150 MN 水壓機(jī)活動(dòng)橫梁位置自適應(yīng)預(yù)控方法

劉林峰

在150 MN 水壓機(jī)投產(chǎn)前， 國(guó)內(nèi)大型鍛造水壓機(jī)快鍛尺寸精度≥±10 mm， 國(guó)外新式大型水壓機(jī)快鍛能達(dá)到±5 mm。 由于快鍛通常是最后一道工序， 提高鍛件精度對(duì)節(jié)約能源、 原材料具有重要意義。 因此， 必須提高動(dòng)梁的運(yùn)行精度。

150 MN 水壓機(jī)活動(dòng)橫梁及相連活動(dòng)部件重達(dá)600 t， 快鍛速度20 次/min。 為了解決鍛造過(guò)程中水壓機(jī)大壓力、 大慣性、 品種多問(wèn)題， 需開(kāi)發(fā)一種活動(dòng)橫梁位置自適應(yīng)預(yù)控方法， 綜合考慮鍛件品種、 鍛造壓力、 機(jī)械系統(tǒng)慣性、 控制閥組滯后等影響因素， 通過(guò)簡(jiǎn)化工程算法對(duì)橫梁位置機(jī)械預(yù)控， 從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)[1]。

1 影響因素

1.1 系統(tǒng)因素

由于在關(guān)斷液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的加壓控制閥開(kāi)關(guān)并打開(kāi)泄壓控制閥時(shí)無(wú)法做到無(wú)延時(shí)壓力轉(zhuǎn)換，由此必然存在滯后， 特別是大壓力、 大流量水壓機(jī)控制閥的開(kāi)關(guān)時(shí)間＞0.5 s， 由此造成主缸內(nèi)的壓力不會(huì)瞬時(shí)泄壓， 在此壓力下即使是快鍛中， 活動(dòng)橫梁也會(huì)繼續(xù)壓下3～12 mm； 同時(shí)， 由于活動(dòng)部件的質(zhì)量達(dá)600 t， 慣性大， 會(huì)疊加下壓能量； 加工鍛件品種不同時(shí)產(chǎn)生的變形量也不一樣； 活動(dòng)橫梁位于不同位置時(shí)， 因立柱的彎曲變形程度不同導(dǎo)致兩側(cè)間隙發(fā)生變化； 受鍛件輻射熱作用在立柱內(nèi)形成溫度梯度會(huì)加大立柱變形； 此外， 鍛造過(guò)程中立柱、 活動(dòng)橫梁的彈性變形也都會(huì)影響控制精度。

因此， 如果僅用位置閉環(huán)控制鍛造過(guò)程中活動(dòng)橫梁的行程位置將難達(dá)到控制要求。

1.2 鍛造應(yīng)力因素 [2]

鍛造時(shí)水壓機(jī)的壓力隨鍛件流動(dòng)應(yīng)力而變化。鍛件的變形速度、 變形程度、 變形溫度是影響變形抗力的主要因素。

式中： T—變形溫度（℃） ； ε—變形程度； ε˙—應(yīng)變速率（s-1）； ε()t —變形隨時(shí)間的變化規(guī)律。

式（1） 很難用理論解析法求解， 所以不能用于控制水壓機(jī)的運(yùn)行。 由于鍛件應(yīng)力的變化能夠反應(yīng)出水壓機(jī)運(yùn)行壓力、 速度及溫度的變化， 可以用于控制水壓機(jī)的鍛造位置。

2 解決方案

特大型水壓機(jī)活動(dòng)橫梁的控制系統(tǒng)需要用流量大、 響應(yīng)快的控制比例閥組作為執(zhí)行元件， 以保證系統(tǒng)可控（見(jiàn)圖1）。

圖1 控制系統(tǒng)示意圖

2.1 活動(dòng)橫梁位置預(yù)控方法

在采用位置比例閉環(huán)控制的基礎(chǔ)上， 筆者設(shè)計(jì)一種能夠計(jì)算預(yù)控量的運(yùn)算模型， 該模型可以對(duì)位置誤差進(jìn)行預(yù)補(bǔ)償， 修正因品種、 橫梁慣性、 傳動(dòng)介質(zhì)彈性變形能釋放引起的位置偏差。

在第一次鍛造過(guò)程中， 由位移傳感器測(cè)量活動(dòng)橫梁的位置， 計(jì)算橫梁的運(yùn)行速度， 通過(guò)主工作缸壓力傳感器測(cè)量鍛造壓力， 由溫度傳感器測(cè)量鍛造溫度。 在位置閉環(huán)控制系統(tǒng)發(fā)出停止加壓信號(hào)， 主工作缸控制閥關(guān)閉時(shí)， 由上述傳感器測(cè)得活動(dòng)橫梁的位置、 運(yùn)行速度、 鍛造壓力及鍛造溫度。

開(kāi)始泄壓時(shí)測(cè)量活動(dòng)橫梁的位置， 由可編程控制器CPU 計(jì)算第一次壓下運(yùn)動(dòng)的慣性鍛造行程量ΔH(n-1)， 作為下一次鍛造時(shí)預(yù)控量的基準(zhǔn)值。

在第二次鍛造中， 根據(jù)測(cè)量的活動(dòng)橫梁位置、鍛造壓力和鍛造溫度， 由式（2） 計(jì)算出預(yù)控位置慣性補(bǔ)償提前量， 其中的壓力、 速度、 溫度的變量影響因數(shù)經(jīng)加權(quán)系數(shù)（ 共計(jì)100%） 處理； 再用式（3） 計(jì)算出第二次鍛造時(shí)帶預(yù)控補(bǔ)償量hn的位置閉環(huán)控制輸出量y(h )。

式中： Δhn—表示給定終鍛位置與實(shí)際行程差（ mm） ； k—主工作缸控制閥輸出增益（mm） ； y(h )—主工作缸控制閥實(shí)際輸出控制值（mm）。

通過(guò)執(zhí)行元件控制主工作缸控制閥的開(kāi)口大小， 同時(shí)將本次鍛造過(guò)程中采集的數(shù)據(jù)鍛造數(shù)據(jù)計(jì)入下一次鍛造的運(yùn)算模型中。

2.2 測(cè)量傳感器選擇

筆者將兩臺(tái)高精度位移傳感器分別放置在水壓機(jī)對(duì)角線兩側(cè)的回程缸內(nèi)， 實(shí)時(shí)檢測(cè)活動(dòng)橫梁的精確位置。 將傳感器連接在活動(dòng)橫梁的下端及底梁上檢測(cè)活動(dòng)橫梁的實(shí)際位置， 消除由立柱、 活動(dòng)橫梁變形引起的位置誤差。 在快鍛之前先將壓機(jī)上、 下砧座壓合， 測(cè)量出輔助墊板等的實(shí)際高度， 并將測(cè)量數(shù)據(jù)輸入操作系統(tǒng)。

將溫度傳感器正對(duì)鍛件放置以保證測(cè)量的實(shí)時(shí)性。

3 應(yīng)用效果

筆者在150 MN 水壓機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)， 經(jīng)過(guò)對(duì)多品種鍛件進(jìn)行鍛造加工， 鍛件的控制精度、 實(shí)測(cè)精度都小于±3 mm， 符合設(shè)計(jì)目標(biāo)（見(jiàn)圖2～3）。

圖2 單缸精鍛459 t 鍛件

圖3 雙缸精鍛132 t 鍛件

單缸精鍛459 t 鍛件的終鍛設(shè)定尺寸為5 870 mm， 實(shí)際鍛造尺寸5 869 mm， 誤差1 mm， 總行程146 mm。

雙缸精鍛132 t 鍛件的終鍛設(shè)定尺寸4 860 mm， 實(shí)際鍛造尺寸4 859 mm， 誤差1 mm， 總行程134 mm。 從記錄數(shù)據(jù)可知， 在壓力、 速度發(fā)生變化時(shí)， 該系統(tǒng)能精確控制活動(dòng)橫梁的位置。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文的活動(dòng)橫梁位置自適應(yīng)預(yù)控方法有效， 有效消除由于鍛件品種變化、 大壓力、 大慣性、 控制閥組滯后等因素對(duì)鍛造精度的影響， 減小鍛件加工余量， 縮短后續(xù)加工時(shí)間， 降低能源及材料損耗，提高生產(chǎn)效率。 本文的工藝方法已經(jīng)獲得國(guó)家發(fā)明專利。