Электрическая формовочная машина

Когда слышишь ?электрическая формовочная машина?, первое, что приходит в голову многим — это просто замена гидропривода на сервопривод. Но если бы всё было так просто... На деле, это глубокая переработка всей кинематической схемы, и главная головная боль — не выбор двигателя, а обеспечение того самого момента формовки, который раньше давало давление масла. Тут часто ошибаются, думая, что главное — мощность. Нет, главное — управление моментом и его точное приложение в нужной точке цикла. Многие первые образцы на рынке страдали именно от этого: электродвигатель мог крутить, но не мог ?чувствовать? сопротивление смеси так, как это делает гидросистема через давление в линии.

От гидравлики к электрике: где кроется подвох?

Переход с гидравлики на электрику — это не простая замена одного узла другим. В гидравлической машине у тебя есть насос, создающий давление, и гидроцилиндр, который преобразует это давление в усилие. Система по своей природе ?податливая?: масло сжимаемо, есть упругость шлангов, и это, как ни странно, иногда играет на руку, сглаживая пиковые нагрузки. В электрической формовочной машине привод жёсткий. Серводвигатель через редуктор или прямо приводит в движение плиту. И вся инерция, вся жёсткость механической передачи обрушивается на подшипники и конструктив в момент соприкосновения с формой. Если не рассчитать динамику, не настроить контуры управления моментом и положением — будут постоянные поломки траверсы или перегревы двигателя.

Я видел несколько неудачных попыток на заводах. Ставили мощный сервопривод, но использовали старые алгоритмы управления от гидравлических контроллеров. Результат — рывки при подводе плиты, перерегулирование, и, как следствие, нестабильная плотность изделия. Особенно это критично для сложных смесей, где важна фаза предварительного уплотнения. Электрика требует другого подхода к программированию цикла. Нужно не просто задать скорость и давление, а прописать кривую усилия в зависимости от положения, и желательно — с обратной связью по току двигателя, как индикатору реального сопротивления.

И вот здесь часто всплывает вопрос о компонентах. Когда мы говорим о классике, то вспоминаем таких гигантов, как Bosch Rexroth, их гидравлические аксиально-поршневые насосы серии A10VSO. Надёжная работа, но сложная обвязка, масло, нагрев, шум. В электрической машине исчезает целый пласт проблем, связанных с гидравликой, но появляется зависимость от качества электромеханики и силовой электроники. Кстати, о компонентах. Есть компании, которые глубоко в теме гидравлики, и их опыт полезен для понимания самого процесса формовки. Например, ООО Викс Интеллектуальное Оборудование (Нинбо) на своём сайте https://www.vickshyd.ru демонстрирует глубокое знание в области гидрокомпонентов — от высоконапорных шестерённых насосов серии VG до инновационных ABT сервопластинчатых насосов. Понимание того, как работают эти системы, какие у них характеристики по давлению (те же 40 МПа у VG) и управляемости, помогает осознать, какие параметры нужно воспроизвести в электрическом приводе. Это не реклама, а констатация: чтобы сделать хорошую электрическую машину, нужно досконально понимать, что ты заменяешь.

Ключевые узлы: на чём нельзя экономить

Сердце электрической формовочной машины — это, конечно, серводвигатель и редуктор. Но часто упускают из виду систему охлаждения двигателя. В гидравлике тепло уносилось маслом через радиатор. Здесь же двигатель работает в режиме старт-стоп с большими пусковыми токами и часто в зоне низких скоростей с высоким моментом, что ведёт к значительному тепловыделению. Принудительное воздушное охлаждение иногда не справляется, особенно в цехах с высокой ambient-температурой. Видел случаи, когда заказчик сэкономил на встроенных водяных рубашках охлаждения, а потом машина уходила в аварию по перегреву каждую смену в летний период.

Второй критичный узел — направляющие траверсы. В гидравлических машинах из-за некоторой податливости системы вибрации гасились. В электрическом же, жёстком приводе, все вибрации передаются на направляющие. Если поставить обычные скользящие направляющие, их заклинит очень быстро. Только прецизионные роликовые направляющие с повышенным классом точности, да и то с обязательной системой смазки под высоким давлением. Это увеличивает стоимость, но без этого ресурс машины упадёт в разы.

И третий момент — система управления. Дешёвый ПЛК с базовыми функциями не подойдёт. Нужен контроллер, способный работать в режиме реального времени с сервоприводом, поддерживающий сложные профили движения (например, S-образную кривую разгона и торможения) и имеющий функцию адаптивного управления моментом. Хорошо, когда есть возможность в реальном времени мониторить ток двигателя и корректировать усилие прессования. Это уже уровень специализированных решений от Beckhoff, B&R или Siemens. Попытка сэкономить здесь приводит к тому, что машина работает, но не ?формует? — изделия получаются с разной плотностью от цикла к циклу.

Из практики: случай с песчано-смоляной смесью

Приведу пример из личного опыта. Завод по производству литейных форм хотел перевести участок на электрические машины. Смесь — классическая, песок со смолой, холодно-твердеющая. Казалось бы, ничего сложного. Поставили машину с хорошим сервоприводом. Но начались проблемы с облоем (выдавленной смесью по разъёму формы). На гидравлической машине оператор эмпирически выставлял давление и выдержку, и всё было нормально. На электрической — облой был то больше, то меньше.

Стали разбираться. Оказалось, что в гидравлической системе было небольшое, но важное ?продавливание? после достижения пикового давления, обусловленное упругостью масла и шлангов. Оно-то и обеспечивало финальное уплотнение в углах формы. Электрический привод, достигнув заданного положения/усилия, просто останавливался — жёстко. Не было этой финальной фазы ?дожима?. Пришлось дорабатывать программу: после основного хода на усилие вводилась короткая фаза (буквально 200-300 мс) управления по положению с очень медленным поджатием ещё на доли миллиметра. Это сымитировало эффект ?продавливания?. Проблема ушла. Этот случай хорошо показывает, что копировать нужно не параметры, а физику процесса.

К слову, о давлении. В гидравлике мы оперируем мегапаскалями. В электрике — ньютон-метрами. Прямого пересчёта нет, потому что нужно учитывать КПД редуктора, радиус кривошипа или параметры кулачка. Часто инженеры берут максимальное усилие гидроцилиндра, делят на плечо и получают требуемый момент. Но это статический расчёт. В динамике, при ударе плиты о смесь, возникают ударные нагрузки, которые могут в 1.5-2 раза превышать расчётные. Поэтому запас по моменту у серводвигателя должен быть солидным. Тут как раз пригодилось бы понимание, как ведут себя гидрокомпоненты под нагрузкой. На том же сайте vickshyd.ru в разделе компании указаны, например, плунжерные насосы высокого класса серии A4VSO. Их рабочие характеристики, диаграммы зависимости давления от расхода — это готовые данные о том, как должна вести себя система под нагрузкой. Перенести эти требования на электрический привод — уже половина дела.

Будущее и нишевое применение

Сейчас электрическая формовочная машина перестаёт быть экзотикой. Её главные козыри — энергоэффективность (нет постоянной работы гидронасоса), чистота (нет масла, которое может протечь), точность и повторяемость. Но массово вытеснять гидравлику она будет ещё не скоро, в основном из-за цены. Электрический привод с необходимым запасом по мощности и сложной системой управления стоит дорого.

Наиболее востребована электрика там, где нужна высокая точность и чистота процесса. Например, в производстве керамических изделий сложной формы, в формовке полимерно-композитных материалов, в фармацевтике. Там, где каждый грамм материала на счету и где загрязнение маслом недопустимо. Также она хороша для мелкосерийного производства, где часто происходит переналадка — перепрограммировать цикл на ПК быстрее и чище, чем перенастраивать гидравлические клапаны.

Однако для крупносерийного производства простых бетонных изделий, где главное — надёжность и простота, гидравлика пока вне конкуренции. Её проще обслуживать в полевых условиях, она более ремонтопригодна силами обычной механосервисной службы. Попытка поставить сложную электрическую машину в удалённом регионе может обернуться простоем в ожидании специалиста по сервоприводам.

В итоге, выбор между электрической и гидравлической машиной — это всегда компромисс между точностью, чистотой, стоимостью владения и эксплуатационной готовностью. Электрическая формовочная машина — это не панацея и не просто ?более современный? вариант. Это другой инструмент, со своей областью оптимального применения. И её успешное внедрение зависит не от слепого следования тренду, а от глубокого понимания технологии формовки, которое, в том числе, рождается из опыта работы с её гидравлическими предшественниками. Как раз тот опыт, который накоплен в компаниях, годами занимающихся гидравлическими компонентами, будь то гиганты вроде Bosch или более узкие, но глубокие игроки, такие как упомянутое ООО Викс Интеллектуальное Оборудование. Их каталоги и технические данные — это, по сути, учебник по тем силовым и динамическим требованиям, которые предъявляет процесс формовки к любому приводу, независимо от его природы.