高頻響閥的幾種特性在液壓機(jī)中的典型應(yīng)用

陳曉農(nóng)，浦旭輝

(合肥合鍛智能制造股份有限公司，安徽 合肥 230601)

高頻響閥的幾種特性在液壓機(jī)中的典型應(yīng)用

陳曉農(nóng)，浦旭輝

(合肥合鍛智能制造股份有限公司，安徽 合肥 230601)

針對(duì)液壓機(jī)領(lǐng)域的幾種典型的高精控制工況，結(jié)合高頻響閥的液態(tài)特征及電控原理，較全面地分析了高頻響閥在復(fù)雜工況、惡劣環(huán)境下的實(shí)際使用情況，分析、總結(jié)了高頻響閥在液壓機(jī)領(lǐng)域的適用工藝范圍。分別闡述了高頻響閥在各類機(jī)型實(shí)際應(yīng)用的優(yōu)缺點(diǎn)，為進(jìn)一步系統(tǒng)優(yōu)化提供實(shí)踐參考。

液壓機(jī)；高頻響閥；閉環(huán)同步控制；超微速；時(shí)變系統(tǒng)

近年來，隨著國內(nèi)航空航天、軌道交通制造業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)產(chǎn)品零件的加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率的要求也大幅提升，與之配套的液壓機(jī)的加工精度要求也越來越高。高頻響閥以其響應(yīng)頻率高、響應(yīng)速度快、控制精確等優(yōu)點(diǎn)，在液壓機(jī)行業(yè)中成為不可或缺的重要元件。

本文通過幾種典型的高精控制工況的液壓機(jī)案例，從液壓系統(tǒng)分析、優(yōu)化控制著手，結(jié)合現(xiàn)代控制策略與計(jì)算機(jī)技術(shù)等手段，綜合解決復(fù)雜工藝、工況下的產(chǎn)品質(zhì)量要求。通過實(shí)踐證明，針對(duì)特定工況需求開發(fā)的液控系統(tǒng)及優(yōu)化的電控算法，能有效提高常規(guī)設(shè)備的制造精度，顯著擴(kuò)大液壓機(jī)的有效使用范圍。

1 大慣量元件高頻控制系統(tǒng)

通常，大慣量元件的運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量大、快速充液量達(dá)數(shù)千升每分鐘，工作壓力都在32MPa以上。以往對(duì)大慣量元件的非線性、時(shí)變系統(tǒng)的速度調(diào)節(jié)和加速度控制皆難以實(shí)現(xiàn)。由于受參數(shù)變化和大時(shí)變負(fù)載的干擾，不可能用精確的數(shù)學(xué)模型來表達(dá)，也無法通過液壓仿真軟件進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)分析[1]。目前，不僅對(duì)大慣量元件的速度、加速度可以實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)節(jié)控制，還可以根據(jù)不同工藝要求實(shí)現(xiàn)擬合曲線模擬運(yùn)動(dòng)。其典型代表類型為快速鍛造液壓機(jī)。

大噸位快速鍛造液壓機(jī)主要用于飛機(jī)起落架及大型船舶發(fā)動(dòng)機(jī)主軸的熱粗、精鐓工藝，一般加工長度為4000mm～5000mm、直徑約800mm～2000mm，其重量可達(dá)50多t。由于溫度變化對(duì)工件的質(zhì)量影響較大，所以要求在高頻工作節(jié)拍下，完成高溫毛坯件低速鐓粗和高速校形以達(dá)到凈尺寸要求，其控制難點(diǎn)在于壓制頻率和往復(fù)精度。其運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量多達(dá)100多t，每分鐘鍛造次數(shù)120次左右，行程25mm，下壓量5mm，控制精度在±1mm以內(nèi)，而且要求主機(jī)及系統(tǒng)工作平穩(wěn)。

以我公司生產(chǎn)的YH14-3500型液壓機(jī)為例，該設(shè)備為典型的三缸雙柱下拉式鍛造液壓機(jī)。其運(yùn)動(dòng)部件總重約55t，主噸位為35MN，由1個(gè)35MN的立式液壓缸實(shí)現(xiàn)全噸位力。在固定梁兩側(cè)各安裝一個(gè)回程缸，用以實(shí)現(xiàn)活動(dòng)橫梁的高速回程，其簡(jiǎn)要液壓系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 YH14-3500液壓系統(tǒng)框圖

該液壓系統(tǒng)將進(jìn)油和排油分開控制，采用獨(dú)立的控制閥組進(jìn)行初分控制。各閥組皆為三級(jí)快速插裝閥組，卸荷閥組更增加了阻尼閥組，實(shí)現(xiàn)閥組開啟曲線為先慢后快再慢的控制模式，使主閥啟閉過程更加平緩。各主閥組的先導(dǎo)閥均為高頻響閥，切換頻率可高達(dá)250次/分鐘，該系統(tǒng)選用的高頻響閥為力士樂4WRPEH6C4B1 2L-2X/G24KO/A1M型。在回程過程中，在盡可能短的時(shí)間里釋放高壓液體的能量，即在高壓時(shí)卸壓速率小，低壓時(shí)卸壓速率大，從而使卸壓過程快而平穩(wěn)，不產(chǎn)生大的沖擊和聲噪。

對(duì)于快速鍛造液壓機(jī)來說，快速性和平穩(wěn)性是相互排斥的兩個(gè)特性，加之液壓系統(tǒng)的固有響應(yīng)時(shí)差，運(yùn)動(dòng)部件出現(xiàn)滯后或超調(diào)都是不可避免的。控制策略是解決這一矛盾的關(guān)鍵，也是整個(gè)設(shè)備流暢運(yùn)行的主因。由于快鍛液壓機(jī)的類正弦運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，其控制原理采用三段式控制模式，其簡(jiǎn)要控制原理如圖2所示。

圖2 YH14-3500控制原理框圖

該控制系統(tǒng)為預(yù)測(cè)型三段式控制模式，三級(jí)快速插裝閥組實(shí)行分段控制策略(包括直線段、曲線段)，不同階段實(shí)施不同控制策略。在大位移范圍內(nèi)采用開關(guān)量控制，在趨向目標(biāo)點(diǎn)時(shí)采用速度控制，在接近目標(biāo)點(diǎn)采用位置控制。目標(biāo)控制點(diǎn)由先前系統(tǒng)采集的輸入和輸出值加上設(shè)定的未來輸入，系統(tǒng)模糊預(yù)測(cè)系統(tǒng)下一步輸出量來決定。雖然無法完全實(shí)現(xiàn)正弦控制，但運(yùn)動(dòng)曲線得到了擬合優(yōu)化。進(jìn)一步趨向類正弦曲線，修正正弦波的波峰、波谷的光滑度，以實(shí)現(xiàn)類正弦運(yùn)動(dòng)，從而使運(yùn)動(dòng)部件的鍛造柔性顯著提高。此類控制系統(tǒng)主要利用了高頻響的響應(yīng)頻率高的典型案例。

2 單執(zhí)行元件超微速系統(tǒng)

在超微速鍛造時(shí)，根據(jù)不同壓制階段可分為超微速、恒應(yīng)變速率和變應(yīng)變速率三種速度控制模式階段。從微觀機(jī)理分析，超塑性變形是以晶界滑移為主，微縮蠕變和擴(kuò)散蠕變只起到協(xié)調(diào)的輔助作用。這就要求在超微速階段，位移量最高要達(dá)到微米級(jí)[2]。與以往的等速運(yùn)動(dòng)相比，壓制精度提高了2個(gè)量級(jí)。同時(shí)，要保證速度和力的“雙”閉環(huán)控制。目前，不僅可以實(shí)現(xiàn)超微速控制，而且還可以按照規(guī)定曲線進(jìn)行恒應(yīng)變速率運(yùn)動(dòng)控制，其典型代表類型為等溫鍛造液壓機(jī)。

等溫鍛造液壓機(jī)主要應(yīng)用于鈦基合金及高溫合金等難變形材料的凈成形工藝，一般加工直徑在600mm～1800mm左右的盤類或葉片類零件。由于大多數(shù)難成形材料在常溫狀態(tài)下可塑性較差(變形抗力大)，需將加工坯料和模具加熱到“幾近”溫度。為了避免“激冷”效應(yīng)的出現(xiàn)，在長達(dá)1h以上的保溫、保壓狀態(tài)下，溫差變化需控制在加工溫區(qū)的95％～105％以內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)超塑性變形對(duì)應(yīng)變速率1×10-4/s～0.1/s的要求。由于偏載和超塑性材料高溫下的時(shí)變抗力，對(duì)達(dá)到恒應(yīng)變速率較為困難。只有在這種相對(duì)較苛刻的狀況下，才可獲得均勻的等軸細(xì)晶形態(tài)。

以我公司生產(chǎn)的YH10-4000型液壓機(jī)為例，該設(shè)備為雙缸四調(diào)平下壓式模鍛液壓機(jī)。主噸位為40MN，由兩個(gè)20MN的立式液壓缸實(shí)現(xiàn)全噸位力。在活動(dòng)橫梁的四個(gè)角，各安裝一個(gè)小噸位的調(diào)平油缸，四個(gè)調(diào)平油缸與主缸控制閥路聯(lián)控，可實(shí)現(xiàn)超微速系統(tǒng)控制，其簡(jiǎn)要系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 YH10-4000液壓系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

該液壓系統(tǒng)采用四缸調(diào)平和中間缸施壓模式，活動(dòng)橫梁四個(gè)頂點(diǎn)的雙出調(diào)平缸必須兩兩同步控制，分別保證一條對(duì)角線的水平度。從而保證該活動(dòng)橫梁平面內(nèi)的中心對(duì)稱相交的兩條直線保持水平[3]。以高頻響閥組控制輸出流量的穩(wěn)定性，閥組安裝有壓力補(bǔ)償器，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋，在進(jìn)出油口之間建立穩(wěn)定的壓差。主油缸的下腔排油速度，在超低速的位移量下，既要防止滑塊出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，更不能出現(xiàn)回彈或反復(fù)加壓現(xiàn)象。該系統(tǒng)選用的高頻響閥型號(hào)為穆格N-DSHRE50BXB1AB04X/EP型。在回程缸油路上設(shè)有一個(gè)比例減壓閥，使回程缸保證一個(gè)恒定的背壓，保持低速的穩(wěn)定性、均勻性。

對(duì)于等溫鍛液壓機(jī)來說，超微速運(yùn)動(dòng)和穩(wěn)定壓制力是必須同時(shí)具備的關(guān)鍵參數(shù)。在壓制的不同變形階段有不同的最佳變形速度，初始階段用較大的變形速率進(jìn)行鍛造。然后，再以小應(yīng)變速率鍛造，最后從毛坯的充填需要和材料的反彈角度考慮進(jìn)行超微速保壓。保壓階段必須達(dá)到恒應(yīng)變速率控制，恒應(yīng)變速率的實(shí)現(xiàn)是力閉環(huán)和位移閉環(huán)的復(fù)合控制。由于等溫鍛的超微速運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，其控制原理采用恒應(yīng)變速率控制原理，簡(jiǎn)要控制原理圖如圖4所示。

圖4 超微速控制原理

該控制系統(tǒng)為“雙主動(dòng)”控制模式，活動(dòng)橫梁的行程和工件被壓制高度實(shí)行雙向同步檢測(cè)。在超微速控制過程中，隨著壓制時(shí)間的增加，工件被壓制高度的瞬時(shí)值(HiI)也越來越小，而應(yīng)變速率因子ε始終保持恒定。整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程呈現(xiàn)微速下行，下行速度不斷減小，最終趨于零，但不會(huì)負(fù)增長。按照應(yīng)變速率變形特點(diǎn)，要求晶體間位錯(cuò)要有充分的時(shí)間，通過攀移等方式進(jìn)行重新排列，讓晶界滑移也得到充分發(fā)揮。位移量主要以下行為主控制，從而確保高溫合金在飛邊填充和回彈填充更加飽和，此類控制系統(tǒng)主要利用了高頻響的雙向同步響應(yīng)速度快的典型案例。

3 多執(zhí)行元件調(diào)平系統(tǒng)

多執(zhí)行元件機(jī)構(gòu)由于其執(zhí)行元件較多，一般都是4個(gè)元件以上，某些特殊場(chǎng)合可多達(dá)10個(gè)以上。若對(duì)各元件單獨(dú)進(jìn)行高精的同步控制，實(shí)現(xiàn)難度較大。傳統(tǒng)的控制策略是采用同步閥或分流-集流閥進(jìn)行控制，由于二者皆為主動(dòng)進(jìn)油粗分方法，存在同步誤差大、不能自我修正等缺點(diǎn)[4]。近年來，以“同等方式”控制多執(zhí)行元件的閉環(huán)控制模式可以精確實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)或多點(diǎn)同步控制，精度范圍可控制在0.1mm/m以內(nèi)。目前，在大部分有高精度調(diào)平要求的多缸工況下，“同等方式”閉環(huán)控制模式替代了以往“主從方式”開環(huán)控制模式。其典型代表類型為汽車縱梁液壓機(jī)。

大型汽車縱梁液壓機(jī)主要應(yīng)用于超長重型卡車縱梁的成形工藝，一般加工縱梁長度為8m～9m，某些特殊情況下可達(dá)到12m左右。通常情況下，在冷態(tài)下將10mm～20mm左右厚鋼板壓制成U型截面的長梁，其主要控制難點(diǎn)在于U型底部校平階段。此階段不但要求均勻加載全噸位公稱力，而且還要保證被加工件的平整度。由于被加工件自身長度較長、受力中心點(diǎn)偏差、板材厚度的不均勻等特點(diǎn)，導(dǎo)致整個(gè)工件各處力矩的差異。同時(shí)，需要實(shí)現(xiàn)控制精度0.1mm/m以內(nèi)，而且要求一次成形，無法進(jìn)行二次校正。

以我公司生產(chǎn)的YH29-6400型液壓機(jī)為例，活動(dòng)橫梁總長為12.8m，主噸位為64MN，由8個(gè)8MN立式液壓缸實(shí)現(xiàn)全噸位公稱力。同時(shí)，該設(shè)備具有二級(jí)偏載施壓功能。8個(gè)立式液壓缸依次從左向右組合施壓，可分別實(shí)現(xiàn)32000kN和48000kN的公稱力，偏載精度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分別為：64000kN時(shí)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為0.1mm/m，48000kN時(shí)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為0.15mm/m，32000kN時(shí)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為0.18mm/m，其簡(jiǎn)要控制系統(tǒng)框圖如圖5所示。

圖5 YH29-6400液壓系統(tǒng)框圖

該系統(tǒng)具備多路組合施壓功能，對(duì)各缸進(jìn)行串、并聯(lián)組合分配，保持各缸進(jìn)油比例分流控制，以實(shí)現(xiàn)開關(guān)量和微量的雙重調(diào)節(jié)功能。當(dāng)全噸位施壓時(shí)，由于8個(gè)上腔進(jìn)油的油液壓縮量各不同，必須對(duì)各腔進(jìn)行比例節(jié)流控制。同時(shí)，需要對(duì)調(diào)平缸的進(jìn)油量和排油量，進(jìn)行二次比例閉環(huán)微調(diào)控制。該系統(tǒng)選用的高頻響閥為阿托斯DPZO-LES-PS-271-S5/EBC型。當(dāng)活動(dòng)橫梁未接觸工件時(shí)，進(jìn)行大流量分流控制。當(dāng)接近預(yù)設(shè)點(diǎn)時(shí)，采用下腔比例節(jié)流模式，以主、從控制元件“等同”模式強(qiáng)制活動(dòng)橫梁的位移量相等。當(dāng)接觸工件后，采用進(jìn)、排油雙閉環(huán)控制，確保底部校形順滑、平整。

對(duì)于縱梁液壓機(jī)來說，U型底部校形階段是整個(gè)控制的關(guān)鍵。部分帶沖孔功能的機(jī)型，對(duì)緩沖機(jī)構(gòu)的同步性能要求更高。電氣控制方法決定系統(tǒng)的平穩(wěn)性，也是液壓功能實(shí)施的關(guān)鍵。多執(zhí)行元件的調(diào)平系統(tǒng)對(duì)運(yùn)動(dòng)部件平行度的要求高，宜采用“同等方式”的閉環(huán)控制原理，其簡(jiǎn)要電氣控制原理如圖6所示。

圖6 多執(zhí)行元件調(diào)平控制原理

該控制系統(tǒng)包括檢測(cè)機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)，將高頻響閥、數(shù)字式液壓泵和調(diào)平控制系統(tǒng)形成執(zhí)行機(jī)構(gòu)。控制機(jī)構(gòu)由左、右調(diào)平油缸及控制閥路組成，旨在連通調(diào)平缸下腔的高頻響閥與檢測(cè)機(jī)構(gòu)(高精位移量檢測(cè)傳感器)形成的位移差值，通過數(shù)字式液壓泵進(jìn)行進(jìn)油微調(diào)和高頻響閥節(jié)流微控形成閉環(huán)運(yùn)算。通過PID控制器進(jìn)行高頻數(shù)值分析，實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)糾偏處理，使汽車縱梁液壓機(jī)的同步精度有了進(jìn)一步提高。此類控制系統(tǒng)主要利用了高頻響閥的超微調(diào)量的典型案例。

4 結(jié)論

本文通過對(duì)三種典型的液壓機(jī)高精度控制工況的綜合分析，針對(duì)不同類型的工況設(shè)計(jì)了不同控制系統(tǒng)，并根據(jù)不同控制系統(tǒng)分別提出了高適應(yīng)性電控策略，獲得了較好的控制效果。使設(shè)備的穩(wěn)定性、快速性和高精性能都有顯著提高，為今后類似產(chǎn)品以及復(fù)合類型液壓機(jī)設(shè)計(jì)，提供了一定的實(shí)際參考依據(jù)。

[1] 陳柏金，高俊峰，等.自由鍛造液壓機(jī)控制策略[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2008，44(10)：304-305.

[2] 郭 靈，王淑云，林 海.先進(jìn)航空材料及構(gòu)件鍛壓成形技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2011.

[3] 中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)塑性工程學(xué)會(huì).鍛壓手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[4] 郭曉松，祁 帥，等.基于同等方式控制的雙缸同步液壓系統(tǒng)仿真[J].機(jī)床與液壓，2009，37(3)：149-150.

Typical application of high-response control valve in high precision control conditionsof hydraulic press

CHEN Xiaonong,PU Xuhui
(Hefei Metalforming Intelligent Manufacturing Co.,Ltd.,Hefei 230601,Anhui China)

Aiming at the several typical high precision control conditions in the field of hydraulic press,in combination of the liquid characteristics and electric control principle of high-response control valves,the actual application status of high-response control valveunder the complex working conditions and the harsh environment has been comprehensively analyzed.The suitable application range of high-response control valve in the hydraulic press has been analyzed and summarized.The advantages and disadvantages of the high-response control valve in each kind of press during actual operation have been expounded separately,which provides practical reference for further system optimization.

High-response control valve;Closed loop synchronous control;Micro speed;Time varying system

TG315.4

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2017.05.006

1672-0121(2017)05-0021-04

2017-05-04；

2017-06-19

陳曉農(nóng)(1961-)，男，工程師，從事液壓機(jī)電氣控制研究。E-mail：autscadklq@163.com