淺析快速鍛造壓機液壓系統(tǒng)及控制系統(tǒng)

賴飛龍

（廈門虹鷺鎢鉬工業(yè)有限公司，福建 廈門 361021）

0 引言

隨著社會經(jīng)濟、工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)不斷發(fā)展的大環(huán)境下，傳統(tǒng)鍛造壓機系統(tǒng)效率低、能耗高和精度不足等缺點逐步暴露出來，很大程度上制約了現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展。隨著自動化控制技術(shù)的快速發(fā)展，快速鍛造壓機的液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的實用性與可靠性得到了大幅度升級。因此，針對快速鍛造壓機液壓系統(tǒng)及控制系統(tǒng)的構(gòu)造、技術(shù)原理、應(yīng)用要點進行分析，十分有必要。

1 快速鍛造液壓機的構(gòu)成

快速鍛造壓機是一種在當(dāng)今工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中應(yīng)用率比較高的設(shè)備，主要是新材料制備、關(guān)鍵零件鍛造的生產(chǎn)任務(wù)。該設(shè)備是一個復(fù)雜的電子機械系統(tǒng)，涉及多種技術(shù)、系統(tǒng)、元件的應(yīng)用。總體來說，快速鍛造液壓機的基本構(gòu)成包括4個。1）主機系統(tǒng)部分，主要有主機、工作臺、上砧快換系統(tǒng)等，該部分主要承擔(dān)核心鍛造工藝任務(wù)，包括拔長、鐓粗等。2）液壓控制系統(tǒng)，是為系統(tǒng)提供液壓控制動力的核心系統(tǒng)。3）鍛壓操作系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)可以完成鍛造機械化、自動化，是促進系統(tǒng)升級的關(guān)鍵。4）電氣系統(tǒng)，主要是提供電力、對電氣機組進行控制，收集信息數(shù)據(jù)的主要系統(tǒng)[1]。

2 液壓系統(tǒng)工作原理

在鍛造生產(chǎn)活動當(dāng)中，快速鍛造壓機的運行有普通鍛造和快速鍛造兩種工況。其中，普通鍛造工況下，系統(tǒng)壓力數(shù)值是25 MPa，主缸輸出力和回程力分別為20 MN與1 MN，而鍛造頻次約為40 min/次～45 min/次。在快速工況下，電機功率達到250 kW，而鍛造頻率約為80 min/次～85 min/次。接下來，對快速鍛造壓機的液壓系統(tǒng)主要原理及特點進行分析。

2.1 普通鍛造

通常情況下快速鍛造壓機的生產(chǎn)運行都出于普通鍛造工況，此時5號電磁閥通電，系統(tǒng)運行進而在相關(guān)區(qū)域產(chǎn)生壓力。當(dāng)9號比例溢流閥通電時，系統(tǒng)鍛造壓力生成。當(dāng)6號比例閥通電，壓力油由液壓泵輸出，通過主管道、7號閥門進入主缸。當(dāng)18號電磁閥通電，同時系統(tǒng)中16號及17號插裝閥啟動，回升缸和油箱接通。然后，系統(tǒng)活動梁向下運動，同時沖液閥啟動，為主缸補充液體。當(dāng)所加工的工件成型，編號為5的電磁閥電力斷開，液壓泵隨之卸荷。18號電磁閥電力斷開，16及17號閥門斷開。19號閥門通電促使主缸卸荷[2]。當(dāng)系統(tǒng)卸荷完成之后，5號電磁閥與12號比例閥接通電力，壓力油由液壓泵輸送到回升缸部件，此時活動梁向上快速移動，直到達到限定位置，準(zhǔn)備下一次鍛造，如此循環(huán)，如圖1所示。

2.2 快速鍛造

在快速鍛造壓機的快速鍛造模式下，液壓泵組啟動之后，系統(tǒng)建立足夠的壓力。然后，19號電磁閥接通電源，系統(tǒng)中的儲能器和回升缸連接，14號比例溢流閥啟動，進而生成回升壓力。與此同時，9號比例溢流閥通電之后在系統(tǒng)中生成鍛造壓力。隨后，壓力油依次流經(jīng)主管道、7號閥門進入主缸。然后活動梁向下快速運動，執(zhí)行鍛壓作業(yè)，同時回升缸中的油液進入儲能器。當(dāng)工件鍛造成型達到標(biāo)準(zhǔn)時，5號電磁閥關(guān)閉，促使系統(tǒng)液壓泵卸荷。隨后9號比例溢流閥門關(guān)閉促使主缸卸荷，待主缸壓力降低至設(shè)定的范圍，回升缸因儲能器油壓的作用迅速回升，直到限定位置，伺候再進入下一次鍛造作業(yè)。如此循環(huán)。

圖1 快速鍛造壓機液壓系統(tǒng)構(gòu)造示意

3 系統(tǒng)的構(gòu)成分析

快速鍛造壓機的液壓系統(tǒng)是實現(xiàn)該設(shè)備核心功能的基礎(chǔ)系統(tǒng)，其主要由主泵、低壓供液系統(tǒng)、高壓系統(tǒng)及其他輔助性質(zhì)的設(shè)備構(gòu)成。其中，主泵是為液壓系統(tǒng)提供主要動力的基礎(chǔ)系統(tǒng)，主要功能是為壓機主控閥站提供高壓油液。而低壓供液系統(tǒng)的主要功能是為以主泵為代表的多種系統(tǒng)提供必需的液壓油，同時，其還可以在壓機快速向下運動時為主缸提供必要的油液，避免該環(huán)節(jié)中供液不足進而產(chǎn)生負壓的問題。

在快速鍛造壓機的液壓系統(tǒng)中，高壓系統(tǒng)是發(fā)揮控制功能的主體。為了滿足快速鍛造的加工需求，要確保系統(tǒng)在短行程中完成更多的鍛造作業(yè)，那么對系統(tǒng)的控制能力要求較高。近年來，比例伺服技術(shù)不斷進步，其在快速鍛造壓機的液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用也越來越深入。基于此，系統(tǒng)主缸和回程缸的進液、排液都使用了流量更大的比例插裝閥。這種構(gòu)造的優(yōu)勢在于可以對系統(tǒng)各部位閥門的開啟角度、速度進行靈活控制，促使液壓系統(tǒng)能夠在高負荷狀態(tài)下穩(wěn)定運行，同時可以降低系統(tǒng)各部件的振動和沖擊[3]。

快速鍛造壓機液壓系統(tǒng)中的輔助配置的功能在于控制壓機組的一些輔助性質(zhì)的動作，例如控制橫向砧機工作臺的移動。在活動梁的快速下降環(huán)節(jié)，主泵輸出壓力油進入主缸，而油液在回程缸中直接向充液缸排入。在自然重力的驅(qū)使下，油液將迅速進入主缸，如此形成油液的循環(huán)。在主缸加壓的環(huán)節(jié)中，技術(shù)人員將接近鍛件安裝在壓機上面，然后關(guān)閉相應(yīng)閥門，再通過支撐閥門排出回程缸內(nèi)的油液，進而提升主缸壓力，再關(guān)閉充液閥門。此時，受到主泵壓力的影響，主缸柱塞將穩(wěn)定回落，進而完成鍛件的加工作業(yè)。在主缸卸壓的環(huán)節(jié)中，當(dāng)主缸加壓作業(yè)完成后，應(yīng)當(dāng)在穩(wěn)定的狀態(tài)下對主缸壓力進行有效釋放。此時可以發(fā)揮比例插裝閥的作用，排出主缸油液，并且還能夠確保油液排出的速率足夠平緩迅速，避免系統(tǒng)出現(xiàn)震動。壓機回程是快速鍛造壓機液壓系統(tǒng)一個作業(yè)回合中的收尾環(huán)節(jié)，當(dāng)主缸卸壓完成之后，系統(tǒng)將關(guān)閉回程缸的排液閥門，然后主泵油液進入回程缸，達到回程壓機的目的。

4 控制系統(tǒng)的構(gòu)成

隨著現(xiàn)代生產(chǎn)活動要求越來越高，快速鍛造壓機系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，這意味著系統(tǒng)中線路、元件類型多且相對龐雜。因此，傳統(tǒng)的集中控制系統(tǒng)不適用。在當(dāng)代技術(shù)環(huán)境下，應(yīng)當(dāng)積極采用PLC（可編程控制器）控制系統(tǒng)，滿足快速鍛造壓機系統(tǒng)的自動化控制需求。

例如，某快速鍛造壓機系統(tǒng)中，技術(shù)人員廣泛應(yīng)用了MODBUSplus、PROFBUS等現(xiàn)場控制總線系統(tǒng)，然后使用PLC、工業(yè)現(xiàn)場總線控制單元以及控制計算機系統(tǒng)，構(gòu)建了一套系統(tǒng)專用的實時控制系統(tǒng)。基于PLC、計算機及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以實現(xiàn)對快速鍛造壓機各個系統(tǒng)、節(jié)點數(shù)據(jù)的實時讀寫，再基于相關(guān)節(jié)點進行控制輸入和輸出。

在該快速鍛造壓機的控制系統(tǒng)中，控制計算機是控制核心，其通過PLC及網(wǎng)絡(luò)通信模塊，對系統(tǒng)各部件壓力、溫度、移動等數(shù)據(jù)采集起來，提供給計算機及技術(shù)人員進行分析和應(yīng)用。同時，將相關(guān)控制參數(shù)寫入進PLC，再通過人員調(diào)整或系統(tǒng)自動化識別控制，對系統(tǒng)各部件狀態(tài)進行顯示和評估。顯然，基于這種技術(shù)構(gòu)造，可以實現(xiàn)對鍛壓機各部件運動關(guān)系的有效協(xié)調(diào)，同時還可以按照系統(tǒng)各個位置傳感器反饋的信息，對鍛壓機各個運動作業(yè)環(huán)節(jié)進行監(jiān)測和調(diào)節(jié)。

隨著技術(shù)進一步發(fā)展，在快速鍛造壓機的控制系統(tǒng)中，監(jiān)測計算機系統(tǒng)的應(yīng)用價值也越來越高。在該快速鍛壓機系統(tǒng)中，監(jiān)測計算機負責(zé)對PLC收集的各類參數(shù)進行分析，重點對操作機各個時段及環(huán)節(jié)的壓力、位置、溫度等參數(shù)進行處理，生成各類具有利用價值的統(tǒng)計表、統(tǒng)計圖。基于此，可以協(xié)助系統(tǒng)及技術(shù)人員對系統(tǒng)故障進行預(yù)估和判斷，并在故障發(fā)生時迅速鎖定故障源，同時還可以為系統(tǒng)故障的處理和應(yīng)對提供重要依據(jù)。

值得一提的是，隨著現(xiàn)代技術(shù)的進一步發(fā)展，智能技術(shù)概念中的模糊理論、專家系統(tǒng)將子啊快速鍛造壓機系統(tǒng)中得到應(yīng)用。基于此，可以實現(xiàn)鍛造系統(tǒng)的進一步升級，在提升系統(tǒng)控制精準(zhǔn)度以及智能化水平方面，有重要的作用。例如，基于專家系統(tǒng)可以實現(xiàn)對鍛造設(shè)備各類故障的深入分析，再結(jié)合風(fēng)險管理理念，進一步提高對系統(tǒng)的維護管理水平。

5 結(jié)語

綜上所述，在如今多元化的生產(chǎn)活動當(dāng)中，鍛造工藝在各個領(lǐng)域中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。尤其是在關(guān)鍵元器件的生產(chǎn)制造當(dāng)中，快速鍛造壓機系統(tǒng)的應(yīng)用不可或缺。隨著現(xiàn)代社會經(jīng)濟不斷發(fā)展，快速鍛造壓機中的液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)都得到了全面優(yōu)化與升級。相關(guān)生產(chǎn)單位及技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)重視對快速鍛造壓機液壓系統(tǒng)兩種模式的原理的研究，結(jié)合實際生產(chǎn)要求及環(huán)境，合理使用相關(guān)功能及模式，進一步發(fā)揮系統(tǒng)價值。同時，還需要在設(shè)備控制系統(tǒng)當(dāng)中積極應(yīng)用現(xiàn)代PLC、計算機、信息化技術(shù)，提高系統(tǒng)自動化控制水平，并協(xié)助技術(shù)管理人員做好系統(tǒng)管理。只有這樣，才能全面提升快速鍛造壓機系統(tǒng)的運行效率、穩(wěn)定性、安全性，同時滿足當(dāng)代社會節(jié)能降耗的關(guān)鍵要求。