统运行时,取在机械加工过程的某一时段,其瞬态过程能量流。

河南快三   消耗是加工过程的体现。在机械加工系统中,能量状态随着切削状态和系统结构状态的变化而变化,因此,要由机床和切削加工系统组成。而机床是机械加工中的主要系统,承担着主要的能量传输,因此,首先从机床方面研究能量流情况,建立关于机床的能量流模型。

  建立了机械传动系统载荷损耗模型,载荷损耗系数 α 按下式计算,

河南快三   对于机床电动机:根据数控机床能量流模型,考虑到机床在实际加工过程的状况,数控机床加工工件能耗可以由基础功率、空载功率和切削功率与其所对应的时间求出。

  即总能耗可表示为:式中,αi 、αm 分别表示为机床主传动系统的载荷损耗系数,机械传动系统的载荷系数。

  4. 1 实验设备及方案

  采用上述方法测算机床一次走刀效率和能量利用率,实验设备为加工中心 XH714D,机床的基础数据如当得到载荷系数 α1 、α2 后,机床的主传动系统的输入功率 Pi 、以及空载功率 Pu 也测量获得,便可计算得到切削功率 Pc 。

  切削负载率 Kc 可表示,功率采集设备为 WT1800 功率分析仪,分别测试机床在不同转速和不同材料下输入功率和空载功率。为了将误差实验效果表现得更清晰,采用控制变量的方法,分别对选取不同材料、不同主轴转速、不同切深以及不同进给量的情况下机床的对比误差。

河南快三   3 机床能量利用率的测算方法

  机械加工过程能量损耗的存在,所以在对其能量利用率的计算十分困难。如果把一次切削加工当成机械加工过程中若干段中的一段,这样对当量切削功率及当量电动机的输出功率的计算就会变得相对简单。

  4. 2 实验结果及分析

河南快三   通过对比误差试验,载荷能量损耗系数、机床效率、能量利用率可求得,如表 2 所示。其中,用 Pc 表示切削功率。

河南快三   根据图 6 输入功率、空载功率与效率、能量利用率交互作用响应曲面图,同种材料的机床效率和能量利用率随着机床输入功率和空载功率的增大而增大,空载功率对机床能效是毫无益处的,主轴转速的提高导致空载功率增大,但其增大的比例对于输入功率影响很小,有用功率增加的比例大大超过了空载功率的比例,因此,机床的效率和能量利用率在一定范围内随着主轴转速的提高而提高。三种材料中由于 45 钢需求的功率较大,有用切削功率占用比例大,因此,机床效率和能量利用率相比其他材料高。

  综上所述,提高机床加工过程中的效率和能量利用率的途径有: ①降低机床加工过程中的空载功率,提高有用切削功率的比例; ②降低空载率,提高实载率;③提高加工过程中的切削负载率。在实际加工过程中,要提高机床加工过程中的效率和能量利用率需要能量利用率交互作用响应曲面图

河南快三   根据切削负载率、实载率与效率、能量利用率交互作用响应曲面图,总的可以看到机床加工过程中的效率和能量利用率较低,同种材料的机床效率和能量利用率随着切削负载率和实载率的增大而增大,但能量利用率总比效率低,对于实验组数 1、6、11 工艺参数相同只有材料不同,加工铝和 45 钢材料的机床效率和能量利用率都要比加工 PLA 材料的低,并且加工 45 钢材料的机床效率和能量利用率要比加工铝材料的低,而其他组数 2、7、12 等后者又均比前者高,可能是由于机床主轴转速过低造成的原因。因此,提高切削负载率和实载率切削功率可以提高加工过程的效率、机床能效。

河南快三   将这三条途径综合一起来考虑,单独分析并不适用。

  5 结论

  ( 1) 分析了机床加工过程中的能量流,建立了机床能耗估算模型,提出一种基于载荷损耗系数的机床效率和能量利用率的计算方法。并测试机床在不同材料、不同工艺参数下的输入和空载功率,计算出了机床的切削功率、效率和能量利用率。

河南快三   ( 2) 采用响应曲面的方法,研究了切削负载率、实载率与机床效率、能量利用率之间的关系,数控机床加工过程中的效率和能量利用率较低,同种材料的机床效率和能量利用率随着切削负载率和实载率的增大而增大,但能量利用率总比效率低; 异种材料的机床效率和能量利用率随着有用切削功率所占比例的增大而增大。

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