多工位壓力機平衡缸氣動系統的實施方案探討

姜澎濤 矯 健 張超群 黃 穎 李運強

（齊齊哈爾工程學院，齊齊哈爾 161005）

我國工業發展的重點正在向現代化工業轉移。身處“中國制造2025”戰略的偉大歷史背景下，我國汽車行業的發展遠超預期要求。提高汽車產量與質量成為眾多汽車廠商的頭等大事，因此制造廠商尤為關注沖壓設備的升級換代。多工位壓力機能夠顯著提升生產效率與質量，但存在開機平衡缸充氣放氣時間過長、使用氣源壓力高等問題，直接影響設備的生產效率。因此，優化多工位平衡缸氣動系統十分必要。針對多工位平衡缸氣動系統的制約因素，運用優化設計的方法推動技術革新，最大限度縮短充放氣時間，才能夠在多工位壓力機設計方面取得突破。

1 多工位壓力機平衡缸氣動系統優化的必要性

近年來，我國汽車行業發展迅猛。通過與國外先進汽車制造廠商合作，我國引進了很多知名品牌。新技術和新車型的引進，使生產用到的制造設備要求不斷更高。機械壓力機作為汽車行業重要的制造設備，在設計、制造及功能上的要求尤其嚴格。目前，可以實現一機多用的多工位壓力機，以占地面積小、生產節拍快、可實現沖壓的多道工序以及自動化程度高等優點受到了廣大用戶的青睞[1]。

生產過程中，多工位壓力機的平衡缸、自動化和氣液混合過載保護都需要壓縮空氣[2]。為了保證整個工作過程的穩定性，要求平衡缸供氣系統壓力穩定且充氣速度快。縮短平衡缸充氣時間可以提高生產效率。對每個平衡缸設置獨立的排氣系統，有利于提高設備的維修效率，更快地恢復生產。

2 優化多工位壓力機平衡缸氣動系統的制約因素

2.1 多工位壓力機地下安裝空間不足

多工位壓力機相當于將整線的多臺普通壓機整合在一起。其內部的機械機構與原有的普通機械壓力機相比，整體尺寸略有增加，配套的自動化設備多且雜。例如，數控液壓墊的整套液壓站尺寸大，占用地坑面積廣，如圖1所示。液壓墊管路需要根據現場情況，具體安裝焊接需要操作空間，且平衡缸儲氣罐無法安置在地坑內，如圖2所示。

圖1 數控液壓墊泵站

圖2 數控液壓墊安裝示意圖

2.2 多工位壓力機上平衡缸使用的壓縮空氣壓強大

多工位壓力機每分鐘的沖壓次數為10～25次。4個平衡缸均勻分布在上橫梁的前側和后側。受上橫梁整體尺寸限制，平衡缸的設計尺寸不能過大。當平衡缸平衡負載一定時，平衡缸尺寸越大，需要的壓縮氣體壓力越小，反之壓縮空氣的壓力越大。由于上橫梁安裝空間尺寸有限，平衡缸按照極限尺寸設計往往需要壓縮空氣在1.0 MPa以上。當壓縮空氣達到1.0 MPa以上時，平衡缸中需要相應密封環保證其氣密性。密封環的制造成本會隨著尺寸的增大而增大，直接影響了整機的制造成本與維修難度[3]。此外，管路連接元件也很難找到大尺寸的高氣壓元件。

2.3 平衡缸維修時不能單獨控制儲氣罐充、排氣

當平衡缸管路出現問題時，需要將原有的壓縮氣體排出后再進行維修。每個平衡缸都有對應的儲氣罐，儲氣罐的充氣放氣無法單獨控制直接影響設備的維修效率。這種氣動系統充氣和排氣時間過長、檢修時需要整體排氣以及儲氣罐排水系統操作不便等問題，是平衡缸氣動系統優化的難點。

3 多工位壓力機平衡缸氣動系統優化對策

3.1 調整平衡缸安裝位置

由于地坑無法使用，需要將平衡缸儲氣罐的安裝位置。多工位壓力機自動化程度高，自動換模具、自動運料和自動上料等設備的安裝位置需要在地面鋪設軌道，因此地面不能使用[4]。平衡缸儲氣罐為平衡缸提供平衡負載用的壓縮空氣，可以將氣罐安裝在距離平衡缸位置較近的上橫梁上。設計時，根據平衡缸用氣量和壓力波動范圍計算儲氣罐的體積，然后對儲氣罐進行軸向和徑向設計，根據不同的安裝位置選出合適的外形。如果將平衡缸安裝在上橫梁內部，則儲氣罐在設計時不能超過整機高度，同時盡量做高，如圖3所示。如果將儲氣罐安裝在上橫梁外部，通過支架將其固定，則儲氣罐在設計時不能超過上橫梁的整體寬度，如圖4所示。

圖3 平衡缸安裝在上橫梁內部

圖4 平衡缸安裝在上橫梁外部

3.2 完善氣動控制系統

平衡缸氣動系統包括高壓系統和低壓系統兩部分。其中，高壓系統由減壓閥、壓力表、調壓閥、氣動先導兩位兩通電磁換向閥以及手動兩位三通換向閥組成。氣動系統原理，如圖5所示。

圖5 氣動系統原理圖圖

以32 000 kN多工位壓力機為例，空氣壓縮機將平衡缸使用1.6 MPa的壓縮空氣送入系統，通過減壓閥1調定壓縮空氣的壓力，通過減壓閥2調定先導閥的開啟壓力。系統中先導氣路中增加了一個小的儲氣罐，以保證先導電磁閥正常開啟。先導電磁閥3起到向系統補壓的作用，先導電磁閥4起到自動調整壓強的作用，手動兩位三通換向閥控制整個高壓系統的通斷。

平衡缸低壓系統采用2寸的大管徑鋼管與高壓系統氣源管相連接。整個低壓系統進氣口與工廠氣源（工作壓強0.55 MPa）連接，通過空氣過濾器5等必要的輔助設備接入平衡缸控制系統。低壓系統末端安裝有氣控的氣控換向閥6、雙電控換向閥7用來控制氣控換向閥6的開關。壓力繼電器8、壓力繼電器9用于檢測平衡低壓供氣管路中的壓力。當壓強低于0.9 MPa時，氣控換向閥閥處于打開狀態，系統快速充氣，將支持平衡缸工作的4個儲氣罐填滿；當壓強高于0.9 MPa時，壓力繼電器發出信號，氣控換向閥關閉，高壓系統接入，對平衡缸儲氣罐加壓，以滿足對壓縮空氣的工作壓強要求。當設備需要檢修排氣時，高壓系統排氣將系統壓力釋放，壓力繼電器9檢測系統工作壓強低于到達0.9 MPa，電磁換向閥10得電，氣控換向閥打開，電磁換向閥10從充氣狀態切換到排氣狀態。此時，高壓管路與低壓管路共同排氣，大大縮短了排氣時間。

3.3 針對檢修設備優化系統結構

根據平衡缸管路原理，在每一個儲氣罐的進氣口都加裝電磁換向閥11。當系統供氣時，電磁換向閥處于開啟狀態；設備正常工作時，電磁換向閥處于常閉狀態[5]。檢修時可以實現單個儲氣罐的自動排氣與充氣，保證系統可以更快地恢復生產。在原來安裝在上橫梁儲氣罐下方的截止閥后增加排污管路，集成到立柱便于工人可以操作的位置。這種優化方式既減少了日常操作工人的勞動強度，又能夠滿足在橫梁上維修管路的需求。

4 結語

采用上述技術方案，系統能夠實現由低壓系統快速充氣、高壓系統提高壓強的高低壓共同供氣。與常用的由空壓機單獨供氣方式相比，設計的方案縮短了系統的充氣時間，提高了生產效率。儲氣罐的進氣與排氣采用自動控制，可以實現故障檢修時的單控單排。目前，該系統正在申請國家實用新型專利，并且已成功應用在廣東、北京等制造廠商購買的多工位壓力機設備。經過實際使用驗證和信息反饋，該系統可以縮短系統的充氣時間，提高生產效率，確保系統的供氣穩定。