1800kN快速鍛造操作機(jī)大車行進(jìn)控制系統(tǒng)研究

薛春蘭，周 峰，慕澤坤

（太原重工股份有限公司 技術(shù)中心，山西 太原 030024）

0 引言

鍛造能力是衡量鍛造壓機(jī)技術(shù)水平最主要的指標(biāo)，大噸位鍛造壓機(jī)的水平代表了一個(gè)國家的裝備制造能力和工業(yè)技術(shù)水平。而大型鍛造操作機(jī)是影響鍛造效率的重要因素之一，鍛造操作機(jī)作為大型鍛壓機(jī)的重要輔助設(shè)備有著不可替代的作用。隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，對大型鍛件的產(chǎn)品質(zhì)量要求越來越高，因此大型聯(lián)動(dòng)快鍛操作機(jī)與快鍛壓機(jī)配合完成鍛造生產(chǎn)是當(dāng)今現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)不可缺少的關(guān)鍵設(shè)備。在沒有鍛造操作機(jī)輔助鍛壓機(jī)進(jìn)行大型鍛件鍛造的情況下，只能使用其他輔助手段完成鍛造工藝，一般使用行車與人工配合來完成，大大降低了壓機(jī)的工作效率，增加了鍛件鍛造的單位時(shí)間，增加了鍛件的回爐次數(shù)，同時(shí)也就增加了材料浪費(fèi)，增加了鍛造成本和能耗。

鍛造操作機(jī)已成為鍛造生產(chǎn)的必要手段，對操作機(jī)結(jié)構(gòu)的分析研究顯得非常必要。如何使大型聯(lián)動(dòng)快鍛操作機(jī)的機(jī)械、液壓部分運(yùn)動(dòng)質(zhì)量小，運(yùn)行機(jī)構(gòu)起動(dòng)、制動(dòng)平穩(wěn)，快速響應(yīng)好，其研究對鍛造操作機(jī)及重大裝備制造業(yè)的發(fā)展具有重要意義[1][2]。

1 鍛造操作機(jī)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

鍛造操作機(jī)在20世紀(jì)60年代前就已問世，最早是在美國、原蘇聯(lián)，而后在日本、英國、奧地利等國發(fā)展起來，并成為系列化產(chǎn)品進(jìn)入工業(yè)生產(chǎn)。最初的操作機(jī)多為全機(jī)械傳動(dòng)，隨著科技的發(fā)展，到了60、70年代出現(xiàn)了混合傳動(dòng)和全液壓傳動(dòng)、結(jié)構(gòu)緊湊、操作靈活的鍛造操作機(jī)。到了80年代，各國對鍛造操作機(jī)的設(shè)計(jì)、制造、技術(shù)改造又有了更高的要求，不斷改進(jìn)結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)工藝，促進(jìn)了鍛壓技術(shù)的發(fā)展，特別是鍛造操作機(jī)的需求量不斷增加，促使國內(nèi)大、中型企業(yè)重視并研究鍛造操作機(jī)在生產(chǎn)中發(fā)揮的重要作用[3]。

目前，國內(nèi)開發(fā)的操作機(jī)有400kN、600kN、1000kN、1800kN等全液壓軌道式操作機(jī)，其電氣主要控制系統(tǒng)、液壓動(dòng)力站和控制管線均集中安裝在鍛造操作機(jī)機(jī)體上，使整車構(gòu)成了一個(gè)完整的系統(tǒng)。隨著計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域，以此為基礎(chǔ)，使鍛造操作機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加靈活，實(shí)現(xiàn)功能更加強(qiáng)大，使本來單獨(dú)控制的系統(tǒng)可方便地進(jìn)行擴(kuò)展，并且擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)對整套鍛壓機(jī)組的聯(lián)合控制。同時(shí)，可以與計(jì)算機(jī)管理網(wǎng)絡(luò)連接，易于實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和生產(chǎn)的綜合控制。

目前，英國的100000kN水壓機(jī)的配套操作機(jī)是當(dāng)今較大的鍛造操作機(jī)。該機(jī)的舉升能力為1500kN，鉗桿力矩為3000kN·m，3000kN·m有軌鍛造操作機(jī)如圖1所示。

該鍛造操作機(jī)可將傳統(tǒng)的鍛造技巧用于現(xiàn)代化的鍛造過程，同時(shí)它改善了鍛造精確度、重復(fù)性，因而提高了產(chǎn)品質(zhì)量。該操作機(jī)由兩大主要部件組成，即鉗桿夾緊機(jī)構(gòu)和裝在鍛造車間地面上的齒條強(qiáng)制驅(qū)動(dòng)的軌道大車車身。由于這兩個(gè)部件是獨(dú)立控制，所以在整個(gè)鍛造循環(huán)過程中，車身能夠一直保持運(yùn)動(dòng)，而且在每次鍛造行程后大車不必從靜止開始加速，因而可節(jié)省能耗。

圖1 3000kN·m有軌鍛造操作機(jī)示意圖

2 鍛造操作機(jī)大車行進(jìn)傳動(dòng)系統(tǒng)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性

鍛造操作機(jī)大車行進(jìn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)多種多樣，大車驅(qū)動(dòng)大多在機(jī)架兩側(cè)分別設(shè)置油馬達(dá)，并經(jīng)減速齒輪傳動(dòng)主動(dòng)車輪，主動(dòng)輪可以是大車的前輪（稱為前驅(qū)動(dòng)），也可以是后輪（稱為后驅(qū)動(dòng)）。中、小型操作機(jī)的大車機(jī)架，一般在直移型、擺移型上都制成U字形，機(jī)架經(jīng)車輪坐落在軌道上。

國外鍛造操作機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)現(xiàn)狀如表1所示[4][5]。

大車行進(jìn)液壓馬達(dá)是整個(gè)機(jī)體運(yùn)動(dòng)的主要液壓執(zhí)行元件，它主要完成為大車運(yùn)動(dòng)動(dòng)力支撐和對其行進(jìn)速度的調(diào)整，特別是大車啟動(dòng)過程中對其速度的控制。因此在進(jìn)行PID參數(shù)調(diào)整時(shí)，必須了解其執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性，并針對其液壓馬達(dá)的參數(shù)特性對系統(tǒng)做出適當(dāng)調(diào)整。

表1 國外鍛造操作機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)現(xiàn)狀

對液壓馬達(dá)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。變量閥流量方程：

式中：Qp——閥的輸出流量m3·s-1；

Dp——閥的每弧度排量m3·rad-1；

ωp——泵的角速度rad·s-1；

CIP，Cep——閥的內(nèi)外泄露系數(shù)m5·（N·s）-1。

流量連續(xù)性方程：

式中：Qm——液壓馬達(dá)的輸入流量（m3·s-1），且

式中：CIm，Ccm——液壓馬達(dá)的內(nèi)、外泄露系數(shù)m5·（N·S）-1；

Dm——液壓馬達(dá)的每弧度排量m3·rad-1；

ωm——液壓馬達(dá)的角速度rad·s-1；

βc——液體的等效體積彈性模量N·m-2。

液壓馬達(dá)負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡方程：

式中：Jm——液壓馬達(dá)軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量N·m·s2·rad-1；

Bm——液壓馬達(dá)軸上的等效粘性阻尼系數(shù)N·m·s·rad-1；

TL——作用在液壓馬達(dá)軸上的外負(fù)載轉(zhuǎn)矩N·m。

對式（1）～（4）進(jìn)行小增量線性化，再經(jīng)過拉氏變換得到液壓馬達(dá)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)方程式

式中：Ct——液壓泵和液壓馬達(dá)的總泄露系數(shù)（m5·（N·s）-1），一般情況下可忽略不計(jì)，式（5）可簡化為

式中：ωn——液壓回路的固有頻率rad·s-1；

ξ——液壓回路的阻尼系數(shù)；

ω1——液壓回路的容積滯后頻率rad·s-1，ω1=。

在快速鍛造操作機(jī)運(yùn)送坯料過程中不考慮其整體質(zhì)量和重心改變的情況下，大車驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)外負(fù)載轉(zhuǎn)矩保持恒定不變，即TL（s）=0時(shí)，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)方程可簡化為：

從上述液壓馬達(dá)簡化動(dòng)態(tài)方程中可了解到，大車驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)動(dòng)態(tài)特性，根據(jù)分析其動(dòng)態(tài)特性，能夠更好地通過比例調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)其必要參數(shù)關(guān)系，從而達(dá)到系統(tǒng)速度穩(wěn)定調(diào)節(jié)的控制目的。具體參數(shù)影響如下：Kv為液壓馬達(dá)的速度增益系數(shù)，表示液壓馬達(dá)的角速度隨輸入信號而變化的比例系數(shù)。Kv值越大，液壓馬達(dá)輸出角速度的調(diào)節(jié)精度越高，也有利于響應(yīng)速度的提高。固有頻率ωn的提高將有利于改善大車行進(jìn)驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)調(diào)速性能。ξ值過小，容易在調(diào)速過程中產(chǎn)生振蕩，ξ值過大，對液壓系統(tǒng)的快速響應(yīng)性能不利。

3 1800kN快速鍛造操作機(jī)大車行進(jìn)液壓、電氣控制系統(tǒng)組成

3.1 液壓控制系統(tǒng)組成

1800kN快速鍛造操作機(jī)大車行走驅(qū)動(dòng)裝置由前后車輪組成，前車輪組由四個(gè)車輪組成，后車輪組由兩個(gè)車輪組成，大車行走驅(qū)動(dòng)裝置安裝于機(jī)架的中后部，由并聯(lián)的4套液壓馬達(dá)-減速機(jī)和鏈輪組成。通過兩組油馬達(dá)并聯(lián)驅(qū)動(dòng)回路的組合，可實(shí)現(xiàn)行走的準(zhǔn)確定位傳動(dòng)及行走傳動(dòng)的速度控制。

主油泵組中的變量泵采用德國REXROTH公司的恒壓變量油，A4VSO500DP/30R-PZH25K43+A4VSO 500DP/30R-PZH25NOO兩泵并聯(lián)使用，主油泵電機(jī)功率315kW、輔助油泵SNH940L50U8，電機(jī)功率45kW。

液壓控制系統(tǒng)由主泵控制閥塊、控制泵頭閥塊、大車行走閥塊等組成。①主泵控制閥塊：主油泵設(shè)有共同的泵頭控制閥組，用來調(diào)節(jié)和控制各泵的輸出壓力。泵頭閥塊由方向閥和壓力閥組成，在主控制閥塊中設(shè)有單向閥，如果1個(gè)泵有故障另一個(gè)泵仍可以正常運(yùn)行，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以慢速工作。②大車行走閥塊：通過兩組油馬達(dá)并聯(lián)驅(qū)動(dòng)組合回路，來實(shí)現(xiàn)行走傳動(dòng)的速度控制?？刂葡到y(tǒng)中大車行進(jìn)電液調(diào)速控制是系統(tǒng)正常啟動(dòng)并安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。

3.2 電氣控制系統(tǒng)組成

該電氣控制系統(tǒng)中PLC選用高可靠性的SIMATIC S7系列產(chǎn)品，采用西門子S7-400PLC及遠(yuǎn)程I/O控制模塊進(jìn)行控制，模擬量的輸入信號如壓力傳感器，手柄主令給定由模擬量輸入AI模塊控制，模擬量的輸出信號如大車行走速度等由模擬量輸出AO模塊控制，大車前后端絕對值編碼器由特殊定位模塊SSI通訊協(xié)議的模塊控制。大車行走步進(jìn)量在上位機(jī)上設(shè)定后，PLC實(shí)時(shí)采集大車前后端編碼器值，取其平均值作為標(biāo)準(zhǔn)值，設(shè)定值與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，通過PLC斜波程序控制塊及PID參數(shù)控制塊，調(diào)整比例、積分系數(shù)，然后控制比例閥的開口度。

為了能在各種不同的速度下得到同一停止點(diǎn)，斜坡時(shí)間曲線及PID參數(shù)在程序控制中的精確整定對大車行走精度的控制具有重要意義。

大車行走位置控制流程如圖2所示。

圖2 大車行走位置控制流程

4 結(jié)語

該產(chǎn)品已投入運(yùn)行，大車行進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)、精度高、維修方便，對發(fā)揮大型自由鍛造油壓機(jī)的能力、提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率、減輕鍛造工人的繁重勞動(dòng)負(fù)擔(dān)、提高鍛件質(zhì)量等均將起到顯著作用。

[1]王鳳喜.鍛造操作機(jī)技術(shù)近期的發(fā)展[J].重型機(jī)械，1994，（6）.

[2]余發(fā)國.鍛造操作機(jī)的回顧與展望[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2007，（4）.

[3]李 佶.鍛造操作機(jī)的發(fā)展近況[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，1978，13（3）.

[4]張 志.國內(nèi)外液壓機(jī)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].液壓與機(jī)床，2001，（1）.

[5]張?jiān)苿?壓力機(jī)自動(dòng)送料裝置[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，1993，（6）.

[6]張營杰，衛(wèi)凌云，牛 勇，等.鍛造操作機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀與研究方向[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2012，47（2）.

[7]陳東馳，王冬梅.鍛造壓機(jī)和操作機(jī)的一體化控制的系統(tǒng)設(shè)計(jì).鍛壓裝備與制造技術(shù)，2011，46（5）.