10000t多向模鍛水壓機改油壓機關鍵技術研究

楊紅娟，楊大祥，薛菲菲，段麗華，周少凡

（中國重型機械研究院股份公司，西安 710032）

0 前言

多向模鍛是在多向模鍛液壓機上進行分模模鍛的一種精密鍛造技術，采用這一工藝能夠避免產生飛邊，節約毛坯材料，減少模鍛工序，并能提高鍛件精度和機械性能。因此在航空、石油、化工、汽車制造、原子能工業中有關中空架體、活塞、軸類、筒形件、大型閥體、飛機起落架等鍛件大多采用多向模鍛進行生產[1]。

中鋁西南鋁10000t多向模鍛水壓機是鋁加工行業國寶級設備，造于上個世紀七十年代，是我國自力更生設計生產的第一臺大型鋁加工多向模鍛壓機，也是西南鋁的重大設備。

長期的使用和近些年模鍛技術的迅速發展，使得這臺國寶級的設備不僅顯得技術落后，而且能耗極高，尤其是水壓驅動元件壽命低，系統易泄露，造成設備故障率逐年加大，可靠性降低，已不適應目前高效節能綠色生產的發展趨勢和市場的需求[2]。

因此從2017年開始，中國重型院開始對此設備進行全面升級改造。本文主要介紹10000t多向模鍛水壓機改為油壓機的關鍵技術。

1 結構形式及改造后的主要技術參數

1.1 10000t多向模鍛壓機結構形式

如圖1所示，10000t多向模鍛壓機是由一臺10000t三梁四柱立式壓機和一臺雙向作用的5000t臥式壓機組合而成[3]。

垂直部分為上下梁和4個拉桿、4個內襯套組成一個封閉受力框架，活動橫梁在機架內部來回運動。活動橫梁壓下由中間主缸和2個側主缸驅動。

水平部分為左右橫梁和4個拉桿組成組成一個封閉受力框架，左右主缸缸體固定在左右橫梁上，分模模具分別和左右主缸主柱塞相連，左右主柱塞尾部伸出主缸體和導向橫梁相連；驅動主柱塞回程的左右水平回程缸缸體固定在左右橫梁上，活塞桿和導向橫梁相連。

圖1 10000t多向模鍛壓機結構圖

1.2 改為油壓機的主要任務

10000t多向模鍛水壓機技術升級主要包括：（1）大型構件留用，輔助零部件更新制作，恢復壓機精度； （2） 將液壓系統由水泵-蓄勢器傳動的水控系統改為油泵直接傳動的油控系統；（3） 在保留左右水平主缸聯動功能的前提下，增加水平模鍛左右水平主缸獨立控制功能；（4） 更新全套電氣控制系統。

1.3 升級后的技術參數

多向模鍛水壓機主要缸的結構形式為柱塞缸，水壓機為水泵-蓄勢器傳動，采用水壓驅動時速度控制精度較差。水控系統改為油控系統后，液壓系統除了滿足壓力、速度要求外，還要對主要幾個部件進行速度精度控制。升級后10000t多向模鍛油壓機技術參數如表1所示。

表1改為油壓機后的技術參數

2 改為油壓機的關鍵技術

2.1 動力源的選取和設定

10000t多向模鍛壓機改造前有三種動力源：32MPa的高壓水泵站、8～12bar的充液罐、低壓補長器（置于壓機頂部）。水平模鍛所需的45MPa超高壓水是32MPa的高壓水通過增壓器獲得的。

隨著液壓技術的發展，柱塞泵的技術越來越成熟。柱塞泵的結構緊湊、體積小、重量輕，并且具有較高的容積效率和總效率，能在較高的轉速和壓力下工作，所以在液壓系統中應用廣泛[4]。此次改造升級，選用德國力士樂公司A4VSO500HS5、A4VBO450HS5軸向柱塞變量泵作為32MPa、45MPa的動力源，選用A4VSO125DR作為伺服外控、普通外控和輔助動作動力源。

壓機改造前，壓機垂直部分活動橫梁主工作缸和回程缸、水平部分左右主缸及回程缸均為柱塞缸，充液罐空程時起動力源的作用，所以壓力較高，為8～12bar。為了降低壓力，確保低壓密封壽命，此次升級改造，水平部分回程缸改為了活塞缸，空程前進和后退靠主油泵直接驅動，充液罐只起充液作用，垂直部分空程下降時設備自重本身就是動力源，壓力需求不高。因此，改造后的充液罐壓力為2～5bar。

充液罐就布置在壓機前，從油壓機使用的安全角度出發，此次改造去掉了置于壓機頂部的低壓補償器。

改造后的壓機，增加了水平部分獨立和聯動控制功能，因此，主泵必須能組合成5種壓力源：垂直主缸控制油源P1、左水平主缸控制油源32MPa P2、左水平主缸控制油源45MPa P3、右水平主缸控制油源32MPa P4，以及右水平主缸控制油源45MPa P5。

改造后的壓機，有一個主油箱、一個伺服油箱、2個充液罐（互相連通）共三種盛放傳動介質的容器。壓機要正常運轉，這三種容器的液位控制必須有一定的邏輯關系，即：充液罐液位超過最高液位以后，會通過安全閥或電控閥排放至主油箱，充液罐液位低于最低液位以后，螺桿泵會及時補液給充液罐；伺服油箱液位超過最高液位以后，會通過螺桿泵抽油至主油箱，伺服油箱液位低于最低液位以后，螺桿泵會及時補液給伺服油箱。

2.2 垂直部分模鍛控制技術

垂直部分活動橫梁主要有快速下降、慢速下降、加壓、停止、保壓、慢速回程、快速回程、停止等幾個動作，這些動作需要依靠主缸及回程缸控制系統的協調控制才能實現。

垂直部分控制系統由主缸控制閥塊、充液閥、回程缸控制閥塊和低速等溫模鍛閥塊組成。垂直部分共有3個柱塞缸，中間主缸φ1680mm，2個側主缸φ800mm。工藝要求可以分3000t、7000t、10000t3個壓力等級。因此，中間主缸獨立控制，2個側主缸并聯一起獨立控制，共設中間主缸和側主缸2個控制閥塊。

主缸控制閥塊由進液閥、斷電安全閥、泄壓閥組成。為了獲得最佳的卸壓特性和最大限度地降低卸壓給設備造成的液壓沖擊，卸壓閥選用的是力士樂的2WCR高頻響比例插裝閥。這種閥是一個先導閥為伺服閥，主閥為帶行程傳感器的兩級閥，通過伺服閥控制主閥上部活塞兩腔的進排油狀態來控制主閥的運動狀態。由于主閥帶有傳感器，所以可以根據所給的電信號使主閥處于全行程范圍內的任意位置，從而實現主閥流量的隨意調節，主閥的啟閉速度也可以根據所給的電信號隨意調節[5]。這種閥的滯環精度小于0.2%，相應靈敏度小于0.1%。斷電安全閥在設備正常生產過程中遭遇突然斷電時自動緩慢卸荷，起安全保護作用。中間主缸有效面積是兩側主缸的2倍，為了方便閥塊的設計和備件的準備，進液閥、斷電安全閥、泄壓閥各選三套，兩套并聯用于控制中間主缸，一套用于控制兩側主缸。

壓機改造后，垂直部分活動橫梁的回程由原來的回程缸和平衡缸共同來控制。回程缸和平衡缸均為柱塞缸，活動橫梁的回程控制由進液閥、單向閥、慢降閥、平衡閥、快降閥、限速閥、安全閥組成。進液閥為插裝式方向閥，進液閥打開時，單向閥防止回程缸里的液體反向流動，活動橫梁的回程速度靠變量泵直接調節。慢降閥是一代調節桿的插裝式方向閥，主要用于壓機對模、排氣、調零等輔助操作，慢降閥的開口量可以手動調節。快降閥選用的是力士樂的2WCR高頻響比例插裝閥。限速閥是一代調節桿的插裝式方向閥，活動橫梁快速下降時，快降閥和限速閥均開啟，橫梁下降速度的大小取決于快降閥的開口度。限速閥可以防止快速閥失調時造成設備事故。壓機活動部分質量大、慣性大，因此帶有兩級壓力設置的插裝式電磁壓力閥在下降時用以平衡這部分重量及慣性力，回程時用以設置回程壓力，平衡取低壓，回程取高壓。

壓機改造后，垂直部分增加了低速等溫鍛造功能。低速等溫鍛造閥塊由開關閥和力士樂4WRPEH伺服電磁閥組成。該回路為伺服變量泵和4WRPEH高頻響方向閥組成的旁路節流調速系統，旁路節流調速系統液壓泵的工作壓力隨負載力的變化而變化，回路功率損失小，效率較高[6]。圖2為旁路節流調速系統的速度-負載特性曲線。從該曲線可以看出：（1）當閥開口面積不變時，負載越大，回路速度剛度越高；（2）當負載不變時，閥開口面積越小，速度剛度越高。閥開口面積越大，回路速度剛度越低。因此，該回路的調試要注意伺服變量泵的流量和伺服電磁閥閥口大小的匹配。4WRPEH伺服電磁閥的滯環精度小于0.2%，信號從0到100%的響應時間為25ms。采用以上回路，鍛造速度可以在0.01～0.05mm/s無級可調，精度±10%。

圖2旁路節流調速速度-負載特性曲線

2.3 水平部分模鍛控制技術

壓機的水平部分有3550t和5000t2個壓力等級，左右水平主缸可以單動，也可以聯動。改造后的壓機由活塞式側缸驅動空程前進和后退，工作時主側缸同時加壓。

水平部分控制系統由主缸控制閥塊、充液閥、回程缸控制閥塊和左右水平主缸聯通閥塊組成。

水平主缸控制閥塊由單向閥、進液閥、斷電安全閥、排液閥組成。壓力等級32MPa時，最大模壓速度30mm/s，主泵A4VSO和A4VBO全部投入。壓力等級45MPa時，最大模壓速度12mm/s，主泵A4VBO投入。為了防止壓力等級45MPa時，A4VBO出口的高壓油串至A4VSO出口油路上，主缸控制閥塊設置了單向閥，壓力等級32MPa的油源接在閥前，壓力等級45MPa的油源接在閥后。斷電安全閥在設備正常生產過程中遭遇突然斷電時自動緩慢卸荷，起安全保護作用。排液閥選用的是帶兩級壓力調節的比例溢流閥，一級起安全閥作用，一級起比例卸荷排液作用。

改造后的壓機，水平回程缸活塞桿固定在左右橫梁上，缸體和左右主柱塞導向橫梁剛性連接。活塞腔進油，壓機回程，活塞桿腔進油，壓機空程前進或加壓。回程缸控制閥塊活塞腔由進液閥、單向閥、平衡閥、排液閥、安全閥和后位保持閥組成，回程缸控制閥塊活塞桿腔由進液閥、排液閥、安全閥和補液閥組成。活塞腔進液壓機回程時，主缸充液閥打開連通充液罐，充液罐雖然壓力不高，但是主缸面積遠遠大于側缸，為了防止側缸活塞腔減壓過程中壓機反向運動，活塞腔進液閥后串接了單向閥。活塞桿腔進液壓機空程前進時，主缸充液閥打開連通充液罐，為了便于精確控制，活塞腔設置了平衡閥，用以平衡充液罐的作用力。壓機加壓時該平衡閥電磁閥帶電，不再起平衡作用，不會損失壓機壓力。壓機后退至停止位時，輔助系統蓄能器壓力通過后位保持閥使壓機可靠地停止在后位。

3 結論

目前，10000t多向模鍛油壓機安裝調試已經全部完成，采用以上集成技術，實現了壓力分級控制選擇功能，實現了垂直活動橫梁和水平模座的自動控制功能，實現了模壓鍛造精確定位、位置預置和監控，實現了模壓鍛造和低速等溫模鍛速度無極可調、閉環控制。

通過本文的研究和試驗，以下幾條結論對舊的模鍛水壓機的改造和新的模鍛油壓機的設計都有很重要的借鑒意義。

（1） 高壓泵和充液罐組合動力源對多向模鍛壓機是切實可行的。

（2） 模鍛壓機選用2WCR高頻響比例插裝閥做為主缸泄壓閥，既能有效地減少卸壓時間，又能成功地減小卸壓時的液壓沖擊和震動。

（3） 模鍛壓機回程缸設置帶有兩級壓力的插裝式電磁壓力閥可以用以平衡活動橫梁的重量及慣性力，不用另外設置平衡缸。

（4） 伺服變量泵和4WRPEH高頻響方向閥組成的旁路節流調速系統，能成功地實現0.01～0.05mm/s的低速等溫模鍛。

（5） 鍛造水壓機改造為油壓機，由于活塞密封技術的成熟和可靠，在原設備結構空間允許的情況下，可以盡可能把回程缸改為活塞缸，這樣既方便控制，又能提高壓機節奏。