多工位環鍛油壓機液壓系統設計

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環件坯料成形油壓機，為環軋機提供環件毛坯，要求該油壓機必須具備完善的輔助機構且能自動完成工件的成形過程。因此對液壓系統的設計提出了更高要求。

1 機構組成及精度要求

該油壓機液壓執行機構由主工作缸、側工作缸、滑塊鎖緊裝置、對中裝置、工作臺鎖緊裝置、預沖擺入裝置、終沖裝置以及工作臺移動裝置等等組成。

該油壓機要求滑塊壓下精度±1 mm，對中精度±1 mm，工作臺定位精度±0.5 mm，預沖擺入精度為±0.2°。相應機構都配備有高精度位移傳感器，位置數值均在液壓機主畫面上顯示（見圖1）。

2 液壓系統設計

2.1 方案確定

圖1 壓機主畫面

由于用戶要求該油壓機能實現自動化過程控制，所以要求壓機本體、液壓系統對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壓機中涉及位置控制最多的過程，在一個全自動過程中每次的位置精度都必須在±1 mm之間。為此相關控制閥組選用大流量插裝閥+比例閥節流閥的方式；利用高精度位移傳感器與比例節流閥對滑塊位置進行開環控制。

（2）對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閥與位移傳感器組成閉環控制系統。

（3）依據現場條件，充液系統采用主油箱帶壓充液，減小主油箱高度尺寸以滿足廠房對壓機地上高度的要求。

（4）卸荷系統采用閥組內部卸荷+緩沖罐卸荷的組合，實踐證明此種卸荷方式適合高壓大流量壓機的卸荷過程，可有效避免“嘯叫”現象。

（5）移動工作臺采用高頻響應比例閥控制，其特有的斜坡啟動停止功能是實現移動工作臺平穩啟動和準確停止的必要條件。

（6）終沖缸采用普通的開關閥控制，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整回路、壓下及回程回路和卸荷回路組成（見圖2）。

（1）調整回路

調整回路的設計出發點是：用戶可在主系統不啟動的情況下以較低的壓力和速度順利完成壓機的模具更換、設備間隙調整及檢修工作，壓機活動橫梁的上下動作由控制泵和單獨的小通徑三位四通換向閥完成。DT27得電時，高壓油進入兩側缸下腔，活動橫梁上升；DT26得電時，兩側缸下腔油與回油路相通，完成慢速下降動作，活動橫梁的速度靠節流閥手動調整。

圖2 活動橫梁控制閥組

（2）壓下及回程回路

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

可以看出：按第一種控制思想工作的壓機在接近成品尺寸時工作缸的速度低，容易達到壓下精度的要求，但每個工序所需時間比較長；按第二種控制思想工作的壓機在接近成品尺寸時工作缸的速度稍快，壓機在很短時間內就可以完成一個壓下工序，但由于停車時工作缸的速度比第一種方案快，前沖慣性大，調試時需要摸索停止時間的提前量。現場調試時，為了能讓活動橫梁與工件接觸前工作缸就能產生一定的壓力，DT25控制的平衡閥設定壓力需調到一定數值。

如果該值設定過高，溢流閥長期處于高壓溢流狀態，系統溫升很快；如果設定過低，工作缸需很長時間才能達到設定壓力值，工作周期拖長，且由于平衡力的減小，很難達到設計壓下精度。因此，本臺壓機選擇第一種方案。

（3）卸荷回路

在卸荷回路設計中需要解決壓下完成后滑塊開始回升時因整個壓機系統積蓄的彈性能量瞬時釋放所產生的震動及“嘯叫”現象，保護壓機設備及儀表不受損害。

圖3 壓機速度位移曲線

經計算，該壓機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實的。針對壓機高壓大流量的系統卸荷要求，最終決定采用以比例溢流閥為控制核心的閥組作為內部卸荷回路。當壓機結束一個壓下工序后，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部通道回到主油箱，系統壓力平穩下降至要求數值；此后，充液閥開啟，工作缸內的殘余壓力由緩沖罐吸收。實踐證明，這是目前為止鍛造液壓機最有效、最平穩的卸荷方式。

2.3 移動工作臺控制回路

移動工作臺的驅動缸是活塞缸，內置高精度位移傳感器。普通的移動缸控制回路由一個常規換向閥和進、出口閥門組成。回路控制核心是一個高頻響應比例閥，利用比例閥的特性實現工作臺的平穩起停（見圖4），有效地防止因工作臺的突然起動造成工件與模具錯位現象。這在工件從鐓粗工序向終沖工序轉換時尤為重要。

圖4 工作臺起停曲線

2.4 對中控制回路

工件在鐓粗工序后和終沖工序前都需要對中。對中的目的是矯正工件的位置，保證工件的中心與壓機中心、終沖模中心同心。對中裝置由升降缸、水平對中臂、導向裝置及水平推進缸組成。為了滿足用戶高精度快速對中要求，設計時采用了以過程對中為主，位置對中為輔的控制思想，位于壓機左右兩側的兩個獨立的對中臂在執行對中過程的每時每刻，其位置相對壓機中心都保持同步。

為此在設計時利用高頻響應閥的高頻響應特性完成回路控制，此外，還選取大通徑的比例閥，滿足短時間內的對中要求。當工件的偏置距離小于最小對中行程時，壓機自動選擇位置對中。具體操作時，先由對中臂與工件接觸，當系統壓力上升至設定數值后，PLC記錄對中臂的水平位移并計算差值，再將相應的退回、前進指令發至兩個比例閥，比例閥開啟，在低速下完成前進和后退動作，此時，系統中的水平缸鎖緊閥參與工作（見圖5）。

圖5 對中回路

2.5 帶壓充液系統中大口徑管路沖洗方法

本油壓機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到DN450，如此大口徑管道進行循環沖洗時沖洗站需提供7 000 l/min以上的流量，而如此規格沖洗站在國內還未曾出現。為了能使管道迅速達到規定的清潔度，現場沖洗時首創了“氣體爆破法”，將大通徑管路與機上管道斷開，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。管道內充入壓縮空氣，當氣壓達到0.5 MPa左右時快速打開端面法蘭上的擋板，使管道內的灰塵在氣體的帶動下快速沖入空氣中，如此反復幾次即可將管道清理干凈。這種辦法對工具和操作工的要求不高，適合大通徑管路的現場清理。

3 結 語

本系統在實際應用中已取得良好效果，并得到用戶認可。下一步將研究如何通過選配閥內阻尼減少系統共振。