多工位環(huán)鍛油壓機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郝鐵文，殷文齊，陳舉慶，王建新

2009年4月，某公司決定新增一臺(tái)環(huán)件坯料成形油壓機(jī)，為環(huán)軋機(jī)提供環(huán)件毛坯，要求該油壓機(jī)必須具備完善的輔助機(jī)構(gòu)且能自動(dòng)完成工件的成形過程。因此對(duì)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了更高要求。

1 機(jī)構(gòu)組成及精度要求

該油壓機(jī)液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)由主工作缸、側(cè)工作缸、滑塊鎖緊裝置、對(duì)中裝置、工作臺(tái)鎖緊裝置、預(yù)沖擺入裝置、終沖裝置以及工作臺(tái)移動(dòng)裝置等等組成。

該油壓機(jī)要求滑塊壓下精度±1 mm，對(duì)中精度±1 mm，工作臺(tái)定位精度±0.5 mm，預(yù)沖擺入精度為±0.2°。相應(yīng)機(jī)構(gòu)都配備有高精度位移傳感器，位置數(shù)值均在液壓機(jī)主畫面上顯示（見圖1）。

2 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 方案確定

圖1 壓機(jī)主畫面

由于用戶要求該油壓機(jī)能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化過程控制，所以要求壓機(jī)本體、液壓系統(tǒng)對(duì)位置和壓力的反饋都必須十分精確。

（1）滑塊的壓下行程是整個(gè)壓機(jī)中涉及位置控制最多的過程，在一個(gè)全自動(dòng)過程中每次的位置精度都必須在±1 mm之間。為此相關(guān)控制閥組選用大流量插裝閥+比例閥節(jié)流閥的方式；利用高精度位移傳感器與比例節(jié)流閥對(duì)滑塊位置進(jìn)行開環(huán)控制。

（2）對(duì)中裝置的定位精度直接影響工件的合格率，液壓閥組采用高頻響應(yīng)閥與位移傳感器組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。

（3）依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，充液系統(tǒng)采用主油箱帶壓充液，減小主油箱高度尺寸以滿足廠房對(duì)壓機(jī)地上高度的要求。

（4）卸荷系統(tǒng)采用閥組內(nèi)部卸荷+緩沖罐卸荷的組合，實(shí)踐證明此種卸荷方式適合高壓大流量壓機(jī)的卸荷過程，可有效避免“嘯叫”現(xiàn)象。

（5）移動(dòng)工作臺(tái)采用高頻響應(yīng)比例閥控制，其特有的斜坡啟動(dòng)停止功能是實(shí)現(xiàn)移動(dòng)工作臺(tái)平穩(wěn)啟動(dòng)和準(zhǔn)確停止的必要條件。

（6）終沖缸采用普通的開關(guān)閥控制，由插裝閥和閥塊體組成。

2.2 滑塊控制閥組

主閥塊控制閥組由調(diào)整回路、壓下及回程回路和卸荷回路組成（見圖2）。

（1）調(diào)整回路

調(diào)整回路的設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)是：用戶可在主系統(tǒng)不啟動(dòng)的情況下以較低的壓力和速度順利完成壓機(jī)的模具更換、設(shè)備間隙調(diào)整及檢修工作，壓機(jī)活動(dòng)橫梁的上下動(dòng)作由控制泵和單獨(dú)的小通徑三位四通換向閥完成。DT27得電時(shí)，高壓油進(jìn)入兩側(cè)缸下腔，活動(dòng)橫梁上升；DT26得電時(shí)，兩側(cè)缸下腔油與回油路相通，完成慢速下降動(dòng)作，活動(dòng)橫梁的速度靠節(jié)流閥手動(dòng)調(diào)整。

圖2 活動(dòng)橫梁控制閥組

（2）壓下及回程回路

該壓機(jī)壓下以位置控制為主，以壓力控制為輔。壓機(jī)的位置控制精度與控制要求（速度、位移曲線）息息相關(guān)（見圖3）。

可以看出：按第一種控制思想工作的壓機(jī)在接近成品尺寸時(shí)工作缸的速度低，容易達(dá)到壓下精度的要求，但每個(gè)工序所需時(shí)間比較長(zhǎng)；按第二種控制思想工作的壓機(jī)在接近成品尺寸時(shí)工作缸的速度稍快，壓機(jī)在很短時(shí)間內(nèi)就可以完成一個(gè)壓下工序，但由于停車時(shí)工作缸的速度比第一種方案快，前沖慣性大，調(diào)試時(shí)需要摸索停止時(shí)間的提前量?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)，為了能讓活動(dòng)橫梁與工件接觸前工作缸就能產(chǎn)生一定的壓力，DT25控制的平衡閥設(shè)定壓力需調(diào)到一定數(shù)值。

如果該值設(shè)定過高，溢流閥長(zhǎng)期處于高壓溢流狀態(tài)，系統(tǒng)溫升很快；如果設(shè)定過低，工作缸需很長(zhǎng)時(shí)間才能達(dá)到設(shè)定壓力值，工作周期拖長(zhǎng)，且由于平衡力的減小，很難達(dá)到設(shè)計(jì)壓下精度。因此，本臺(tái)壓機(jī)選擇第一種方案。

（3）卸荷回路

在卸荷回路設(shè)計(jì)中需要解決壓下完成后滑塊開始回升時(shí)因整個(gè)壓機(jī)系統(tǒng)積蓄的彈性能量瞬時(shí)釋放所產(chǎn)生的震動(dòng)及“嘯叫”現(xiàn)象，保護(hù)壓機(jī)設(shè)備及儀表不受損害。

圖3 壓機(jī)速度位移曲線

經(jīng)計(jì)算，該壓機(jī)在工程壓力下釋放能量為1.17×108 J，這么大的能量如果直接靠充液閥開啟后由管道吸收是不現(xiàn)實(shí)的。針對(duì)壓機(jī)高壓大流量的系統(tǒng)卸荷要求，最終決定采用以比例溢流閥為控制核心的閥組作為內(nèi)部卸荷回路。當(dāng)壓機(jī)結(jié)束一個(gè)壓下工序后，比例溢流閥BT14、BT16以斜坡開啟，工作缸及高壓管道中的高壓油通過閥組內(nèi)部通道回到主油箱，系統(tǒng)壓力平穩(wěn)下降至要求數(shù)值；此后，充液閥開啟，工作缸內(nèi)的殘余壓力由緩沖罐吸收。實(shí)踐證明，這是目前為止鍛造液壓機(jī)最有效、最平穩(wěn)的卸荷方式。

2.3 移動(dòng)工作臺(tái)控制回路

移動(dòng)工作臺(tái)的驅(qū)動(dòng)缸是活塞缸，內(nèi)置高精度位移傳感器。普通的移動(dòng)缸控制回路由一個(gè)常規(guī)換向閥和進(jìn)、出口閥門組成?；芈房刂坪诵氖且粋€(gè)高頻響應(yīng)比例閥，利用比例閥的特性實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的平穩(wěn)起停（見圖4），有效地防止因工作臺(tái)的突然起動(dòng)造成工件與模具錯(cuò)位現(xiàn)象。這在工件從鐓粗工序向終沖工序轉(zhuǎn)換時(shí)尤為重要。

圖4 工作臺(tái)起停曲線

2.4 對(duì)中控制回路

工件在鐓粗工序后和終沖工序前都需要對(duì)中。對(duì)中的目的是矯正工件的位置，保證工件的中心與壓機(jī)中心、終沖模中心同心。對(duì)中裝置由升降缸、水平對(duì)中臂、導(dǎo)向裝置及水平推進(jìn)缸組成。為了滿足用戶高精度快速對(duì)中要求，設(shè)計(jì)時(shí)采用了以過程對(duì)中為主，位置對(duì)中為輔的控制思想，位于壓機(jī)左右兩側(cè)的兩個(gè)獨(dú)立的對(duì)中臂在執(zhí)行對(duì)中過程的每時(shí)每刻，其位置相對(duì)壓機(jī)中心都保持同步。

為此在設(shè)計(jì)時(shí)利用高頻響應(yīng)閥的高頻響應(yīng)特性完成回路控制，此外，還選取大通徑的比例閥，滿足短時(shí)間內(nèi)的對(duì)中要求。當(dāng)工件的偏置距離小于最小對(duì)中行程時(shí)，壓機(jī)自動(dòng)選擇位置對(duì)中。具體操作時(shí)，先由對(duì)中臂與工件接觸，當(dāng)系統(tǒng)壓力上升至設(shè)定數(shù)值后，PLC記錄對(duì)中臂的水平位移并計(jì)算差值，再將相應(yīng)的退回、前進(jìn)指令發(fā)至兩個(gè)比例閥，比例閥開啟，在低速下完成前進(jìn)和后退動(dòng)作，此時(shí)，系統(tǒng)中的水平缸鎖緊閥參與工作（見圖5）。

圖5 對(duì)中回路

2.5 帶壓充液系統(tǒng)中大口徑管路沖洗方法

本油壓機(jī)選用了油箱帶壓充液。由于液壓缸的巨大容積，與工作缸相通的管路通徑達(dá)到DN450，如此大口徑管道進(jìn)行循環(huán)沖洗時(shí)沖洗站需提供7 000 l/min以上的流量，而如此規(guī)格沖洗站在國內(nèi)還未曾出現(xiàn)。為了能使管道迅速達(dá)到規(guī)定的清潔度，現(xiàn)場(chǎng)沖洗時(shí)首創(chuàng)了“氣體爆破法”，將大通徑管路與機(jī)上管道斷開，一端用端面法蘭把合，另一端用中間有快速通斷擋板的端面法蘭把合。管道內(nèi)充入壓縮空氣，當(dāng)氣壓達(dá)到0.5 MPa左右時(shí)快速打開端面法蘭上的擋板，使管道內(nèi)的灰塵在氣體的帶動(dòng)下快速?zèng)_入空氣中，如此反復(fù)幾次即可將管道清理干凈。這種辦法對(duì)工具和操作工的要求不高，適合大通徑管路的現(xiàn)場(chǎng)清理。

3 結(jié) 語

本系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中已取得良好效果，并得到用戶認(rèn)可。下一步將研究如何通過選配閥內(nèi)阻尼減少系統(tǒng)共振。