谭善锋，辛建豪，李兆亮

（上汽通用五菱汽车股份有限公司青岛分公司，山东青岛 266555）

0 引言

曲轴是发动机中最重要的部件，它与连杆配合将活塞的直线运动转变为曲轴的旋转运动，驱动发动机上其他附件工作。曲轴在离心力、惯性力的共同作用下，承受弯曲扭转载荷。为保证工作可靠，曲轴需具有足够的刚度和强度，轴颈表面需耐磨、工作均匀、平衡性好。

为了达到轴颈表面的优越性能，曲轴采用磨床磨削各个轴径。随着磨削的不断深入，需依次采用四级冷却液压力冲洗砂轮及轴径结合面（图1）。

1 系统整体方案设计

为实现轴径表面圆度、粗糙度等工艺要求，四级冷却液压力需满足转换时间≤1 s，压力偏差≤0.05 MPa。根据系统要求，提出3 种方案。

方案一：定量冷却泵输出一定压力，多组电磁换向阀+调压阀调定压力。

方案二：定量冷却泵输出一定压力，电磁比例阀多级调定压力。

图1 四级冷却液压力

方案三：变频器控制冷却泵的转速，输出多级压力。

对以上3 种方案，通过查阅文献资料，进行现场调查，对比分析优缺点（表1）。

综合以上分析，方案一结构复杂，超出设备空间，方案二故障率高，维护成本增加，方案三压力转换慢，但可通过优化PID参数降低转换时间，满足转换时间≤1 s 的要求。所以选择方案三作为最终方案。

表1 整体方案对比

2 硬件的设计选型

使用变频器控制冷却泵，根据其功能，主要分为高压泵、电机、变频器3 部分。根据系统对冷却液的技术要求，设计选择最优组合。

2.1 高压泵的选型

高压泵需要满足以下技术指标：

（1）流量需求：高压泵的流量≥305 L/min。

（2）压力需求：高压泵输出压力≥2 MPa。

针对上述高压泵的技术要求，根据Knoll-KTS 选型参考手册，结合泵的性能曲线图选择最佳规格，最终选择Knoll 品牌KTS 50-100-T 高压泵。

2.2 电机的选型

电机需要满足以下技术指标。

（1）调速范围宽：电机的调速范围需要涵盖0.1～0.8 MPa 的压力区间。

（2）大扭矩、小惯量：满足两级压力切换时间要求≤1.0 s。

（3）高绝缘等级：电机连续低速运转，尾部散热风扇风量减少，散热效率变差，绝缘等级应为F 级以上。

（4）合适的性能参数：形状尺寸需满足与高压泵配合安装，功率参数需满足最大需求功率。

针对上述电机的技术要求，最终选择西门子1LE 10013DA234FB4 电机。

2.3 变频器的选型

变频器需要满足以下技术指标：

（1）低压调速性能好：当压力需求为0.1 MPa 时，电机的转速很低，需要使用保证电机低速稳定运转的变频器。

（2）兼容总线通信：PLC 通过总线向变频器发送指令，实现电机的启停和转速控制，变频器通过总线向PLC 反馈状态。结合PLC 现有的总线条件，变频器应含有Profibus 通信接口。

（3）优异的加减速性能：因为两级压力切换时间≤1.0 s，要求变频器具备优异的加减速性能，需要配备制动单元来辅助减速。

（4） 负载能力合适：额定输出功率需高于西门子1LE 10013DA434FB4 电机的额定功率。

综合以上要素，广泛查询选型资料后选定EMOTRON VFX48-03154CE—PAVNNNPAN 作为方案使用的变频器。

3 变频器控制方案

曲轴在磨削过程中，4 种冷却液压力依次转换，系统将需求压力实时传递到变频器，通过变频器控制高压泵的压力输出。针对该传递控制过程，提出3 种方案。

方案一：继电器开环控制：变频器预设4 种压力输出，系统利用继电器通断信号控制变频器选择不同的压力。

方案二：Profibus 总线开环控制：变频器预设4 种压力输出，系统通过总线将需求的压力传递给变频器，实现对应压力输出。

方案三：Profibus 总线闭环控制：在高压泵的输出端安装压力表实现压力监控，系统通过总线将需求的压力传递给变频器，变频器以压力表的读数作为负反馈信号，使用PID 算法控制泵的转速。

方案一与方案二原理简单、容易实现，但是需要标定变频器的4 种输出压力，随着系统硬件磨损变异等原因，输出压力出现偏移，需要重新标定。方案三调试相对困难，但压力输出稳定，不需要标定。最终选择方案三作为变频器的控制方案（图2）。

4 软件系统设计

4.1 硬件配置

图2 变频器控制方案

图3 配置变频器

图4 变频器逻辑控制

表2 冷却液压力记录

图5 PID 参数设置

将电机及高压泵安装在冷却液箱上方，通过管路连接将冷却液输送到机床加工仓内。管路末端安装压力表实时监控冷却液压力。为减少环境中湿气及油雾对变频器的影响，将变频器安装在电控柜中。变频器通过Profibus 总线与系统PLC 连接，输出端通过动力线与电机连接。为实现与系统需求压力的通信，在系统中对变频器进行配置，分配地址变量（图3）。

4.2 逻辑控制

根据系统设计，变频器需要实现以下功能：①控制电机的启动停止；②根据系统要求的切削液压力，输出不同的信号控制电机转速；③为了保护高压泵防止过载，变频器仅允许电机正转，不可反转；④为了保护高压泵防止过载，不磨削加工时打开切削液的卸荷阀。根据如上功能要求，设计变频器的逻辑控制程序（图4）。

4.3 PID 优化

PID 控制，即比例积分微分控制，它是根据给定值和实际输出值构成控制偏差，将偏差按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。在该系统中，将4 种冷却液压力作为给定值，预设存入变频器中。通过大量实验，对P、I、D 三个参数分别进行整定，得到稳定快速准确的压力响应输出，PID 参数设置如图5 所示。

5 效果验证

为了验证系统的实际效果，强制发出对4 种冷却液压力的需求，记录压力表的显示数值见表2。从表2 中可以看出，系统可以有效区分4 种冷却液压力，压力偏差最大0.035 MPa，满足≤0.05 MPa 的技术要求。利用Ladder Ⅲ软件监控冷却液压力的转换时间，最大响应时间0.66 s，满足≤1 s 的时间要求。系统投入使用后，连续跟踪3 个月未出现任何失效，运行稳定可靠。

6 结束语

利用变频器控制冷却泵的转速，可以实现多级冷却液压力的稳定准确输出。相比于传统的调压阀调定压力，该系统结构简单，可靠性高，并且由于从冷却泵端即已调定了压力，无后端调压阀造成的压力损失，节约了能源。