液壓機傳動系統(tǒng)及電氣控制系統(tǒng)的設計

昝義文

（中國重汽集團大同齒輪有限公司，山西 大同 037000）

引言

液壓機是基于帕斯卡原理實現(xiàn)鍛壓成型的機械設備，通過液體靜壓力來實現(xiàn)壓制工藝和壓制成型工藝，并廣泛應用于汽車工業(yè)、航空航天和管道等領(lǐng)域[1]。根據(jù)傳遞液體性質(zhì)的不同，液壓機可分為水壓機和油壓機，其中，水壓機由于壓力過大多用于鍛造和沖壓，而油壓機壓力相對較小，是最常用的液壓機類型。液壓機由主機、動力系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三部分組成。近年來，隨著工業(yè)化水平的不斷提高，國內(nèi)外專家對液壓機開展了大量的優(yōu)化工作。如日本的液壓技術(shù)處于世界領(lǐng)先地位，且電動控制和全自動化技術(shù)也在不斷應用與擴展，使得液壓機在工作效率不變的條件下重量不斷減小，極大地降低了制造成本；而國內(nèi)的液壓技術(shù)雖然在過去幾十年來也有很大的提升，但與西方發(fā)達國家相比仍然有一定的差距，液壓機本身的問題依然很多，如經(jīng)常出現(xiàn)漏油現(xiàn)象、安全性無法保障以及整體結(jié)構(gòu)密封性差，導致穩(wěn)定性不足，產(chǎn)生的噪聲大等，此外，目前我國液壓機在系統(tǒng)控制方面尚有欠缺，例如人機協(xié)作不夠，無法實現(xiàn)特殊情況預警等[2]。針對以上問題，本文對液壓機的傳動系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)進行了優(yōu)化，提出了更好的機、液、電一體化方案，以增強液壓機的使用靈活性、安全性、可靠性，使得液壓機智能化程度顯著提高。

1 液壓機傳動系統(tǒng)的設計

液壓機傳動系統(tǒng)的設計需滿足三個要求：傳動裝置要盡量緊湊，保證上下橫梁鎖緊，擠壓主體；傳動系統(tǒng)具備優(yōu)異的自動化性能，平穩(wěn)完成整個操作；應具備防潮防寒能力，降低噪音，提高整體的安全性[3]。

與傳統(tǒng)的單油缸控制擠壓不同，本文將液壓機傳動系統(tǒng)的動力源設置為雙油缸系統(tǒng)——擠壓油缸和鎖模油缸聯(lián)合作用，其中水平位置的擠壓油缸產(chǎn)生擠壓力，垂直位置的油缸產(chǎn)生鎖模力，通過雙環(huán)來確保擠壓過程穩(wěn)定地進行。擠壓油缸工作時先快速向左，再慢速向右，然后快速向右，最后停止，而鎖模油缸是按照快速下降—慢速下降—停留—快速上升—停止的順序進行工作。考慮到快速階段和慢速階段所需液體的流量不同，傳動系統(tǒng)選擇高低壓雙泵進行調(diào)控，高壓泵用于小排量工作，負責對擠壓油缸進行慢速度推進，低壓泵用于大排量工作，為兩個油缸的空載快進或快退提供動力。油缸作為動作執(zhí)行部件，其速度的調(diào)控直接影響整體液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性和工作效率，本系統(tǒng)中高壓泵采用調(diào)速電機驅(qū)動，根據(jù)擠壓油缸的擠壓速度調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，在擠壓油缸中安裝節(jié)流閥，利用節(jié)流閥調(diào)節(jié)局部流量速度，從而使得供油量和需油量保持相等，速度平穩(wěn)。為保證系統(tǒng)壓力穩(wěn)定，采用溢流閥和電磁換向閥共同作用的方式降低流量，低壓泵采用電磁溢流閥。為提高液壓系統(tǒng)的自動化性能，液壓機引入電氣控制系統(tǒng)，在固定行程點設置傳感器，從而控制整體行程，進行啟動或轉(zhuǎn)向。下頁圖1為液壓機的液壓系統(tǒng)工作原理圖，表1為液壓機的主要液壓元件的型號。

表1 液壓元件明細

圖1 液壓機的液壓系統(tǒng)工作原理圖（mm）

2 液壓機電氣控制系統(tǒng)的設計

液壓機通過電氣控制系統(tǒng)控制各動作執(zhí)行，根據(jù)實際需要，液壓機執(zhí)行動作基本為直線運動。該系統(tǒng)主要通過控制2個電機、7個電磁鐵（DT）運行來完成系統(tǒng)開關(guān)、鎖模、擠壓等動作。首先控制低壓泵開啟，進入鎖模模式；1DT和2DT進行卸荷操作，以提高液壓速度，5DT負責控制運動方向，在保壓階段加載第六個電磁鐵6DT，使其從上往下推動；在擠壓階段，由4DT從右往左擠壓，開啟第三個電磁鐵以實現(xiàn)快退；7DT為直接卸荷裝置，能夠加快擠壓速度。目前電氣控制系統(tǒng)由兩種主要方式：可編程控制器（PLC）和繼電器-接觸器控制。PLC的自動化效果最好，但設計復雜，成本較高，而繼電器-接觸器控制是通過觸動調(diào)控按鈕、控制開關(guān)等元件，使得電路連通，從而實時控制電動機，這種方式結(jié)構(gòu)簡單，成本低且易于維護，能夠?qū)崿F(xiàn)液壓機的半自動化運轉(zhuǎn)[4]，因此本文最終選擇繼電器-接觸器控制系統(tǒng)來控制液壓機運行。

本文設計的電氣控制系統(tǒng)由供電柜、操作臺、接觸器和顯示屏等組成。圖2為操作臺面板，圖中各個數(shù)字表示各功能區(qū)：1為溫度控制區(qū)，上面為溫度控制表，可以直接顯示模具的設置溫度和實時溫度，左邊的按鍵可以靈活調(diào)節(jié)用于設置溫度，下面的四個控制開關(guān)為手動溫度控制裝置，當溫度不能達到設定值時可手動控制進行溫度補償；2為油缸動作控制器，可直接控制擠壓油缸和鎖模油缸的各個方向的運動；3為擠壓距離顯示表，主要顯示擠壓油缸移動的距離；4為指示燈區(qū)，不同的顏色表示液壓機不同的工作狀態(tài)；5為變頻控制器，主要作用是調(diào)節(jié)電機電源的頻率；6為油泵電機控制區(qū)，分別控制高壓和低壓油泵電動機的開啟和停止、加載和卸荷以及限流閥的加載和卸荷。

圖2 電氣控制操作臺

液壓機電氣控制系統(tǒng)的工作過程：當液壓機啟動后，型腔打開放入胚料，打開電氣控制箱內(nèi)的電源開關(guān)，檢查顯示器等部件是否正常工作，設置模具溫度，按下控制器啟動按鈕，上橫梁沿著垂直方向移動到擠壓工作臺上，鎖模油缸驅(qū)動，給上橫梁的筋板不斷加壓，使得上下模緊密地閉合，然后開啟加熱鍵，將模具和胚料加熱到設定溫度，繼續(xù)調(diào)節(jié)上下模位置，直至鎖模壓力滿足要求，啟動擠壓油缸，對棒材施加壓力，擠壓結(jié)束后，各部件返回初始狀態(tài)。

3 結(jié)論

優(yōu)化后的液壓機具有如下優(yōu)點：對傳動系統(tǒng)采用雙油缸控制，穩(wěn)固加強了擠壓過程，延長了設備使用壽命，并且可實現(xiàn)高準確度擠壓；采用繼電器-接觸器控制模式，提高了擠壓的準確性，降低了人力成本，實現(xiàn)了智能化控制。經(jīng)過優(yōu)化后的液壓機，其生產(chǎn)效率和安全系數(shù)顯著提高，為我國工業(yè)的飛速發(fā)展奠定了基礎。