50 MN 擠壓機電液控制系統改造

劉 杰，薛占軍，吳 偉，朱 研

(1.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032;2.西安西航集團航空航天地面設備有限公司，陜西 西安 710021)

0 前言

某鋁廠50 MN 水壓機是生產大規格型、棒材產品的主要擠壓設備，該擠壓機現有的操縱控制方式已明顯老化、落后，擠壓機運行的可靠性得不到保證，且自動化程度和生產效率低，產品質量差等系列問題嚴重影響生產技術發展的需要。為提高產品質量和生產效率，降低能源消耗，減小工人勞動強度，提高經濟效益，在原水壓機設備的基礎上，將水壓傳動改為油壓傳動，更新電氣控制系統，實現擠壓機自動、智能控制，以提高其生產效率和加工精度。

1 50 MN 擠壓機液壓系統改造方案

原50 MN 擠壓機采用泵-蓄勢器傳動，通過操作手手動操作各水分配器來實現和控制各動作。本文在原50 MN 水壓機設備結構的基礎上，采用全新的液壓系統驅動，包括新設計了2 件回程缸、2 件擠壓筒移動油缸、1 套充液閥裝置、1套大剪刀油缸、移動模架、輔機和出料系統。在原50 MN 水壓機設備后梁及后梁以后搭建支架，用于安裝液壓站。主機液壓系統采用比例壓力泵直接驅動，在主柱塞一個回程缸中設置位移傳感器，以便速度閉環和位置檢測。采用位移傳感器的擠壓筒移動缸進行速度控制和位置檢測。輔機和后部出料上的液壓負載由輔助泵提供動力源。

2 改造后擠壓機的主要參數

改造后的主要參數:

公稱擠壓力 50 MN

液壓系統最大工作壓力 30 MPa

最大擠壓速度 10 mm/s

最小擠壓速度 0.2 mm/s

主缸快進速度 8～80 mm/s

主缸返回速度 140 mm/s

主缸快進速度 8～80 mm/s

主缸返回速度 140 mm/s

回程力 2.3 MN

擠壓筒靠緊力 4.5 MN

擠壓筒離開力 3.2 MN

擠壓筒靠緊時移動速度 80 mm/s

擠壓筒離開時移動速度 140 mm/s

剪刀缸剪切力 2.5 MN

剪切速度 80 mm/s

提升速度 250 mm/s

擠壓中心線高度 850 mm

系統冷卻器面積 30 m2

系統過濾精度 10 μm

3 50 MN 擠壓機控制系統改造措施

改造后的50 MN 擠壓機液壓系統如圖1 所示，液壓站采用3 臺比例壓力泵根據不同規格型、棒材的擠壓比來調整擠壓速度并進行高低速切換。低速時1 臺泵參與擠壓，其它比例泵處于卸荷狀態;高速時3 臺比例泵同時參與擠壓。輔助泵和鎖緊泵都采用恒壓變量泵和蓄能器配合的恒壓源，系統能源消耗低。壓力傳感器實時監控主擠壓回路主缸擠壓壓力，回程缸前進后退設有背壓，防止停止時沖擊向前滑行。

圖1 50 MN 液壓系統原理示意圖Fig.1 Principle diagram of 50 MN extrusion machine hydraulic systems

3.1 大流量伺服變量泵直接傳動

改造后50 MN 擠壓機主機系統采用P－Q 比例壓力流量泵直接控制主缸、回程缸、剪刀缸和擠壓筒移動缸，該泵工作效率高，節能環保，適用于大功率場合，而且泵直接傳動擠壓機壓力調整方便、速度易于精確控制。P－Q 比例壓力流量泵控制回路如圖2 所示，該泵的壓力、流量由電子控制系統控制，通過位置傳感器和壓力傳感器將信息反饋給高響應頻率的比例閥，從而控制變量柱塞泵的流量和壓力。在調試過程中可監控泵的壓力、流量輸入和輸出信號，根據偏差調節PID 參數，使泵的輸入輸出一致，從而保證擠壓機在擠壓墩粗過程中壓力恒定，擠壓過程中速度穩定。

圖2 (P－Q)泵控制回路圖Fig.2 (P－Q)pump control circuit diagram

3.2 擠壓速度閉環控制

在擠壓過程中，擠壓速度的波動直接影響產品質量。原50 MN 擠壓機通過操作手手動操作各分配器進行動作控制，控制精度較低。改造后采用比例泵與設有位移傳感器裝置回程缸閉環控制，主缸速度控制和檢測非常方便可靠。根據不同工藝要求，可任意設定主缸速度，并對其進行實時調節，可在監控畫面上監視和在線修改擠壓過程中的各種參數，擠壓速度采用閉環控制，無級調整，具有速度在線設定與跟隨功能。改造后的主缸擠壓液壓系統的控制框圖如圖3 所示。

圖3 主缸速度控制框圖Fig.3 Main cylinder speed control block

3.3 強制供油液壓系統

液壓站系統采用強制供油，螺桿泵為系統中各高壓泵吸油口提供經過過濾的干凈油液，經過出口穩壓單向閥后油液同系統回油匯合，經過冷卻器進行冷卻，使油液溫度保持穩定。圖4 所示為改造后液壓站布置圖，液壓站采用立柱高架平臺，結構緊湊，布管整齊，技術改造中方便利舊。

圖4 改造后液壓站布置圖Fig.4 Hydraulic station layout after transformation

3.4 S7-300PLC 控制器系統

改造后電控系統采用先進的S7-300PLC 控制器組成的控制系統，圖5 所示控制操作臺人機畫面，畫面可實現工藝參數的輸入:可輸入鑄錠長度和殘料厚度等參數。可設置液壓系統參數擠壓筒和動梁等的速度及位置，根據生產工藝要求調節參數，還可通過按鍵切換顯示工況各個畫面，監控整個系統各部分的實時工作狀況和提供故障診斷功能。

圖5 操作臺人機畫面Fig.5 Operator human-computer interface

4 結語

中國重型機械研究院股份公司為某公司改造的50 MN 擠壓機2014 年3 月已通過用戶驗收，改造后的控制系統有效地降低了設備故障率，提高了擠壓精度，同時提高了生產效率和產品質量。改造后運行一年多，擠壓機運行狀態良好。

［1］俞新路.液壓機的設計及應用［M］.北京:機械工業出版社，2006.

［2］郭玉璽，李景莉，趙國棟，等.短行程鋁擠壓機前上料系統及夾鉗式自適應供錠機械手［J］.有色金屬加工.2005，34(3):30－32.

［3］王春行.液壓控制系統［M］.北京:機械工業出版社，2008:41－50.

［4］楊武，譚建平，陳暉，等.擠壓機速度控制系統建模及控制策略研究［J］.鍛壓技術，2013，38(6):151－155.

［5］周建華.基于PLC 的柱塞式擠壓機控制系統研發［J］.機電產品開發與創新，2008，21(2):171－173.

［6］劉靜安.重型擠壓機的技術改造與開發實踐［J］.輕合金加工技術，2004.

［7］景平忠.25 MN 反向擠壓機擠壓速度的控制系統［J］.輕合金加工技術，1997，25(1):18－20.

［8］陳功德，胡建華，鐘瑜，等.80 MN 擠壓機現代化配套改造［J］.鋁加工，2001，24(6):45－46.

［9］譚建平，文躍兵，周俊峰.擠壓機節流調速系統的研究［J］.現代制造工程，2009(2):108－109.

［10］謝東鋼，陳蘊博，鄭文達，等.現代擠壓裝備的發展［J］.中國材料進展，2013(5):265－266.

［11］薛占軍，劉杰.50 MN 擠壓機改造應力應變測試分析［J］.重型機械，2013(6):78－81.