一种基于数值仿真的压铸机性能评估方法及评估系统与流程

本申请涉及压铸机节能
技术领域：
，尤其涉及一种基于数值仿真的压铸机性能评估方法及评估系统。
背景技术：
：压铸是一种先进的金属铸造工艺，可以快速形成表面平整、组织致密、精度高、性能优良的铸件。近年来压铸行业持续快速发展，中国已经是压铸产品生产世界第一大国，但是相比于发达国家，中国的压铸设备普遍存在能耗高、能源利用率低的问题。据压铸协会统计，中国目前各类压铸机保有量在10万台左右，其一年可耗电1300～4000亿度，是三峡水电站年发电量1000亿度的1～4倍多。虽然压铸机行业能耗巨大，但是能量利用率却比较低下。在当前制造业疲软、利润率低的大背景下，压铸件生产成本中能源成本却占较高比例，因此，研究压铸机能耗特性与节能技术以降低成本、提高效率，已经成为了压铸行业的必然趋势。压铸生产过程中伴随着多次能量形式转换，电能—机械能—液压能—机械能，每个环节都存在一定的能量损耗。一般来说，液压系统是压铸生产过程能量损失最大的环节，尤其是压铸机这种高压大流量液压系统。因此，研究压铸机液压系统的能耗特性，建立完善、精确的压铸加工过程能耗模型与仿真分析，对压铸行业节能增效具有重要意义。目前，压铸机的行业标准《jb/t12554-2016压铸机能耗测定方法》与《jb/t13248-2018压铸机能效等级及评定方法》分别规范了压铸机的能耗测定方法与能效等级及评定方法，填补了国内相关标准的空白。然而，该标准提供与规定的是压铸机能耗的实验测试方法，实验法必须在压铸机生产出来之后，才可以通过实验的方法测算压铸机的功耗与能效，该方法虽然准确、直观，但是存在着周期长、成本高的问题。技术实现要素：本申请的目的在于提供一种基于数值仿真的压铸机性能评估方法及评估系统，旨在解决传统的压铸机能耗评定方法存在的周期长、成本高的问题。本申请实施例的第一方面提供了一种基于数值仿真的压铸机性能评估方法，包括：s101.建立压铸机的能耗数字模型；s102.根据所述能耗数字模型建立压铸机液压系统的仿真模型；s103.对所述仿真模型进行模拟分析所述压铸机的压铸过程，并选用所述压铸机进行实验验证；s104.获取所述压铸机各部件的功率与能耗情况，以对所述压铸机液压系统的能耗等级进行评估。在其中一实施例中，所述能耗数字模型中的能耗参数包括：电机损耗、液压泵损耗、液压缸损耗、液压管路损耗、液压阀损耗、执行机构损耗以及执行机构有用功中的任意一项或多项。在其中一实施例中，所述能耗数字模型的建立具体采用以下公式：其中，ein为压铸机输入总有功能量；on为工作的固定功率元件的数量；为第jo个固定功率元件产生的能量损耗；mn为工作的电机的数量；为第jm个电机产生的能量损耗；pn为液压泵的数量；为第jp个液压泵产生的能量损耗；ln为液压油流经管路的段数；为第jl段管路产生的能量损耗；vn为液压阀的数量；为第jv个液压阀产生的能量损耗；cn为工作的液压缸的数量；为第jc个液压缸产生的能量损耗；tn为执行机构的数量；为第jt个执行机构产生的能量损耗；为第jt个执行机构产生的有用功。在其中一实施例中，根据所述能耗数字模型建立压铸机液压系统的仿真模型具体包括：采用多学科领域的复杂系统建模与仿真平台、c语言联合仿真的方法对压铸机液压系统的能耗特性进行仿真分析，以建立压铸机液压系统的仿真模型。在其中一实施例中，对所述仿真模型进行模拟分析所述压铸机的压铸过程，并选用所述压铸机进行实验验证具体包括：s1031.设置所述仿真模型按照压铸机的动作流程依序执行各动作；s1032.采用比例-积分-微分控制算法对所述压铸机的压射和增压动作进行调节；s1033.获取压铸机的实测能耗数据，与所述仿真模型进行比较，以验证所述仿真模型。在其中一实施例中，所述压铸机的动作流程包括：合模、慢压射、快压射、增压、回锤、开模、顶出、顶退以及储能。在其中一实施例中，获取压铸机的实测能耗数据，与所述仿真模型进行比较，以验证所述仿真模型具体包括：s1331.对所述压铸机中各运行参数进行设置后，启动所述压铸机空载运行；s1332.记录所述压铸机运行过程中的有功功率，获取实测功率曲线；s1333.在所述仿真模型中设置与所述压铸机相同的运行参数，进行模拟仿真；s1334.计算所述仿真模型中压铸机的有功功率，获取仿真功率曲线；s1335.对所述实测功率曲线和所述仿真功率曲线进行对比，以验证所述仿真模型。本申请实施例的第二方面提供了一种基于数值仿真的压铸机性能评估系统，包括：能耗数字模型建立模块，用于建立压铸机的能耗数字模型；仿真模型建立模块，用于根据所述能耗数字模型建立压铸机液压系统的仿真模型；验证模块，用于对所述仿真模型进行模拟分析所述压铸机的压铸过程，并选用所述压铸机进行实验验证；评估模块，获取所述压铸机各部件的功率与能耗情况，以对所述压铸机液压系统的能耗等级进行评估。本发明实施例中上述的一种基于数值仿真的压铸机性能评估方法及评估系统，通过数值仿真的方式，在压铸机成品制造出来之前对压铸机能耗进行预判，简单有效、周期短且成本低，对压铸机的结构、参数优化具备一定指导意义；其与现有技术相比存在如下有益效果：(1)本方案建立的压铸机能耗模型考虑了压铸机运行过程多个流程、多个机构，包括电动机损耗、液压泵损耗、液压缸损耗、液压管路损耗、液压阀损耗、执行机构损耗与执行机构有用功等，对压铸机能耗的计算更加准确。(2)本方案采用多学科领域的复杂系统建模与仿真平台(amesim)与c语言联合仿真的方式对压铸机系统进行仿真，在amesim软件上建立液压仿真模型，并且采用c语言编写压铸机系统控制程序，建立准确高效的压铸机系统能耗仿真模型，充分发挥amesim在机电液模型建立与c语言控制算法实现方面的优势；并采用pid控制算法严格控制压铸过程中的压射和增压动作，确保压铸加工控制流程的精准度。(3)本方案通过实际选取压铸机进行能耗测试实验，获得压铸机的实测能耗数据，并与仿真数据相比较，以调试仿真模型，使得压铸机能耗仿真模型更加精准。附图说明图1为本申请一实施例提供的一种基于数值仿真的压铸机性能评估方法中压铸机的能量流动示意图；图2为本申请一实施例提供的一种基于数值仿真的压铸机性能评估方法的压铸机液压系统的原理示意图；图3为本申请一实施例提供的一种基于数值仿真的压铸机性能评估方法的具体流程步骤示意图；图4为本申请一实施例提供的一种基于数值仿真的压铸机性能评估方法中仿真模型建立的流程示意图；图5为本申请一实施例提供的一种基于数值仿真的压铸机性能评估方法中压铸机的动作流程周期图；图6为本申请一实施例提供的一种基于数值仿真的压铸机性能评估方法中压铸机的压射速度和压射压力的曲线图；图7为本申请一实施例提供的一种基于数值仿真的压铸机性能评估方法中仿真模型验证的流程示意图；图8为本申请一实施例提供的一种基于数值仿真的压铸机性能评估方法中实测功率和仿真功率的曲线图；图9为本申请另一实施例提供的一种基于数值仿真的压铸机性能评估系统的模块结构示意图。具体实施方式为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。请参阅图1，为本申请一实施例提供的一种基于数值仿真的压铸机性能评估方法中压铸机的能量流动示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：压铸机系统主要有电气系统、液压系统、辅助系统三部分能耗，其中液压系统耗能最大。在液压系统中，电机获取电能产生旋转运动，将电能转化为机械能；电机带动液压泵旋转，推动液压油运动，将机械能转化为液压能；液压油在控制阀组的控制下推动液压缸活塞运动，将液压能转化为机械能；液压缸活塞杆对执行机构做功，进而完成复杂的压铸顺序动作。由于整个能量流动过程中能量转化次数比较多，伴随各种能量损失，故压铸机的能量利用率较低；损失的能量还会使液压油温升高，损伤液压元件，缩短其使用寿命。可见，液压系统的能量损耗对压铸机系统起着至关重要的作用，因此，本实施例中主要考虑压铸机系统中液压系统的能量损耗。请参阅图2，为本申请一实施例提供的一种基于数值仿真的压铸机性能评估方法的压铸机液压系统的原理示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：其中，顶出机构由两个相同的液压缸9并联组成；压射机构由压射液压缸12、增压液压缸13与两个蓄能器组合构成，压射液压缸12负责推动压射锤头的前进与后退动作，增压液压缸13负责完成增压作用，主蓄能器17作为辅助流量源，容积较大，增压蓄能器16作为辅助压力源，容积较小；为提高压铸机压射系统的控制精度，压射液压缸12的进油控制阀10.3与回油控制阀10.1、增压液压缸进油控制阀10.2均采用插装式比例节流阀。请参阅图3，为本申请一实施例提供的一种基于数值仿真的压铸机性能评估方法的具体流程步骤示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：在其中一实施例中，上述的一种基于数值仿真的压铸机性能评估方法，包括以下步骤：s101.建立压铸机的能耗数字模型。具体地，由于压铸机系统能耗比较复杂，为了简化能耗计算模型，本实施例忽略一些耗能较小的元件，如过滤器、先导阀、传感器、变频器等。简化之后，压铸机的输入功率构成包括如下能耗参数：电机损耗、液压泵损耗、液压缸损耗、液压管路损耗、液压阀损耗、执行机构损耗以及执行机构有用功。其中，各能耗参数的输入功率计算公式如下：(1)电机损耗功率电机损耗包括定子铁损、定子绕组损耗、转子绕组损耗、摩擦损耗、风阻损耗和杂散损耗，组成较为复杂。为简化公式，使用电机与液压泵的效率间接计算电机损耗功率为：式中：为第jm个电机的损耗功率，kw；为第jm个电机的总效率；为第jp个液压泵的总效率；为第jp个液压泵的输出压力，mpa；为第jp个泵的输出流量，l/min。(2)液压泵损耗功率液压泵损耗包括机械摩擦损耗与容积损耗，机械摩擦损耗由泵体与轴、柱塞的摩擦造成，容积损耗由泵高压腔内泄漏、油液可压缩性造成。为简化公式，使用液压泵的效率计算液压泵损耗功率为：式中：为第jp个液压泵的损耗功率，kw。(3)液压缸损耗功率液压缸损耗包括机械损耗与容积损耗，机械损耗由活塞与缸体的摩擦造成，容积损耗由液压缸高压腔内泄漏、油液可压缩性造成。液压缸损耗功率为：式中：为第jc个液压缸的损耗功率，kw；为第jc个液压缸的输入压力，mpa；为第jc个液压缸的输入流量，l/min；为第jc个液压缸的输出压力，mpa；为第jc个液压缸的输出流量，l/min；是第jc个液压缸的输出力，n；为第jc个液压缸活塞杆速度，m/s。(4)液压管路损耗功率液压管路损耗包括沿程压力损耗与局部压力损耗，沿程压力损耗由粘性液压油与管壁摩擦造成，局部压力损耗由液压油局部湍流造成。液压管路损耗功率为：式中：为第jl段管路的损耗功率，kw；为第jl段管路的压降，mpa；为流经第jl段管路的流量，l/min。(5)液压阀损耗功率液压阀损耗包括压力控制阀、流量控制阀及方向控制阀；压力控制阀损耗主要包括溢流阀造成的溢流损耗，流量控制阀和方向控制阀损耗则主要包括节流损耗。液压阀损耗功率为：式中：为第jv个液压阀的损耗功率，kw；为第jv个液压阀的压降，mpa；为流经第jv个液压阀的流量，l/min。(6)执行机构损耗功率与执行机构有用功率液压缸活塞杆对外做功，分为执行机构损耗功率与有用功率；执行机构损耗功率主要指机械摩擦损耗，有用功率指执行机构的有用功。执行机构损耗功率与执行机构有用功率之和为：式中：为第jf个执行机构的损耗功率，kw；为第jt个执行机构的有用功，kw；是第jt个液压缸的输出力，n；第jt个液压缸活塞杆速度，m/s。因此，结合式(2)～式(7)可以得出压铸机系统运行过程中的输入总有功能量为：式中：ein为压铸机输入总有功能量；t0为工作开始的时刻；t1为工作结束的时刻。综上，根据压铸机的液压系统的原理分析压铸机运行过程中的能量流，获得压铸机运行过程中各能耗参数产生的能量损耗，建立压铸机运行过程的能耗数字模型为：其中，ein为压铸机输入总有功能量，kj；on为工作的固定功率元件的数量；为第jo个固定功率元件产生的能量损耗，kj；mn为工作的电机的数量；为第jm个电机产生的能量损耗，kj；pn为液压泵的数量；为第jp个液压泵产生的能量损耗，kj；ln为液压油流经管路的段数；为第jl段管路产生的能量损耗，kj；vn为液压阀的数量；为第jv个液压阀产生的能量损耗，kj；cn为工作的液压缸的数量；为第jc个液压缸产生的能量损耗，kj；tn为执行机构的数量；为第jt个执行机构产生的能量损耗，kj；为第jt个执行机构产生的有用功，kj。s102.根据能耗数字模型建立压铸机液压系统的仿真模型。其中，采用amesim(lmsimagine.labamesim多学科领域的复杂系统建模与仿真平台)与c语言联合仿真的方法对压铸机液压系统的能耗特性进行仿真分析，由于使用amesim中的简单控制模块建立其控制系统较为复杂，为降低模型建立的难度，采用c语言编写压铸机液压系统的控制程序。在visualstudio平台上完成系统控制算法的编写，并通过amesim外部应用程序接口调用作为仿真模型控制中枢，控制仿真模型按预定工序进行相应动作。采用amesim与c语言联合仿真，能够充分发挥amesim在机电液模型建立与c语言控制算法实现方面的优势，以建立准确高效的压铸机液压系统仿真模型。为简化仿真模型，使用普通比例流量阀代替插装式比例流量阀，使用流量反馈调节的调速电机加定量泵模拟实际压铸机的伺服系统；通过外部应用程序接口进行amesim与c语言联合仿真；并设置延时模块起延时作用；通过设置功耗采集计算装置，利用式(2)～式(7)计算压铸机各部分的功率与能耗。s103.对仿真模型进行模拟分析所述压铸机的压铸过程，并选用所述压铸机进行实验验证。请参阅图4，为本申请一实施例提供的一种基于数值仿真的压铸机性能评估方法中仿真模型建立的流程示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：在其中一实施例中，所述仿真模型建立的具体步骤为：s1031.设置仿真模型按照压铸机的动作流程依序执行各动作；请参阅图5，为本申请一实施例提供的一种基于数值仿真的压铸机性能评估方法中压铸机的动作流程周期图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：在其中一实施例中，压铸机的动作流程包括：合模、慢压射、快压射、增压、回锤、开模、顶出、顶退以及储能。具体地，在压铸机的动作流程中，合模动作后包括金属液浇注时间，快压射动作后包括金属液冷凝时间，回锤动作后包括压铸件冷却时间；其中除增压阶段以压力为响应信号外，其他阶段均以位移为响应信号。s1032.采用比例-积分-微分控制算法对压铸机的压射和增压动作进行调节；请参阅图6，为本申请一实施例提供的一种基于数值仿真的压铸机性能评估方法中压铸机的压射速度和压射压力的曲线图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：具体地，为保障压铸机系统中各压铸件的产品质量，需要对压铸机压射阶段中压射速度与增压压力进行精确控制，压射阶段包括慢压射和快压射，采用比例-积分-微分(pid)控制算法控制慢压射速度v1、快压射速度v2与增压压力p3，速度或压力的设定值与当前值的差经过pid模块后作用在流量或压力控制阀上，调节液压阀的开度即可实现精确控制压射速度与增压压力的目的；其中，慢压射速度v1通常为0.1～0.5m/s；快压射速度v2通常为1～10m/s，本实施例中采用的压铸机最大增压压力约为330bar。s1033.获取压铸机的实测能耗数据，与仿真模型进行比较，以验证仿真模型。请参阅图7，为本申请一实施例提供的一种基于数值仿真的压铸机性能评估方法中仿真模型验证的流程示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：在其中一实施例中，获取压铸机的实测能耗数据，与仿真模型进行比较，以验证仿真模型具体包括：s1331.对压铸机中各运行参数进行设置后，启动压铸机空载运行。具体地，压铸机选取dcc2000型号的冷室压铸机进行能耗测试实验，测试仪器安装好后，按照行业标准《jb/t12554-2016压铸机能耗测定方法》的规定设置压铸机中的各运行参数，启动压铸机空载运行。s1332.记录压铸机运行过程中的有功功率，获取实测功率曲线。具体地，在压铸机运行的过程中，用电能测试仪记录压铸机有功功率，以获取实测功率曲线。s1333.在仿真模型中设置与压铸机中相同的运行参数，进行模拟仿真。具体地，在压铸机液压系统仿真模型中设置与压铸机相同的运行参数，对仿真模型进行模拟仿真。s1334.计算仿真模型中压铸机的有功功率，获取仿真功率曲线。具体地，在仿真模型运行的过程中，计算仿真模型中压铸机运行过程中的有功功率，以获取实测功率曲线。s1335.对实测功率曲线和仿真功率曲线进行对比，以验证仿真模型。请参阅图8，为本申请一实施例提供的一种基于数值仿真的压铸机性能评估方法中实测功率和仿真功率的曲线图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：具体地，压铸机工作一周期时间约为41s，取压铸机稳定工作之后的某一周期的实测功率曲线与仿真功率曲线进行对比，由于压铸机是空载运行，故合模动作和开模动作能耗较高，由图8可知，仿真功率曲线与实测功率曲线基本吻合，其功率大小、峰值出现时间、变化趋势也比较接近，误差较小，较好地反应了压铸机运行过程中的功耗情况，验证了仿真模型的准确性，因此，该仿真模型可有效的评估压铸机的能耗特性与能效等级。s104.获取所述压铸机各部件的功率与能耗情况，以对压铸机液压系统的能耗等级进行评估。具体地，进行压铸机能耗测试仿真实验，在仿真模型中按照标准《jb/t12554-2016压铸机能耗测定方法》的规定设置仿真工艺参数，运行仿真模型，待仿真模型稳定运行后，测算并记录仿真模型中压铸机20个周期的能耗数据。进行压铸机能耗实际测试实验，压铸机的设备参数与仿真模型中各参数相同，开动压铸机，待压铸机稳定运行后，记录压铸机空载加工20个周期的能耗数据。仿真测试结果与实验测试结果如表1所示。表1压铸机能耗的仿真测试数据和实验测试数据测试参数仿真值实验值有功电能消耗e/kw·h11.343110.4613循环次数n/模次2020功率因数cosφ——0.78一次空循环时间t/s4141由于仿真模型无法测算功率因素，因此取仿真功率因素与实验功率因素相同，均为0.78。按照《jb/t12554-2016压铸机能耗测定方法》的规定对测试数据进行处理，计算出单模次能耗与比能耗。根据比能耗的计算结果按照《jb/t13248-2018压铸机能效等级及评定方法》的指标对被测压铸机能效等级进行评估，结果如表2所示。表2压铸机能效的仿真等级和实验等级参数名称仿真值实验值整机电能消耗e/kw·h14.542413.4119单模次能耗ed/(kwh/模次)0.72710.6706比能耗eb/(kwh/kn模次)3.636×10-53.353×10-5能效等级eb3级2级根据表2的实验结果可知，压铸机能效等级实验测定为2级，仿真测定为3级。实验测定和仿真测定的能效等级虽然不同，但二者在比能耗数值上仅相差8％，差距较小，在可接受范围内，因其处于能效等级变化的临界点，故能效等级不同，因此，本方案中仿真评估的仿真结果有一定的准确性与参考价值。与实验法相比，仿真评估的方法虽然准确度略有下降，但本方案中的仿真评估方法简单有效且成本低，可以在压铸机成品制造出来之前对压铸机能耗与能效进行预判，故对压铸机的结构、参数优化具有一定指导意义。请参阅图9，为本申请另一实施例提供的一种基于数值仿真的压铸机性能评估系统的模块结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：在其中一实施例中，一种基于数值仿真的压铸机性能评估系统，包括：能耗数字模型建立模块100，用于建立压铸机的能耗数字模型；仿真模型建立模块200，用于根据能耗数字模型建立压铸机液压系统的仿真模型；验证模块300，用于对仿真模型进行模拟分析压铸机的压铸过程，并选用压铸机进行实验验证；评估模块400，获取压铸机各部件的功率与能耗情况，以对压铸机液压系统的能耗等级进行评估。需要说明的是，本实施例中的一种基于数值仿真的压铸机性能评估系统，是上述一种基于数值仿真的压铸机性能评估方法对应的评估系统的实施例，因此关于评估系统的各模块中软件方法的具体实现，可参照图1-图8的实施例，此处不再详细赘述。综上所述，本实施例中的一种基于数值仿真的压铸机性能评估方法及评估方法，通过数值仿真的方式，在压铸机成品制造出来之前对压铸机能耗进行预判，简单有效、周期短且成本低，对压铸机的结构、参数优化具备一定指导意义。在本文对各种器件、电路、装置、系统和/或方法描述了各种实施方式。阐述了很多特定的细节以提供对如在说明书中描述的和在附图中示出的实施方式的总结构、功能、制造和使用的彻底理解。然而本领域中的技术人员将理解，实施方式可在没有这样的特定细节的情况下被实施。在其它实例中，详细描述了公知的操作、部件和元件，以免使在说明书中的实施方式难以理解。本领域中的技术人员将理解，在本文和所示的实施方式是非限制性例子，且因此可认识到，在本文公开的特定的结构和功能细节可以是代表性的且并不一定限制实施方式的范围。以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。当前第1页12