鍛造操作機鉗桿跟隨控制研究

馮東曉 張營杰 楊紅娟 蘇振華

1、中國重型機械研究院股份公司 2、金屬擠壓與鍛造裝備國家重點實驗室

鍛造操作機鉗桿跟隨控制研究

馮東曉1,2張營杰1,2楊紅娟1,2蘇振華1,2

1、中國重型機械研究院股份公司 2、金屬擠壓與鍛造裝備國家重點實驗室

鍛造操作機是鍛造油壓機的主要配套設備。在鍛造過程中，鍛造操作機鉗桿跟隨控制合理與否，將直接影響到鍛件的最終質量及鍛造效率。本文討論了鍛造操作機鉗桿跟隨控制方式，針對不同規格鍛造操作機及不同的鍛壓工藝提出了相應的解決方案，并提出了相應的控制框圖。

鍛造操作機；鉗桿跟隨控制；控制框圖

鍛造操作機是鍛造油壓機的主要配套設備，主要用于配合壓機完成各種鍛造工藝。在鍛造過程中，為了提高鍛件質量及鍛造效率，對鍛造操作機鉗桿控制系統有以下要求：（1）在壓機加壓過程中，鉗桿跟隨下降；（2）在壓機回程過程中，鉗桿跟隨上升。本文介紹了三種鍛造操作機鉗桿跟隨控制方式，提出了各個控制方式的控制框架圖。在此基礎上，提出了各個控制方式適合的鍛造操作機規格及鍛造工藝。

1 鍛造操作機鉗桿跟隨控制介紹

鍛造操作機在鍛造過程中的鉗桿跟隨控制主要有三種方式：主動跟隨、被動跟隨及主動跟隨與被動跟隨組合控制方式。

1.1 主動跟隨控制

主動跟隨控制原理如圖1所示。在鍛造過程中，主動跟隨的控制過程如下：（1）壓機加壓時，鍛造操作機通過打開比例方向閥1及隔離閥2主動下降。鉗桿下降速度由比例方向閥開口度控制，該過程要求操作機跟隨下降速度為壓機加壓速度的一半。（2）壓機回程時，操作機通過打開比例方向閥1及隔離閥2跟隨壓機主動上升，該過程要求操作機上升速度小于等于壓機回程速度，上升高度高于上次加壓時加壓高度的一半。

1.2 被動跟隨控制

被動跟隨控制原理如圖2所示。在鍛造過程中，被動跟隨的控制過程如下：（1）壓機加壓時，操作機跟隨壓機被動下降。鉗桿平升降油缸油液排入蓄能器3；（2）壓機回程時，鉗桿通過蓄能器跟隨上升。

圖1 主動跟隨控制原理圖

圖2 被動跟隨控制原理圖

圖3 主動被動跟隨組合控制原理圖

1.3 主動被動跟隨組合控制

主動被動跟隨結合控制原理如圖3所示。在鍛造過程中，主動被動跟隨組合控制過程如下：（1）對于小壓下量的精整工藝：蓄能器隔離閥4打開，壓機加壓時，鉗桿平升降缸排油到蓄能器3。壓機回程時，通過蓄能器實現鉗桿跟隨上升；（2）對于大壓下量的其他鍛造工藝：壓機加壓時，安全平衡閥5電磁鐵得電，鉗桿平升降缸通過平衡閥排油。壓機回程時，操作機通過打開比例方向閥1及隔離閥2跟隨壓機主動上升，該過程要求操作機鉗桿上升速度小于等于壓機回程速度，上升高度高于上次加壓時加壓高度的一半。

1.4 三種跟隨控制方式比較

三種跟隨控制方式有各自的優缺點：（1）被動跟隨控制過程簡單易于實現，但在壓機加壓過程中操作機鉗桿要被動受力；（2）主動跟隨控制操作機鉗桿不被動受力，其缺點在于控制過程復雜，操作機主動運動速度要與壓機速度匹配。且主動跟隨控制在壓機加壓過程中，操作機鉗桿平升降缸要主動泄壓排油，在壓機回程過程中，操作機跟隨上升啟動反應慢；（3）主動被動結合的控制方式綜合了兩種控制方式的優點，保證了整個鍛造過程高效且操作機鉗桿受力合理。

2 控制框圖

操作機跟隨控制，主要通過采集壓機位移傳感器的信息、壓機供液泵開啟數量及鍛造工藝信息，將相應的信息反饋給操作機。根據信息反饋選擇相應的控制方式、操作機的速度及相應行程高度。由于被動跟隨控制方式簡單，不需要程序做任何判斷，本文不再介紹被動跟隨控制。

2.1 主動跟隨控制

主動跟隨控制框圖如圖4所示。為防止未夾持鍛件或夾持鍛件未放在砧子上時，操作機誤動作，在壓機加壓時操作機主動跟隨需要滿足三個條件：（1）主缸壓力≥1.5MPa；（2）壓機上下砧距離≥100mm；（3）壓機不在鐓粗工況。壓機主缸壓力通過主缸壓力傳感器檢測，壓機上下砧開口距離通過主機位移傳感器檢測，壓機是否在鐓粗工況通過工作臺面上的旋鈕檢測。在跟隨過程中，要求操作機下降速度為主機加壓速度的一半，主機加壓速度由上壓主泵數量來確定。上壓主泵數量通過電機是否帶電及泵頭閥是否帶電來檢測，需共同滿足兩個條件才表明主泵上壓。

如圖4所示，主動跟隨的觸發條件可分為壓機手動加壓和自動加壓兩種情況，在壓機手動加壓時，操作機僅主動跟隨下降，回程過程手動控制。在壓機自動加壓時，操作機主動跟隨下降。在壓機回程時，操作機主動跟隨回程，回程高度要大于上次加壓高度的一半。上次加壓高度通過程序調用上次設定數值。

圖4 主動跟隨控制框圖

2.2 主動被動跟隨組合控制

主動被動跟隨控制組合控制方式，首先要根據壓機的鍛造工藝設置選擇被動跟隨控制及主動跟隨控制。對于主動跟隨控制，其控制方式與2.1所述控制方式相同。對于被動跟隨控制，僅需打開蓄能器隔離閥即可。

3 應用情況

中國重型機械研究院成套供貨了50余臺10～3000kN的大型鍛造操作機。其中200kN以下操作機平升降系統采用蓄能器被動跟隨控制方式，該種控制方式在鍛造過程中反應靈敏，鍛造頻次高，配合壓機實現快速鍛造。200～1000kN鍛造操作機平升降系統采用主動跟隨與被動跟隨相結合的方式，該種控制方式既能滿足小壓下量時快速鍛造的要求，同時在大壓下量時可以通過主動跟隨來保證鉗桿機構不被動受力。1000kN以上鍛造操作機通常配合80MN以上大型鍛造壓機來實現鍛造。大型鍛造壓機在快速性與平穩性兩項中更傾向于鍛造過程的平穩性，要求鍛造操作機隨動過程平穩，對快速性沒有要求，采用主動跟隨控制。

從多年現場使用情況來看，以上平升降隨動系統使用效果良好，故障率低，滿足用戶不同鍛造工藝的要求。

4 結論與展望

本文討論了鍛造過程中，操作機鉗桿的跟隨控制方式。根據鍛造操作機的規格以及不同的鍛造工藝，提出了相應的跟隨控制解決方案：（1）對于大型鍛造操作機，采用主動跟隨的控制方式；（2）對于小型鍛造操作機，采用蓄能器被動跟隨控制；（3）對于中型操作機在鍛件精整工藝時采用蓄能器被動跟隨控制，在其他大壓下量鍛造工藝時主動跟隨控制。在本文跟隨控制的基礎上，可以進一步加入操作機的旋轉、行走動作進而實現操作機與壓機的聯動。

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課題號：2010ZX04013021。

課題名稱：國家重大專項“3000KN/7500KNm大型鍛造操作機。