環(huán)鍛壓機(jī)對(duì)中裝置液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)及分析

摘要：環(huán)鍛壓機(jī)對(duì)中裝置性能的好壞直接決定了環(huán)形鍛件的最終成型質(zhì)量，文章首先介紹了對(duì)中裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制精度要求，其次根據(jù)水平對(duì)中機(jī)構(gòu)控制精度要求，提出了比例閥控制液壓系統(tǒng)、分流集流閥控制系統(tǒng)和同步缸控制液壓系統(tǒng)三種控制方式，并對(duì)三種控制方式的控制性能展開(kāi)分析;最后根據(jù)豎直舉升機(jī)構(gòu)控制精度要求，提出了雙泵控制液壓系統(tǒng)、分流集流閥控制系統(tǒng)和同步缸控制液壓系統(tǒng)三種控制方式，并對(duì)雙泵控制液壓系統(tǒng)的控制性能展開(kāi)分析。文章提出了多種液壓系統(tǒng)控制方式，可根據(jù)實(shí)際使用需求進(jìn)行選擇。

關(guān)鍵詞：對(duì)中裝置;比例閥控制;分流集流閥控制;同步缸控制

中圖分類(lèi)號(hào)：TG3 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2021）09-0056-03

0 ?引言

環(huán)鍛壓機(jī)是為鍛造環(huán)形鍛件而設(shè)計(jì)的具有多工位功能的成套裝備。主要由上料機(jī)械裝置、多工位移動(dòng)工作臺(tái)、整體機(jī)身、主滑塊、終沖副滑塊、對(duì)中裝置、預(yù)沖自動(dòng)擺臂機(jī)械裝置、工作臺(tái)氧化皮清理裝置、廢料收集裝置等各子系統(tǒng)組成。各子系統(tǒng)之間由可編程控制器PLC結(jié)合觸摸屏控制，實(shí)現(xiàn)上料、鐓扁、對(duì)中、預(yù)沖、終沖等鍛造工藝。其中對(duì)中裝置對(duì)環(huán)形鍛件的最終成型質(zhì)量起著重要的作用。

1 ?對(duì)中裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)及控制要求

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)介紹

環(huán)鍛壓機(jī)對(duì)中裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示，由水平對(duì)中機(jī)構(gòu)和豎直舉升機(jī)構(gòu)組成，其中水平對(duì)中機(jī)構(gòu)包含左右兩側(cè)對(duì)中油缸，實(shí)現(xiàn)工件在鍛造過(guò)程中的水平對(duì)中以及夾緊功能;豎直舉升機(jī)構(gòu)包含左右兩側(cè)舉升油缸，實(shí)現(xiàn)工件夾持后的抬起和落下功能，以及配合移動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)多工位的轉(zhuǎn)換。

1.2 對(duì)中裝置控制要求

由于水平對(duì)中機(jī)構(gòu)和豎直舉升機(jī)構(gòu)的使用功能不同，因此對(duì)水平對(duì)中油缸和豎直舉升油缸的控制要求也有所區(qū)別，具體要求如下：

水平對(duì)中油缸的液壓系統(tǒng)控制要求如下：①快速平穩(wěn)的實(shí)現(xiàn)工件的水平對(duì)中;②保證工件對(duì)中完成后的最終位置與工位中心位置誤差控制在2mm內(nèi);③能夠滿足不同規(guī)格工件的對(duì)中要求和夾持要求。

豎直舉升油缸的液壓系統(tǒng)控制要求如下：①能夠快速平穩(wěn)的實(shí)現(xiàn)對(duì)中機(jī)構(gòu)的抬起和落下;②在抬起和落下的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中保證較小的同步誤差，兩側(cè)高度誤差控制在15mm內(nèi)。

2 ?對(duì)中裝置液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)中裝置水平對(duì)中油缸和豎直舉升油缸的控制要求，分別設(shè)計(jì)了水平對(duì)中液壓控制系統(tǒng)和豎直舉升液壓控制系統(tǒng)。下面將分別展開(kāi)介紹。

2.1 水平對(duì)中機(jī)構(gòu)的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)水平對(duì)中油缸使用工況，需要在兩側(cè)對(duì)中油缸共同作用下，保證在工件被夾持在指定位置，如果位置偏差超過(guò)一定范圍，就會(huì)影響后期鍛造精度，主要設(shè)計(jì)以下幾種液壓控制方式。

2.1.1 比例閥控制的對(duì)中液壓系統(tǒng)

圖2所示為比例閥控制的對(duì)中液壓系統(tǒng)原理圖。左右兩側(cè)電液換向閥分別控制左右兩側(cè)水平對(duì)中油缸運(yùn)動(dòng)，通過(guò)控制電液換向閥動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)水平對(duì)中油缸快速頂出和快速退后，比例閥工作油口分別連通兩側(cè)對(duì)中油缸的無(wú)桿腔，實(shí)現(xiàn)工件對(duì)中過(guò)程的微調(diào);當(dāng)電液換向閥④控制對(duì)中油缸快速頂出接觸到工件后，水平對(duì)中油缸無(wú)桿腔壓力逐漸升高，當(dāng)?shù)竭_(dá)壓力繼電器的設(shè)定值時(shí)，壓力繼電器發(fā)訊，進(jìn)入工件緩慢對(duì)中調(diào)整過(guò)程;由于電液換向閥控制水平對(duì)中油缸的運(yùn)動(dòng)速度不可控，壓力繼電器發(fā)訊時(shí)工件所處位置難以確定，需首先讀取對(duì)中油缸位移尺數(shù)據(jù)，判斷工件偏差方向和偏差位移量，最后通過(guò)程序控制比例閥⑦動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)工件位置的緩慢微調(diào)，最終實(shí)現(xiàn)工件到達(dá)目標(biāo)位置;當(dāng)需要夾持抬起時(shí)，電磁換向閥⑥得電動(dòng)作，控制泵來(lái)油同時(shí)進(jìn)入兩側(cè)對(duì)中油缸無(wú)桿腔實(shí)現(xiàn)工件夾持。

此系統(tǒng)帶有位移傳感器對(duì)油缸位置跟蹤比較，通過(guò)比例閥調(diào)節(jié)對(duì)中位置，可實(shí)現(xiàn)較高的對(duì)中位置精度，實(shí)際使用中對(duì)中位置精度能夠達(dá)到±0.2mm。并且在系統(tǒng)有輕微漏損的情況下也能夠照常工作，對(duì)中精度不受行程長(zhǎng)度及負(fù)載大小的影響。

由于此控制系統(tǒng)中使用到比例方向閥、位移傳感器和壓力傳感器等精密元件，對(duì)液壓系統(tǒng)的油液的清潔度及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境要求較高，同時(shí)液壓系統(tǒng)及電控系統(tǒng)也比較復(fù)雜，成本較高。

設(shè)備維護(hù)人員需定期維護(hù)液壓系統(tǒng)，對(duì)用戶現(xiàn)場(chǎng)液壓維護(hù)人員的要求較高。液壓元件出現(xiàn)故障后的解決周期較長(zhǎng)。

2.1.2 分流集流閥控制液壓系統(tǒng)

圖3所示為分流集流閥對(duì)中液壓系統(tǒng)原理圖。電液換向閥⑥得電動(dòng)作時(shí)，泵來(lái)油進(jìn)入水平對(duì)中油缸的無(wú)桿腔或者有桿腔，實(shí)現(xiàn)對(duì)中油缸的快速頂出或快速退回動(dòng)作;分流集流閥④可實(shí)現(xiàn)進(jìn)入或流出兩側(cè)對(duì)中油缸無(wú)桿腔的流量是均勻的，當(dāng)油液進(jìn)入對(duì)中油缸無(wú)桿腔時(shí)，會(huì)通過(guò)分流集流閥進(jìn)行分流;當(dāng)油液流出對(duì)中油缸無(wú)桿腔時(shí)，會(huì)通過(guò)分流集流閥進(jìn)行集流;由于分流集流閥和兩側(cè)對(duì)中油缸存在加工制造誤差，因此要求對(duì)中油缸每次退回時(shí)，必須回到起始位置，通過(guò)接通電液換向閥③消除起始誤差，否則誤差會(huì)逐漸累計(jì)變大。

如圖4所示，分流集流閥將一路供油分為兩路等量供油，不受輸入輸出壓力的影響。當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，閥芯④在閥體③中自動(dòng)滑移，以補(bǔ)償P1與P2壓力的壓差。壓力通過(guò)滑閥內(nèi)部的阻尼孔作用于相反一側(cè)滑閥的端面，若P1壓力較高，則相反一端的開(kāi)口減少，其Q2開(kāi)口流量相應(yīng)減少，反之皆然。進(jìn)口壓力=高壓出口的壓力+開(kāi)口的壓降。集流閥的同步精度約為5%。同步精度較低，且容易受到油液清潔度和油液溫度干擾。油缸行程對(duì)其影響很大，行程越長(zhǎng)對(duì)中誤差越大，在系統(tǒng)有漏損時(shí)誤差會(huì)加大最終誤差，要求每次退回至行程末端時(shí)必須進(jìn)行誤差消除，否則誤差會(huì)累計(jì)。

2.1.3 同步缸控制液壓系統(tǒng)

圖5所示為同步缸對(duì)中液壓系統(tǒng)原理圖。電液換向閥④得電動(dòng)作時(shí)，油液進(jìn)入對(duì)中油缸的無(wú)桿腔或有桿腔，實(shí)現(xiàn)油缸快速頂出或快速退回;當(dāng)電液換向閥④左側(cè)電磁鐵得電時(shí)，油液進(jìn)入同步缸②兩個(gè)右腔，推動(dòng)同步缸活塞往左運(yùn)動(dòng)，將同步缸兩個(gè)左腔的油液推入兩側(cè)對(duì)中油缸的無(wú)桿腔;當(dāng)電液換向閥④右側(cè)電磁鐵得電時(shí)，油液進(jìn)入兩側(cè)對(duì)中油缸的有桿腔，對(duì)中油缸退回，將對(duì)中油缸無(wú)桿腔的油液推入同步缸②兩個(gè)左腔，推動(dòng)同步缸活塞往右運(yùn)動(dòng)，同時(shí)將同步缸兩個(gè)右腔的油液通過(guò)電液換向閥④返回油箱;對(duì)中油缸每次退回時(shí)，必須通過(guò)接通電磁閥③，確保兩側(cè)對(duì)中油缸回到起始位置，并在起始位置安裝一個(gè)行程開(kāi)關(guān)⑤做判斷。

同步缸是一種單桿多活塞液壓缸，它最大的優(yōu)點(diǎn)在于其同步精度不受系統(tǒng)壓力、流量及負(fù)載等各種因素的影響。并且由于同步缸不存在同步誤差，成本較低、維修方便。同步缸控制精度與執(zhí)行元件的加工精度及調(diào)試有很大關(guān)系，要求調(diào)試初期同步缸、管路及執(zhí)行元件內(nèi)氣體必須排凈，并且保證液壓管路的密封良好，不得存在漏損。一般調(diào)試完成后的對(duì)中精度比較理想。

2.2 豎直舉升機(jī)構(gòu)的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)舉升缸的使用工況，需要保證在舉升及落下過(guò)程中保持基本同步，如果左右兩側(cè)舉升缸的運(yùn)行同步誤差超過(guò)一定的范圍，就會(huì)導(dǎo)致舉升及落下過(guò)程中工件的偏斜，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致工件的滑落，主要設(shè)計(jì)以下幾種液壓控制方式。

2.2.1 雙泵控制液壓系統(tǒng)

圖6所示為舉升缸雙泵液壓系統(tǒng)原理圖，采用雙出軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)相同型號(hào)的液壓泵實(shí)現(xiàn)同步控制，但是負(fù)載壓力波動(dòng)會(huì)影響液壓泵的內(nèi)泄，因此采用兩泵方案實(shí)現(xiàn)調(diào)速比較困難。

本系統(tǒng)采用雙出軸電機(jī)加兩臺(tái)同型號(hào)液壓泵的控制方式，雙出軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)可以保證泵的同步轉(zhuǎn)動(dòng)，但考慮同型號(hào)泵的排量也有偏差，所以選用手調(diào)變量泵，調(diào)試初期可對(duì)泵的排量進(jìn)行微調(diào)，使兩泵排量盡可能保持一致。但是使用過(guò)程中，由于負(fù)載壓力波動(dòng)會(huì)影響液壓泵的內(nèi)泄，并且電磁閥的換向也不可能到達(dá)完全一致，還是會(huì)導(dǎo)致較大的誤差。控制的精度約為3%。

2.2.2 分流集流閥控制液壓系統(tǒng)

豎直舉升缸使用分流集流閥控制液壓系統(tǒng)與控制水平對(duì)中油缸的原理一致，此處不再詳細(xì)描述。

2.2.3 同步缸控制系統(tǒng)

豎直舉升缸使用同步缸控制液壓系統(tǒng)與控制水平對(duì)中油缸的原理一致，此處也不再詳細(xì)描述。

3  結(jié)論

文章首先介紹了水平對(duì)中油缸的3種控制方式，其中比例閥對(duì)中控制液壓系統(tǒng)的精度最高，但是成本較高、控制較為復(fù)雜，同時(shí)維護(hù)成本較高，適用于對(duì)中精度要求較高的場(chǎng)合;分流集流閥控制液壓系統(tǒng)最為簡(jiǎn)單，但是精度較差，適用于行程較短，對(duì)中精度要求不高的工況;同步缸控制系統(tǒng)在系統(tǒng)成本、故障率及維修效率上能夠達(dá)到一個(gè)比較理想的要求，適應(yīng)較為惡劣的工況，在對(duì)中精度要求不是很高的情況下可以?xún)?yōu)先考慮。

其次，文章介紹了豎直舉升缸控制液壓系統(tǒng)，由于豎直舉升缸的行程一般都不大，且控制精度要求較低，所以提出的3種液壓系統(tǒng)控制方式都可以滿足使用要求。但是在行程超過(guò)500mm時(shí)，盡量避免選用分流集流閥控制系統(tǒng)。在初期調(diào)試較好且系統(tǒng)泄露控制較好的情況下，同步缸控制液壓系統(tǒng)控制效果最好。

參考文獻(xiàn)：

[1]郝鐵文，殷文齊，陳舉慶，等.多工位環(huán)鍛油壓機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].一重技術(shù)，2012（3）：4-6.

[2]郝鐵文，劉統(tǒng)珂.環(huán)件生產(chǎn)與多工位環(huán)件坯料成型液壓機(jī)[J].一重技術(shù)，2012（1）：17-20.

[3]于曉紅.我國(guó)鍛壓行業(yè)近況及前景淺析[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2011（5）：14-16.

[4]劉振堂.我國(guó)鍛壓機(jī)械行業(yè)現(xiàn)狀概況[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2011（4）：9-15.

作者簡(jiǎn)介：關(guān)鋒（1980-），男，山西長(zhǎng)治人，碩士，講師，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)。