高性能鍛造操作機(jī)液壓控制系統(tǒng)技術(shù)原理

陳柏金

（華中科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

鍛造操作機(jī)與快速鍛造液壓機(jī)組成機(jī)組，一人操作，實(shí)現(xiàn)自由鍛造生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化。鍛造操作機(jī)不僅用來(lái)夾持鍛件，實(shí)現(xiàn)鍛造過(guò)程中鍛件的送進(jìn)、翻轉(zhuǎn)等動(dòng)作，而且完成行走位置、旋轉(zhuǎn)角度等控制，并且與快速鍛造液壓機(jī)一起進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制。

鍛造操作機(jī)采用全液壓驅(qū)動(dòng)，車體行走、夾鉗旋轉(zhuǎn)使用液壓馬達(dá)實(shí)現(xiàn)，鉗口夾持、鉗桿升降、鉗桿傾斜、鉗桿側(cè)移、鉗桿側(cè)擺和緩沖等各種動(dòng)作使用液壓油缸實(shí)現(xiàn)，液壓系統(tǒng)的性能決定了操作機(jī)的性能指標(biāo)、故障率等。

鍛造操作機(jī)的液壓控制系統(tǒng)需滿足能耗低、響應(yīng)速度快、動(dòng)作平穩(wěn)、控制精度好、可靠性高等技術(shù)要求，經(jīng)過(guò)幾十年的技術(shù)進(jìn)步，相關(guān)技術(shù)已基本成熟，形成了各具技術(shù)特點(diǎn)的鍛造操作機(jī)產(chǎn)品。

1 泵并聯(lián)與蓄能器同時(shí)供液

泵控制液壓回路為鍛造操作機(jī)液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力。DDS、GLAMA、ZDAS 等鍛造操作機(jī)主泵均采用恒壓控制變量泵，多個(gè)主泵單元出口油路并聯(lián)工作，即使在一個(gè)泵單元發(fā)生故障的情況下，鍛造操作機(jī)也能工作。

主泵出口油路均配置大容量蓄能器組，在鍛造操作機(jī)沒(méi)有動(dòng)作時(shí)主泵為蓄能器組充液，有動(dòng)作時(shí)主泵與蓄能器組同時(shí)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)供液，不僅能提高鍛造操作機(jī)的動(dòng)作響應(yīng)速度與控制性能，而且可降低系統(tǒng)的裝機(jī)功率、緩沖動(dòng)作過(guò)程中的壓力沖擊。

圖1 為DDS 600kN 鍛造操作機(jī)主泵控制液壓回路原理圖。

圖1 DDS 600kN 鍛造操作機(jī)主泵控制液壓回路原理圖

鍛造操作機(jī)主泵采用兩臺(tái)恒壓控制變量泵并聯(lián)工作方式，閥V1 同時(shí)控制兩臺(tái)主泵卸荷，兩臺(tái)主泵的出口連通在一起，為鍛造操作機(jī)動(dòng)作及控制提供壓力油源。

系統(tǒng)中配置9 組50L 蓄能器，采用液控單向閥V2 與主泵出口油路連接。閥V2 失電，主泵為蓄能器組充液，蓄能器也吸收操作機(jī)動(dòng)作過(guò)程中的液壓沖擊；閥V2 得電，蓄能器與主泵一起提供壓力油，提高操作機(jī)動(dòng)作的響應(yīng)速度，并緩沖壓力沖擊。

操作機(jī)比例閥等控制油直接從主泵出口油路引出，并配置蓄能器對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)壓。

圖2 為GLAMA 250kN 鍛造操作機(jī)主泵控制液壓回路原理圖。

圖2 GLAMA 250kN 鍛造操作機(jī)主泵控制液壓回路原理圖

采用一臺(tái)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)3 臺(tái)串聯(lián)在一起的液壓泵，其中排量為190ml/r 的液壓泵為恒壓控制變量主泵，為操作機(jī)動(dòng)作提供動(dòng)力；排量為50.7ml/r 的液壓泵為低壓補(bǔ)液泵，為操作機(jī)提供低壓油液；排量為12ml/r 的液壓泵為保壓泵，為操作機(jī)夾鉗夾緊提供保壓壓力油。操作機(jī)主泵通過(guò)V1、V2 閥進(jìn)行卸荷；低壓補(bǔ)液泵通過(guò)V3 閥卸荷，且出口設(shè)有蓄能器，保證低壓補(bǔ)液流量。

操作機(jī)的兩組主泵均并聯(lián)工作，兩臺(tái)主泵的出口油液匯集在一起，經(jīng)單向閥V4 為車體行走蓄能器組充液，經(jīng)單向閥V5 為其他動(dòng)作蓄能器組充液，并為操作機(jī)系統(tǒng)的所有比例閥提供控制油，這兩組蓄能器通過(guò)單向閥V6 隔開(kāi)，在需要時(shí)車體行走蓄能器組可為操作機(jī)其他動(dòng)作供液。

閥V7、V8 分別控制主泵與蓄能器組油液到操作機(jī)車體行走回路及其他動(dòng)作回路的油液通斷，閥V9失電，閥V7、V8 關(guān)閉。在進(jìn)行操作機(jī)動(dòng)作時(shí)，閥V9需得電，打開(kāi)閥V7 及V8，為操作機(jī)動(dòng)作提供動(dòng)力油源。

2 車體無(wú)側(cè)隙啟停及行走

鍛造操作機(jī)車體行走采用比例控制閥控制液壓馬達(dá)，液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)減速機(jī)構(gòu)和鏈輪來(lái)實(shí)現(xiàn)啟停及行走。

鍛造操作機(jī)質(zhì)量大，生產(chǎn)過(guò)程中頻繁啟停，要實(shí)現(xiàn)動(dòng)作平穩(wěn)、精確定位，需要采用無(wú)側(cè)隙啟停及行走技術(shù)。無(wú)側(cè)隙啟停及行走原理如圖3 所示。鍛造操作機(jī)車體行走前后兩組液壓馬達(dá)分開(kāi)控制，采用液壓及控制技術(shù)使相同側(cè)的兩個(gè)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)鏈輪與銷齒在不同方向嚙合在一起，在操作機(jī)車體定位階段，兩組液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，另兩組液壓馬達(dá)支撐，使操作機(jī)車體行走具有較高的定位精度和驅(qū)動(dòng)功率。

圖3 鍛造操作機(jī)車體無(wú)側(cè)隙啟停及行走原理示意圖

具體實(shí)現(xiàn)技術(shù)有多種，ZDAS 設(shè)置專門的控制閥來(lái)調(diào)節(jié)啟停時(shí)兩組馬達(dá)工作腔的壓力差實(shí)現(xiàn)；DDS通過(guò)控制比例閥的輸出，使前后兩組馬達(dá)產(chǎn)生速度差實(shí)現(xiàn)；GLAMA 通過(guò)兩組馬達(dá)串聯(lián)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

圖4 為DDS 600kN 鍛造操作機(jī)車體行走控制液壓回路原理圖。

圖4 DDS 600kN 鍛造操作機(jī)車體行走控制液壓回路原理圖

車體行走驅(qū)動(dòng)采用前后兩組液壓馬達(dá)，兩組液壓馬達(dá)的液壓控制回路完全相同。比例閥V1 和V7 分別控制前后兩組液壓馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)方向和速度，比例閥出口設(shè)置插裝式開(kāi)關(guān)閥V2、V3 及V8、V9，保證比例閥出口油路可靠關(guān)閉，在車體行走動(dòng)作時(shí)帶電打開(kāi)。

液壓馬達(dá)工作時(shí)，高壓腔的溢流閥起安全保護(hù)作用，低壓腔通過(guò)單向閥V5 和V6、V10 和V11 與低壓補(bǔ)液系統(tǒng)相通，在車體行走停止瞬間為液壓馬達(dá)提供反向低壓油，避免液壓馬達(dá)吸空。

與車體行走液壓馬達(dá)的低壓腔相通的補(bǔ)液系統(tǒng)配有低壓蓄能器，且與比例閥的回油口相通，并配置回油背壓閥，補(bǔ)液油液不夠時(shí)通過(guò)減壓閥從主油路補(bǔ)充。采取這些措施使比例閥的控制性能更好、液壓馬達(dá)在車體停止瞬間保護(hù)更充分。

車體行走質(zhì)量大、速度高，液壓馬達(dá)不帶制動(dòng)器。兩組液壓馬達(dá)分開(kāi)控制，在進(jìn)行行走啟停及定位控制時(shí)，控制系統(tǒng)根據(jù)行走速度、方向自動(dòng)使兩組液壓馬達(dá)的控制存在速度差，使行走系統(tǒng)的傳動(dòng)鏈輪與銷齒條無(wú)側(cè)隙嚙合，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)啟停及精確定位。

圖5 為GLAMA 250kN 鍛造操作機(jī)車體行走控制液壓回路原理圖。

圖5 GLAMA 250kN 鍛造操作機(jī)車體行走控制液壓回路原理圖

車體行走兩邊分別采用兩個(gè)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。兩個(gè)液壓馬達(dá)串聯(lián)在一起，液壓馬達(dá)間設(shè)置減壓補(bǔ)油、限壓液壓回路，當(dāng)液壓馬達(dá)向一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，串聯(lián)在一起的兩個(gè)液壓馬達(dá)中前一液壓馬達(dá)進(jìn)出口壓差高、后一液壓馬達(dá)進(jìn)出口壓差低，前一液壓馬達(dá)推動(dòng)后一液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)，使得與兩個(gè)液壓馬達(dá)連接在一起的傳動(dòng)鏈輪與銷齒完全嚙合，且兩個(gè)鏈輪與銷齒的嚙合方向正好相反，實(shí)現(xiàn)行走機(jī)構(gòu)的無(wú)側(cè)隙傳動(dòng)。車體行走控制由比例閥V1 實(shí)現(xiàn),V1 的回油回路配有開(kāi)關(guān)閥V2,在車體運(yùn)動(dòng)時(shí)打開(kāi)，在車體停止時(shí)關(guān)閉，保證操作機(jī)車體可靠停止。單向閥V5、V6 及壓力閥V7、V8 組成液壓橋式回路，在液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)車體運(yùn)動(dòng)時(shí)，閥V7、V8 限制液壓馬達(dá)行走的最高工作壓力；在操作機(jī)車體停止運(yùn)動(dòng)瞬間，閥V1 關(guān)閉，通過(guò)閥V5、V6 從低壓補(bǔ)油系統(tǒng)為液壓馬達(dá)反向補(bǔ)油，避免由于閥V1 關(guān)閉導(dǎo)致液壓馬達(dá)腔室缺油而損壞液壓馬達(dá)。閥V3 得電時(shí)連通液壓馬達(dá)的進(jìn)、排油回路，在車體停止及開(kāi)始動(dòng)作時(shí)短時(shí)間得電，降低液壓馬達(dá)兩腔的壓力差，使車體啟停動(dòng)作平穩(wěn)。

3 鉗桿自適應(yīng)緩沖及升降

鍛造操作機(jī)鉗桿懸掛系統(tǒng)的鉗桿平行升降及傾斜液壓回路實(shí)現(xiàn)鉗桿的平行升降、上下傾斜動(dòng)作。鉗桿平行升降、鉗桿傾斜均設(shè)有蓄能器緩沖回路，并通過(guò)控制閥使動(dòng)作速度穩(wěn)定。鉗桿懸掛系統(tǒng)自動(dòng)適應(yīng)負(fù)載變化，具有鉗桿高度自動(dòng)緩沖復(fù)位功能，使操作機(jī)提升機(jī)構(gòu)的動(dòng)作與壓機(jī)同步，如圖6 所示，當(dāng)壓機(jī)以速度V 壓下時(shí)，操作機(jī)鉗桿以V/2 速度同步下降。

圖6 操作機(jī)提升機(jī)構(gòu)自動(dòng)適應(yīng)壓機(jī)行程示意圖

操作機(jī)鉗桿緩沖有兩種方式：

（1）被動(dòng)緩沖。由與操作機(jī)平行升降液壓油缸相通的緩沖蓄能器被動(dòng)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)壓機(jī)壓力作用在夾持的坯料上時(shí)，平行升降液壓油缸和緩沖蓄能器起類似液壓彈簧的作用。

（2）主動(dòng)緩沖。操作機(jī)控制系統(tǒng)接收壓機(jī)控制系統(tǒng)給定的位置信號(hào)，在鍛造過(guò)程中控制升降液壓油缸主動(dòng)與壓機(jī)的壓下動(dòng)作同步運(yùn)動(dòng)，通過(guò)增大或降低平行升降油缸的壓力使其位移與壓機(jī)相適應(yīng)。

4 雙速液壓馬達(dá)實(shí)現(xiàn)高低速運(yùn)動(dòng)

目前，鍛造操作機(jī)的行走及旋轉(zhuǎn)速度指標(biāo)都較高，如DDS 600kN 操作機(jī)車體行走最大速度1000mm/s，鉗口旋轉(zhuǎn)最大速度25rpm；GLAMA 250kN 操作機(jī)車體行走最大速度1000mm/s，鉗口旋轉(zhuǎn)最大速度26rpm。高速度對(duì)應(yīng)空行程應(yīng)用場(chǎng)合，如依靠動(dòng)力部分滿足高速度要求，則裝機(jī)功率增大。DDS、GLAMA、ZDAS 均采用雙速馬達(dá)實(shí)現(xiàn)，如圖4、圖5 所示。如車體行走液壓馬達(dá)，一檔最大速度為500mm/s，另一檔最大速度為1000mm/s，工作時(shí)控制系統(tǒng)根據(jù)操作狀態(tài)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)等，通過(guò)控制閥來(lái)改變雙速液壓馬達(dá)的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)兩檔不同的最大速度，兩種速度之間通過(guò)軟件斜坡進(jìn)行平滑過(guò)渡。

采用雙速液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)高力矩—低速度，或低力矩—高速度，即小步長(zhǎng)扭矩高，加速度增加，動(dòng)作響應(yīng)快，大步長(zhǎng)扭矩低，速度增加，動(dòng)作速度快。

5 結(jié)語(yǔ)

鍛造操作機(jī)早期采用PAHNKE 及SMS 的擺動(dòng)杠桿結(jié)構(gòu)，國(guó)內(nèi)鍛造操作機(jī)的液壓控制原理與PAHNKE 類似；隨著DDS、GLAMA 鍛造操作機(jī)大量進(jìn)入國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，目前鍛造操作機(jī)多采用平行連桿結(jié)構(gòu)。GLAMA 鍛造操作機(jī)具有自身特點(diǎn)，如采用分體驅(qū)動(dòng)等，相關(guān)技術(shù)只有自己應(yīng)用，國(guó)內(nèi)鍛造操作機(jī)目前廣泛采用DDS 機(jī)械結(jié)構(gòu)，液壓控制系統(tǒng)模仿DDS。由于制造成本、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)原因，國(guó)內(nèi)鍛造操作機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)與DDS 操作機(jī)基本沒(méi)有差別，但液壓控制系統(tǒng)、檢測(cè)控制元件、控制技術(shù)等與DDS 相差很大，DDS、GLAMA 鍛造操作機(jī)的一些技術(shù)特點(diǎn)國(guó)內(nèi)操作機(jī)實(shí)現(xiàn)較少，造成國(guó)產(chǎn)鍛造操作機(jī)的性能、可靠性、使用體驗(yàn)等與DDS、GLAMA 差別較大。