機(jī)械壓力機(jī)滑塊液壓保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張金龍，蔡宇安

（陜西重型汽車有限公司，陜西西安 710200）

0 引言

機(jī)械壓力機(jī)是通過(guò)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為滑塊的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，對(duì)坯料進(jìn)行成形加工的鍛壓機(jī)械。機(jī)械壓力機(jī)因其動(dòng)作平穩(wěn)、工作精度高、操作條件好、生產(chǎn)率高，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化，廣泛應(yīng)用于汽車、船舶制造等行業(yè)。機(jī)械壓力機(jī)的公稱工作力基本上是以滑塊從上死點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到距行程的下死點(diǎn)約13 mm 處為實(shí)際最大工作力[1]。

機(jī)械壓力機(jī)是通過(guò)電機(jī)拖動(dòng)螺桿傳遞力，當(dāng)壓力到達(dá)工件時(shí)，電機(jī)無(wú)法控制壓力機(jī)的力，而在生產(chǎn)過(guò)程中，因?yàn)椴僮鞑划?dāng)、設(shè)備或模具選型不合適、材料變化等原因，有可能發(fā)生超過(guò)壓力機(jī)公稱工作壓力的情況，滑塊作為壓力機(jī)的關(guān)鍵執(zhí)行單元，如果不能及時(shí)停止，存在損壞設(shè)備及模具的可能，因此機(jī)械壓力機(jī)需要設(shè)計(jì)滑塊過(guò)載保護(hù)裝置。

老式的滑塊過(guò)載保護(hù)裝置是根據(jù)壓力機(jī)的噸位制作金屬壓塌塊，作為傳動(dòng)中的一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，當(dāng)發(fā)生過(guò)載時(shí)靠破壞此件來(lái)切斷傳動(dòng)線路，使動(dòng)力不能繼續(xù)輸入，后續(xù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)停止，從而保護(hù)后續(xù)主要受力件不遭到損壞。這種過(guò)載保護(hù)屬于剛性過(guò)載保護(hù)，可靠性較差，更換麻煩，目前已逐漸被淘汰，取而代之的是利用氣液平衡原理設(shè)計(jì)制作較柔性化的液壓保護(hù)裝置。這種結(jié)構(gòu)滑塊過(guò)載保護(hù)壓力值可調(diào)，過(guò)載保護(hù)動(dòng)作迅速準(zhǔn)確，過(guò)載保護(hù)后修復(fù)速度快，可靠性高，廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械壓力機(jī)中。

以濟(jì)南機(jī)床二廠生產(chǎn)的J39-1250 機(jī)械壓力機(jī)使用的液壓保護(hù)裝置為例，從液壓保護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)、工作原理、電氣控制、操作維護(hù)等方面，系統(tǒng)分析其設(shè)計(jì)與應(yīng)用的優(yōu)越性。

1 液壓保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 液壓保護(hù)系統(tǒng)工作原理

液壓保護(hù)過(guò)載裝置一般由氣動(dòng)泵、液壓缸、卸荷閥、壓力繼電器、電磁閥、液壓馬達(dá)、抗振壓力表等元件組成（圖1）。

圖1 液壓保護(hù)裝置工作原理

在滑塊螺桿的端部設(shè)計(jì)一個(gè)液壓的封閉腔，里面注滿液壓油，當(dāng)工件受到壓力時(shí)，液壓封閉腔也在受力，而且工件上的力越大，加在液壓封閉腔上的力也越大。同時(shí)在液壓封閉腔上聯(lián)接一個(gè)壓力表，將壓力表安裝在滑塊的前面（圖2），能實(shí)時(shí)顯示滑塊液壓保護(hù)的壓力。當(dāng)壓力機(jī)發(fā)生過(guò)載時(shí)，液壓保護(hù)系統(tǒng)的卸荷閥迅速卸荷，卸荷閥上的限位開(kāi)關(guān)動(dòng)作，液壓墊中的壓力迅速下降，液壓保護(hù)限位開(kāi)關(guān)動(dòng)作，滑塊在平衡缸的作用下略微上移，保護(hù)壓力機(jī)和模具不受損傷。同時(shí)壓力繼電器動(dòng)作，液壓保護(hù)與行程聯(lián)鎖切斷離合器控制線路，壓力機(jī)停止運(yùn)行。此時(shí)操作面板上的液壓保護(hù)正常指示燈滅，卸荷指示燈亮，液壓保護(hù)系統(tǒng)處于卸荷狀態(tài)，壓力機(jī)不能開(kāi)動(dòng)[2]。

圖2 滑塊液壓保護(hù)壓力表

1.2 液壓保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（1）當(dāng)滑塊沖壓力超過(guò)壓力機(jī)額定噸位的10%時(shí)自動(dòng)卸荷，滑塊自動(dòng)停止，保護(hù)行程25 mm，整個(gè)系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間不大于25 ms，并配有防振壓力顯示表，滑塊上死點(diǎn)停止后，過(guò)載保護(hù)恢復(fù)時(shí)間小于60 s。

（2）整個(gè)系統(tǒng)安裝在壓力機(jī)滑塊內(nèi)，必須具有良好的抗振性，并帶有過(guò)載保護(hù)液壓系統(tǒng)油量檢測(cè)裝置。

（3）過(guò)載保護(hù)裝置可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)卸載，控制面板上增加卸荷開(kāi)關(guān)。

1.3 液壓過(guò)載保護(hù)系統(tǒng)的程序控制

1.3.1 可編程邏輯控制器

PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器）類似一個(gè)微型電腦處理器，由電源、中央處理器、存儲(chǔ)器、通信單元、輸入輸出單元等組成（圖3），可執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作指令，當(dāng)PLC 投入運(yùn)行后，CPU 以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新這樣一個(gè)掃描周期的3 個(gè)階段，通過(guò)數(shù)字式或模擬式的輸入輸出對(duì)設(shè)備或者生產(chǎn)進(jìn)行精準(zhǔn)控制[3]。

圖3 PLC 控制原理

1.3.2 PLC 相對(duì)于繼電器控制系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

（1）極大減少了電氣元件和接線。PLC 用內(nèi)部軟件代替大量的中間繼電器，采用梯形圖代替了大量的邏輯運(yùn)算，減少控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試工作量。

（2）極大縮短了維修時(shí)間。PLC 的穩(wěn)定性很高，且有完善的自我診斷和故障報(bào)警顯示功能。當(dāng)有輸入或輸出單元發(fā)生故障時(shí)，可以根據(jù)PLC 總站或者分站模塊上的指示燈迅速地找出故障，也可以通過(guò)程序在線監(jiān)控迅速地找出故障點(diǎn)。

（3）運(yùn)行速度快，可靠性高。傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)使用大量的中間繼電器，長(zhǎng)期使用后會(huì)出現(xiàn)觸點(diǎn)接觸不良造成故障，而且會(huì)受到周圍強(qiáng)電的電磁干擾，PLC 用內(nèi)部軟件代替大量的中間繼電器，而且PLC 的控制是由程序控制執(zhí)行，運(yùn)行速度快，可靠性高。

（4）擴(kuò)展升級(jí)更方便。傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)都是硬件連接，改造時(shí)只能拆除重新安裝接線，PLC 系統(tǒng)升級(jí)改造時(shí)，只需要改變I/O 點(diǎn)修改控制程序里的某段程序即可，而且可以無(wú)限次修改[4]。

1.3.3 PLC 的選型

PLC 的品牌和型號(hào)很多，不同PLC 的功能、價(jià)格、使用方法、適用的側(cè)重點(diǎn)也不同。因此，合理選擇特定的PLC，對(duì)于提高設(shè)備的控制能力和降低運(yùn)行成本都有重要意義。

PLC 的選擇主要應(yīng)從PLC 的點(diǎn)數(shù)估算、存儲(chǔ)器容量、運(yùn)算功能、編程功能、控制功能、通信功能、診斷功能和反應(yīng)速度等方面加以綜合考慮，在滿足工廠設(shè)備功能要求及保證設(shè)備運(yùn)行可靠、使用維護(hù)方便的前提下，做到最優(yōu)的性價(jià)比。同一個(gè)工廠應(yīng)盡量做到PLC 品牌型號(hào)統(tǒng)一，優(yōu)點(diǎn)是不同的設(shè)備模塊之間可互為備用替代，減少模塊的采購(gòu)和儲(chǔ)備，減小停機(jī)時(shí)間降低維護(hù)成本；因同一品牌型號(hào)的PLC 使用方法和功能類似，學(xué)習(xí)和吸收接受能力更快，能降低設(shè)備維護(hù)人員的培訓(xùn)成本；同一品牌型號(hào)的PLC 其通信接口相同，在后期擴(kuò)展聯(lián)網(wǎng)時(shí)更方便。

1.3.4 PLC 編程的基本原則和步驟

梯形圖是PLC 最基本、最簡(jiǎn)單，也是最常用的編程語(yǔ)言。梯形圖程序按從左到右，從上到下順序執(zhí)行。梯形圖每一行都是從左母線開(kāi)始，線圈接在最右邊，線圈右邊不能再接接點(diǎn)；線圈不能直接與左母線相連；應(yīng)避免雙線圈輸出；當(dāng)輸出負(fù)載大于接口指標(biāo)時(shí)要用接觸器或者繼電器過(guò)渡，防止燒壞輸出觸點(diǎn)。編程的邏輯關(guān)系要簡(jiǎn)單明了，在保證程序功能的前提下盡量減少指令的使用和程序的運(yùn)行時(shí)間。

編程的基本步驟：首先要根據(jù)用到的輸入輸出點(diǎn)列出I/O配置表，編寫(xiě)程序后自檢，沒(méi)有問(wèn)題后上傳到PLC 中，然后根據(jù)畫(huà)好的電路圖連接電路，電路的連接必須與PLC 程序中的點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)，最后上電調(diào)試。下面以三菱Q06 系列PLC 為例，編寫(xiě)滑塊液壓保護(hù)程序。

（1）液壓保護(hù)系統(tǒng)主程序如圖4、圖5 所示。

圖4 液壓保護(hù)系統(tǒng)程序1

圖5 液壓保護(hù)系統(tǒng)程序2

（2）液壓保護(hù)系統(tǒng)還需要和行程操作有一定的聯(lián)鎖動(dòng)作。當(dāng)液壓保護(hù)在卸荷狀態(tài)時(shí)，行程操作不能開(kāi)動(dòng)（圖6）。

圖6 液壓保護(hù)與滑塊開(kāi)動(dòng)行程聯(lián)鎖

（3）液壓保護(hù)系統(tǒng)還要與滑塊調(diào)整動(dòng)作有一定的聯(lián)鎖動(dòng)作（圖7）。當(dāng)液壓保護(hù)系統(tǒng)卸荷后，開(kāi)動(dòng)滑塊調(diào)整會(huì)損傷滑塊調(diào)整機(jī)構(gòu)，因此此時(shí)滑塊調(diào)整不能動(dòng)作[5]。

圖7 液壓保護(hù)與滑塊調(diào)整動(dòng)作聯(lián)鎖

2 液壓保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)用

2.1 過(guò)載

如果液壓保護(hù)系統(tǒng)的壓力低于規(guī)定值，壓力機(jī)就處于過(guò)載狀態(tài)?！耙簤罕Ｗo(hù)卸荷”指示燈亮，“液壓保護(hù)正?！敝甘緹魷?。如果此時(shí)滑塊處于上死點(diǎn)，首先將滑塊液壓保護(hù)選擇開(kāi)關(guān)旋到“重調(diào)”位置，等待氣源閥、氣動(dòng)泵工作，當(dāng)液壓墊中的壓力達(dá)到要求后，“卸荷”指示燈滅，“正?！敝甘緹袅?，液壓保護(hù)系統(tǒng)恢復(fù)正常，將選擇開(kāi)關(guān)旋至“正?！蔽恢茫瑝毫C(jī)即可恢復(fù)正常工作（圖8）。

圖8 液壓保護(hù)正常狀態(tài)

2.2 重調(diào)

如果發(fā)生過(guò)載時(shí)滑塊位于下死點(diǎn)區(qū)，將工作狀態(tài)選擇開(kāi)關(guān)選擇到“微調(diào)”位置，通過(guò)操作“微調(diào)開(kāi)動(dòng)”按鈕，將滑塊調(diào)整到上死點(diǎn)。此時(shí)兩種情況需要注意：如果滑塊行程超過(guò)180°，則需要開(kāi)動(dòng)微調(diào)正向（圖9），如果滑塊行程未超過(guò)180°，則需要開(kāi)動(dòng)微調(diào)反向，使滑塊運(yùn)行至上死點(diǎn)區(qū)，此時(shí)“重調(diào)”才會(huì)起作用。

圖9 開(kāi)動(dòng)微調(diào)正向?qū)⒒瑝K調(diào)整到上死點(diǎn)

2.3 試驗(yàn)

一般壓力機(jī)都會(huì)設(shè)計(jì)手動(dòng)卸荷開(kāi)關(guān)，有時(shí)為了試驗(yàn)液壓保護(hù)系統(tǒng)是否正常工作，可以將液壓保護(hù)選擇開(kāi)關(guān)選擇到“試驗(yàn)”位置。此時(shí)液壓系統(tǒng)卸荷，“液壓保護(hù)正?！敝甘緹魷?。卸荷后液壓系統(tǒng)的恢復(fù)與“重調(diào)”步驟相同。

3 液壓保護(hù)系統(tǒng)維護(hù)

由于機(jī)械壓力機(jī)滑塊上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)頻次高，伴隨著沖裁力造成的振動(dòng)大，時(shí)間長(zhǎng)了液壓保護(hù)裝置中的一些元件可能會(huì)出現(xiàn)故障，造成壓力機(jī)停機(jī)。

當(dāng)液壓保護(hù)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，滑塊過(guò)載后重調(diào)無(wú)動(dòng)作時(shí)，可以打開(kāi)控制程序在線監(jiān)控查看是哪個(gè)點(diǎn)不滿足運(yùn)行條件，也可以打開(kāi)操作面板上的人機(jī)界面，查詢哪里不滿足液壓保護(hù)重調(diào)條件（圖10）。常見(jiàn)故障原因及處理措施有：

圖10 液壓保護(hù)重調(diào)條件查詢

（1）油箱缺油。平時(shí)注意觀察油箱油面，油位不足時(shí)及時(shí)補(bǔ)充，加油時(shí)要采取過(guò)濾措施，避免氣動(dòng)泵吸空；定期更換液壓油，液壓油品質(zhì)要合格。

（2）平衡器壓力不正常。檢查壓力是過(guò)大還是過(guò)小，J39-1250 機(jī)械壓力機(jī)正常的平衡器壓力在0.33 MPa左右。同時(shí)注意氣源管道要設(shè)置分離水裝置，避免對(duì)管路、氣動(dòng)元件造成銹蝕，以降低維護(hù)成本。

（3）液壓保護(hù)電機(jī)不工作。檢查電機(jī)空開(kāi)是否跳閘。

（4）液壓保護(hù)壓力傳感器或者卸荷限位不靈敏或損壞。電磁閥或壓力繼電器損壞。維修時(shí)注意不要把雜物帶入系統(tǒng)裝置內(nèi)，元件安裝前應(yīng)擦拭干凈，避免出現(xiàn)因部分元件堵塞而導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常工作。

（5）線路虛接或斷路故障等。因滑塊內(nèi)部空間狹窄，維修和日常保養(yǎng)時(shí)要注意不要踩踏線路[6]。

4 結(jié)束語(yǔ)

液壓保護(hù)裝置因其優(yōu)越性在機(jī)械壓力機(jī)中廣泛應(yīng)用，可靠地解決了滑塊在過(guò)載時(shí)可能損壞設(shè)備或模具的問(wèn)題，而且過(guò)載后恢復(fù)快、操作方便，相對(duì)老式的剛性過(guò)載保護(hù)方式較為復(fù)雜，只有掌握其結(jié)構(gòu)、工作原理以及正確的操作方式，才能更好地發(fā)揮液壓保護(hù)裝置的作用，在日常的應(yīng)用中要定期檢查，做好維護(hù)保養(yǎng)，以提高液壓保護(hù)裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性。