第一篇：變頻器及控制系統(tǒng)在煉鋼廠200噸鑄造吊車上的應用

變頻器及控制系統(tǒng)在煉鋼廠200噸鑄造吊車上的應用

作者：羅克韋爾自動化

摘 要：本文介紹了羅克韋爾自動化PowerFlex700S及控制系統(tǒng)在某煉鋼廠200噸鑄造吊車上的應用，通過實際運行檢驗，系統(tǒng)運行良好，穩(wěn)定可靠，完全滿足客戶的生產(chǎn)需求。

關鍵詞：羅克韋爾自動化 變頻器 煉鋼廠 鑄造吊車

引言

鑄造起重機用于冶金行業(yè)，其工作任務是為冶煉爐運送鋼水。一般有5大機構(gòu)：主起升，副起升、大車、主小車、副小車機構(gòu)。由于起重機的位能負荷特性有更為苛刻的安全要求，各機構(gòu)的大轉(zhuǎn)動慣量、短時工作、頻繁的起制動運行，對調(diào)速方案更加苛刻，近十年來隨著直接力矩控制理論的成熟及大功率矢量變頻器的成功制造，使得變頻調(diào)速技術(shù)在起重機上得以成功應用。但是，當采用變頻器傳動的起升機構(gòu)拖動位能性負載下放或平移機構(gòu)急減速、順風運行時，異步電動機將處于再生發(fā)電狀態(tài)，以往大部分都通過在中間直流回路設置電阻器，讓連續(xù)再生能量通過電阻器以發(fā)熱的形式消耗掉，這種方式稱為動力制動。本文介紹了采訪羅克韋爾自動化PowerFlex 700S變頻器及控制系統(tǒng)在煉鋼廠200噸鑄造吊車上的應用，同時由于采用羅克韋爾自動化的集成架構(gòu)控制系統(tǒng)及軟件，設計和調(diào)試都變得更簡單，為用戶節(jié)省了時間和人力。冶金起重機系統(tǒng)簡介

本起重機為“冶金鑄造起重機”，代號為“YZ200/65t-19m A7”。主鉤負荷200噸，副鉤負荷65噸，跨度為19m，為四梁結(jié)構(gòu)，分上下小車。

主起升部分包括兩臺250kW電機，三臺減速機；每一臺電機有兩個制動器，制動器形式為液壓推桿式；此主起升機構(gòu)的減速機為冶金鑄造用棘輪棘爪減速機，兩臺電機輸出到棘輪棘爪減速機，再通過棘輪棘爪減速機輸出到兩臺普通減速機，通過兩臺普通減速機控制兩臺鋼絲繩卷筒，每個卷筒上安裝兩根鋼絲繩，總計四根，通過四根鋼絲繩帶動下面的吊具（吊鋼包的板鉤）。副起升為一臺160kW電機驅(qū)動，利用兩臺液壓推桿減速機進行制動。

主小車部分為兩臺22kW電機分別驅(qū)動兩邊的減速機以帶動車輪旋轉(zhuǎn)，通過每臺電機一個液壓推桿制動器進行制動。副小車運行電機為一臺15kW電機帶動一臺減速機進行驅(qū)動兩邊的車輪進行工作，通過一個制動器進行制動。大車部分為四角四臺45kW電機分別驅(qū)動四臺減速機，帶動各部分的車輪進行工作，每個電機上面一臺制動器。羅克韋爾自動化PowerFlex 700S變頻器

PowerFlex700S是羅克韋爾自動化公司推出的高性能系統(tǒng)型變頻器，它采用書本式結(jié)構(gòu)設計，零間距安裝（Zero Stacking?)，大大減少了變頻器安裝空間，從而節(jié)省大量的盤柜安裝空間，節(jié)約成套成本和安裝成本。內(nèi)置了輸入EMC濾波器，直流母線電抗器和輸出共模濾波器，同時160kW以下變頻器內(nèi)置了制動單元，大大方便了用戶的選型。因現(xiàn)場故障而需更換變頻器時，PowerFlex700S的可插拔控制端子排可以幫助客戶輕而易舉地恢復控制線路。虛擬背板概念使得程序具有可移植其他Logix平臺的能力，實現(xiàn)NetLinx?體系結(jié)構(gòu)的無縫集成和直接通訊驅(qū)動。

PowerFlex 700S采用是自有專利的、FORCETM磁通矢量控制技術(shù)，加上速度閉環(huán)控制，確保負載始終處于受控狀態(tài)。PowerFlex 700S具有TorqProveTM力矩校驗功能，TorqProveTM確保停車后機械報閘可靠的控制負載，和當收到運行命令，機械抱閘打開時變頻器能控制負載；TorqProveTM and Force TechnologyTM幫助消除人們對V/F標量型、傳統(tǒng)矢量型變頻器在抱閘時控制的不定因素的擔憂，并可以解決起重應用中的關鍵問題：

（1）溜鉤保護

當負載移動停止，機械抱閘閉合，變頻器將斜坡降低輸出轉(zhuǎn)矩，同時監(jiān)測編碼器反饋，確認負載被控制。如果監(jiān)測到編碼器反饋有變化(溜鉤)，變頻器會馬上增加輸出轉(zhuǎn)矩，重新控制負載，按照預先設定的速度下放負載。變頻器會重復以上的周期，直到抱閘能控制負載或負載安全下放到地面。

（2）速度偏離保護（失速保護）

變頻器會連續(xù)的監(jiān)測速度命令和速度反饋，比較其偏差，如果偏差超出所允許的范圍，那么變頻器將變?yōu)楣收蠣顟B(tài)，同時，抱閘投入工作。

（3）輸出缺相保護

三相輸出接線端被監(jiān)測，確保輸出每有缺相。一旦TorqProve 使能，這項功能不能被屏閉。

（4）編碼器丟失

變頻器會連續(xù)的監(jiān)測編碼器反饋，確保編碼器工作正常。只要出現(xiàn)編碼器丟失變頻器馬上變?yōu)楣收蠣顟B(tài)，同時，抱閘投入工作。一旦TorqProve使能，這項功能必需使能.（5）基于負載大小的速度限制

允許高于基速運行（輕載時更快運行）；在基速時測量負載大小，若低于額定負載，則可超速。

PowerFlex 700S變頻器的力矩校驗時序圖如圖1所示。

以上所有的時間設置的分辯率為0.1秒

圖1 力矩校驗時序圖 冶金起重機系統(tǒng)控制方案

本系統(tǒng)全部采用羅克韋爾自動化公司生產(chǎn)的PowerFlex 700S變頻器，它采用ForceTM磁通矢量控制方式。這種控制方式采用實時計算的電動機轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速構(gòu)成轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)系統(tǒng)，其動、靜態(tài)精度高（速度控制精度高達±0.001%，轉(zhuǎn)矩控制精度高達±2%）；在轉(zhuǎn)矩響應方面，比非ForceTM控制方式變頻器快許多（轉(zhuǎn)矩響應響應時間≤5ms），并克服了傳統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)和轉(zhuǎn)矩開環(huán)變頻器低速段輸出轉(zhuǎn)矩不足的問題，其零速轉(zhuǎn)矩可達200%。這些特點充分保證了位能性負載的要求。

系統(tǒng)具體配置如下：大車行走機構(gòu)采用兩臺變頻器，分別驅(qū)動一臺電動機。其中一臺為主機，另一臺為從機。利用主從應用軟件，保證兩臺電動機的速度同步和負荷平衡，防止大梁扭動和啃軌。小車機構(gòu)變頻器采用一臺變頻器。主起升機構(gòu)和副起升機構(gòu)，分別采用一臺變頻器，并分別采用一臺光電編碼器，做速度反饋和控制檢測用。系統(tǒng)采用能耗制動的方式將連續(xù)再生能量消耗點實現(xiàn)制動。所有變頻器配有各類標準的現(xiàn)場總線接口。大車和小車的控制系統(tǒng)圖如圖2所示，主鉤和副鉤的控制系統(tǒng)圖如圖3所示。

圖2 大車和小車的控制系統(tǒng)圖

圖3 主鉤和副鉤的控制系統(tǒng)圖

兩臺主起升變頻器采用主從方式，通過光纖通訊方式傳遞力矩信號，采用力矩跟隨的方法保證兩臺電機出力均勻。采用力矩跟隨方式作負荷分配具有力矩分配精度高、動態(tài)響應快、調(diào)速范圍寬等優(yōu)點。力矩跟隨方式示意圖如圖4所示。

圖4 力矩跟隨方式示意圖

本系統(tǒng)采用Compact Logix作為核心控制器，采用工業(yè)控制現(xiàn)場總線，將PLC、遠程I/O、各機構(gòu)變頻器、觸摸屏聯(lián)結(jié)起來，減少電纜投資，減少接線和維護工作量，減少故障點。遠程I/O和觸摸屏安裝于司機室。接受操作人員的指令，顯示系統(tǒng)各種工況信息，以利于操作人員監(jiān)視、操作和方便維護人員故障診斷與維修。PLC安裝于控制柜內(nèi)。接收現(xiàn)場檢測器件的狀態(tài)信息、變頻器等狀態(tài)信息，控制系統(tǒng)運行。PLC控制柜、變頻控制柜，以及電阻制動柜安放在大梁上。

5結(jié)束語

本系統(tǒng)采用采用羅克韋爾自動化公司的Compact Logix作為核心控制器，與PowerFlex 700S高性能系統(tǒng)型變頻器一起組成一個高可靠性的系統(tǒng)，該冶金鑄造起重機經(jīng)一次調(diào)試成功，整機設備運行良好，完全能夠滿足客戶的生產(chǎn)需求。目前，此系統(tǒng)在實際工作環(huán)境中運行良好，十分穩(wěn)定。(end)

第二篇：1336系列變頻器在陽極焙燒多功能天車控制系統(tǒng)中應用

1336系列變頻器在陽極焙燒多功能天車控制系統(tǒng)中應用

多功能天車

變頻器

PLC

1引言

中鋁青海公司炭素廠四焙燒車間多功能天車是2005年從國外購進的陽極焙燒生產(chǎn)專用作業(yè)設備（如圖1所示），其電氣系統(tǒng)是采用SLC-5000系列可編程序控制器（Logix5550）進行網(wǎng)絡控制，大車、小車行走、碳塊夾具提升、卸料管及吸料管提升均采用1336系列變頻器調(diào)速控制，使整車實現(xiàn)了快速陽極運送和超低速在焙燒爐面作業(yè)（裝爐、清料和加料）的需要，又實現(xiàn)了準確對位、安全作業(yè)和高效率作業(yè)的要求，大幅提升了多功能天車綜合性能。通過多年實際應用結(jié)果，證明采用Logix5550和1336系列變頻器實現(xiàn)的整車控制系統(tǒng)，很好的解決了焙燒多功能天車運行中存在的多故障、電器件使用壽命短、易老化等實際問題（由于焙燒車間碳粉塵、瀝青煙濃度高，環(huán)境溫度高達58℃以上，對天車電氣控制器件工作穩(wěn)定性及使用壽命影響很大）。6年來該車所采用的電器件均工作良好，主要電氣控制器件均未出現(xiàn)過燒壞、工作性能變差等異?，F(xiàn)象。特別是變頻器的耐熱性、PLC的抗噪性及其它電器件的穩(wěn)定性，充分證明其質(zhì)量的優(yōu)越和性價比顯著高的特點。

2控制系統(tǒng)原理及配置

我廠四期陽極焙燒多功能天車是采用Logix5550控制器實現(xiàn)整車控制，大、小車、卸料、吸料管提升采用1336 PLUS II變頻器調(diào)速，1#、2#碳塊夾具提升采用1336 Impact變頻器調(diào)速，其主機與變頻器通過網(wǎng)絡實現(xiàn)控制和通訊，其整車系統(tǒng)配置如圖2所示。2.1 大車拖動控制系統(tǒng)

焙燒多功能天車大車設計為雙電機（22kW）拖動方式，為更好地滿足天車快速進行陽極運送要求，又能滿足準確定位和微動作業(yè)安全的需要，使大車的兩輪同步運行的目的。大車拖動2臺電機采用變頻器“一拖二”控制，變頻器選用1336 PLAS II變頻器，其變頻器控制及接線原理如圖3所示。

圖1 陽極焙燒多功能天車

圖2 多功能天車控制系統(tǒng)配置

圖3 大車變頻器接線原理圖

2.2 小車拖動控制系統(tǒng)

小車也設計為雙電機（11kW）拖動方式，其控制功能、方式和作業(yè)要求均與大車相同，其變頻器控制及接線原理如圖4所示。

圖4 小車變頻器接線原理圖

2.3 卸料管、吸料管提升控制系統(tǒng)

多功能天車卸料管和吸料管設計為單電機（5.2kW）拖動方式，由于其工作一般是在陽極焙燒爐上進行吸料或卸料作業(yè)，因此其料管升降要求十分緩慢，過快就會出現(xiàn)撞壞或掛壞焙燒爐壁等問題，造成較大破壞和損失。卸料管和吸料管提升拖動電機采用變頻器“一拖一”控制，變頻器為1336 PLAS II變頻器，其變頻器控制及接線原理如圖5所示。

圖5 卸料管/吸料管提升變頻器接線原理圖

2.4 碳塊夾具提升控制系統(tǒng)

多功能天車碳塊夾具分為1#、2#兩套，其夾具提升設計為單電機（45kW）拖動，其每套夾具一次運送6塊碳塊（860kg/塊），且作業(yè)面主要是進行陽極焙燒爐裝爐或出爐作業(yè)（焙燒爐裝陽極塊或出塊），其夾具升降必須微動作業(yè)，過快就會發(fā)生撞壞或掛壞爐壁等事故。夾具提升電機采用變頻器“一拖一”控制，變頻器為1336 Impact變頻器，其變頻器控制及接線原理如圖6所示。

圖6 夾具提升變頻器接線原理圖 變頻器配置及參數(shù)設定

3.1 大車驅(qū)動變頻器型號、配置及主要參數(shù)設定

（1）變頻器：1336F-B060-AE-EN（1336-plus II 380，460V）；（2）通訊界面：1202-C10；（3）制動單元：1336-WB110；（4）參數(shù)設定，如表1所示。

3.2 小車驅(qū)動變頻器型號、配置及主要參數(shù)設定

（1）變頻器：1336F-B030-AE-EN（1336-plus II 380/460V）;（2）通訊界面：1202-C10；（3）制動單元：1336-WB035；（4）參數(shù)設定，如表2所示。

3.3 吸料/卸料管提升變頻器型號、配置及主要參數(shù)設定（1）變頻器：1336F-BRF100-AE（1336-plus II，380V/460V）;（2）通訊界面：1202-C10；（3）制動單元：1336-WB009；（4）參數(shù)設定，如表3所示。

3.4 碳塊夾具(1#、2#)提升變頻器型號、配置及主要參數(shù)設定（1）變頻器：1336E-B060（1336-Impact 380,460v）;（2）通訊界面：1202-C10；（3）制動單元：1336-WB110；（4）參數(shù)設定，如表4所示。效果

此系統(tǒng)安裝投用以來，多功能天車一直運行良好，控制系統(tǒng)穩(wěn)定，設備故障非常低，從未發(fā)生過大的電氣器件燒壞或工作不穩(wěn)定等異常。6年多的實踐結(jié)果，充分證明基于1336系列變頻器實現(xiàn)的天車整車控制、大、小車拖動、卸料管提升、吸料管提升及夾具裝置提升等調(diào)速系統(tǒng)，工作十分可靠、穩(wěn)定，使天車的各項功能真正達到了微動和超低速的控制，大、小車定位更準確，卸料管、吸料管及夾具裝置提升平穩(wěn)，駕駛?cè)藛T操作方便，天車作業(yè)效率顯著提高（據(jù)統(tǒng)計，每班次工作量是國產(chǎn)同類設備的2~2.5倍以上）。其次，變頻器的平穩(wěn)、低電流的啟動或停車功能，有效地實現(xiàn)了天車柔性工作性能，從而大幅降低了天車機械損壞和沖擊力。尤其是其電氣方面，其效益和效果最為明顯和突出，主要具體如下：

（1）采用Logix5555控制器實現(xiàn)整車電氣控制系統(tǒng)，使硬件結(jié)構(gòu)接線簡單；通過編程實現(xiàn)控制功能、操作臺檔位邏輯互鎖和整車保護措施，使天車操作、作業(yè)更加可靠、準確、安全；整車控制電源采用24VDC，使天車的安全性得到充分保障。

（2）大、小車的行走采用變頻調(diào)速技術(shù)，使得啟、停過程平滑、定位準確，有利于焙燒陽極編組、碳塊裝爐、焙燒爐吸料和填充料添加等作業(yè)需要（微動操作和定位準確要求）。

（3）整車電氣系統(tǒng)應用大量的羅克韋爾自動化電機控制變頻器、PLC、顯示器等其它產(chǎn)品，通過網(wǎng)絡控制，使電機調(diào)速控制、保護功能和工作信息迅速得到傳輸，實現(xiàn)了操作人員在駕駛室內(nèi)，就能及時、準確了解到整車工作情況（如設備工作狀態(tài)、故障診斷、故障前報警等信息），同時也便于幫助維修人員了解異常信息和處理故障。

（4）1336 pulsⅡ系列變頻器具有調(diào)速范圍寬、靜態(tài)性好、啟動轉(zhuǎn)矩平緩、抗干擾能力強，十分適合機械拖動類設備的調(diào)速控制；1336 Impact系列變頻器具有啟動轉(zhuǎn)矩大、抗過載能力強，適合重載提升類設備的調(diào)速控制；長期使用效果證明，1336系列變頻器具有適用電網(wǎng)供電不穩(wěn)或瞬停的移動設備環(huán)境的特點。由于天車通常是采用移動滑觸式供電裝置，在較大負載或移動工作情況下，其電源不穩(wěn)定，會引起許多電器件工作異常問題。

（5）高海拔條件下工作穩(wěn)定。由于我廠位于2300多米的高海拔地區(qū)，許多廠家的變頻器在高海拔環(huán)境下，其使用過程中，會出現(xiàn)變頻器過熱、易燒壞和工作不穩(wěn)定等現(xiàn)象。但1336系列變頻器在長期使用中，卻一直工作穩(wěn)定、良好。

（6）抗噪性、耐高溫能力均十分顯著。鋁電解陽極焙燒廠房內(nèi)溫度高（夏季溫度高達58℃以上）、粉塵多（碳粉末、瀝青煙氣）環(huán)境惡劣。其次焙燒車間工作連續(xù)作業(yè)性強。Logix5555控制器和1336系列變頻器長期在這種條件下工作，從未出現(xiàn)過工作異?，F(xiàn)象和器件易老化問題。（7）使用過程中，設備維修費用低。投入使用6年來，除了天車上常用器件因機械方面被撞壞或掛壞外，其它電氣控制器件均工作良好，電器件使用壽命很長。據(jù)維修費用統(tǒng)計，這臺多功能天車每年平均維修費用只有7.2萬/臺（其中機械方面消耗費用為5.7萬元以上），是國產(chǎn)同類天車維修費用的1/19。結(jié)束語

我廠四期陽極焙燒多功能天車采用Logix5550控制器、1336系列變頻器和panel view1000終端顯示器等自動化產(chǎn)品構(gòu)建的控制系統(tǒng)，其優(yōu)良的產(chǎn)品和技術(shù)，使天車控制和功能更加先進；天車此2005年投運至今，一直工作穩(wěn)定可靠、故障率低、維護量小；整套系統(tǒng)自動化水平高、操作方便、報警準確等特點，達到了安全控制水平。實踐證明，高性價比的羅克韋爾電氣產(chǎn)品是自動化控制系統(tǒng)及應用領域首選的產(chǎn)品。

更多請訪問：中國自動化網(wǎng)(http://004km.cn)

韓敏

第三篇：變頻器在提升機上的應用

河南遠航工控設備有限公司 竭誠為您服務 礦井提升機的變頻調(diào)速改造

一、概況

礦井提升機是煤礦，有色金屬礦生產(chǎn)過程中的重要設備。提升機的安全、可靠運行，直接關系到企業(yè)的生產(chǎn)狀況和經(jīng)濟效益。某煤礦井下采煤，采好的煤通過斜井用提升機將煤車拖到地面上來。煤車廂與火車的運貨車廂類似，只不過高度和體積小一些。在井口有一絞車提升機，由電機經(jīng)減速器帶動卷筒旋轉(zhuǎn)，鋼絲繩在卷筒上纏繞數(shù)周，其兩端分別掛上一列煤車車廂，在電機的驅(qū)動下將裝滿煤的一列車從斜井拖上來，同時把一列空車從斜井放下去，空車起著平衡負載的作用，任何時候總有一列重車上行，不會出現(xiàn)空行程，電機總是處于電動狀態(tài)。這種拖動系統(tǒng)要求電機頻繁的正、反轉(zhuǎn)起動，減速制動，而且電機的轉(zhuǎn)速一定規(guī)律變化。斜井提升機的機械結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。斜井提升機的動力由繞線式電機提供，采用轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速。提升機的基本參數(shù)是：電機功率55kW，卷筒直徑1200mm，減速器減速比24︰1，最高運行速度2.5m/s，鋼絲繩長度為120m。

目前，大多數(shù)中、小型礦井采用斜井絞車提升，傳統(tǒng)斜井提升機普遍采用交流繞線式電機串電阻調(diào)速系統(tǒng)，電阻的投切用繼電器—交流接觸器控制。這種控制系統(tǒng)由于調(diào)速過程中交流接觸器動作頻繁，設備運行的時間較長，交流接觸器主觸頭易氧化，引發(fā)設備故障。另外，提升機在減速和爬行階段的速度控制性能較差，經(jīng)常會造成停車位置不準確。提升機頻繁的起動﹑調(diào)速和制動，在轉(zhuǎn)子外電路所串電阻的上產(chǎn)生相當大的功耗。這種交流繞線式電機串電阻調(diào)速系統(tǒng)屬于有級調(diào)速，調(diào)速的平滑性差；低速時機械特性較軟，靜差率較大；電阻上消耗的轉(zhuǎn)差功率大，節(jié)能較差；起動過程和調(diào)速換擋過程中電流沖擊大；中高速運行震動大，安全性較差。

攜手遠航 共創(chuàng)輝煌 電話：0371-67250191/192/193 傳真：0371-67250102熱線：*** 河南遠航工控設備有限公司 竭誠為您服務

二、改造方案

為克服傳統(tǒng)交流繞線式電機串電阻調(diào)速系統(tǒng)的缺點，采用變頻調(diào)速技術(shù)改造提升機，可以實現(xiàn)全頻率（0~50Hz）范圍內(nèi)的恒轉(zhuǎn)矩控制。對再生能量的處理，可采用價格低廉的能耗制動方案或節(jié)能更加顯著的回饋制動方案。為安全性考慮，液壓機械制動需要保留，并在設計過程中對液壓機械制動和變頻器的制動加以整合。礦井提升機變頻調(diào)速方案如圖2所示：

圖2 礦井提升機變頻調(diào)速方案

攜手遠航 共創(chuàng)輝煌 電話：0371-67250191/192/193 傳真：0371-67250102熱線：*** 河南遠航工控設備有限公司 竭誠為您服務 考慮到繞線式電動機比鼠籠式電動機的力矩大，且過載能力強，所以仍用原來的4極160kW繞線式電機，在用變頻器驅(qū)動時需將轉(zhuǎn)子三根引出線短接。提升機在運行過程中，井下和井口必須用信號進行聯(lián)絡，信號未經(jīng)確認，提升機不能運行。為顯示運行時車廂的位置，使用E6C3-CS5C 40P旋轉(zhuǎn)編碼器，即電機旋轉(zhuǎn)1圈旋轉(zhuǎn)編碼器產(chǎn)生40個脈沖，這樣每兩個脈沖對應車廂走過的距離為1200。則與實際距離的誤差值為4-3.9=0.027mm，卷筒運行一圈誤差為0.027，已知鋼絲繩長度為120m，如果兩個脈沖對應車廂走過的距離用近似值3.9mm計算，120m全程誤差為120000。再考慮到實際檢測過程中有一個脈沖的誤差，則最大的誤差在821mm~829mm之間，對于數(shù)十米長的車廂來說誤差范圍不到1米，精度足夠。因此，用計數(shù)器實時統(tǒng)計旋轉(zhuǎn)編碼器發(fā)出的脈沖個數(shù)，則可計算出車廂的位置并用顯示器顯示。另外一個問題是計數(shù)過程中有無累計誤差存在？實際檢測時，在一個提升過程開始前，首先將計數(shù)器復位，第一個重車廂經(jīng)過某個位置時，打開計數(shù)器計數(shù)，車廂在斜井中的位置以此點為基準計算，沒有累計誤差。在操作臺上，用SWP-AC系列智能型交流電壓/電流數(shù)字儀表顯示交流電壓和電機工作電流，用智能型數(shù)字儀表顯示提升次數(shù)和車廂的位置。

三、方案實施

斜井提升負載是典型的摩檫性負載，即恒轉(zhuǎn)矩特性負載。重車上行時，電機的電磁轉(zhuǎn)矩必須克服負載阻轉(zhuǎn)矩，起動時還要克服一定的靜摩檫力矩，電機處于電動工作狀態(tài)，且工作于第一象限。在重車減速時，雖然重車在斜井面上有一向下的分力，但重車的減速時間較短，電機仍會處于再生狀態(tài)，工作于第二象限。當另一列重車上行時，電機處于反向電動狀態(tài)，工作在第三象限和第四象限。另外，有占總運行時間10%的時候單獨運送工具或器材到井下時，電機純粹處于第二或第四象限，此時電機長時間處于再生發(fā)電狀態(tài)，需要進行有效的制動。用能耗制動方式必將消耗大量的電能；用回饋制動方式，可節(jié)省這部分電能。但是，回饋制動單元的價格較高，考慮到單獨運送工具或器材到井下僅占總運行時間的10%，為此選用價格低廉的能耗制動單元加能耗電阻的制動方案。

攜手遠航 共創(chuàng)輝煌 電話：0371-67250191/192/193 傳真：0371-67250102熱線：*** 河南遠航工控設備有限公司 竭誠為您服務 提升機的負載特性為恒轉(zhuǎn)矩位能負載，起動力矩較大，選用變頻器時適當?shù)亓粲杏嗔?，因此，寶米勒MC200G1850T4 185KW變頻器。由于提升機電機絕大部分時間都處于電動狀態(tài)，僅在少數(shù)時間有再生能量產(chǎn)生，變頻器接入一制動單元和制動電阻，就可以滿足重車下行時的再生制動，實現(xiàn)平穩(wěn)的下行。井口還有一個液壓機械制動器，類似電磁抱閘，此制動器用于重車靜止時的制動，特別是重車停在斜井的斜坡上，必須有液壓機械制動器制動。液壓機械制動器受PLC和變頻器共同控制，機械制動是否制動受變頻器頻率到達端口的控制，起動時當變頻器的輸出頻率達到設定值，例如0.2Hz，變頻器KB、KA端口輸出信號，表示電機轉(zhuǎn)矩已足夠大，打開液壓機械制動器，重車可上行；減速過程中，當變頻器的頻率下降到0.2Hz時，表示電機轉(zhuǎn)矩已較小，液壓機械制動器制動停車。緊急情況時，按下緊急停車按鈕，變頻器能耗制動和液壓機械制動器同時起作用，使提升機在盡量短的時間內(nèi)停車。

提升機傳統(tǒng)的操作方式為，操作工人坐在煤礦井口操作臺前，手握操縱桿控制電機正﹑反轉(zhuǎn)個三擋速度。為適應操作工人這種操作方式，變頻器采用多段速度設置，X1、X2設為正反轉(zhuǎn)，X3、X4、X5可設擋速度。變頻調(diào)速原理圖如圖3所示：

變頻器的設置詳請參見MC200T系列變頻器用戶手冊。

四、提升機工作過程

提升機經(jīng)過變頻調(diào)速改造后，系統(tǒng)的工作過程阿盛大的變化。操縱桿控制電機無極調(diào)速。不管電機正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，都是從礦井中將煤拖到地面上來，電機工作在正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)電動狀態(tài)，只有在滿載拖車快接近井口時，需要減速并制動，提升機工作時序圖如圖4所示：

攜手遠航 共創(chuàng)輝煌 電話：0371-67250191/192/193 傳真：0371-67250102熱線：*** 河南遠航工控設備有限公司 竭誠為您服務

圖4 提升機工作時序圖

圖4中，提升機無論正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)其工作過程是相同的，都有起動、加速、中速運行、穩(wěn)定運行、減速、低速運行、制動停車等七個階段。每提升一次運行的時間，與系統(tǒng)的運行速度，加速度及斜井的深度有關，各段加速度的大小，根據(jù)工藝情況確定，運行的時間由操作工人根據(jù)現(xiàn)場的狀況自定。圖中各個階段的工作情況說明如下：

（1）第一階段0～ｔ1：串車車廂在井底工作面裝滿煤后，發(fā)一個聯(lián)絡信號給井口提升機操作工人，操作工人在回復一個信號到井底，然后開機提升。重車從井底開始上行，空車同時在井口車場位置開始下行。

（2）第二階段 t1～t2：重車起動后，加速到變頻器的頻率為f2速度運行，中速運行的時間較短，只是一過渡段，加速時間內(nèi)設備如果沒有問題，立即再加速到正常運行速度。

（3）第三階段 t2～t3：再加速段。

（4）第四階段 t3～t4：重車以變頻器頻率為f3的最大速度穩(wěn)定運行，一般，這段過程最長。（5）第五階段 t4～t5：操作工人看到重車快到井口時立即減速，如減速時間設置較短時，變頻器制動單元和制動電阻起作用，不致因減速過快跳閘。

（6）第六階段 t5～t6：重車減速到低速以變頻器頻率為f1速度低速爬行，便于在規(guī)定的位置停車。

攜手遠航 共創(chuàng)輝煌 電話：0371-67250191/192/193 傳真：0371-67250102熱線：*** 河南遠航工控設備有限公司 竭誠為您服務（7）第七階段 t6～t7：快到停車位置時，變頻器立即停車，重車減速到零，操作工人發(fā)一個聯(lián)絡信號到井下，整個提升過程結(jié)束。

以上為人工操作程序，也可按PLC自動操作程序工作。圖中加速和減速段的時間均在變頻器上設置。

五、結(jié)語

繞線式電機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，電阻上消耗大量的轉(zhuǎn)差功率，速度越低，消耗的轉(zhuǎn)差功率越大。使用變頻調(diào)速，是一種不耗能的高效的調(diào)速方式。提升機絕大部分時間都處在電動狀態(tài)，節(jié)能十分顯著，經(jīng)測算節(jié)能30%以上、取得了很好的經(jīng)濟效益。另外，提升機變頻調(diào)速后，系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和安全性得到大大的提高，減少了運行故障和停工工時，節(jié)省了人力和物力，提高了運煤能力，間接的經(jīng)濟效益也很可觀。

攜手遠航 共創(chuàng)輝煌 電話：0371-67250191/192/193 傳真：0371-67250102熱線：***

第四篇：輕量化在汽車上的應用

輕量化在汽車上的應用

一、輕量化”是新能源汽車發(fā)展方向之一

■ 輕量化是新能源汽車發(fā)展方向

汽車輕量化設計，不僅帶來油耗降低，更能促進綜合性能的全面提升?？萍疾坎块L萬鋼強調(diào)了“輕量化”是中國電動汽車的發(fā)展方向之一。

德國聯(lián)邦經(jīng)濟與能源部委托德國工程師協(xié)會（VDI）編制的2015年《德國輕量化現(xiàn)狀盤點》研究報告中指出，輕量化對汽車制造業(yè)等許多行業(yè)意義深遠，它決定了德國工業(yè)在未來的全球市場中是否能以創(chuàng)新、高能效和資源節(jié)約型的產(chǎn)品取得統(tǒng)治地位。

研究表明，在市區(qū)的運行工況下，平均車重1600kg的電動車如果減重20%，能量消耗可以減少15%。如果采用增加電池來增加行駛里程，成本往往會非常高。

有關專家認為，在電池技術(shù)短期內(nèi)難有重大突破的情況下，電動汽車迫切需要采用輕量化技術(shù)來降低重量，以減輕電池增重的壓力。

■ 新能源汽車輕量化設計有多種趨勢

新能源汽車企業(yè)正在做輕量化設計，北汽、長安走在前列，奇瑞、江淮、吉利等也都非常重視。目前正在探討新能源汽車輕量化的路線，比如，整車包括車身輕量化、全新架構(gòu)底盤輕量化、電池系統(tǒng)輕量化以及車身內(nèi)外飾與電子電器等；材料方面包括復合材料及成形工藝、輕質(zhì)鋁合金及成形工藝、高強度鋼及成形工藝、輕質(zhì)鎂合金及成形工藝等。

未來新能源汽車輕量化將車身高強鋼化和全鋁車身兩條路線并行，2020年先進高強鋼比例達到國際先進水平和應用全鋁車身。

汽車車身輕量化的發(fā)展趨勢是混合多材料設計。碳纖維混合材料車身不僅能夠承重，而且更安全。至于目前存在的成本高問題，碳纖維成本居高不下，主要是工藝成本高，未來批量生產(chǎn)，成本有望下降。

汽車對材料的成本要求很高，因此碳纖維在汽車輕量化中的應用，首先要解決成本問題。

■ 仍有問題急需解決

相比傳統(tǒng)汽車，新能源汽車車身結(jié)構(gòu)不一樣，高強度鋼、鋁合金、鎂合金在新能源汽車上應用較多。由于新能源汽車是未來發(fā)展趨勢，國家十分重視其輕量化。

與傳統(tǒng)節(jié)能汽車的輕量化結(jié)構(gòu)設計有所區(qū)別的是，新能源汽車的輕量化技術(shù)手段、電動汽車整車重量、續(xù)航能力與重量設計都需要重新研究。需根據(jù)不同車型，設計輕量化方案，這是企業(yè)所面臨的重要挑戰(zhàn)之一。

碳纖維復合材料NVH（減振降噪）水平如何提高是輕量化設計過程中所面臨的挑戰(zhàn)和問題。隨著輕量化技術(shù)應用越來越多，多材料的輕量化技術(shù)路徑成為必然的趨勢，因而連接技術(shù)也成為輕量化技術(shù)應用過程中的重點技術(shù)。

新能源汽車輕量化設計需要開發(fā)高集成度的電動一體化底盤產(chǎn)品技術(shù)，高度集成電池系統(tǒng)、高效高集成電驅(qū)動總成、主動懸架系統(tǒng)、線控轉(zhuǎn)向/制動系統(tǒng)、集成控制系統(tǒng)，實現(xiàn)整車操縱穩(wěn)定性、電池組安全防護、底盤系統(tǒng)的輕量化研究應用。新能源汽車企業(yè)也需要系統(tǒng)規(guī)劃，圍繞整車輕量化開展整車輕量化目標制定，分解和組織行業(yè)資源針對輕量化應用技術(shù)系統(tǒng)進行開發(fā)。

二、專用汽車輕量化制作采用鋁合金材料的優(yōu)勢

目前在專用汽車上應用較多的輕量化材料有鋁合金、鎂合金、高強度鋼、塑料及復合材料等。各大汽車公司都已經(jīng)將采用這些輕量化材料的多少作為衡量汽車生產(chǎn)技術(shù)和新材料開發(fā)水平是否領先的重要標志。

鋁合金：與鋼相比，鋁合金具有質(zhì)量輕、耐腐蝕性好、易于加工等特點，但成本較高，是近20年來在載貨汽車上使用最多的輕量化材料。

鎂合金：與鋼鐵相比，鎂合金密度小，易于加工，壓鑄經(jīng)濟，其最大的特點是阻尼減振性和抗凹性好。鎂合金在上世紀40年代就被一些公司采用。鎂合金在應用上比鋁合金發(fā)展慢，主要原因是其鑄造性差、后處理工藝復雜、成本較高。當前世界上每輛汽車的鎂合金平均用量僅2.4KG。隨著研制材料技術(shù)水平的提高，其應用速度不斷加快。

塑料及復合材料：汽車塑料制品一般分為內(nèi)飾件、外飾件和功能件等，目前世界主要汽車用塑料件的內(nèi)飾化已基本完成。玻璃纖維增強塑料等新產(chǎn)品已隨著新技術(shù)的成熟而逐步擴大應用，主要用于車身內(nèi)裝件和功能件。

高鋼度鋼：在輕量化材料中，與鋁合金、塑料相比，高強度鋼具有以下特點。價格低，基本上可以利用原有生產(chǎn)線；其彈性模量高、剛性好、耐沖擊性好及較高的疲勞強度，有些高強度鋼的抗拉強度為普通鋼的2～3倍；耐腐性差。

相比之下，鋁合金在專用汽車輕量化新材料中更加具有以下優(yōu)勢：

1、整備質(zhì)量低。鋁的密度低，只有2.7g/cm3，是同體積鋼的1/3重量。鋁合金材料在運輸車上的應用，極大的減輕了其自重。如御捷馬公司生產(chǎn)的13m鉚接式鋁合金廂式半掛車，與同類鋼制材料半掛車相比自重減輕約3t，一個45m3的鋁制半掛罐車，其自重可以減輕5t多。

2、耐腐蝕、壽命長。鋁合金具有較好的耐腐蝕性。用鋁合金制造的(廂)罐體，內(nèi)部不需要涂任何防護層就可以運輸各種液體和貨物，從而保證了油品的清潔，減少了對貨物的污染。根據(jù)歐美國家的經(jīng)驗，一般鋁合金運輸車輛的壽命周期一般在1520年，比普通鋼制車輛壽命長510年。同時，由于鋁合金耐腐蝕性好，可長期保持表面美觀，車輛實際使用和維護成本較低。而普通鋼制材料車輛特別是拉煤半掛車，新車投入使用不久，就會出現(xiàn)銹蝕“溜黃湯”現(xiàn)象，每年審驗時都要做噴漆整容處理，增加了使用維護成本，還給環(huán)境造成一定的污染。

3、燃油經(jīng)濟性。根據(jù)歐洲鋁業(yè)協(xié)會有關的研究報告，車輛每輕100kg，百公里油耗可降低0.6L，每節(jié)約1L燃油可減少CO2排放2.3kg。如果一部運輸車減重3t，年行駛12萬km，按一半的空載里程計算，每年可節(jié)省燃油10800L，可減少CO2排放量24.84t，充分顯現(xiàn)出對能源的節(jié)約和環(huán)境保護的優(yōu)勢。

4、有效承載增加經(jīng)濟性。根據(jù)我國頒發(fā)的道路安全法規(guī)定，交通運輸車輛車貨總質(zhì)量不得超過55t。為了取得更好的經(jīng)濟效益，車輛輕量化，增加有效承載能力尤其重要。假如一輛運輸車輛將自身減輕的3t重量，有效的轉(zhuǎn)化為增加了3t貨物，每年還是按12萬km計算，按噸公里運輸成本0.5元，可為用戶增加收入90000元/年，經(jīng)濟效益非?？捎^。

5、回收價值高。由于鋁合金具有較高的耐腐蝕性，在車輛達到強制報廢年限，車體并沒有很大的損傷，車體回收價值是原鋁的85%以上。也就是說，一輛鋁合金罐式運輸車如果用鋁材料5t，車輛報廢回收至少可達8萬元，具有較高的再利用附加值。而普通鋼制運輸車，車輛強制報廢后，由于材料的耐腐蝕程度差，其車輛殘值和再利用價值很低。

6、加工工藝成熟。鋁合金也是除鋼鐵之外第二大廣泛應用的金屬，加工工藝已經(jīng)日趨成熟。MIG、TIG、電阻焊等焊接方法都可以用來焊接鋁合金。同時，鋁合金也可以進行彎曲、沖壓和深拉加工。易于鉚接工藝手段加工，強度和承載能力優(yōu)于碳鋼材料。

二、鋁合金專用汽車產(chǎn)品系列及其特點

鋁合金專用汽車產(chǎn)品主要有：鋁合金廂式運輸半掛車、鋁合金翼開啟廂式運輸車、鋁合金化工罐式車及冷藏保溫車等系列產(chǎn)品。鋁合金專用汽車造型美觀，耐腐蝕，壽命長。

1、鉚接鋁合金廂式車產(chǎn)品特點。無縱梁承載式車身結(jié)構(gòu)設計；采用鉚接工藝制作；廂體選用鋁合金板材，耐腐蝕，壽命長；頂板為半透明玻璃鋼板；采用空氣懸架和無內(nèi)胎輪胎。

2、鋁合金廂式車產(chǎn)品設計特點。上、下邊梁：采用高強度鋁合金擠壓成型材料。車身及外蒙皮：均采用鋁合金材料，外蒙皮選用高強度預涂漆鋁合金板，省去了現(xiàn)場的噴漆工序，有效的保護了現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境和員工的身體健康。車頂：頂弓為鋁合金或高強度熱鍍鋅型材，設計為封閉結(jié)構(gòu)，具有防下沉特性；頂蒙皮為整張半透明玻璃板，便于廂內(nèi)采光，節(jié)約能源。行走部分：選用空氣懸架，無內(nèi)胎真空胎，運輸過程中可以有效的降低對貨物、輪胎、公路路面和車輛部件的損傷。整車：充分體現(xiàn)了重量輕、節(jié)能環(huán)保、材料可回收在利用的優(yōu)勢。

3、鋁合金翼開啟廂式車產(chǎn)品特點。側(cè)欄板為鋁合金型材，插鉚接工藝制作；側(cè)翼選用鋁合金瓦楞板；側(cè)翼可開啟約90°，裝卸效率高；手動或遙控液壓控制，操作方便。

4、鋁合金罐式運輸車產(chǎn)品特點。擁有國內(nèi)先進的罐體成型工藝裝備和焊接生產(chǎn)線，選用優(yōu)質(zhì)鋁合金材料焊接而成。罐體全部采用高強度鋁合金板焊接而成；罐體附件均使用鋁合金材料；整備質(zhì)量低，比同類罐車輕約2t；耐腐蝕，壽命長；罐體內(nèi)部清潔度高。

5、冷藏保溫車產(chǎn)品特點。廂體采用德國技術(shù)和生產(chǎn)工藝，選用高性能硬質(zhì)聚氨酯保溫板，經(jīng)過復合熱壓成型，板內(nèi)無任何金屬骨架，整體強度高、保溫性能好。廂體包邊、頂角均采用用鋁合金型材；廂內(nèi)可選裝鋁合金導軌和通風槽；整備質(zhì)量輕，48英尺冷藏半掛車比同類產(chǎn)品輕2.8t。輕型冷藏車和微型保溫車則作為短途分配性運輸?shù)闹饕ぞ叨玫娇焖俚陌l(fā)展。廂體結(jié)構(gòu)向合理化方向發(fā)展，新材料將會不斷的被利用。主要是聚氨酯發(fā)泡材料和鋁板，體現(xiàn)了冷藏保溫汽車所用材料的輕量化。

以上鋁合金運輸車輛，從產(chǎn)品的制造結(jié)構(gòu)形式來分，主要分為鉚接式和焊接式兩大類。一是鉚接式：以廂式車為主，包括翼開啟廂式車、鋁合金廂式半掛車等。此類車輛根據(jù)車型的不同，所采用鋁合金材料的比例也不盡相同，低的30%～40%，高的可達70%～80%。二是焊接式：以罐式車、半掛車為主，包括單車罐、半掛罐車、普通半掛車等。此類車輛制作主要以焊接形式為主，所采用鋁合金材料的比例較高，部分產(chǎn)品所用原材料中鋁合金所占比例可達90%以上。

雖然目前鋁合金罐車進入市場的數(shù)量還不是太多，但已初步得到了用戶的接受，部分企業(yè)還拿到了國內(nèi)外客戶的小批量訂單。從目前罐式車的需求形勢看，鋁合金罐式車正在逐步得到用戶的接受和認可，預計幾年內(nèi)，將會呈現(xiàn)出良好的發(fā)展態(tài)勢，也會展現(xiàn)出有著較大的發(fā)展空間。

三、推廣使用鋁合金專用汽車意義重大

專用汽車輕量化對節(jié)能減排意義重大。從能源角度講，汽車燃油消耗在我國石油消耗中所占比例日益增大，有資料顯示，目前我國進口的原油的近30%被汽車消耗掉，而今后汽車消耗原油量的比例將升至50%。汽車燃油消耗量增多主要有以下兩方面的原因：一是我國經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展，帶動了汽車消費和保有量的大幅攀升；二是由于我國汽車技術(shù)水平相對落后，單車燃油消耗明顯高于國外，目前生產(chǎn)汽車的平均耗油量大約為國外汽車高20%～30%，而擺在我們面前的現(xiàn)實部題是，我國石油資源和產(chǎn)量有限，無法滿足國內(nèi)的能源消耗，近幾年我國石油進口量逐年增多，對外依存度已超過40%，因此提高汽車的燃油經(jīng)濟性，從總體上控制汽車的燃油消耗，保護國家資源具有很重要的意義。

根據(jù)國外的有關資料，車輛減輕自重10%，可降低油耗5%～8%，對于載貨車來說，減輕自重還提高了有效載荷的質(zhì)量，即增加了裝載利用系數(shù)，可提高運輸效率，在降低運輸成本，這相對來說也是降低了燃油費用。推廣汽車輕量化是我國汽車工業(yè)發(fā)展的當務之急，對解決我國能源短缺，道路超載、運輸效率低下具有很重要的意義。

汽車輕量化實質(zhì)上就是零部件輕量化。采用鍛造鋁合金車輪，可以很大程度減輕車的自重。比如，一輛拖掛40噸的重卡和半掛車運輸系統(tǒng)，一共有22個車輪，加上前后備胎共有24個。以目前我們經(jīng)常用的鋼質(zhì)車輪計算，如果換成鍛造鋁合金車輪，重量可減輕近600kg。不僅如此，由于鋁合金材料具有散熱好和防止輪胎橡膠老化的特點，裝上鍛造鋁合金車輪的卡車、客車、掛車可節(jié)省26%的輪胎消耗。由此可見，節(jié)能減排的效果多么明顯。

近幾年，鋁合金罐車已呈現(xiàn)出一定的發(fā)展勢頭。國內(nèi)部分改裝企業(yè)采用鋁合金材料，研發(fā)了不同車型和不同用途的鋁合金罐式專用車。車型包括利用二類底盤改裝的單車鋁合金罐體、半鋁和全鋁半掛罐車等?；居猛竞w了加油車、運油車、化工液體運輸車和散裝物料運輸車等車型。

專用汽車制造材料輕量化是當今汽車技術(shù)發(fā)展的方向世界各國的汽車企業(yè)圍繞節(jié)能、節(jié)材、環(huán)保、降低成本以及提高動力性、經(jīng)濟性、可靠性、安全性和舒適性等等基本性能，開展了新技術(shù)、新材料、新工藝、新產(chǎn)品的研究開發(fā)工作，其核心就是汽車輕量化。其主要意義表現(xiàn)在：一是降低燃燒消耗，增加汽車有效載荷，節(jié)省牽引動力，降低汽車運行費用。二是減少車輛對道路的損失，減少道路維護工作量。三是提高車輛的啟動加速度及制動減速度，提高汽車的運行速度及曲線通過速度。

隨著全球能源和環(huán)境壓力的不斷加大，追求汽車輕量化將成為汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢，鋁鎂合金將是實現(xiàn)汽車輕量化的首選材料。歐美等發(fā)達國家鋁制專用車的開發(fā)和應用已有30多年的歷史，目前鋁制運輸掛車的普及率已經(jīng)達70%。其他專用車輛，如工程車、載貨車等也較普遍的采用鋁鎂合金材料，技術(shù)已經(jīng)成熟，并向標準化、系列化、多樣化發(fā)展。

盡管近十年來，我國鋁合金專用車得到不斷的發(fā)展，但總體上仍尚處于起步階段。目前，我國半掛車(廂式半掛車、倉柵半掛車、平板半掛車)社會保有量約300萬多輛，專用車企業(yè)雖有部分品種的鋁合金專用車進入市場，也得到了市場的接受，其鋁合金運輸車產(chǎn)品的市場份額仍然非常小。鋁合金專用車在歐美發(fā)達國家已相當普及，但在我國鋁制專用車之所以產(chǎn)銷量小，發(fā)展緩慢，制約的主要因素有以下幾個方面。

(1)成本高、價格高。以13m 3軸倉柵半掛車為例對比分析，普通鋼制材料的半掛車價格約為8萬～9萬元，而鋁合金材料的整車價格約為19萬～20萬元，兩者相差10多萬元，差距較大，用戶接受起來有一定的難度。

(2)運輸市場的不確定性。近幾年，隨著國家對超限超載車輛治理的不斷加強，超載現(xiàn)象已明顯好轉(zhuǎn)，但超載現(xiàn)象仍時常存在，加之用戶對新材料、新產(chǎn)品的接受需要一個過程，對采用鋁合金材料的運輸車輛的強度和承載能力存在疑問和顧慮。

(3)產(chǎn)業(yè)政策的影響。由于鋁合金專用車和普通鋼制專用車在市場價格上差異較大，鋁合金運輸車輛要想求得快速發(fā)展，需要國家產(chǎn)業(yè)政策的扶持。據(jù)說國家已在研究和制定輕量化運輸車輛的產(chǎn)業(yè)扶持政策，這對專用車行業(yè)將是個利好消息。

四、鋁合金專用車具有非常廣闊的發(fā)展與應用前景

今后一個時期，科技進步更將日新月異，生產(chǎn)要素流動和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移的速度將趨于良性循環(huán)，國內(nèi)國際兩個市場、兩種資源的相互補充，將為新材料、新產(chǎn)品的發(fā)展提供有利的內(nèi)外部環(huán)境。國內(nèi)市場隨著國民經(jīng)濟總量構(gòu)成變化，市場對專用汽車品種的需求格局將相應改變。

目前，我國每年新增和更新半掛車數(shù)量30萬輛，假設其中50%為鋁制半掛車，每輛車平均用鋁3t，再加上相關的掛車鋁制配件，僅此一項每年的用鋁量將遠遠超過50萬t，必將拉動鋁加工產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。由此可以看出，今后專用車制造業(yè)將成為拉動鋁材料產(chǎn)業(yè)不可缺少的支柱性行業(yè)。

當前，世界汽車工業(yè)正面臨越來越嚴峻的三大課題：能源、環(huán)保和安全。減輕汽車自重以降低能耗，減少環(huán)境污染，提高汽車的燃料經(jīng)濟性，節(jié)約有限資源已成為各大汽車廠最為關注的焦點。新型鋁合金專用汽車將具有強勁的發(fā)展勢頭。

汽車輕量化正是節(jié)約能源的最有效途徑，汽車輕量化的主要途徑有：(1)優(yōu)化車型結(jié)構(gòu)，提升整車結(jié)構(gòu)強度，降低耗材用量。(2)采用輕質(zhì)材料，如鋁合金、陶瓷、塑料、碳纖維復合材料等。(3)采用計算機進行結(jié)構(gòu)設計。如采用有限元分析、局部加強設計等。(4)采用承載式車身，減薄車身板料厚度等。其中，當前汽車輕量化采取主要措施之一就是材料輕質(zhì)化，而鋁鎂合金的大量使用，又是實現(xiàn)車輛輕量化最有效的途徑。

根據(jù)歐美專用車市場發(fā)展歷史經(jīng)驗來看，鋁合金運輸車將是今后中國運輸車輛發(fā)展的必然趨勢。國內(nèi)鋁合金專用汽車今后將向以下幾個方面發(fā)展：

1、全鋁化。運輸車輛整體全鋁化，主要車身和廂(罐)體采用鋁合金的比例將達到90%以上，鋁制車輛配件的比例也將不斷提高，如半掛車的鋁合金底盤、輪輞、支腿等。

2、多品種、多車型。鋁制車輛的車型、品種將不斷豐富，首先將涵蓋罐式車、廂式車系列，并逐步向工程車、載貨車、特種車等產(chǎn)品延伸。

3、專業(yè)化、標準化、系列化。鋁合金運輸車輛的生產(chǎn)廠家在今后一個時期將會逐漸增多，在市場逐步穩(wěn)定后，將逐步形成一批專業(yè)化生產(chǎn)企業(yè)，其車型也將向標準化、系列化方向發(fā)展，并最終形成以專業(yè)化生產(chǎn)廠家為中心的產(chǎn)業(yè)基地。

三、如何實現(xiàn)汽車50%的輕量化

1.提高鋼板的強度

為了減輕車身質(zhì)量，首先提高現(xiàn)有材料的強度，然后才能減少其使用量，其中之一的措施是提高車身骨架中的高強度鋼板的強度。在高強度鋼板中，目前車身骨架中使用最多的是冷沖壓加工的440MPa級和590MPa級鋼板。也有少部分廠家使用780MPa級和980MPa級高強度鋼板。如果采用冷沖壓方式，使用了1.2GPa級鋼板；如果采用熱沖壓和冷拉延方式，使用了1.5GPa級的鋼板。

日產(chǎn)汽車公司的戰(zhàn)略曾經(jīng)指出“盡可能地使用鋼鐵件”，于是在北美銷售的Infiniti Q50(日本名稱為skyline)大部分使用了高強度鋼板，見圖1。為了保護碰撞時乘客的安全，高強度鋼板主要應用于中間支柱、側(cè)頂蓋等，它們都是1.2GPa級的冷沖壓件，見圖2，并且達到了與980MPa級鋼板同等水平的加工性(延展性)，目前已經(jīng)在中間支柱那樣的車身骨架中得以實現(xiàn)。此外，Q50車還在車身骨架中的其它部位使用了780～980MPa級、440～590MPa級高強度鋼板，與過去相比，車身質(zhì)量減輕了11kg。

圖1 日產(chǎn)Infiniti Q50

圖2 高強度鋼板的使用部位 某鋼鐵公司的技術(shù)人員說：“把現(xiàn)在的熱沖壓加工的1.5GPa鋼板變成冷沖壓加工將是未來的目標”。面向2025年，據(jù)說在2022～2023年期間可以實現(xiàn)1.5GPa級冷沖壓模式，2025年以后實現(xiàn)1.8GPa熱沖壓加工模式。

2.鐵和鋁合金的復合使用

僅靠提高鋼鐵的強度，車身輕量化已達到了極限。未來考慮鐵和鋁合金的同時合理應用(也就是多種材料的同時運用)。德國戴姆勒汽車公司的新車型“奔馳C級”，白車身表面積中約48%(換算成質(zhì)量約24%)使用了鋁合金。前后面罩、翼子板、車門和頂蓋都是鋁合金件，而車身骨架采用熱沖壓和冷沖壓加工的高強度鋼板或者冷沖壓加工的普通鋼板，見圖3。

圖3 C級車鋁合金使用部位

對于C級車來說，強度要求高的骨架需要使用高強度鋼板，除外板外，其它部位使用鋁合金。如果使用鋁合金，其位置必須遠離汽車的重心，或者是車體的上部使用。

這種高強度鋼板和鋁合金的復合使用將在2020年以后得以實現(xiàn)，主要應用于C級中型車和D級以上大型車。豐田汽車公司2017年以后，計劃在“凌志”車上使用鋁合金。某有色金屬公司的技術(shù)人員說：“2025年前車身上部將全部使用鋁合金材料”。

2025年以后，一部分平臺也將使用鋁合金。雖然車身骨架一般都使用高強度鋼板，但是為了吸收碰撞能量，平臺的前后部位也將使用鋁合金。

3.使用熱可塑CFRP(碳纖維增強復合材料)

盡管同時復合使用了鋼鐵和鋁合金，但是車身的進一步輕量化還是有極限的。如果輕量化30%，通過復合使用鐵和鋁合金可以實現(xiàn)；如果輕量化50%，必須使用更輕的高強度材料，只有復合使用鐵、鋁合金和CFRP才能實現(xiàn)。

德國寶馬汽車公司2014年4月在日本發(fā)布了一款電動汽車i3，售價500萬日元，首次采用了CFRP，主要應用部位在車身上部，稱為“生活模塊”；鋁合金主要應用于車身下部，稱為“驅(qū)動模塊”，見圖4。

圖4 寶馬汽車公司i3車體構(gòu)造

通過鋁合金和CFRP的有效組合，與同級別的汽油車相比，減輕質(zhì)量大約140kg。據(jù)說，2020年以后500萬日元級別的車將采用CFRP。

但是，要想把CFRP做成零部件，i3車盡管使用了RTM(樹脂傳遞模塑成型)技術(shù)，成形時間也需要花5分鐘以上。目的是把熱固化性好的環(huán)氧樹脂應用于樹脂粘結(jié)劑中去。要想在量產(chǎn)車中運用，成形時間必須控制在1分鐘左右。

為了使CFRP部件在1分鐘內(nèi)完全成形，必須在粘結(jié)劑樹脂中使用熱可塑性樹脂。帝人公司與通用汽車公司共同開發(fā)了熱可塑性CFRP，并把該CFRP用于試制的汽車骨架上，見圖5。粘結(jié)劑樹脂中含有PA(聚酰胺)和PP(聚丙烯)樹脂。

圖5 熱可塑性CFRP試制車

關于1分鐘可使熱可塑性CFRP成形的技術(shù)，以東京大學項目組為主也展開了研究；與此同時，在日本NEDO(新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機構(gòu))的推進項目中，成立了以三菱纖維公司和東洋紡織組為主的項目組和以東萊(TORAY)公司為主的項目組，正在開發(fā)連續(xù)與非連續(xù)的碳纖維毛坯。

名古屋大學針對經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)部的研究項目，成立了“國際復合材料研究中心”，以2020年進入實際運用為目標展開研究。熱可塑性CFRP可以運用于貨箱隔板、地板、側(cè)圍板和發(fā)動機等結(jié)構(gòu)比較復雜的部件中，據(jù)說2020年以后這些部件將被實際運用。

4.生產(chǎn)線下線涂裝

CFRP以外的樹脂部件以輕型車和微型車為主正在普及使用。大發(fā)汽車公司2014年6月發(fā)布的新車型COPEN的車身外板由13個樹脂部件構(gòu)成，其中，頂蓋和后車窗除外，其它的11個部件可以更換，見圖6。這些部件都是下線后涂裝的，然后用螺栓固定在車體上。

圖6 COPEN車樹脂外板件

馬自達汽車公司與三菱化學公司共同開發(fā)了生物工程塑料，不需要涂裝就可以用于外裝部件上。生物材料的自然著色效果超過了涂裝之后的ABS傳統(tǒng)樹脂的質(zhì)感(可以深層次調(diào)色，并且光滑性如鏡面一樣)，見圖7。該公司采用該樹脂制作的內(nèi)裝和外裝部件將在2015年發(fā)布的新款運動跑車(ROADSTER)中采用，隨后依次在量產(chǎn)車上采用。

圖7 由生物材料制作的樹脂中間支柱

2020年以后如果普及使用下線涂裝樹脂和本身不需要涂裝的樹脂的話，外板涂裝工藝就會從汽車裝配線上消失。另外，2025年如果實現(xiàn)了汽車無人駕駛的話，由于首先解決了汽車之間不會碰撞的問題，所以車身骨架結(jié)構(gòu)將變得更加簡單。

四、國產(chǎn)載重卡車輕量化發(fā)展趨勢淺析

卡車行業(yè)因為混合動力、電動和燃料電池等新能源汽車技術(shù)的應用困難重重和前景不明，故輕量化成為目前重卡行業(yè)節(jié)能減排最現(xiàn)實而又最有效的技術(shù)措施。

隨著中國經(jīng)濟發(fā)展及城市化進程的加快，低碳生活的逐步樹立和深入人心，節(jié)能減排、綠色環(huán)保政策法規(guī)的逐步建立和實施,資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會建設步伐的加快，汽車節(jié)能已經(jīng)成為汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的一項關鍵性研究課題，具體表現(xiàn)在國內(nèi)物流整體向“高效率、高科技、高環(huán)?！狈较虬l(fā)展。

汽車輕量化是社會整體水平提升、運輸效率提升的體現(xiàn)。減輕汽車自身重量是提高汽車燃油經(jīng)濟性、降低汽車CO2排放的有效措施之一。尤其在卡車行業(yè)因為混合動力、電動和燃料電池等新能源汽車技術(shù)的應用困難重重和前景不明，故輕量化成為目前重卡行業(yè)節(jié)能減排最現(xiàn)實而又最有效的技術(shù)措施。

實現(xiàn)卡車的輕量化是一個優(yōu)化車輛設計結(jié)構(gòu)系統(tǒng)工程，它涉及整車、發(fā)動機、懸架等各個領域，甚至包括新材料以及新技術(shù)的應用。從基礎設計上通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)及合理使用新材料、新技術(shù)，在不降低承載能力前提下實現(xiàn)的整體輕量化。

汽車車身約占汽車總重量的30%，空載情況下，約70%的油耗用在車身重量上。汽車重量每降低100公斤，每百公里就可節(jié)油0.6～1.0升。若汽車整車重量降低10%，燃油效率可提高8%～10%；若滾動阻力減少10%，燃油效率可提高5%；若車橋、變速器等裝置的傳動效率提高10%，燃油效率可提高7%。因此，在中國式計重收費和“亂收費亂罰款超載治理”情況下，一輛輕量化卡車對于整車的燃油經(jīng)濟性、車輛控制穩(wěn)定性、碰撞安全性都有實際重要性，載貨車卡車輕量化已經(jīng)形成發(fā)展大趨勢。

然而在此情況下，對有些卡車生產(chǎn)企業(yè)來說，所謂“輕量化”還是個偷換概念過程，如在技術(shù)還達不到要求的情況下，通過減少鋼板厚度、減少配件數(shù)量等等偷工減料，表面看是實現(xiàn)了輕量化，但卻越過了安全底線，更何談輕量化。與此同時，在亂罰款亂收費治理超載問題得不到解決的情況下，載貨車的輕量化必定要走入誤區(qū)。在市場競爭因素的綜合作用下，誰能夠在保障質(zhì)量的前提下有效地降低卡車自重，實現(xiàn)輕量化，將是未來各大車企搶奪市場的制高點。

現(xiàn)從各卡車廠商推出的新產(chǎn)品來看，復合材料在整車所用材料中的比例逐漸提高，大量使用復合材料是必然的趨勢。在實現(xiàn)輕量化的設計途徑上，一是優(yōu)化車輛結(jié)構(gòu)，二是在優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的基礎上應用新材料。前者屬于低級階段，后者屬于高級階段。自重成為選車的主要的因素。即使價格稍高，自重輕的卡車也會成為客戶的首選。因為自重輕的卡車不僅拉得多跑得快還省油，所以更受歡迎。

一、輕型卡車輕量化發(fā)展趨勢

我國輕卡在產(chǎn)品 技術(shù)方面發(fā)展的趨勢主要在以下幾個方面：第一，節(jié)能技術(shù)，用車經(jīng)濟性是客戶和國家最直接可獲利和可感知的性能；第二，安全性，包括主動安全和被動安全，這是必過的門檻；第三，低公害，包括排放標準要求的不斷提高，減振降噪等，也是必須過的門檻；第四，功能性，包括容載量，動力性，可靠性、耐久性，駕駛、裝卸、維修方便性，乘坐舒適性，這些都是競爭的因素；第五，電子控制、車聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)的應用；第六輕卡制造技術(shù)發(fā)展的主要趨勢為新材料應用、新工藝、新流程、新裝備、新工具等。

此外，從近三年可以看出：輕卡的增量結(jié)構(gòu)將會發(fā)生明顯變化，輕卡正向高技術(shù)方向發(fā)展，新材料、輕量化、數(shù)字化、網(wǎng)絡智能化、舒適化、功能多元化、乘用車化和人性化方向發(fā)展，主要體現(xiàn)為低噪聲、安全可靠、皮實耐用、維修便捷、節(jié)能低排放、多功能以及新能源的使用。從輕卡產(chǎn)品發(fā)展趨勢上看：

1、在動力系統(tǒng)設計上，已普遍采用增壓中冷裝置與高壓共軌，優(yōu)化改善了燃燒性能，使發(fā)動機的性能與燃料經(jīng)濟性得到很大的提高，這提高了發(fā)動機與整車的匹配性，使得車輛的動力輸出更為強勁、加速性好，又符合了國家的對柴油機型發(fā)動機的排放標準。動力公司如康明斯、索菲姆、菲亞特、曼恩、納威斯達等發(fā)動機，均采用電控渦輪增壓高壓共軌發(fā)動機、燃油與燃燒優(yōu)化、智能電控、排放處理、濾清系統(tǒng)五大等核心領先技術(shù)。

此外，重型發(fā)動機延伸至中輕卡，如中國重汽集團杭發(fā)公司首臺MC05發(fā)動機直列四缸、水冷、四沖程、增壓中冷、高壓共軌發(fā)動機。動力系統(tǒng)采用電控渦輪增壓成趨勢，是自主動力最強、重量最輕、體積最小的發(fā)動機，可滿足國Ⅳ排放標準，同時具備升級到歐Ⅴ、歐Ⅵ排放潛力的發(fā)動機，成為市場競爭的利器。如奇瑞開瑞綠卡搭載全新設計輕質(zhì)量缸體、缸蓋的美國康明斯ISF2.8發(fā)動機，沒有缸套，最終形成的總成干重僅為214kg，并配上全鋁合金殼體的德國ZF變速箱，不僅重量輕，而且強度非常高。

2、駕駛室造型設計上，輕卡窄體、中體、寬體及雙排、排半、單排駕駛室更趨勢于乘用車化前臉造型更趨向于立體動感凌厲，整體顯得更加大氣厚重。前大燈組更加飽滿犀利，吸納歐美鋼性線條元素，轉(zhuǎn)角處保持日系車圓潤飽滿基因。緩沖裝置采用乘用車型或分斷式吸能緩沖保險杠。此外，整車可翻轉(zhuǎn)液壓駕駛室懸置、隔音、隔熱減震材料等細節(jié)品質(zhì)上，都提供了堪比轎車的品質(zhì)呈現(xiàn)。

3、功能性設計上，集成電子油門、助力轉(zhuǎn)向、離合助力、電動空調(diào)、電動車窗等轎車化舒適配置，靠攏乘用車標準。如液壓減震座椅、定速巡航等多項轎車化配置。ABS制動防抱死系統(tǒng)，感載比例閥加排氣蝶閥制動為標準配置設計，其優(yōu)化獨立儲氣單元，包括干燥器，四回路保護閥，螺旋冷卻管，多彩色管路等系統(tǒng)。

4、車身車架設計上，在車型設計上，寬（窄）體駕駛室、長（短）軸矩、長（短）車身、加強型底盤、大動力、高速重載與車聯(lián)網(wǎng)等，已經(jīng)成為輕卡研發(fā)的大趨勢與未來市場的主流產(chǎn)品。采用高強度的鉚接大梁和抗腐蝕車架等等，這些新設計可以有效增強車輛的輕量化和高速行駛中的穩(wěn)定性與安全性。此外，摒棄傳統(tǒng)的鋼板材質(zhì)，采用全新設計的竹膠板與鋼制外板相螺接的新式鋼制/膠木結(jié)構(gòu)貨箱，在實現(xiàn)輕量化的同時也確保了承載力。

二、中重型卡車輕量化發(fā)展趨勢

1、采用單層車架大梁相比鋼板彈簧，車架的重量更大，有效減輕車架重量，將會大大的減輕整車的整備質(zhì)量。隨著設計水平、制造工藝的提高，材料性能的提高，單層車架在標準載荷的工況下是完全可以勝任的。

2、采用變截面少片簧結(jié)構(gòu)板簧變截面少片簧是由幾片縱向方向上變截面的板簧組成的，不但可以減輕重量，還可以通過減少板簧間的摩擦而提高駕乘的舒適性、延長使用壽命。另外采用橡膠懸掛或者空氣懸掛也可以減輕懸掛系統(tǒng)的重量。

3、使用復合材料駕駛室是采用復合材料最多的總成，尤其是外覆蓋件：前面板、包角板、翼子板、保險杠，甚至頂蓋，都使用了大量的復合材料。這樣一方面有效的減輕了整車重量，另外一方面由于復合材料成形性好，造型結(jié)構(gòu)上較金屬沖壓件可以更復雜、更加美觀、尺寸更加精確。目前國產(chǎn)重卡仍偏好全鋼結(jié)構(gòu)的駕駛室結(jié)構(gòu)，這主要和中國重卡的惡劣工作環(huán)境有關。從近年來各重卡廠商推出的新產(chǎn)品來看，復合材料在整車所用材料中的比例逐漸提高，大量使用復合材料已成為一種必然發(fā)展趨勢。

4、使用鋁合金材料鋁合金比鋼材密度小，因此在一些復合材料無法替代的部位，使用鋁合金材料，包括鈑金件和鑄造件。鋁合金鈑金件最有代表性的就是油箱，油箱采用鋁合金材料，不但自重減輕，而且油箱內(nèi)不易生銹，免除定期清洗的麻煩。車身也可以采用鋁合金代替冷軋鋼板。輪輞、發(fā)動機機體、變速器機體等，也可以大量采用鋁合金鑄造，可以在保證有足夠強度、剛度的同時，最大限度的減輕重量。

5、使用高強度鋼材使用高強度鋼板，可以減薄鋼板厚度，從而減輕重量。歐美重卡，重卡使用的鋼材幾乎100%是高強鋼。以前國產(chǎn)重卡采用高強度鋼板的比例較少，最近幾年逐漸廣泛使用，甚至自卸車的車廂都開始使用高強度鋼板，以提高廂體強度、減輕自重。

6、使用拼焊板駕駛室由鋼板沖壓焊接而成，由于各部位的結(jié)構(gòu)和受力情況不同，因此不同部位的鈑金件也會采用不同牌號的鋼板，一輛重卡的駕駛室可能采用幾十種不同牌號、不同厚度的鋼板。然而隨著CAE技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)過模擬實驗和分析，可以計算出同一個鈑金件的不同部位的受力情況，為了減輕一些零件局部的不必要厚度，激光拼焊技術(shù)應運而生。激光拼焊技術(shù)是將經(jīng)不同表面處理、不同鋼種、不同厚度的兩塊或多塊鋼板通過激光焊接方法，自由組合成為一塊鋼板。

7、采用鑄造件。傳統(tǒng)的沖焊結(jié)構(gòu)零件，由于材料和制造工藝的限制，各部位只能是等厚度的，為了確保零件的整體強度和剛度，沖焊件往往都比較厚重。結(jié)構(gòu)件可以通過有限元軟件進行CAE分析，對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，根據(jù)各部位的受力情況設計成復雜的變厚度、變截面的結(jié)構(gòu)，在保證有足夠強度的前提下最大限度的削減不必要的局部厚度，從而大大減輕零件重量。

8、采用真空輪胎和超寬輪胎。采用真空胎和超寬輪胎也能在一定程度上降低自重。與傳統(tǒng)輪胎相比，真空胎不但減少了內(nèi)胎，輪輞的結(jié)構(gòu)也相應減少了，整車全部換成真空胎，行駛阻力小，能夠在一定程度上降低油耗。重卡的驅(qū)動輪一般都用雙輪胎，如果改為超寬單輪胎，不但能夠減少輪胎數(shù)量，還能減少輪輞的數(shù)量。另外超寬單輪胎的接地面積不比雙輪胎小，除了能夠降低自重外，還可以提高行駛穩(wěn)定性、避免雙輪胎的“吃胎”現(xiàn)象。此外，真空胎在輪胎穿孔的情況下，胎壓不會急劇下降，完全能繼續(xù)行駛，大大提高了高速行駛的安全性，而新式鋼制/膠木結(jié)構(gòu)貨箱具有耐磨、耐腐蝕、減震和抗震功能，對于外來碰撞所造成的變形能自動修復，運送精密儀器和易碎貨物更安全。

9、整合零件功能、減少零件數(shù)量整合所有零件功能、將多個零部件集成，實現(xiàn)零部件的多功能，減少零件數(shù)量，使其結(jié)構(gòu)更加緊湊，也可以在一定程度上減輕整車重量。例如：將油箱和工作臺踏板結(jié)合，將油箱與SCR的尿素罐結(jié)合等。

五、實現(xiàn)汽車輕量化的途徑

今天汽車賴以“生存”的汽油燃料提取自石油，它的儲量正在日益減少，但人們也未必會因此在燃油上花費高價，因為到2025年，汽車的平均燃效將達到50英里/加侖。

不過，汽車本身的油耗并不會自動下降，這都是靠著工程師開發(fā)的新技術(shù)而實現(xiàn)。那么，提升汽車燃效或者說降低油耗的方式有哪些？目前看來，輕量化是最有效的手段之一，據(jù)悉，汽車每減輕10%的重量將降低油耗6-7%。

汽車行業(yè)在輕量化技術(shù)上的進展也是有目共睹，從30年前一輛普通轎車的4500磅（2041千克）的平均重量降低至現(xiàn)在的3000磅（1361千克）左右?！拜p量化”只是一個寬泛的概念，它設計到結(jié)構(gòu)、材料、布局等等方面，本文將總結(jié)5項能夠讓汽車變得更輕的技術(shù)。

1、輪轂電機

汽車中最占重量的是什么部件？毋庸置疑，顯然是發(fā)動機。發(fā)動機缸體、活塞、曲軸等各種組件均由剛強度材料制成。它們需要經(jīng)受住發(fā)動機運行時的高壓與高溫。而其缺陷在于這些組件的重量非常大，一輛普通乘用車的發(fā)動機至少重幾百磅。

當汽車行駛時，發(fā)動機的轉(zhuǎn)動能量由變速箱傳遞兩個或四個車輪上，實現(xiàn)這個過程則還需要傳動軸以及更多的零部件，同樣會增加汽車的重量。

而若采用輪轂電機的布局，則可以省去動力總成中的大部分組件，例如發(fā)動機與變速箱。輪轂電機直接安裝在車輪內(nèi)部。米其林和汽車公司Venturi在2010年合作推出了一款VenturiVolage概念車，其中就采用了輪轂電機方案，米其林將其稱為主動輪系統(tǒng)（Active Wheel System）。該系統(tǒng)的強大之處在于，車輪內(nèi)不僅有電機，甚至連電子制動系統(tǒng)、主動懸架系統(tǒng)也都包含在內(nèi)。

2、塑料材質(zhì)

塑料在我們?nèi)粘Ｉ钪须S處可見?，F(xiàn)在，研究者正在通過各種方法令塑料的應用變得更廣泛，同時使其強度變得更高以在更極端的環(huán)境下適用。美國Polimotor研制的塑料發(fā)動機材質(zhì)比傳統(tǒng)全金屬發(fā)動機重量要輕30%。

除了發(fā)動機以外，我們還能在汽車內(nèi)飾中見到它，例如車內(nèi)飾板、中控臺面板甚至是車外的前后保險杠、側(cè)裙、側(cè)視鏡外罩等。

全世界每年約有250萬噸的塑料水瓶被遺棄，現(xiàn)代QarmaQ概念車的車身則是從這些廢棄塑料瓶中進行提取而得。將來某一天，當你看到一輛由塑料制成的汽車時請不要驚訝。

3、碳纖維

碳纖維對于汽車行業(yè)來說并不陌生，它一開始應用于航天飛機中，接著在賽車中應用，令他們再賽道上擁有更靈活的身姿。而現(xiàn)在，我們在一些高端汽車中也已經(jīng)能見到它們的身影，例如寶馬i3。

這類材料的強度與鋼材相同，但重量僅為其一半，為鋁材的70%。其結(jié)構(gòu)與玻璃纖維類似，但強度卻遠遠高于后者。

那么為何我們目前僅能在極少數(shù)的車中看到這類材料呢？原因是成本過高，具體表現(xiàn)為生產(chǎn)周期長、生產(chǎn)工藝復雜。

雷克薩斯、寶馬、三菱等眾多車企如今都在進行廣泛的研究，試圖找出降低碳纖維生產(chǎn)成本的方法，使其能夠真正令汽車受益。寶馬集團多年前就在其車輛上應用了復合材料和碳纖維織物。M系列車型的屋頂采用了赫氏公司的HexForce? NC2?碳纖維增強材料，擁有無卷曲產(chǎn)品專利制造技術(shù)，該技術(shù)使用單向帶滿足產(chǎn)品所需的強度和剛度。雷克薩斯的工程師將來自豐田汽車公司的傳統(tǒng)編織方式轉(zhuǎn)變?yōu)榫艿娜S碳纖維編織法，既有利于更精確的質(zhì)量控制，又為此項工程技術(shù)在未來產(chǎn)品中的應用打下了堅實基礎。

4、小型化汽車電池

對于混合動力甚至純電動車來說，有什么辦法能夠?qū)ζ溥M行減重呢？許多車企的做法是從提供驅(qū)動能量的電池著手。最早的時候，人們利用鉛酸電池為電動車供電，原因在于它的電極材料容易獲得，制造簡便。隨著技術(shù)進步，鎳氫電池誕生，它相比鉛酸電池來的更輕，并且容量也更大，在混動車中有廣泛應用。

而隨著燃效與環(huán)保法規(guī)收緊，車企希望通過電動車來達到最新的標準，那么，即便鎳氫電池的大容量也已無法達標。鎳氫電池的能量密度與相對應重量的石化燃料能量密度無法比擬。

此時鋰電池的身影逐漸映入工程師的眼簾，其由于高能量密度的特性被視為更有潛力的電池種類。不過其缺點在于，長時間暴露在高溫下容易起火甚至爆炸。雖然發(fā)生此類情景的概率不高，但在汽車這類產(chǎn)品中，一次起火事故足以阻礙其發(fā)展。

美國麻省理工學院的研究者正在試圖通過替換電極材料來提升鋰電池的穩(wěn)定性。從目前看來，鋰電池仍會在很長一段時間內(nèi)作為電動車的首選動力源。

5、線控系統(tǒng)

提到電氣化車輛（electric vehicle），人們自然而然就會想到依靠電機驅(qū)動車輪。而電氣化車輛的另一層含義在于傳統(tǒng)車內(nèi)機械系統(tǒng)被電子線束系統(tǒng)所替代，電子線束系統(tǒng)比傳統(tǒng)機械部件要輕的多。汽車行業(yè)提出的“x-by-wire”指的就是線控傳動、線控制動、線控轉(zhuǎn)向等系統(tǒng)的總稱。除了能夠減輕重量之外，線控系統(tǒng)的最大優(yōu)勢在于可以提升操控精確度。

線控技術(shù)最先用于戰(zhàn)斗機，一度成為了F16戰(zhàn)斗機的標配。隨后逐漸沿用至商用飛機，最后也出現(xiàn)在了汽車上。

線控系統(tǒng)占據(jù)車內(nèi)的空間更小，意味著設計是有更多的設計自由度，車艙內(nèi)的空間也能更寬裕。

然而，并不是每個人都喜歡電氣化程度更高的系統(tǒng)，他們擔心汽車會像今天的電腦一樣發(fā)生軟件錯誤。實際上，這樣的擔心是多余的，因為即便是機械系統(tǒng)，它同樣有其特定的問題，例如磨損、腐蝕、斷裂等等。隨著時間的推移與應用率的提高，人們最終會接受這項目前來說還有些“不靠譜”的技術(shù)。

六、現(xiàn)在是發(fā)展汽車輕量化最好時代 需要車企共同努力 從汽車設計本身而言，無論是設計、材料、工藝還是制造環(huán)節(jié)，都在強調(diào)輕量化，現(xiàn)在是發(fā)展輕量化最好的時代。汽車輕量化是汽車全產(chǎn)業(yè)鏈共同的事情，需要汽車企業(yè)努力，還需要行業(yè)聯(lián)盟和政府的支持。

不久前，我國的千噸級T700碳纖維試生產(chǎn)線開始運轉(zhuǎn)，長期以來高度依賴進口的高性能碳纖維在我國實現(xiàn)了自主化制備，其產(chǎn)品不僅有望替代進口，而且生產(chǎn)成本具有國際競爭力，大規(guī)模國內(nèi)商業(yè)運用在即。如此，包括碳纖維在內(nèi)的高性能纖維對汽車等運輸工具的減排降耗的貢獻或許將得以實現(xiàn)。

近年來，各大車企爭相布局新能源汽車，行業(yè)競爭日益激烈。而對汽車實現(xiàn)輕量化，將有助于部分企業(yè)取得先發(fā)優(yōu)勢。要實現(xiàn)輕量化，高強度鋼、鋁合金、鎂合金、工程塑料、復合材料等都是目前比較好的選擇，而作為節(jié)能和新能源汽車的核心技術(shù)，每項材料又各有優(yōu)勢與技術(shù)難點。

輕量化最好的發(fā)展時代

從汽車設計本身而言，無論是設計、材料、工藝還是制造環(huán)節(jié)，都在強調(diào)輕量化，現(xiàn)在是發(fā)展輕量化最好的時代。輕量化在這個時代提出來，有很多根本性的原因。經(jīng)過100多年的發(fā)展，汽車行業(yè)面臨的問題和挑戰(zhàn)非常多，包括動力性能、經(jīng)濟性、油耗、環(huán)保等問題，而輕量化好像“萬金油”，其優(yōu)點能夠覆蓋到汽車凸顯的這些問題。

在現(xiàn)有蓄電池性能無法取得根本性突破的前提下，僅有的改善車輛續(xù)航里程的手段，只能是減重。

最近一項實驗證明，如果一臺總重量為1550千克的新能源汽車續(xù)航里程為186公里，若將其非蓄能部件盡可能輕量化，能將總重量減少到1011千克，其續(xù)航里程可直接提高到275.5公里，已經(jīng)較為令人滿意。

2011～2015年歐洲車身會議的數(shù)據(jù)顯示，車輛的輕量化系數(shù)由2011年的3.29下降到了2015年的2.33。5年時間輕量化系數(shù)降低了30%，說明汽車輕量化已經(jīng)得到很大的提升和改善，而且輕量化已經(jīng)成為汽車主機廠迫切的需求。

汽車追求輕量化不僅僅是為了減重，更為了考慮產(chǎn)品的功能和成本，輕量化跟成本、性能開發(fā)是一樣的，離不開這些屬性的關聯(lián)，輕量化要綜合考慮。

這體現(xiàn)在除了新材料本身的生產(chǎn)，使用過程也要考慮新的結(jié)構(gòu)、優(yōu)化汽車制造工藝。新材料的使用目的除了減重，還要保障汽車其他性能的優(yōu)化。

如果把高強鋼等級提升了，材料變得很薄，使用時模態(tài)就變差了，只有通過改變結(jié)構(gòu)截面才能滿足要求。

不只是減重

輕量化單靠這樣簡單的評價肯定是不夠的。將油耗、動力性能加入綜合競爭力評價后，你就發(fā)現(xiàn)絕對重量輕不意味著這輛車更有競爭力。這也是目前如果把輕量化作為一個系統(tǒng)工程來開發(fā)所面臨的問題，因為輕量化沒辦法獨立出來考慮，這是目前最大的挑戰(zhàn)。

作為由眾多零部件組成的器械，汽車的NVH（噪聲、振動與聲振粗糙度）都有專門的團隊來研究。要把輕量化做得更好、更完善，就要將其作為汽車的性能開發(fā)結(jié)構(gòu)來對待。這樣輕量化的標準就成為不是我要減重多少，而是在車型開發(fā)、應用的時候要考慮這個車的重量能做到什么狀態(tài)，同時滿足汽車的其他性能要求。

要確定輕量化達到的目標很難。整車重量目標制定很關鍵，一般分為以下幾種：體積密度法、尺寸推算法、統(tǒng)計分析法、競爭力分析法、挑戰(zhàn)法和油耗反推法。

目標確立之后，就是將輕量化開發(fā)作為一項屬性開發(fā)，強調(diào)的是正向開發(fā)的思路。輕量化正向開發(fā)主要包括兩條線，第一條線是重量管理，另外就是技術(shù)開發(fā)。只有兩條線結(jié)合在一起做，車型開發(fā)的輕量化才能做得更加理想。如果將兩條線的職能分開的話，你會發(fā)現(xiàn)這個工作推進起來非常困難。

輕量化涉及面太廣了。從嚴格意義上來說輕量化跟整車所有零部件，甚至一顆螺絲釘都有關聯(lián)性，所以輕量化不僅涉及技術(shù)的問題，還有各個部門之間理念認同等非技術(shù)的問題。

要把輕量化這個工作在車型開發(fā)中做好，就必須有全流程管理的理念，而不是簡單地制定一個目標、提幾個方案就解決問題了。

全產(chǎn)業(yè)鏈共同的事

隨著科技的發(fā)展，輕量化材料和技術(shù)層出不窮。

有業(yè)內(nèi)人士指出，現(xiàn)在有鎂合金、碳纖維，未來還會有新的輕量化材料，但不論出現(xiàn)什么材料，這些輕量化材料都不會是孤軍奮戰(zhàn)，必然是以組合的形式出現(xiàn)，因為汽車未來的發(fā)展趨勢是多種材料混合使用。

實際上輕量化開發(fā)最離不開的核心，就是先進輕量化技術(shù)的開發(fā)。但是先進輕量化技術(shù)開發(fā)面臨的問題——成本風險、周期風險、質(zhì)量風險——就像任何新的技術(shù)應用所面臨的巨大風險一樣。

一個新的技術(shù)開發(fā)后直接在車型上應用是我們所希望的。但是實際上，往往有很多技術(shù)開發(fā)完全依賴于車型來做的話，就很難做得下去。這需要汽車生產(chǎn)商要有獨立的平臺做輕量化的技術(shù)開發(fā)和應用。

從技術(shù)上來說，輕量化材料面臨如何彌補技術(shù)、生產(chǎn)缺陷的難題。比如能夠完全實現(xiàn)減重和性能雙重目標的鎂合金，卻在價格、便利生產(chǎn)、耐腐蝕等方面都比不過高強度鋼。

從環(huán)保角度講，如何實現(xiàn)更有效地回收利用，更好地滿足環(huán)保要求也很重要。盡管國內(nèi)許多企業(yè)已經(jīng)研發(fā)出性能優(yōu)異的新材料汽車，但是要想向市場推廣，進入商業(yè)化，還需要進一步建立維修、回收和循環(huán)使用技術(shù)體系。

汽車輕量化是汽車全產(chǎn)業(yè)鏈共同的事情，需要汽車企業(yè)努力，還需要行業(yè)聯(lián)盟和政府的支持。對企業(yè)來說，雖然一些新技術(shù)在前期研究時投資巨大，但這種投資是必要的，因為有了先進的技術(shù)儲備，一旦時機來臨，就可掌握先機。

第五篇：高壓變頻器與液力耦合器在煉鋼廠除塵風機上的應用比較（寫寫幫推薦）

高壓變頻器與液力耦合器在煉鋼廠除塵風機上的應用比較

1、工程概述

煉鋼廠現(xiàn)有原設計公稱容量15噸氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐三座，2000年對轉(zhuǎn)爐進行了擴容和氧槍改造。2001年二煉鋼廠全年共產(chǎn)鋼90.6萬噸，轉(zhuǎn)爐平均出鋼量為22噸/爐，裝入量為24噸。2002年二煉鋼全年共產(chǎn)鋼104.5萬噸。

隨著國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，需要在現(xiàn)有設備條件下盡力挖掘設備潛力，提高鋼鐵產(chǎn)量。根據(jù)我們調(diào)查和分析，限制二煉鋼廠綜合產(chǎn)鋼能力提高的主要因素是轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)產(chǎn)鋼能力不足。

轉(zhuǎn)爐產(chǎn)鋼能力主要受出鋼量，轉(zhuǎn)爐作業(yè)率和縮短冶煉周期等因素制約。為實現(xiàn)150萬噸綜合產(chǎn)鋼能力，除了對轉(zhuǎn)爐擴容外，還必須提高轉(zhuǎn)爐作業(yè)率和縮短冶煉周期。通過理順物流，可減少轉(zhuǎn)爐等待時間2.5分鐘；提高鐵水質(zhì)量，增加供氧強度，縮短供氧時間2.5分鐘；穩(wěn)定原料成分，減少波動，可提高轉(zhuǎn)爐一次倒爐出鋼率，縮短終點倒爐取樣及測溫時間1.5分鐘。冶煉周期可從現(xiàn)在的29.47分的基礎上縮短至23.5分鐘以內(nèi)，使二煉鋼廠的綜合產(chǎn)鋼能力達到150萬噸。

在市場競爭日益激烈的前提下，煉鋼廠積極采取措施在增加產(chǎn)量的同時降低消耗，使企業(yè)在市場競爭中增加競爭力。

2.調(diào)速方案的選擇

煉鋼廠在2003年6月擴建煉鋼廠設計綜合產(chǎn)鋼能力為150萬噸，其三座轉(zhuǎn)爐分別配置三套除塵系統(tǒng)，該系統(tǒng)一方面將燃燒不完全的煤氣回收，另一方面通過除塵風機排除剩余煙氣，為滿足鋼廠節(jié)能及環(huán)保的要求，除塵風機根據(jù)煉鋼工藝在吹氧及煉鋼時高速運行，其余時間為低速運行。

為了滿足生產(chǎn)工藝，使系統(tǒng)的運行符合工況，肯定需要系統(tǒng)有良好的調(diào)速性能。傳統(tǒng)的解決辦法是采用液力耦合器調(diào)速技術(shù)方案、直流調(diào)速技術(shù)方案以及其它方式的調(diào)速方案。一般采用液力耦合器進行風機調(diào)速的居多，由于液力耦合器本身的技術(shù)缺陷，在該系統(tǒng)中已難以較好地滿足生產(chǎn)工藝要求，這些缺陷有：

a．采用液力耦合器時，在低速向高速運行過程中，延遲性較明顯，不能快速相應，同時這時候的電流較大，如整定不好會引起跳閘，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。

b．液力耦合器本身控制精度差，調(diào)速范圍窄，通常在40％～90％之間；

c．電機啟動時，沖擊電流較大，影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

d．在高速運行時，液力耦合器有丟轉(zhuǎn)現(xiàn)象，嚴重時會影響工作的正常進行。

e．液力耦合在調(diào)速運行時產(chǎn)生機械損耗和轉(zhuǎn)差損耗，效率較低，造成電能浪費。

f．液力耦合器工作時是通過一導管調(diào)整工作腔的充液量，從而改變傳遞扭矩和輸出轉(zhuǎn)速來滿足工況要求；因此，對工作腔及供油系統(tǒng)需經(jīng)常維護及檢修。液力耦合器經(jīng)過一段時間使用，其維護費用較高，g．液力耦合器故障時，無法再用其它方式使其拖動的風機運行，必須停機檢修。

h．耦合器運行時間稍長，會漏油嚴重，對環(huán)境污染大，地面被油污腐蝕嚴重。

i．風機和電機的運行噪音大，達到90dB左右，嚴重影響操作人員的身體健康。

從以上情況來看，如果使用液力耦合器，會制約昆鋼二煉鋼廠節(jié)能降耗，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，增加企業(yè)競爭力的目的。

由于使用液力耦合器有這些固有的缺陷，現(xiàn)在有很多企業(yè)已經(jīng)采用新型的高壓大功率變頻調(diào)速裝置拖動風機，取得了良好的應用效果。

2003年6月，煉鋼廠和變頻器廠家經(jīng)過技術(shù)磋商，決定在1號轉(zhuǎn)爐的除塵風機上進行變頻改造，以滿足風機調(diào)速的要求，改善工藝狀況。

3.變頻改造方案實施

除塵風機是除塵凈化系統(tǒng)的動力中樞，一旦除塵風機不能正常運行，不但影響生產(chǎn)，造成巨

額定轉(zhuǎn)速： 2950r/min 功率因數(shù)： 0.89 風機參數(shù)如下：

風機型號：D1100 額定流量：66000m3/ h 全 壓：24658 Pa.g 效 率：95.5% 2003年8月底變頻器發(fā)往現(xiàn)場，9月中旬變頻器完成了現(xiàn)場的安裝調(diào)試工作并正式投入生產(chǎn)運行。

變頻器從制造到正式投入使用，所用的生產(chǎn)、安裝、調(diào)試周期都很短，總共僅有3個多月的時間，保證了1號轉(zhuǎn)爐的技術(shù)改造的周期和正常的生產(chǎn)。

同傳統(tǒng)的液力耦合器比較，高壓變頻器有以下優(yōu)點：

（1）運行穩(wěn)定，安全可靠。原來使用液力耦合器大概40天左右就必須更換軸承，每次需停爐半天左右，帶來的巨大的經(jīng)濟損失。變頻器具有免維護的特點，只需定期更換柜門上的通風濾網(wǎng)，不用停機，保證了生產(chǎn)的連續(xù)性。

（2）節(jié)能效果較為顯著，大大降低了噸鋼電耗。

（3）電動機實現(xiàn)了真正的軟啟動、軟停運，變頻器提供給電機的無諧波干擾的正弦波電流，降低了電機的故障次數(shù)。同時，變頻器設置共振點跳轉(zhuǎn)頻率，避免了風機會處于共振點運行的可能性，使風機工作平穩(wěn)，風機軸承磨損減少，延長了電機和風機的使用壽命和維修周期，提高了設備的使用壽命。

（4）變頻器自身保護功能完善，同原來繼電保護比較，保護功能更多，更靈敏，大大加強了對電機的保護。

（5）變頻器同現(xiàn)場信號采用可靠的連接方式，控制方便，性能可靠，滿足煉鋼生產(chǎn)的需要。變頻器內(nèi)置有PLC，現(xiàn)場信號接入靈活。在控制邏輯上，由現(xiàn)場（轉(zhuǎn)爐）為變頻器提供一對高速、低速節(jié)點，變頻器按照節(jié)點的狀態(tài)自動高速、低速往復運行；由變頻器自身的頻率輸出進行轉(zhuǎn)速測定，可以取消原來同電機相連的測速器，由變頻器為現(xiàn)場直接提供電機轉(zhuǎn)速指示。

（6）設備適應電網(wǎng)電壓波動能力強，有時電網(wǎng)電壓高達6.9kV，或者電壓低至5.5kV變頻器仍能正常運行。

（7）同液力耦合器比較，在加速期間大大減小了噪聲，削弱了噪聲污染。由于不用定期拆換軸承或者對液力耦合器進行維修，避免了機油對環(huán)境的污染，使風機房的現(xiàn)場環(huán)境有了極大改善。

（8）由于電機降低速度運行以及工作在高效率區(qū)，因此電機和軸承的溫升都明顯低于采用液力耦合器的系統(tǒng)，這樣可以延長風機系統(tǒng)的使用壽命。

從現(xiàn)場投運來看，該變頻器通常運行在高速和低速兩種狀態(tài)，當轉(zhuǎn)爐在吹氧和煉鋼時，變頻器由低速轉(zhuǎn)入高速狀態(tài)，上升時間要求在1分鐘之內(nèi)完成，否則在吹氧和煉鋼時要產(chǎn)生大量的煙氣，若不能及時排出煙氣，將會影響到生產(chǎn)甚至現(xiàn)場工作人員的人身安全。經(jīng)過現(xiàn)場多次運行，高壓變頻器完全能夠滿足這項技術(shù)要求。其次，從高速到低速也完全滿足工藝的要求。

4.經(jīng)濟分析

根據(jù)擴建后煉鋼工藝要求，煉一爐鋼為23分鐘。由風機中控室根據(jù)下氧槍信號給變頻器一高速信號使變頻器運行在高速狀態(tài)，時間為8～12分鐘，根據(jù)轉(zhuǎn)爐出鋼信號使變頻器運行在低速狀態(tài)，時間為11～15分鐘，其中，高速狀態(tài)為43HZ（2500轉(zhuǎn)/分鐘）；低速狀態(tài)為18HZ（1000轉(zhuǎn)/分鐘）。

現(xiàn)場實測到當變頻器運行在高速狀態(tài)時，變頻器的輸入電流為40.2A；當變頻器運行在低速狀態(tài)時，變頻器的輸入電流為18A；煉一爐鋼變頻器運行在高速狀態(tài)平均所需時間為10分鐘，