800 MN大型模鍛液壓機(jī)液壓驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng)的技術(shù)研究

楊固川 劉 軍 王建國 鄧永泉 杜俊雷

(中國第二重型機(jī)械集團(tuán)公司設(shè)計(jì)研究院，四川610052)

由我國自主設(shè)計(jì)制造的目前世界上最大的800 MN大型模鍛液壓機(jī)于2013年4月10日正式投入生產(chǎn)。這標(biāo)志著我國大型航空模鍛件設(shè)備的生產(chǎn)能力和技術(shù)水平達(dá)到了國際先進(jìn)水平。在此之前，世界上大型模鍛壓機(jī)(壓制力600 MN以上)的工作介質(zhì)是水(乳化液)[1～3]，800 MN壓機(jī)是首臺工作介質(zhì)全部使用液壓油的大型模鍛壓機(jī)。如何保證800 MN模鍛壓機(jī)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)的高精度、高可靠性和高穩(wěn)定性，一次性實(shí)現(xiàn)高標(biāo)準(zhǔn)大型航空模鍛件的生產(chǎn)工藝技術(shù)要求(速度、壓力、位置的可控性和重復(fù)一致性)，這是項(xiàng)目課題組必須全面分析研究解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。

1 液壓驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng)技術(shù)方案的制訂[4、5]

目前，國內(nèi)高壓大流量泵、電液比例插裝式節(jié)流閥、伺服閥、密封件及其配套元件的壓力級別均在35 MPa。大通徑(大流量)液壓元件的綜合設(shè)計(jì)制造和檢測技術(shù)、質(zhì)量、可靠性和穩(wěn)定性水平比較差。大型模鍛壓機(jī)所需要的耐壓等級達(dá)到70 MPa，相配套的超高壓大流量泵、電液比例插裝式節(jié)流閥、密封件及其配套元件目前主要依賴進(jìn)口。在國外也只有少數(shù)液壓元件廠商掌握特殊規(guī)格型號的高壓大流量液壓元件及配套元件的設(shè)計(jì)、制造和檢測技術(shù)。國內(nèi)外廠商生產(chǎn)的高壓大流量液壓泵、閥等重要元件的主要技術(shù)參數(shù)對比見表1。

國外的高壓大流量液壓產(chǎn)品技術(shù)對我國進(jìn)行技術(shù)封鎖，只提供產(chǎn)品而對關(guān)鍵核心技術(shù)參數(shù)保密，對電氣控制技術(shù)也只進(jìn)行合作。這樣，我國只有通過引進(jìn)、合作、消化、吸收再自主集成創(chuàng)新的方式來發(fā)展自己。中國工程院在《發(fā)展我國大型鍛壓裝備研究》有關(guān)建設(shè)800 MN模鍛液壓機(jī)咨詢報(bào)告中明確指出：“液壓傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)充分使用已有成熟先進(jìn)的液壓技術(shù)、密封技術(shù)與元器件，保證穩(wěn)定可靠的高能量驅(qū)動(dòng)；控制系統(tǒng)應(yīng)做到高精度控制、近零超調(diào)、快速響應(yīng)和高魯棒性，以保證鍛造精度和設(shè)備安全”。

由于外商也是首次在世界上進(jìn)行大型模鍛液壓機(jī)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)技術(shù)方案的集成，沒有成功經(jīng)驗(yàn)，所以，實(shí)際上用戶承擔(dān)的風(fēng)險(xiǎn)和技術(shù)責(zé)任更大，雙方必須共同制定技術(shù)方案。液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)方案對比見表2。

項(xiàng)目組在廣泛調(diào)研考察的基礎(chǔ)上，經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)論證分析，提出了初步的液壓控制方案。并與國內(nèi)外廠家進(jìn)行充分交流探討，通過國際招標(biāo)和專家評審，課題組綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析研究，最終確定采用技術(shù)控制方案三。

2 液壓驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng)技術(shù)分析研究[5、6]

大型模鍛壓機(jī)液壓同步控制系統(tǒng)原理見圖1。

表1 國內(nèi)外高壓大流量液壓元件的主要技術(shù)參數(shù)對比Table 1 Main technical parameters comparison of high pressure and heavy flow hydraulic elements at home and abroad

注：以上是最大技術(shù)參數(shù)對比，總體上國外的技術(shù)先進(jìn)成熟可靠。

1—閥臺 2—比例閥 3—增壓器 4—電磁閥 5—比例閥 6—液壓泵 7，8，9，10—伺服閥 11—電機(jī) —A缸控制系統(tǒng) Ⅱ—B缸控制系統(tǒng) Ⅲ—D缸控制系統(tǒng) Ⅳ—C缸控制系統(tǒng) Ⅴ—E缸控制系統(tǒng) A,B,C,D,E—主工作缸 a,b,c,d—平衡油缸 P1，P2—同步平衡缸管路

圖1 大型模鍛壓機(jī)液壓同步控制系統(tǒng)原理簡圖
Figure 1 Synchronization control system principle illustration of heavy duty die hydraulic press

同步控制系統(tǒng)的控制方式有主動(dòng)控制和被動(dòng)控制。

主動(dòng)同步是通過調(diào)節(jié)各個(gè)主工作缸的進(jìn)油流量來實(shí)現(xiàn)，每個(gè)主工作缸由一套單獨(dú)的泵組控制。在液壓機(jī)中心載荷工作時(shí)，變量泵、比例閥處于工作要求的設(shè)定狀態(tài)。當(dāng)壓機(jī)承受偏心載荷時(shí)，偏心彎矩力使壓機(jī)活動(dòng)橫梁產(chǎn)生傾斜。假設(shè)壓機(jī)活動(dòng)橫梁沿順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，A缸速度較快，可以通過調(diào)節(jié)變量泵或比例閥使進(jìn)入A缸的液壓油流量減小(節(jié)流調(diào)節(jié)方式)，從而降低A缸速度，使A缸與其他各缸同步運(yùn)行。相反的情況可以通過補(bǔ)償調(diào)節(jié)方式來使A缸液壓油流量增加，從而提高A缸速度來實(shí)現(xiàn)各缸同步運(yùn)行。

表2 液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)方案對比Table 2 Technical projects comparison of hydraulic drive system

表3 液壓驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng)主要配置指標(biāo)Table 3 Main configuration index of hydraulic drive and control system

中間主工作缸在穿孔時(shí)速度大(壓力160 MN時(shí)為30 mm/s)，管路流量分別從A,B,C,D管路(加開關(guān)閥)引部分流量匯入，參加中間主工作缸流量控制。

被動(dòng)同步控制是通過對同步平衡缸的控制來實(shí)現(xiàn)。開始工作時(shí)，同步平衡缸預(yù)加壓到一個(gè)額定壓力，形成封閉壓力。當(dāng)壓機(jī)承受偏心載荷時(shí)，偏心彎矩力使壓機(jī)活動(dòng)橫梁產(chǎn)生傾斜。假設(shè)壓機(jī)活動(dòng)橫梁沿順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，P2管道內(nèi)液壓油壓力升高，P1管道內(nèi)液壓油壓力降低，此時(shí)通過伺服閥7向P1管補(bǔ)充油(補(bǔ)償調(diào)節(jié)方式)，同時(shí)通過伺服閥8將P2管的油排出。這樣通過調(diào)整同步缸兩腔的壓力大小，提高了同步系統(tǒng)的響應(yīng)速度。相反的情況采用節(jié)流調(diào)節(jié)方式來調(diào)節(jié)P1、P2管的流量，實(shí)現(xiàn)平衡缸的同步控制。

主動(dòng)同步和被動(dòng)同步控制方式分別采用從主管路、增壓器前后的管路或同步缸管路、卸壓管路分別并聯(lián)一組閥的不同方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)同步控制。主動(dòng)同步與被動(dòng)同步均為獨(dú)立的控制系統(tǒng)，可以根據(jù)設(shè)備具體工況選用主動(dòng)同步、被動(dòng)同步及主動(dòng)加被動(dòng)同步的控制方式；即分別采用節(jié)流調(diào)節(jié)方式、補(bǔ)償調(diào)節(jié)方式、節(jié)流和補(bǔ)償調(diào)節(jié)方式。

液壓驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng)主要技術(shù)配置、技術(shù)性能指標(biāo)分別見見表3、表4。

液壓驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng)的主要控制精度指標(biāo)要求活動(dòng)橫梁平行度≤0.2 mm/m，活動(dòng)橫梁運(yùn)行位置精度≤±1 mm。800 MN模鍛壓機(jī)的液壓驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng)均達(dá)到系統(tǒng)要求的技術(shù)性能指標(biāo)，同步精度達(dá)到0.1 mm/m，比要求的精度提高了一倍。

3 液壓驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng)主要技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

(1)采用油泵直接傳動(dòng)控制方式。符合國際上大型鍛造壓機(jī)的發(fā)展趨勢，滿足大型壓機(jī)的數(shù)控化、高精度化和專業(yè)化發(fā)展需要；

表4 主要液壓元件技術(shù)指標(biāo)Table 4 Technical index of main hydraulic elements

(2)采用增壓器的超高壓大流量控制系統(tǒng)，確定63 MPa超高壓工作壓力，減小設(shè)備的結(jié)構(gòu)尺寸，降低本體設(shè)備的重量，便于設(shè)計(jì)和制造安裝；主泵壓力油與增壓器高壓油在工作過程中實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)轉(zhuǎn)換；

(3)采用伺服比例控制系統(tǒng)，創(chuàng)新使用大小通徑伺服閥組合對主工作缸實(shí)現(xiàn)并聯(lián)控制?？刂葡到y(tǒng)響應(yīng)迅速、控制精度高、性能穩(wěn)定，其動(dòng)靜態(tài)特性滿足設(shè)備的工作要求；

(4)采用多種控制方式實(shí)現(xiàn)動(dòng)粱平衡調(diào)整，確保動(dòng)粱精確、平穩(wěn)、快速運(yùn)行。系統(tǒng)平衡調(diào)整方式有主缸調(diào)速、平衡缸平衡和兩級平衡控制三種形式；

(5)泄壓單元通過并聯(lián)一組不同流量的比例閥，通過先后開啟控制設(shè)置，實(shí)現(xiàn)超高壓大流量的安全、平穩(wěn)、快速泄壓；

(6)完善的安全監(jiān)控與應(yīng)急保護(hù)措施，確保設(shè)備與人員的安全。

4 結(jié)語

建議國家有關(guān)部門把大型模鍛壓機(jī)所需要的高壓大流量泵(軸向高壓變量泵已經(jīng)立項(xiàng))、電液比例插裝式節(jié)流閥、伺服閥、密封件及其配套元件等設(shè)為國家科技重大專項(xiàng)課題，給予政策支持，解決高壓大流量元件的自主設(shè)計(jì)、制造、測試問題。能夠?qū)崿F(xiàn)自主生產(chǎn)提供關(guān)系國家安全和國民經(jīng)濟(jì)命脈的國家重大技術(shù)裝備生產(chǎn)用備件，以解決我國液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)中的高性能高壓大流量元件長期依賴進(jìn)口的局面。

致謝：感謝國家科技重大專項(xiàng)課題組參與單位中國重型機(jī)械研究院、中南大學(xué)、機(jī)械科學(xué)研究總院、燕山大學(xué)、重慶大學(xué)的技術(shù)支持。

[1] 俞新陸.液壓機(jī)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[2] 中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)塑性工程學(xué)會(huì).鍛壓手冊：第3卷[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[3] 楊固川，等.大型模鍛液壓機(jī)工作介質(zhì)的選擇及系統(tǒng)技術(shù)方案分析研究.鍛壓技術(shù)，2011，36(1)：77-79.

[4] 王建國.大型壓機(jī)液壓同步平衡系統(tǒng)可靠性分析.中國重型裝備,2012(4)：13-15.

[5] 楊固川，等.大型模鍛液壓機(jī)工作壓力及工作缸布置分析研究.鍛壓技術(shù)，2011，36(3)：77-79.

[5] 于革剛，等.大型模鍛壓機(jī)同步控制技術(shù)研究.鍛壓技術(shù)，2011，36(3)：62-66.