靜壓造型線液壓系統的組成及控制

趙林棟，李來升，文 明，董韶宜，杜 鑫，季 虎，王 利

（1.濟南鑄造鍛壓機械研究所有限公司，山東濟南 250306；2.山東電力工程咨詢院有限公司，山東濟南 250013）

靜壓造型線液壓系統的組成及控制

趙林棟1，李來升1，文 明1，董韶宜2，杜 鑫1，季 虎1，王 利1

（1.濟南鑄造鍛壓機械研究所有限公司，山東濟南 250306；2.山東電力工程咨詢院有限公司，山東濟南 250013）

本文敘述了靜壓造型線液壓系統的組成和功能，以及液壓系統在運行過程中的控制。

靜壓造型線;液壓系統;溫度控制;壓力控制

隨著技術的進步，近幾年靜壓造型線以自動化程度高、成型率高、表面硬度高且均勻、型腔表面光滑等優點逐漸成為各鑄造廠的首選設備。

靜壓造型線的主要驅動方式為液壓，液壓驅動的優點是可以實現無極調速[1]，在同等輸出功率下，液壓傳動裝置的體積小、重量輕、扭矩大、受力好，可實現無間隙傳動，運動平穩。采用液壓油作為傳動介質，使液壓元件有自我潤滑作用，大大提高其使用壽命。液壓元件標準化、系列化，方便于設計、制造和推廣應用。本文對靜壓造型線的液壓系統組成和功能以及在使用過程中的控制進行了描述。

1 靜壓造型線液壓系統的組成和功能

靜壓造型線的液壓系統主要由液壓泵站、蓄能器站、閥組、運動單元、管路、過濾系統、溫控系統等組成。通過液壓泵站向系統中注入壓力油供給到各個使用終端，由閥組控制油缸或馬達運動來實現造型線的運行。

（1）液壓泵站

液壓泵站是液壓系統的心臟，它主要由變量泵、定量泵、循環泵、閥組、油箱、溫度控制系統、壓力控制系統、過濾系統、冷卻系統、加熱系統、回油系統等組成。其功能是為整個液壓系統提供壓力和溫度可控、流量穩定、符合精度要求的壓力油。

（2）蓄能器站

蓄能器站是由蓄能器、氮氣瓶、閥組等組成，是液壓系統中的能量存儲設備。其功能是在系統空閑時儲存壓力油，在系統需要油時對系統進行快速補油，以穩定整個系統的壓力。

（3）閥組

閥組是由閥塊和各種功能閥組成。其作用是通過相應的電氣控制，根據閥的自身功能來控制運動單元工作，以滿足我們實際生產中的各種要求。

（4）運動單元

運動單元由油缸、馬達這些以液壓油為能量而運動的設備組成。其功能是通過它們的伸縮或旋轉來完成設備的動作。

（5）管路

管路由無縫鋼管、液壓軟管、截止閥、管路法蘭、接頭、三通等組成。其功能是將壓力油輸送到各控制閥組及運動單元，并將回油路里的油輸送回油箱。

（6）過濾系統

過濾系統由吸油過濾、回油過濾、循環過濾三大部分組成，分別是在相應工況下起到過濾液壓油的作用。

（7）溫控系統

溫控系統由溫度傳感器、加熱系統和冷卻系統組成。加熱系統有電加熱管加熱和管路阻尼加熱兩部分組成。冷卻一般有風冷、水冷、油冷三種方式。

2 液壓系統在靜壓造型線中的重要性

靜壓造型線的驅動方式多樣，除液壓驅動外主要還有氣動驅動和電動驅動，但是相對其余這兩種方式液壓驅動有著不可替代的作用，它們的特點分析如下。

（1）氣動驅動：氣動系統的組成與液壓比較相近，其主要由氣源、儲氣包、氣源處理系統、閥組、管路、運動單元等組成。其各相關單元的功能與液壓系統不盡相同，氣動系統中返回的氣體通過閥體上的消音器直接排放到空氣中，不像液壓系統有專門的回油路，把液壓油輸送回油箱。

①氣動驅動的優點：空氣取之于大氣，成本低廉；安裝、控制方便；無污染、無排放、后期維修方便。

②氣動驅動的缺點：介質為壓縮空氣，工業壓縮空氣的使用壓力一般不超過1MPa，這就決定了以它為動力源的氣缸的輸出力要遠遠小于油缸；空氣的可壓縮性強，在使用過程中如果受到大于壓縮空氣所產生的反向力時會產生逆向的誤動作。

（2）電動驅動：電動驅動的運動單元主要指減速電機、變頻電機、伺服電機等，以電力為動力源輸出一定的扭矩來實現設備的動作。減速電機：在額定功率下輸出額定的轉速和扭矩。變頻電機：在減速電機的基礎上增加了變頻器控制，可以改變減速電機的輸出轉速，以調整設備運行的快慢。伺服電機：增加了伺服控制器及編碼器，可精確控制設備的運行狀態。

①電動控制的優點：電做為直接能源相對于氣動和液壓沒有能量轉換過程中的損失。電動控制的電線連接簡單直接。

②電動控制的缺點：電纜線需要走到設備上，動力電一般都為380V，所以在使用過程中必須做好有效的接地以及其他安全保護措施。另外電動元件在控制設備運行方面有一定的局限性，比如升降設備、水平推送設備，如果使用電動方式將導致設備的結構比較復雜。

（3）液壓驅動：液壓驅動的優缺點如下：

①液壓驅動的優點：造型線的液壓系統一般使用46#抗磨液壓油，液壓油擁有良好的流動性，易產生穩定的系統壓力以保證液壓執行元件穩定可靠運行；在需要相同扭矩的情況下，液壓馬達的體積要遠遠小于電機的尺寸，能明顯減少設備的占用空間；造型線液壓系統提供的壓力可達11MPa～12MPa，液壓運動執行元件輸出的力量遠遠大于氣動系統的執行元件；液壓系統的標準化程度、集成化程度高，可有效提高設計效率和可靠性；在整個電路控制中都使用的24V弱電，干擾小、安全性好。

②液壓驅動的缺點：相對于氣動驅動和電動驅動，液壓驅動的安裝是最復雜且對施工人員的技能素質要求最高的，因為整個高壓回路由無縫管、接頭、法蘭和密封組成，焊接和酸洗以及安裝密封等工作必須由專業的施工人員實施才能保證良好的安裝效果，以確保后期的正常使用。

從以上分析可以明確，相對于氣動和電動，液壓驅動在靜壓造型線中應作為主要驅動方式，而在實際的使用中也證明了這一點。現階段的造型線主要是以油缸為主動力源，行程過長和需要旋轉的設備使用馬達或電機，部分不需要直接受力且驅動力小的運動部件使用氣缸。靜壓造型線主機在壓實過程中就是使用多個油缸驅動的多觸頭對型砂進行壓實，以獲得硬度均勻、符合性能要求的砂型。

3 靜壓造型線液壓系統的控制

如果把整個靜壓造型線比喻成一個人的話，各個設備就是骨架，液壓油就是血液。靜壓造型線是否能夠可靠穩定運行與液壓系統的控制有著重要關系。那么怎樣合理的控制液壓系統呢，我們從壓力控制、溫度控制、過濾系統、蓄能器站幾個方面分別做以簡述。

3.1 壓力控制

液壓系統壓力的穩定性直接影響到設備運行的平穩性，為了保證整條靜壓造型線平穩可靠的運轉，系統壓力波動范圍一般不要超過設定壓力的±5%。過大的壓差浮動會引起設備運行不到位、損壞砂型等問題。泵站的壓力調整方式如下：

（1）變量泵壓力的調整：

圖1 變量泵原理圖

變量泵本身自帶壓力調節，目前靜壓造型線液壓站一般標準配備一臺帶標準型壓力補償變量控制器的軸向柱塞泵。除變量泵本身壓力可調外，在P口管路上還接有一個溢流閥，見原理圖（見圖1）。調整時以變量泵本身的壓力調節為準，P口溢流閥作為保護閥存在。在調整過程中應首先將泵的調節閥和保護閥全部調到無壓力，然后分別調整這兩個調壓閥讓壓力交替上升，在壓力升高過程中應以2MPa為一個節點，每個節點都要檢查管路是否正常。到泵本身壓力調到正常工作壓力且保護閥調到比工作壓力大1.5MPa左右時為止，將兩個閥的調整螺桿背死，此時變量泵的調壓結束。

（2）定量泵壓力的調整：

定量泵本身不帶壓力調節，它通過P口管路上的溢流閥來控制本路的壓力。一般造型線選用的定量泵是葉片泵或齒輪泵。第一次開泵調壓時應先將溢流閥壓力調到最低，開泵后從0往上逐級上調，每個節點都要停頓一下以檢查管路是否正常。調到工作壓力后將閥鎖死。如果有多臺定量泵應一臺一臺的逐個調壓。原理見圖2。

圖2 定量泵原理圖

（3）當所有的泵調壓結束后，應依次將泵打開、負荷，通過總壓力表和各分壓力表查看是否調整正常，如果工作正常，泵的調壓完成。

3.2 溫度控制

靜壓造型線液壓系統的溫度控制過程是通過接收來自油箱上的溫度傳感器傳來的信號，得出油箱內液壓油的溫度，然后通過程序控制加熱系統和冷卻系統[2]對油溫進行調節。

加熱系統中的阻尼加熱一般安裝在回路的兩個終端，這樣可以有效避免盲區；電加熱和冷卻系統一般安裝在循環泵系統上。

液壓系統正常工作有一個最佳溫度范圍，過低的油溫容易導致各執行元件運行不靈活，甚至對液壓泵造成一定的損壞等問題；過高的油溫又容易造成大量液壓密封件的軟化、老化進而出現系統漏油等一系列現象，并且還會導致液壓油質量的惡化以至帶來很多其他相關問題。由此看來過高或過低的油溫對靜壓造型線液壓系統都是很不利的。

根據多年的現場調試經驗，我們得出油溫與泵站控制之間的關系如表1。

表1 油溫與泵站控制之間的關系表

3.3 過濾系統

要想保持液壓系統的穩定，那么保證液壓油的油質是關鍵。造型線用油一般要求過濾精度為10μm。為了保護液壓泵在泵的吸油口安裝了吸油過濾器；為了保證回油箱的油是清潔的，在回油路上安裝了回油過濾器；同時在循環泵系統里需配備循環過濾器，隨時對油箱內的液壓油進行過濾。部分液壓閥對液壓油的清潔度較高，所以在各分油路安裝了相應要求的過濾器。比如靜壓造型機工作臺舉升所用的高頻響閥，其要求過濾精度為5μm，為此需專門安裝一個過濾器以滿足該閥對液壓油的要求。

靜壓造型線在開始單機動作調試前，要對液壓管路進行沖洗，沖洗時間一般不要低于12h，沖洗完畢后要檢查并清理回油濾芯。在以后的生產過程中也要經常清洗濾芯，一般建議最初造型線使用1個月后需要對所有濾芯進行檢查并清洗，正常生產后可每季度對過濾系統檢查一次，必要時更換濾芯。

3.4 蓄能器站

蓄能器站的工作原理是在氮氣瓶中充滿比系統壓力低0.5MPa左右的壓縮氮氣，氮氣與蓄能器一端連通，蓄能器的另一端接到主壓力管路上，當系統內的壓力大于氮氣瓶內的壓力時，壓力油通過管路進入蓄能器儲存起來；當氮氣的壓力大于系統壓力時，此時儲存在蓄能器中的壓力油補充到系統中以穩定系統的油壓。

蓄能器站使用的蓄能器主要有氣囊式和活塞式兩種，二者相比較，活塞式蓄能器（見圖3）具有工作可靠、安裝維護方便、使用壽命長、可承受壓力大、并可串聯氮氣瓶組等優點（大大提高有效容積），更多的蓄能器站配置的是活塞式。

圖3 活塞式蓄能器

圖4 流量圖

蓄能器站在整個液壓系統中占有重要地位，之所以配置蓄能器是因為造型線在實際運行過程中對液壓油的需求量并不是均衡的，而是一個頻繁波動的過程（見圖4），為了維持設備穩定運行，必須要保證設備能夠得到充足的液壓油，但是如果按照用油高峰來配置泵的排量和數量的話，就會造成電能源的浪費消耗，同時也會造成設備成本的增加，而配置蓄能器就避免了以上問題，并且效果還會更好，因為蓄能器除了能夠短時大量供油、維持系統壓力之外，還具有吸收沖擊壓力或泵的脈動壓力的功能，使系統更加穩定。根據流量圖，結合靜壓造型線的運行狀況，通過計算來確定蓄能器的規格以及配置氮氣瓶的數量以達到最佳效果。

4 結束語

液壓系統對于靜壓造型線是一個主動力系統，我們只有更好的認識它，做到正確的使用和維護才能保證造型線的正常運行。望本文對靜壓造型線液壓系統及其控制的簡述能夠對靜壓造型線的使用者起到一定的借鑒作用。

[1] 李百強,馬穎.對造型線液壓系統的認識[J].中國鑄造裝備與技術, 2011, (5), 44-46.

[2] 胡必超,焦振功,黃江斌,等.HWS靜壓造型線液壓系統分析[J], 鑄造設備研究,2004,(2),3-5.

The Composing and Control of Hydraulic System of Static Pressure Molding Line

ZHAO LinDong1, LI LaiSheng1, WEN Ming1, DONG ShaoYi2, DU Xin1, JI Hu1, WANG Li1

(1.Jinan Foundry and Metalforming Machinery Research Institute, Jinan 250306, Shandong China; 2. Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute Corp. Ltd, Jinan 250013, Shandong China)

The composing and function of a hydraulic system of a static pressure molding line has been described with the hydraulic system control in its running.

static pressure molding line; hydraulic system; temperature control; pressure control

TG231.6；

A；

1006-9658（2012）05-0004-4

2012－08－10

稿件編號：1208－097

趙林棟（1983-），男，從事靜壓造型設備研發