正确的驱动系统成就每一次技术提升

文/Martin Scholles, Martin Gellhaus·西马克集团

西马克集团为自身设定了目标——以创新的理念为客户创造具有竞争力的优势。为此西马克集团在其模锻压机和辗环机上实施了全新的驱动理念，这一技术也可以转化到其他生产线和设备上。

多年以来，汽车工业领域供应商面临的只有一个驱动方向：那就是提升。而更严格的排放标准、不断增加的性能要求，以及对驾驶舒适性的更高期望等要求使制造商日益艰难，同时也对上游行业产生了影响。Musashi 欧洲公司就正在面对这一挑战。近百年来，该公司一直供应动力传动系统的零部件和底盘技术。Musashi 公司计划最近在其位于德国Bockenau 的工厂制造大型旋转对称锻件，所使用的全新压力机就采用了西马克集团创新的驱动理念。

低速而高效

第一台新式驱动压机于2015 年投产(图1)，当时这台压机原本是为了测试而研发的，但是凭借其卓越的性能很快被客户选中。在经过2500 万次打击频次后，其能量消耗比传统的压机减少了约20%。为了充分挖掘诸如此类的新潜力，西马克集团开始寻求新的驱动系统方案，从而逐步形成利用力矩电机的理念，其特点是在低旋转速率下可以产生非常高的扭矩。通过这一应用，力矩电机可以取代传统伺服电机并减少传动系统的复杂性。

汇集经验与智慧

乍一看，新式压机的驱动系统与配有离合和飞轮的传统压机驱动系统非常相似，但其系统的独特性在于它的加速方式。不同于传统的摩擦离合器加速方式，它采用力矩电机直接与偏心轴相连进行加速。当偏心轴的转速与飞轮速度达到一致时，离合器直接闭合而无任何摩擦损耗。成形所需的能量由飞轮提供，在锻造完成后，离合器脱离。为了减速驱动系统，力矩电机切换至发电机模式，能量将反馈回电网或者转化为恢复飞轮速度的补充能量。对于传统的压机，这部分能量不得不损失掉，但是西马克集团的压机可以对此进行再次利用。

飞轮本身也由一台力矩电机进行加速、保持速度以及减速。这个概念也可实现飞轮的快速启动和停止，从而在处理模具干预时节约了宝贵的时间。新式驱动也分离了动作次序，在以前，动作次序必须要保持直接连续性，该驱动系统赋予了工艺极大的自由度，客户也由此受益，例如延长了转移时间窗口就是带来的好处之一，如图2 所示，在节拍为每分钟30次时的距离和时间曲线，与传统的伺服压机相比，MEERtorque®驱动系统可实现更短的锻造时间和更长的转移时间窗口。

西马克集团坚持飞轮概念

随着新式压机的更迭，西马克集团一直坚持通过内建飞轮系统实现设计的多样化。他们坚信飞轮系统依然是提供能量最高效的方式，而其他的伺服压机没有飞轮，能量输入高达兆瓦级别，所有能量均需要来自主电机。这会产生电压峰值并导致最终产品更高的能量消耗。而西马克集团的系统也有峰值，但是保持在变频器的中间电路当中，没有对主电机等异常的外部冲击。

“非传统伺服压机”的理念诞生于2014 年。有了这台压机，除了提高效率之外，西马克集团的目标还在于更加方便的维护和进一步降低成本，从而使用户受益。根据Scholles 的统计，由于该系统的磨损率极其低，这一目标确实实现了。设备也不再需要对整套进行组装，比如制动器，制动只需用到电机。此外，离合器仅在偏心轴与飞轮速度同步时才启动，其尺寸可以更小，几乎没有任何磨损。由于使用了力矩电机，无需复杂的齿轮传动系统，所有这些优势最终都得以实现。

辗环机的电液直驱系统

在环件轧制过程中有一半的时间设备是停止的，因为这个时候是上料或下料的时间，或者是操作人员不得不等待坯料完成加热。为了减少相对高的辅助循环时间带来的能量损失，西马克集团的专家提出了使用电液直驱的想法，用在辗环机上。

辗环机的电液直驱系统这一新的理念在许多方面都同时获得了成功，它实现了西马克集团为自身设定的目标——与客户合作、为客户想要生产的产品找到最具性价比的解决方案。新开发的辗环机于2016 年投放市场，到目前为止已经销售出轧制力为100 吨、200 吨和1000 吨的此类型辗环机。

精准控制的运动

在电液直驱系统里，一台电机驱动一个泵，直接转化为液压缸的动作。如果泵的转速降低，能源消耗和噪声水平也会显著下降。在辗环机上，这些驱动直接安装在环轧的运动轴上。这意味着他们能够受到极其精确的控制，在动作中不会损失任何所施加的轧制力。在运动轴静止的时候，泵减速，此时电机不再消耗任何能量。

因此，所需的驱动功率会降低25%到40%，噪声也会降低15%。相比于传统辗环机，这种全新理念的辗环机RAWEH 的另一个主要优势是具有更低的投资和运行成本。由于不再需要集中的液压系统，不再需要像以前那样为液压站专门建造一个房间；花费高昂且需要大量劳动力的管道工作也不需要了；液压油的需求量减少90%。另外，也消除了由于漏油而带来环境污染的危险。这一理念融合了迄今为止已建成的500 多台辗环机的专业知识。从紧凑的电液直驱系统的使用中获得的经验，表明运动轴的位置和力都能得到很好的控制。所用零部件数量的减少意味着系统非常稳定，几乎不容易出故障。

RAW ecompact®系列辗环机(图3)是为新进入辗环领域的生产商和环件制造车间开发的，具有5 个规格，轧制力从63 吨到125 吨。 这种RAW ecompact®辗环机拥有西马克集团Ecoplants 的生态设备标签，这是公司授予高效设备解决方案的标志。

可转化的理念

这些创新并不意味着西马克集团的工程师或者客户需要做出重大改变。操作人员不会觉得有任何不同，设备的外观和操作感觉仍然与传统辗环机一样。西马克集团需要对维护人员进行培训，但是对于传统辗环机驱动单元也同样需要培训。在机械设备方面，其他类型的油缸被安装到不同的设备位置上，但这些都是典型的修改。

2014 年西马克集团开发了在2000 吨环件制坯压机上应用速度控制轴向柱塞泵的理念。每个油缸的驱动机构包括4 台电机，这种原理的特别之处就是实际锻造过程的供电与这个案例中提升和下降的动力供电是分开的。油缸作用面积可以由阀来控制：油缸作用面积在锻造过程中很大，这样能在低速下提供很高的锻造力。在快速运动时，例如提升和下降，较小的油缸作用面积可以带来小的压力和更高的速度。压机的运动方向是靠变换伺服电机的旋转方向来实现的。

这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，而且将下降过程中运动质量的势能转化为电制动能量，就像压机机架在卸载状态下的减压能量和弹性回弹能量一样。这种能量被存储在变频器的中间回路并反馈给主干线。

结束语

西马克集团采用的创新驱动理念已成功应用于模锻压机和辗环机，并成就了模锻压机和辗环机的又一次技术提升；实践证明这一解决方案不仅提高了设备效率，而且降低了能耗和设备维护成本。未来，这一理念也将推广到其他适用设备，为更多西马克集团的客户带来收益。