低速而高效
第一臺新式驅動壓機于2015 年投產(圖1)，當時這臺壓機原本是為了測試而研發(fā)的，但是憑借其卓越的性能很快被客戶選中。在經過2500 萬次打擊頻次后，其能量消耗比傳統(tǒng)的壓機減少了約20%。為了充分挖掘諸如此類的新潛力，西馬克集團開始尋求新的驅動系統(tǒng)方案，從而逐步形成利用力矩電機的理念，其特點是在低旋轉速率下可以產生非常高的扭矩。通過這一應用，力矩電機可以取代傳統(tǒng)伺服電機并減少傳動系統(tǒng)的復雜性。
匯集經驗與智慧
乍一看，新式壓機的驅動系統(tǒng)與配有離合和飛輪的傳統(tǒng)壓機驅動系統(tǒng)非常相似，但其系統(tǒng)的獨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，它采用力矩電機直接與偏心軸相連進行加速。當偏心軸的轉速與飛輪速度達到一致時，離合器直接閉合而無任何摩擦損耗。成形所需的能量由飛輪提供，在鍛造完成后，離合器脫離。為了減速驅動系統(tǒng)，力矩電機切換至發(fā)電機模式，能量將反饋回電網或者轉化為恢復飛輪速度的補充能量。對于傳統(tǒng)的壓機，這部分能量不得不損失掉，但是西馬克集團的壓機可以對此進行再次利用。
飛輪本身也由一臺力矩電機進行加速、保持速度以及減速。這個概念也可實現飛輪的快速啟動和停止，從而在處理模具干預時節(jié)約了寶貴的時間。新式驅動也分離了動作次序，在以前，動作次序必須要保持直接連續(xù)性，該驅動系統(tǒng)賦予了工藝極大的自由度，客戶也由此受益，例如延長了轉移時間窗口就是帶來的好處之一，如圖2 所示，在節(jié)拍為每分鐘30次時的距離和時間曲線，與傳統(tǒng)的伺服壓機相比，MEERtorque®驅動系統(tǒng)可實現更短的鍛造時間和更長的轉移時間窗口。
西馬克集團堅持飛輪概念
隨著新式壓機的更迭，西馬克集團一直堅持通過內建飛輪系統(tǒng)實現設計的多樣化。他們堅信飛輪系統(tǒng)依然是提供能量最高效的方式，而其他的伺服壓機沒有飛輪，能量輸入高達兆瓦級別，所有能量均需要來自主電機。這會產生電壓峰值并導致最終產品更高的能量消耗。而西馬克集團的系統(tǒng)也有峰值，但是保持在變頻器的中間電路當中，沒有對主電機等異常的外部沖擊。“非傳統(tǒng)伺服壓機”的理念誕生于2014 年。有了這臺壓機，除了提高效率之外，西馬克集團的目標還在于更加方便的維護和進一步降低成本，從而使用戶受益。根據Scholles 的統(tǒng)計，由于該系統(tǒng)的磨損率極其低，這一目標確實實現了。設備也不再需要對整套進行組裝，比如制動器，制動只需用到電機。此外，離合器僅在偏心軸與飛輪速度同步時才啟動，其尺寸可以更小，幾乎沒有任何磨損。由于使用了力矩電機，無需復雜的齒輪傳動系統(tǒng)，所有這些優(yōu)勢最終都得以實現。
輾環(huán)機的電液直驅系統(tǒng)
在環(huán)件軋制過程中有一半的時間設備是停止的，因為這個時候是上料或下料的時間，或者是操作人員不得不等待坯料完成加熱。為了減少相對高的輔助循環(huán)時間帶來的能量損失，西馬克集團的專家提出了使用電液直驅的想法，用在輾環(huán)機上。輾環(huán)機的電液直驅系統(tǒng)這一新的理念在許多方面都同時獲得了成功，它實現了西馬克集團為自身設定的目標——與客戶合作、為客戶想要生產的產品找到最具性價比的解決方案。新開發(fā)的輾環(huán)機于2016 年投放市場，到目前為止已經銷售出軋制力為100 噸、200 噸和1000 噸的此類型輾環(huán)機。
精準控制的運動
在電液直驅系統(tǒng)里，一臺電機驅動一個泵，直接轉化為液壓缸的動作。如果泵的轉速降低，能源消耗和噪聲水平也會顯著下降。在輾環(huán)機上，這些驅動直接安裝在環(huán)軋的運動軸上。這意味著他們能夠受到極其精確的控制，在動作中不會損失任何所施加的軋制力。在運動軸靜止的時候，泵減速，此時電機不再消耗任何能量。因此，所需的驅動功率會降低25%到40%，噪聲也會降低15%。相比于傳統(tǒng)輾環(huán)機，這種全新理念的輾環(huán)機RAWEH 的另一個主要優(yōu)勢是具有更低的投資和運行成本。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房間；花費高昂且需要大量勞動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環(huán)境污染的危險。這一理念融合了迄今為止已建成的500 多臺輾環(huán)機的專業(yè)知識。從緊湊的電液直驅系統(tǒng)的使用中獲得的經驗，表明運動軸的位置和力都能得到很好的控制。所用零部件數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(圖3)是為新進入輾環(huán)領域的生產商和環(huán)件制造車間開發(fā)的，具有5 個規(guī)格，軋制力從63 噸到125 噸。這種RAW ecompact®輾環(huán)機擁有西馬克集團Ecoplants 的生態(tài)設備標簽，這是公司授予高效設備解決方案的標志。
可轉化的理念
這些創(chuàng)新并不意味著西馬克集團的工程師或者客戶需要做出重大改變。操作人員不會覺得有任何不同，設備的外觀和操作感覺仍然與傳統(tǒng)輾環(huán)機一樣。西馬克集團需要對維護人員進行培訓，但是對于傳統(tǒng)輾環(huán)機驅動單元也同樣需要培訓。在機械設備方面，其他類型的油缸被安裝到不同的設備位置上，但這些都是典型的修改。2014 年西馬克集團開發(fā)了在2000 噸環(huán)件制坯壓機上應用速度控制軸向柱塞泵的理念。每個油缸的驅動機構包括4 臺電機，這種原理的特別之處就是實際鍛造過程的供電與這個案例中提升和下降的動力供電是分開的。油缸作用面積可以由閥來控制：油缸作用面積在鍛造過程中很大，這樣能在低速下提供很高的鍛造力。在快速運動時，例如提升和下降，較小的油缸作用面積可以帶來小的壓力和更高的速度。壓機的運動方向是靠變換伺服電機的旋轉方向來實現的。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，而且將下降過程中運動質量的勢能轉化為電制動能量，就像壓機機架在卸載狀態(tài)下的減壓能量和彈性回彈能量一樣。這種能量被存儲在變頻器的中間回路并反饋給主干線。
結束語
西馬克集團采用的創(chuàng)新驅動理念已成功應用于模鍛壓機和輾環(huán)機，并成就了模鍛壓機和輾環(huán)機的又一次技術提升；實踐證明這一解決方案不僅提高了設備效率，而且降低了能耗和設備維護成本。未來，這一理念也將推廣到其他適用設備，為更多西馬克集團的客戶帶來收益。
