一種萬(wàn)噸級(jí)復(fù)合材料熱成形伺服油壓機(jī)控制系統(tǒng)

喬禮惠，劉寧書(shū)，許晶晶

（江蘇揚(yáng)力液壓裝備有限公司,江蘇 揚(yáng)州 225127）

防護(hù)密閉門(mén)要求既能阻擊沖擊波，又能阻擋毒劑進(jìn)入室內(nèi)，主要應(yīng)用于地下掩體的出入口處。以往防護(hù)密閉門(mén)要么是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)要么是厚鋼板結(jié)構(gòu)，為達(dá)到承受沖擊以及完全密閉的防護(hù)等級(jí)要求，一般都制作的比較厚重，依靠人力打開(kāi)關(guān)閉比較吃力，另外因裝于地下受濕氣影響易腐蝕生銹，每年都必須要做防銹處理，維護(hù)成本較高。經(jīng)多年研制采用SMC 復(fù)合材料結(jié)合模壓工藝生產(chǎn)出來(lái)的輕質(zhì)密閉防護(hù)門(mén)，不僅填補(bǔ)了目前國(guó)內(nèi)國(guó)際SMC 產(chǎn)品的空白，也是人防工程防護(hù)設(shè)備行業(yè)革命性的變革。通過(guò)內(nèi)置預(yù)埋嵌件并經(jīng)過(guò)高溫高壓成型，防護(hù)門(mén)強(qiáng)度大大增加，同時(shí)門(mén)與門(mén)框采用整體式密封條密封，實(shí)現(xiàn)零泄漏。復(fù)合材料輕質(zhì)防護(hù)密閉門(mén)具有重量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕、阻燃性好等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還具有環(huán)保、無(wú)維護(hù)費(fèi)用、易于批量生產(chǎn)等特點(diǎn)，可完全替代現(xiàn)行的鋼筋混凝土防護(hù)密閉門(mén)和厚鋼板防護(hù)密閉門(mén)，將在人防建設(shè)中發(fā)揮重要作用。

隨著復(fù)合材料熱成型輕質(zhì)密閉防護(hù)門(mén)行業(yè)的發(fā)展，對(duì)模壓成型設(shè)備也提出了更高的要求。本文重點(diǎn)介紹100MN 復(fù)合材料熱成型伺服油壓機(jī)，工作臺(tái)面有效尺寸為5800mm×4800mm，其在公司原先已成功研制的35MN 油壓機(jī)基礎(chǔ)上，機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仍延用多拉桿、多缸均布形式，機(jī)身體經(jīng)動(dòng)靜態(tài)軟件仿真分析后調(diào)整鋼板焊接結(jié)構(gòu)，著重解決機(jī)身剛度及局部應(yīng)力集中問(wèn)題；在液壓系統(tǒng)控制中為做到平穩(wěn)卸荷采用主動(dòng)型SCF 系列充液閥結(jié)合蓄能器恒壓控制，并依據(jù)復(fù)合材料熱成型工藝特點(diǎn)，單獨(dú)設(shè)置開(kāi)模裝置，同時(shí)對(duì)開(kāi)模系統(tǒng)進(jìn)行提升實(shí)現(xiàn)壓制過(guò)程中滑塊調(diào)平功能；在電氣控制系統(tǒng)中設(shè)置有獨(dú)特的循環(huán)放氣動(dòng)作控制以及經(jīng)優(yōu)化的多泵合流控制功能；另外在安全控制上增設(shè)有公司獨(dú)創(chuàng)的充液閥緊固螺釘防松報(bào)警裝置，確保設(shè)備的可靠運(yùn)行。

1 油壓機(jī)主體結(jié)構(gòu)

此臺(tái)萬(wàn)噸級(jí)油壓機(jī)主體結(jié)構(gòu)沿用之前35MN油壓機(jī)的分體拉桿框架結(jié)構(gòu)，機(jī)床外形實(shí)物如圖1所示。在機(jī)床工作臺(tái)的四個(gè)角部安裝有箱式焊接結(jié)構(gòu)的立柱，立柱的頂部與上橫梁的底部實(shí)現(xiàn)面接觸，立柱的底部通過(guò)圓環(huán)柱銷(xiāo)定位方式與工作臺(tái)上平面接觸，每根立柱內(nèi)設(shè)置有兩根42CrMo 合金鋼材質(zhì)的拉桿，在上橫梁的上平面以及工作臺(tái)的下平面分別安裝有鎖緊螺母與拉桿進(jìn)行配合，主機(jī)的組合框架通過(guò)拉桿及鎖緊螺母并經(jīng)液壓螺母的超高壓預(yù)緊進(jìn)行固定組合，可保證油壓機(jī)在滿噸位工況和有適度沖擊或偏心載荷情況下可靠工作。在上橫梁上均布有16 只主油缸，此臺(tái)復(fù)合材料熱成型油壓機(jī)的滑塊行程比較長(zhǎng)，達(dá)到1800mm，受制造水平的限制，這種主缸難以做成活塞缸，經(jīng)研究決定全部采用柱塞缸結(jié)構(gòu)，同時(shí)在兩側(cè)立柱的中間空檔中增設(shè)左右對(duì)稱的柱塞式回程缸用于滑塊的回程控制，考慮到復(fù)合材料熱成型的工藝特點(diǎn)，在回程缸的左右兩側(cè)設(shè)置有單獨(dú)控制的四只開(kāi)模調(diào)平缸。整機(jī)結(jié)構(gòu)已獲得實(shí)用新型專利證書(shū)《防滑塊傾斜的大臺(tái)面重型液壓機(jī)》，專利號(hào)：ZL 2022 2 0618232.3。

圖1 100MN 油壓機(jī)外觀實(shí)物照片

2 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)采用先進(jìn)的插裝閥集成系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)有過(guò)載保護(hù)和液壓支撐保護(hù)回路，通過(guò)由多個(gè)獨(dú)立的插裝閥集成塊應(yīng)用搭積木方式進(jìn)行組合以滿足機(jī)床動(dòng)作的要求，其中插裝閥主要采用的是二通插裝閥，其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、流動(dòng)阻力小、動(dòng)作快、沖擊小、控制方式靈活等特點(diǎn)，是采用先導(dǎo)控制、座閥主級(jí)和插裝連接的模塊化、集成化的液壓控制元件。同時(shí)在油泵出油口、主缸上腔、回程缸塞腔等關(guān)鍵部位設(shè)有快插式壓力檢測(cè)接頭，通過(guò)快插式壓力表進(jìn)行觀察可以快速的診斷液壓系統(tǒng)故障和監(jiān)測(cè)液壓系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。主缸液壓控制原理已獲得實(shí)用新型專利證書(shū)《大噸位液壓機(jī)的主缸控制系統(tǒng)》，專利號(hào)：ZL 2022 2 0646041.8。

2.1 充液閥控制系統(tǒng)

此臺(tái)萬(wàn)噸油壓機(jī)16 只主缸的上腔油口分別通過(guò)主動(dòng)型充液閥與油箱連接，各充液閥的下液控口分別與充液閥下控制油路相連，各充液閥的上液控口分別與充液閥上控制油路相連。充液閥控制系統(tǒng)液壓原理如圖2 所示，主壓力油路進(jìn)油口與插裝閥C53 的入口相連，插裝閥C53 的出口通過(guò)單向閥D1 與蓄能器AC1 及插裝閥C54 的入口相連，插裝閥C54 的出口與電液換向閥YA23的P 口相連，電液換向閥YA23 的T 口接油箱，A口與充液閥下控制油路AK 相連，B 口與充液閥上控制油路BK 相連；插裝閥C53 的液控口與電磁換向閥YA25 的A 口相連，電磁換向閥的P 口與主壓力油路相連，T 口接油箱；插裝閥C54 的液控口與電磁球閥YA24 的A 口相連，電磁球閥的P口與插裝閥C54 的出口相連，T 口接油箱，插裝閥C54 的出口還通過(guò)調(diào)壓閥F27 接油箱，調(diào)壓閥F27作為安全壓力閥將插裝閥C54 出口的最高壓力控制在15MPa；在蓄能器的油路上安裝有壓力傳感器進(jìn)行壓力檢測(cè)，油路上同時(shí)設(shè)置有截止閥F28，用于蓄能器維護(hù)將油液排回油箱。該充液閥控制系統(tǒng)具有恒定流量作用，通過(guò)蓄能器將管路中充滿油液，既可提高打開(kāi)關(guān)閉充液閥的響應(yīng)時(shí)間，又能確保16 只主缸同步快速打開(kāi)及同步快速關(guān)閉，響應(yīng)迅速且穩(wěn)定，最終提升了輕質(zhì)防護(hù)密閉門(mén)的成型質(zhì)量。該控制系統(tǒng)已獲得實(shí)用新型專利證書(shū)《液壓機(jī)主缸的充液閥控制系統(tǒng)》，專利號(hào)：ZL2022 2 0636619.1。

圖2 充液閥控制系統(tǒng)液壓原理圖

2.2 開(kāi)模調(diào)平控制系統(tǒng)

復(fù)合材料在熱壓成型過(guò)程中，由于防護(hù)門(mén)各部位幾何尺寸、溫度的差別，制品變形抗力的合力往往偏離壓機(jī)的中心，導(dǎo)致滑塊承受由此產(chǎn)生的傾覆力矩，極易導(dǎo)致滑塊產(chǎn)生傾斜而影響制品的尺寸與精度，因此在此臺(tái)萬(wàn)噸油壓機(jī)滑塊的四個(gè)角部設(shè)有調(diào)平支耳，各調(diào)平支耳的下方對(duì)應(yīng)設(shè)有開(kāi)模調(diào)平缸。開(kāi)模調(diào)平缸控制系統(tǒng)液壓原理如圖3所示，主系統(tǒng)進(jìn)油油路分別與插裝閥C35、C37、C39 和C41 的入口相連，插裝閥C35 的出口與開(kāi)模調(diào)平缸一的下腔油口及插裝閥C34 的入口相連，插裝閥C35 的液控口與電磁換向閥YA32 的A口相連，電磁換向閥YA32 的B 口與調(diào)壓閥F18的出口相連，P 口與插裝閥C35 的出口相連，T 口接油箱，插裝閥C34 的出口接油箱；插裝閥C34 的液控口與調(diào)壓閥F18 的入口相連，調(diào)壓閥F18 的控制口通過(guò)比例壓力閥YAA 接油箱；其余各開(kāi)模調(diào)平缸的液壓回路依次類(lèi)推。根據(jù)滑塊壓制過(guò)程中傾覆力矩的大小調(diào)整各開(kāi)模調(diào)平缸實(shí)際需要力的大小，結(jié)合立柱上的四角八面導(dǎo)軌抗偏載措施的應(yīng)用，可確?；瑝K對(duì)制品壓制力的均衡；在制品壓制完成后通過(guò)開(kāi)模調(diào)平缸先進(jìn)行微動(dòng)開(kāi)模，避免直接回程因速度快使得制品與模具產(chǎn)生拉絲等質(zhì)量問(wèn)題。該控制系統(tǒng)已獲得實(shí)用新型專利證書(shū)《復(fù)合材料制品防偏載液壓系統(tǒng)》，專利號(hào)：ZL 2022 2 0676560.9。

圖3 開(kāi)模調(diào)平控制系統(tǒng)液壓原理圖

3 電氣控制系統(tǒng)

此臺(tái)萬(wàn)噸伺服油壓機(jī)電氣控制系統(tǒng)以三菱FX3U 系列PLC 為核心，配以GT2712 高性能觸摸屏，與之前35MN 油壓機(jī)相比，此次在滑塊兩側(cè)對(duì)角位置分別設(shè)有一只絕對(duì)值型拉繩編碼器進(jìn)行雙重冗余檢測(cè)，根據(jù)反饋的實(shí)時(shí)位置及壓力采集值，經(jīng)過(guò)PLC 運(yùn)算處理后實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器和液壓元器件的控制，從而滿足機(jī)床的動(dòng)作要求。

3.1 循環(huán)放氣動(dòng)作控制

復(fù)合材料是由不飽和聚酯、低收縮添加劑、脫模劑、礦物填料等組成。將多種原料預(yù)先混合成糊狀，再加入增稠劑等進(jìn)行混合后對(duì)短切玻璃纖維進(jìn)行充分浸漬，形成片狀的“夾芯”結(jié)構(gòu)的原料。進(jìn)行輕質(zhì)密閉防護(hù)門(mén)生產(chǎn)時(shí)先通過(guò)揭膜再進(jìn)行稱重切割后將片狀原料放置在加熱模具中，最后通過(guò)萬(wàn)噸壓制力進(jìn)行壓制成形。通常模具加熱溫度控制在150℃～180℃，在這種高溫高壓情況下，制品不可避免會(huì)釋放出部分氣體，此時(shí)根據(jù)工藝要求壓制一段時(shí)間后需將滑塊抬起微小距離以便于將模腔中的氣體放掉，同時(shí)補(bǔ)入清新空氣再次進(jìn)行壓制。此放氣循環(huán)動(dòng)作根據(jù)制品成型工藝要求進(jìn)行設(shè)置，PLC 控制邏輯如圖4 所示。電氣控制系統(tǒng)根據(jù)設(shè)置的循環(huán)次數(shù)、放氣時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)控制。在最后一次放氣動(dòng)作結(jié)束后將進(jìn)入長(zhǎng)時(shí)間高溫高壓的保壓狀態(tài)，應(yīng)制品成型質(zhì)量要求，保壓壓力應(yīng)保持恒定不允許出現(xiàn)波動(dòng)，經(jīng)研究決定采用伺服泵保壓方式，由伺服驅(qū)動(dòng)器根據(jù)泵口檢測(cè)壓力自行調(diào)整伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)泵保壓控制，實(shí)現(xiàn)主缸上腔壓力的恒定控制，減少油液溢流降低油液溫升。

圖4 PLC 邏輯控制圖

3.2 多泵合流控制

由于受伺服電機(jī)功率和油泵排量的限制，此臺(tái)萬(wàn)噸伺服油壓機(jī)所需的流量將由多組泵源共同提供，也就是通過(guò)將多組油泵的出油口進(jìn)行匯合以獲得較大流量從而滿足機(jī)床動(dòng)作需要。以往多泵合流是指將某組泵系統(tǒng)作為主系統(tǒng)，其余泵系統(tǒng)設(shè)置為從系統(tǒng)，通過(guò)主驅(qū)動(dòng)器接收PLC 發(fā)出的流量、壓力指令信號(hào)來(lái)決定從驅(qū)動(dòng)器是否參與運(yùn)行。但在此臺(tái)萬(wàn)噸油壓機(jī)控制上，如果純粹實(shí)現(xiàn)主從控制，那么工藝缸、開(kāi)模調(diào)平缸、鎖緊缸等周邊缸的動(dòng)作將無(wú)法協(xié)調(diào)，針對(duì)此種情況，我們?cè)诂F(xiàn)有主從控制基礎(chǔ)上增設(shè)每組泵系統(tǒng)由單獨(dú)的模擬量通道控制，即將原先主從協(xié)調(diào)控制由驅(qū)動(dòng)器運(yùn)算改為由PLC 運(yùn)算，在壓制階段采用多泵合流控制給每組通道提供統(tǒng)一的模擬量信號(hào)，而在輔助缸工作時(shí)有針對(duì)的只輸出對(duì)應(yīng)通道的模擬量信號(hào)，真正做到“需要多少流量便提供多少流量”的節(jié)能控制，既充分發(fā)揮驅(qū)動(dòng)器內(nèi)置PID 運(yùn)算的優(yōu)勢(shì)又滿足機(jī)床特殊工藝動(dòng)作要求，避免不必要的溢流，降低油液的溫升。

4 螺釘防松報(bào)警裝置

充液閥與油缸底連接螺釘如存在旋緊力不均或松動(dòng)時(shí)，極易出現(xiàn)螺釘斷裂充液閥飛出這樣的重大安全事故，為防止此事故的發(fā)生通常做法是在將螺釘緊固后畫(huà)紅直線進(jìn)行標(biāo)記，日常巡護(hù)時(shí)查看紅直線是否移位來(lái)判斷螺釘?shù)乃删o，此項(xiàng)工作比較費(fèi)時(shí)費(fèi)力。在此臺(tái)萬(wàn)噸油壓機(jī)充液閥螺釘緊固上我們首先采用氣動(dòng)扭力扳手對(duì)螺釘進(jìn)行緊固，再配上公司獨(dú)創(chuàng)的防松報(bào)警裝置，螺釘防松報(bào)警裝置結(jié)構(gòu)如圖5所示，在螺釘?shù)膬?nèi)六角沉孔中嵌裝有六角插榫，六角插榫的中心設(shè)有插榫螺紋孔，插榫螺紋孔中旋接有凸輪螺桿，凸輪裝置的圓周上設(shè)有沿軸向延伸的凸輪凹槽，開(kāi)關(guān)固定盤(pán)的下方附有強(qiáng)磁環(huán)座，與充液閥上平面吸附固定，凸輪裝置與充液閥緊固螺釘共軸線，在開(kāi)關(guān)固定盤(pán)的外圓周上固定有微動(dòng)行程開(kāi)關(guān)，行程開(kāi)關(guān)的探頭嵌于凸輪凹槽中，這樣當(dāng)螺釘出現(xiàn)松動(dòng)時(shí)將帶動(dòng)凸輪螺桿旋轉(zhuǎn)，觸動(dòng)行程開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)動(dòng)作發(fā)出報(bào)警信號(hào)，依據(jù)報(bào)警信號(hào)可快速排查出松動(dòng)螺釘并進(jìn)行緊固。

圖5 螺釘防松報(bào)警裝置結(jié)構(gòu)示意圖

5 結(jié)論

公司研制的此臺(tái)100MN 復(fù)合材料熱成型伺服油壓機(jī)參照原先成功交付的35MN 油壓機(jī)，其主體結(jié)構(gòu)仍延用之前為解決應(yīng)力集中問(wèn)題而設(shè)計(jì)的多拉桿、多油缸均布型式，機(jī)身體經(jīng)軟件動(dòng)態(tài)、靜態(tài)仿真分析后調(diào)整鋼板焊接結(jié)構(gòu)，在確保剛度的同時(shí)有效減少局部應(yīng)力集中問(wèn)題；對(duì)原先電液控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，在液壓系統(tǒng)中通過(guò)設(shè)置恒定壓力來(lái)控制主動(dòng)型充液閥的打開(kāi)和關(guān)閉，提高響應(yīng)時(shí)間并減少卸荷沖擊；在開(kāi)模缸的應(yīng)用上通過(guò)增加液壓元件以實(shí)現(xiàn)壓制過(guò)程中的調(diào)平功能，同時(shí)結(jié)合立柱上的四角八面導(dǎo)軌，對(duì)復(fù)合材料成型過(guò)程中產(chǎn)生的傾覆力矩進(jìn)行平衡從而有效保證輕質(zhì)密閉門(mén)的成型質(zhì)量；另外對(duì)復(fù)合材料熱成型工藝進(jìn)行深入研究，電氣控制中增加有循環(huán)放氣動(dòng)作控制功能，同時(shí)根據(jù)密閉門(mén)熱成型過(guò)程中壓制力恒定的要求，采用泵保壓控制技術(shù)確保主缸上腔壓力恒定；安全控制上通過(guò)增設(shè)充液閥緊固螺釘防松報(bào)警裝置，確保機(jī)床的可靠運(yùn)行。該萬(wàn)噸復(fù)合材料熱成型伺服油壓機(jī)的成功研制不僅填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)復(fù)合材料熱成型設(shè)備的空白也促進(jìn)了人防建設(shè)事業(yè)的發(fā)展。