高頻響閥的幾種特性在液壓機中的典型應用

陳曉農，浦旭輝

(合肥合鍛智能制造股份有限公司，安徽 合肥 230601)

高頻響閥的幾種特性在液壓機中的典型應用

陳曉農，浦旭輝

(合肥合鍛智能制造股份有限公司，安徽 合肥 230601)

針對液壓機領域的幾種典型的高精控制工況，結合高頻響閥的液態(tài)特征及電控原理，較全面地分析了高頻響閥在復雜工況、惡劣環(huán)境下的實際使用情況，分析、總結了高頻響閥在液壓機領域的適用工藝范圍。分別闡述了高頻響閥在各類機型實際應用的優(yōu)缺點，為進一步系統(tǒng)優(yōu)化提供實踐參考。

液壓機；高頻響閥；閉環(huán)同步控制；超微速；時變系統(tǒng)

近年來，隨著國內航空航天、軌道交通制造業(yè)的飛速發(fā)展，對產品零件的加工質量和生產效率的要求也大幅提升，與之配套的液壓機的加工精度要求也越來越高。高頻響閥以其響應頻率高、響應速度快、控制精確等優(yōu)點，在液壓機行業(yè)中成為不可或缺的重要元件。

本文通過幾種典型的高精控制工況的液壓機案例，從液壓系統(tǒng)分析、優(yōu)化控制著手，結合現代控制策略與計算機技術等手段，綜合解決復雜工藝、工況下的產品質量要求。通過實踐證明，針對特定工況需求開發(fā)的液控系統(tǒng)及優(yōu)化的電控算法，能有效提高常規(guī)設備的制造精度，顯著擴大液壓機的有效使用范圍。

1 大慣量元件高頻控制系統(tǒng)

通常，大慣量元件的運動部件質量大、快速充液量達數千升每分鐘，工作壓力都在32MPa以上。以往對大慣量元件的非線性、時變系統(tǒng)的速度調節(jié)和加速度控制皆難以實現。由于受參數變化和大時變負載的干擾，不可能用精確的數學模型來表達，也無法通過液壓仿真軟件進行模擬預測分析[1]。目前，不僅對大慣量元件的速度、加速度可以實現無級調節(jié)控制，還可以根據不同工藝要求實現擬合曲線模擬運動。其典型代表類型為快速鍛造液壓機。

大噸位快速鍛造液壓機主要用于飛機起落架及大型船舶發(fā)動機主軸的熱粗、精鐓工藝，一般加工長度為4000mm～5000mm、直徑約800mm～2000mm，其重量可達50多t。由于溫度變化對工件的質量影響較大，所以要求在高頻工作節(jié)拍下，完成高溫毛坯件低速鐓粗和高速校形以達到凈尺寸要求，其控制難點在于壓制頻率和往復精度。其運動部件質量多達100多t，每分鐘鍛造次數120次左右，行程25mm，下壓量5mm，控制精度在±1mm以內，而且要求主機及系統(tǒng)工作平穩(wěn)。

以我公司生產的YH14-3500型液壓機為例，該設備為典型的三缸雙柱下拉式鍛造液壓機。其運動部件總重約55t，主噸位為35MN，由1個35MN的立式液壓缸實現全噸位力。在固定梁兩側各安裝一個回程缸，用以實現活動橫梁的高速回程，其簡要液壓系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 YH14-3500液壓系統(tǒng)框圖

該液壓系統(tǒng)將進油和排油分開控制，采用獨立的控制閥組進行初分控制。各閥組皆為三級快速插裝閥組，卸荷閥組更增加了阻尼閥組，實現閥組開啟曲線為先慢后快再慢的控制模式，使主閥啟閉過程更加平緩。各主閥組的先導閥均為高頻響閥，切換頻率可高達250次/分鐘，該系統(tǒng)選用的高頻響閥為力士樂4WRPEH6C4B1 2L-2X/G24KO/A1M型。在回程過程中，在盡可能短的時間里釋放高壓液體的能量，即在高壓時卸壓速率小，低壓時卸壓速率大，從而使卸壓過程快而平穩(wěn)，不產生大的沖擊和聲噪。

對于快速鍛造液壓機來說，快速性和平穩(wěn)性是相互排斥的兩個特性，加之液壓系統(tǒng)的固有響應時差，運動部件出現滯后或超調都是不可避免的?？刂撇呗允墙鉀Q這一矛盾的關鍵，也是整個設備流暢運行的主因。由于快鍛液壓機的類正弦運動特點，其控制原理采用三段式控制模式，其簡要控制原理如圖2所示。

圖2 YH14-3500控制原理框圖

該控制系統(tǒng)為預測型三段式控制模式，三級快速插裝閥組實行分段控制策略(包括直線段、曲線段)，不同階段實施不同控制策略。在大位移范圍內采用開關量控制，在趨向目標點時采用速度控制，在接近目標點采用位置控制。目標控制點由先前系統(tǒng)采集的輸入和輸出值加上設定的未來輸入，系統(tǒng)模糊預測系統(tǒng)下一步輸出量來決定。雖然無法完全實現正弦控制，但運動曲線得到了擬合優(yōu)化。進一步趨向類正弦曲線，修正正弦波的波峰、波谷的光滑度，以實現類正弦運動，從而使運動部件的鍛造柔性顯著提高。此類控制系統(tǒng)主要利用了高頻響的響應頻率高的典型案例。

2 單執(zhí)行元件超微速系統(tǒng)

在超微速鍛造時，根據不同壓制階段可分為超微速、恒應變速率和變應變速率三種速度控制模式階段。從微觀機理分析，超塑性變形是以晶界滑移為主，微縮蠕變和擴散蠕變只起到協調的輔助作用。這就要求在超微速階段，位移量最高要達到微米級[2]。與以往的等速運動相比，壓制精度提高了2個量級。同時，要保證速度和力的“雙”閉環(huán)控制。目前，不僅可以實現超微速控制，而且還可以按照規(guī)定曲線進行恒應變速率運動控制，其典型代表類型為等溫鍛造液壓機。

等溫鍛造液壓機主要應用于鈦基合金及高溫合金等難變形材料的凈成形工藝，一般加工直徑在600mm～1800mm左右的盤類或葉片類零件。由于大多數難成形材料在常溫狀態(tài)下可塑性較差(變形抗力大)，需將加工坯料和模具加熱到“幾近”溫度。為了避免“激冷”效應的出現，在長達1h以上的保溫、保壓狀態(tài)下，溫差變化需控制在加工溫區(qū)的95％～105％以內，以實現超塑性變形對應變速率1×10-4/s～0.1/s的要求。由于偏載和超塑性材料高溫下的時變抗力，對達到恒應變速率較為困難。只有在這種相對較苛刻的狀況下，才可獲得均勻的等軸細晶形態(tài)。

以我公司生產的YH10-4000型液壓機為例，該設備為雙缸四調平下壓式模鍛液壓機。主噸位為40MN，由兩個20MN的立式液壓缸實現全噸位力。在活動橫梁的四個角，各安裝一個小噸位的調平油缸，四個調平油缸與主缸控制閥路聯控，可實現超微速系統(tǒng)控制，其簡要系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 YH10-4000液壓系統(tǒng)簡圖

該液壓系統(tǒng)采用四缸調平和中間缸施壓模式，活動橫梁四個頂點的雙出調平缸必須兩兩同步控制，分別保證一條對角線的水平度。從而保證該活動橫梁平面內的中心對稱相交的兩條直線保持水平[3]。以高頻響閥組控制輸出流量的穩(wěn)定性，閥組安裝有壓力補償器，實現閉環(huán)反饋，在進出油口之間建立穩(wěn)定的壓差。主油缸的下腔排油速度，在超低速的位移量下，既要防止滑塊出現爬行現象，更不能出現回彈或反復加壓現象。該系統(tǒng)選用的高頻響閥型號為穆格N-DSHRE50BXB1AB04X/EP型。在回程缸油路上設有一個比例減壓閥，使回程缸保證一個恒定的背壓，保持低速的穩(wěn)定性、均勻性。

對于等溫鍛液壓機來說，超微速運動和穩(wěn)定壓制力是必須同時具備的關鍵參數。在壓制的不同變形階段有不同的最佳變形速度，初始階段用較大的變形速率進行鍛造。然后，再以小應變速率鍛造，最后從毛坯的充填需要和材料的反彈角度考慮進行超微速保壓。保壓階段必須達到恒應變速率控制，恒應變速率的實現是力閉環(huán)和位移閉環(huán)的復合控制。由于等溫鍛的超微速運動特點，其控制原理采用恒應變速率控制原理，簡要控制原理圖如圖4所示。

圖4 超微速控制原理

該控制系統(tǒng)為“雙主動”控制模式，活動橫梁的行程和工件被壓制高度實行雙向同步檢測。在超微速控制過程中，隨著壓制時間的增加，工件被壓制高度的瞬時值(HiI)也越來越小，而應變速率因子ε始終保持恒定。整個運動過程呈現微速下行，下行速度不斷減小，最終趨于零，但不會負增長。按照應變速率變形特點，要求晶體間位錯要有充分的時間，通過攀移等方式進行重新排列，讓晶界滑移也得到充分發(fā)揮。位移量主要以下行為主控制，從而確保高溫合金在飛邊填充和回彈填充更加飽和，此類控制系統(tǒng)主要利用了高頻響的雙向同步響應速度快的典型案例。

3 多執(zhí)行元件調平系統(tǒng)

多執(zhí)行元件機構由于其執(zhí)行元件較多，一般都是4個元件以上，某些特殊場合可多達10個以上。若對各元件單獨進行高精的同步控制，實現難度較大。傳統(tǒng)的控制策略是采用同步閥或分流-集流閥進行控制，由于二者皆為主動進油粗分方法，存在同步誤差大、不能自我修正等缺點[4]。近年來，以“同等方式”控制多執(zhí)行元件的閉環(huán)控制模式可以精確實現單點或多點同步控制，精度范圍可控制在0.1mm/m以內。目前，在大部分有高精度調平要求的多缸工況下，“同等方式”閉環(huán)控制模式替代了以往“主從方式”開環(huán)控制模式。其典型代表類型為汽車縱梁液壓機。

大型汽車縱梁液壓機主要應用于超長重型卡車縱梁的成形工藝，一般加工縱梁長度為8m～9m，某些特殊情況下可達到12m左右。通常情況下，在冷態(tài)下將10mm～20mm左右厚鋼板壓制成U型截面的長梁，其主要控制難點在于U型底部校平階段。此階段不但要求均勻加載全噸位公稱力，而且還要保證被加工件的平整度。由于被加工件自身長度較長、受力中心點偏差、板材厚度的不均勻等特點，導致整個工件各處力矩的差異。同時，需要實現控制精度0.1mm/m以內，而且要求一次成形，無法進行二次校正。

以我公司生產的YH29-6400型液壓機為例，活動橫梁總長為12.8m，主噸位為64MN，由8個8MN立式液壓缸實現全噸位公稱力。同時，該設備具有二級偏載施壓功能。8個立式液壓缸依次從左向右組合施壓，可分別實現32000kN和48000kN的公稱力，偏載精度實測數據分別為：64000kN時實測數據為0.1mm/m，48000kN時實測數據為0.15mm/m，32000kN時實測數據為0.18mm/m，其簡要控制系統(tǒng)框圖如圖5所示。

圖5 YH29-6400液壓系統(tǒng)框圖

該系統(tǒng)具備多路組合施壓功能，對各缸進行串、并聯組合分配，保持各缸進油比例分流控制，以實現開關量和微量的雙重調節(jié)功能。當全噸位施壓時，由于8個上腔進油的油液壓縮量各不同，必須對各腔進行比例節(jié)流控制。同時，需要對調平缸的進油量和排油量，進行二次比例閉環(huán)微調控制。該系統(tǒng)選用的高頻響閥為阿托斯DPZO-LES-PS-271-S5/EBC型。當活動橫梁未接觸工件時，進行大流量分流控制。當接近預設點時，采用下腔比例節(jié)流模式，以主、從控制元件“等同”模式強制活動橫梁的位移量相等。當接觸工件后，采用進、排油雙閉環(huán)控制，確保底部校形順滑、平整。

對于縱梁液壓機來說，U型底部校形階段是整個控制的關鍵。部分帶沖孔功能的機型，對緩沖機構的同步性能要求更高。電氣控制方法決定系統(tǒng)的平穩(wěn)性，也是液壓功能實施的關鍵。多執(zhí)行元件的調平系統(tǒng)對運動部件平行度的要求高，宜采用“同等方式”的閉環(huán)控制原理，其簡要電氣控制原理如圖6所示。

圖6 多執(zhí)行元件調平控制原理

該控制系統(tǒng)包括檢測機構、執(zhí)行機構和控制機構，將高頻響閥、數字式液壓泵和調平控制系統(tǒng)形成執(zhí)行機構?？刂茩C構由左、右調平油缸及控制閥路組成，旨在連通調平缸下腔的高頻響閥與檢測機構(高精位移量檢測傳感器)形成的位移差值，通過數字式液壓泵進行進油微調和高頻響閥節(jié)流微控形成閉環(huán)運算。通過PID控制器進行高頻數值分析，實現瞬時糾偏處理，使汽車縱梁液壓機的同步精度有了進一步提高。此類控制系統(tǒng)主要利用了高頻響閥的超微調量的典型案例。

4 結論

本文通過對三種典型的液壓機高精度控制工況的綜合分析，針對不同類型的工況設計了不同控制系統(tǒng)，并根據不同控制系統(tǒng)分別提出了高適應性電控策略，獲得了較好的控制效果。使設備的穩(wěn)定性、快速性和高精性能都有顯著提高，為今后類似產品以及復合類型液壓機設計，提供了一定的實際參考依據。

[1] 陳柏金，高俊峰，等.自由鍛造液壓機控制策略[J].機械工程學報，2008，44(10)：304-305.

[2] 郭 靈，王淑云，林 海.先進航空材料及構件鍛壓成形技術[M].北京：國防工業(yè)出版社，2011.

[3] 中國機械工程學會塑性工程學會.鍛壓手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007.

[4] 郭曉松，祁 帥，等.基于同等方式控制的雙缸同步液壓系統(tǒng)仿真[J].機床與液壓，2009，37(3)：149-150.

Typical application of high-response control valve in high precision control conditionsof hydraulic press

CHEN Xiaonong,PU Xuhui
(Hefei Metalforming Intelligent Manufacturing Co.,Ltd.,Hefei 230601,Anhui China)

Aiming at the several typical high precision control conditions in the field of hydraulic press,in combination of the liquid characteristics and electric control principle of high-response control valves,the actual application status of high-response control valveunder the complex working conditions and the harsh environment has been comprehensively analyzed.The suitable application range of high-response control valve in the hydraulic press has been analyzed and summarized.The advantages and disadvantages of the high-response control valve in each kind of press during actual operation have been expounded separately,which provides practical reference for further system optimization.

High-response control valve;Closed loop synchronous control;Micro speed;Time varying system

TG315.4

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2017.05.006

1672-0121(2017)05-0021-04

2017-05-04；

2017-06-19

陳曉農(1961-)，男，工程師，從事液壓機電氣控制研究。E-mail：autscadklq@163.com