快鍛壓機(jī)鍛造頻次仿真與試驗(yàn)研究

潘多斐，張建鵬，劉赟清，張曉麗

（1.蘭州蘭石重工有限公司，甘肅 蘭州 730314；2.蘭州蘭石集團(tuán)有限公司能源裝備研究院，甘肅 蘭州 730314）

隨著工業(yè)現(xiàn)代化的快速發(fā)展，冶金、船舶、汽車等制造行業(yè)對(duì)大型鍛件的需求越來(lái)越多?？戾憠簷C(jī)作為大型鍛件的主要加工設(shè)備，其性能在很大程度上反映了一個(gè)國(guó)家的制造業(yè)水平和能力，因此，提高快鍛壓機(jī)的性能具有重要意義[1]。

對(duì)于快鍛壓機(jī)來(lái)說(shuō)，其壓機(jī)特性主要體現(xiàn)在快鍛階段，評(píng)價(jià)快鍛控制回路的性能指標(biāo)是快鍛次數(shù)和控制精度?？戾懘螖?shù)指一分鐘內(nèi)快鍛液壓機(jī)能夠進(jìn)行完整鍛造的最大次數(shù)，控制精度是指快鍛液壓機(jī)在快鍛過(guò)程中能夠達(dá)到的定位精度[2]。目前對(duì)于快鍛壓機(jī)的研究大多為主機(jī)力學(xué)分析，如梅博、張繼立等研究了預(yù)應(yīng)力對(duì)快鍛壓機(jī)振動(dòng)特性的影響[3-4]，張起樑對(duì)20MN 快鍛壓機(jī)預(yù)應(yīng)力機(jī)架進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)[5]，對(duì)于快鍛壓機(jī)頻次提升方面的研究較少。影響快鍛壓機(jī)頻次的因素很多，包括機(jī)械立柱導(dǎo)向、負(fù)載徑向位置偏心距離的影響；液壓系統(tǒng)卸載管路、回程系統(tǒng)等的影響；控制策略的影響等。

本研究基于20MN 快鍛壓機(jī)的工作原理，采用Amesim 軟件搭建快鍛壓機(jī)仿真模型，對(duì)快鍛頻次進(jìn)行研究。在蓄能器回程系統(tǒng)中，通過(guò)仿真對(duì)比蓄能器連通閥采用比例插裝閥和開(kāi)關(guān)閥時(shí)的壓機(jī)頻次，得出采用比例插裝閥時(shí)壓機(jī)頻次可提升10%，并通過(guò)了試驗(yàn)驗(yàn)證，為快鍛壓機(jī)的設(shè)計(jì)發(fā)展提供依據(jù)。

1 快鍛壓機(jī)的組成結(jié)構(gòu)及工作特性

20MN 快鍛壓機(jī)由主體部分、液壓系統(tǒng)及其他輔助設(shè)備組成，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1 所示。其中主機(jī)采用預(yù)應(yīng)力組合框架雙柱上壓式結(jié)構(gòu)；液壓系統(tǒng)為主機(jī)提供液壓控制動(dòng)力源，通過(guò)對(duì)液壓系統(tǒng)的控制來(lái)控制主機(jī)的運(yùn)動(dòng)，液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接關(guān)系到主機(jī)工作的平穩(wěn)性和可靠性。液壓系統(tǒng)由主泵系統(tǒng)、主控制系統(tǒng)、輔助控制系統(tǒng)等構(gòu)成；輔助設(shè)備主要有操作機(jī)、鍛造平臺(tái)等。在鍛造工件時(shí)，鍛件由操作機(jī)夾持移動(dòng)到下砧處，鍛壓機(jī)的上砧在液壓系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)下以一定頻率對(duì)鍛件進(jìn)行鍛壓，在鍛造過(guò)程中，操作機(jī)可以根據(jù)鍛造要求夾持鍛件水平移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)，以保證鍛造效果。

圖1 20MN 快鍛壓機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

快鍛壓機(jī)快鍛運(yùn)行過(guò)程主要包括加壓、卸載和回程。20MN 快鍛壓機(jī)一個(gè)快鍛循環(huán)周期如圖2 所示。

圖2 快鍛循環(huán)周期

2 快鍛液壓系統(tǒng)介紹

20MN 快鍛壓機(jī)有一個(gè)中間缸、兩個(gè)側(cè)缸、兩個(gè)回程缸，快鍛時(shí)采用蓄能器回程，壓機(jī)加壓時(shí)，回程缸內(nèi)的高壓油進(jìn)入蓄能器中，這樣既可以減小加壓時(shí)的振動(dòng)和高壓溢流，降低系統(tǒng)發(fā)熱量，又可以減少泵的供液量，節(jié)省能源，提高響應(yīng)性[6]。

如圖3 所示為蓄能器回程系統(tǒng)回路圖。蓄能器回程快鍛液壓系統(tǒng)主要由油缸、蓄能器、控制閥等組成?？戾懟芈返幕爻谈子吐吠ㄟ^(guò)蓄能器連通閥7 與蓄能器相連，快鍛下行時(shí)，回程缸被動(dòng)退回，回程缸排出的油液進(jìn)入蓄能器，在快鍛回程時(shí)，蓄能器中的高壓工作油液進(jìn)入回程缸，快鍛下行和回程的速度依靠主缸的卸載比例閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。這種回路大大減小了節(jié)流損失，能量利用率高。蓄能器連通閥7 采用二通插裝閥，其通流能力大、響應(yīng)快、抗污染能力強(qiáng)、工作可靠。

圖3 蓄能器回程系統(tǒng)回路圖

3 蓄能器回程快鍛液壓系統(tǒng)仿真

3.1 仿真模型

根據(jù)如圖3 所示的液壓原理搭建快鍛壓機(jī)蓄能器回程液壓系統(tǒng)仿真模型[7-12]，如圖4 所示。

圖4 蓄能器回程系統(tǒng)仿真模型

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)驗(yàn)證屬于定量驗(yàn)證，是對(duì)快鍛壓機(jī)仿真模型優(yōu)劣的評(píng)判，只有經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的模型才具有生命力及其應(yīng)用價(jià)值[13]。

3.2.1 測(cè)試對(duì)象

測(cè)試對(duì)象選用某企業(yè)的20MN 快鍛壓機(jī)，測(cè)試對(duì)象的主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 20MN 快鍛壓機(jī)主要參數(shù)表

3.2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

測(cè)試系統(tǒng)采用蘭石重工自助研發(fā)的快鍛壓機(jī)工藝專家系統(tǒng)，通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)（Profinet）與控制器（PLC）進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、顯示及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集流程如圖5 所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集流程

3.2.3 測(cè)試方法

快鍛壓機(jī)液壓系統(tǒng)復(fù)雜，動(dòng)作和功能回路多，為了獲取能夠準(zhǔn)確反映系統(tǒng)特性的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，測(cè)試過(guò)程采用單項(xiàng)動(dòng)作試驗(yàn)方法，對(duì)壓機(jī)快鍛工況進(jìn)行空載測(cè)試，完成壓下、卸載、回程試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)。采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖6 所示。

圖6 測(cè)試曲線

3.2.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

以快鍛壓機(jī)物理原型試驗(yàn)測(cè)試采集的數(shù)據(jù)為依據(jù)，Ⅰ擋快鍛時(shí)兩臺(tái)排量為265cm3的定量泵投入使用，主缸進(jìn)液比例閥全開(kāi)，側(cè)缸進(jìn)液比例閥關(guān)閉，油液通過(guò)主缸進(jìn)液閥進(jìn)入中間缸，兩側(cè)缸卸載閥比例閥保持全開(kāi)，蓄能器連通閥保持全開(kāi)快鍛下行和回程的速度依靠主缸的卸載比例閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。

在仿真模型中輸入與試驗(yàn)相同的元件參數(shù)，如表2 所示。中間缸卸載比例閥輸入如圖6 所示的測(cè)試信號(hào)。鍛造尺寸為600mm，回程高度為30mm。

表2 仿真液壓元件參數(shù)設(shè)置

通過(guò)虛擬測(cè)試獲取仿真結(jié)果，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)比曲線如圖7 所示，仿真快鍛頻次為59 次/min，測(cè)試鍛造頻次為58 次/min。這是因?yàn)榉抡婺Ｐ蜑楸阌诜治鲇?jì)算而做了簡(jiǎn)化，仿真與測(cè)試誤差為2%，驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性。

圖7 壓機(jī)位移仿真與測(cè)試對(duì)比曲線

4 仿真優(yōu)化及試驗(yàn)驗(yàn)證

在蓄能器回程快鍛液壓系統(tǒng)中蓄能器連通閥采用的是40 通徑的二通插裝閥，當(dāng)鍛造尺寸為210mm，回程高度為30mm，采用中間缸快鍛，中間缸卸載閥信號(hào)最大為比例閥全開(kāi)時(shí)的37%時(shí)，仿真得到壓機(jī)位移曲線如圖8 所示。

圖8 壓機(jī)位移仿真曲線

根據(jù)仿真結(jié)果，20MN 快鍛壓機(jī)一個(gè)快鍛周期（包括加壓、主缸卸載、回程），時(shí)間為0.9s，快鍛頻次為67 次/min。

將蓄能器連通閥換成阿托斯的40 通徑的LIQZO 比例閥插裝閥，蓄能器回程系統(tǒng)回路圖如圖9 所示?？戾懴滦袝r(shí)，回程缸被動(dòng)退回，回程缸排出的油液通過(guò)單向閥8 進(jìn)入蓄能器，在快鍛回程時(shí)，蓄能器中的高壓工作油液通過(guò)蓄能器連通閥7 進(jìn)入回程缸，快鍛下行和回程的速度依靠主缸的進(jìn)液和排液比例閥、蓄能器連通比例閥共同進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖9 優(yōu)化后蓄能器回程系統(tǒng)回路圖

蓄能器連通閥信號(hào)如圖10 所示，通過(guò)仿真計(jì)算，得到快鍛壓機(jī)位移曲線如圖10 所示。快鍛時(shí)加壓、主缸卸載、回程一個(gè)周期時(shí)間為0.8s，快鍛頻次為75 次/min。與蓄能器連通閥采用二通插裝閥時(shí)的壓機(jī)快鍛頻次相比較，提升了11.9%。

圖10 蓄能器連通閥控制信號(hào)及壓機(jī)位移曲線

根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)20MN 快鍛壓機(jī)蓄能器回程液壓系統(tǒng)進(jìn)行整改，將二通插裝閥替換為比例插裝閥，并增加單向閥，設(shè)置測(cè)試條件為Ⅰ擋快鍛，即中間缸快鍛，鍛造尺寸200mm，卸載閥信號(hào)與仿真保持一致，最大為比例閥全開(kāi)時(shí)的37%。測(cè)試結(jié)果如表3 所示。

表3 測(cè)試結(jié)果

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果可以得到，蓄能器連通閥采用比例插裝閥的快鍛液壓系統(tǒng)，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)給出的模擬量電信號(hào)來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)比例插裝閥的開(kāi)口和動(dòng)作，可實(shí)現(xiàn)快鍛回路的高控制精度和快響應(yīng)速度。快鍛頻次與采用開(kāi)關(guān)閥的系統(tǒng)相比，可以提升10%。

5 結(jié)論

通過(guò)搭建20MN 快鍛壓機(jī)蓄能器回程快鍛液壓系統(tǒng)仿真模型，對(duì)比分析蓄能器連通閥采用比例插裝閥和開(kāi)關(guān)閥時(shí)的壓機(jī)頻次，得出蓄能器連通閥采用比例插裝閥時(shí)壓機(jī)頻次可提升11.9%，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證，通過(guò)調(diào)節(jié)比例插裝閥的開(kāi)口和動(dòng)作，快鍛頻次可提升10%。為快鍛壓機(jī)的設(shè)計(jì)發(fā)展提供依據(jù)。