楊固川 劉 軍 王建國(guó) 鄧永泉 杜俊雷

(中國(guó)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(guó)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(guó)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(guó)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(tái)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(wèn)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(guó)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(jí)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(cè)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(jí)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(lài)進(jìn)口。在國(guó)外也只有少數(shù)液壓元件廠商掌握特殊規(guī)格型號(hào)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(cè)技術(shù)。國(guó)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(duì)比見(jiàn)表1。

國(guó)外的高壓大流量液壓產(chǎn)品技術(shù)對(duì)我國(guó)進(jìn)行技術(shù)封鎖，只提供產(chǎn)品而對(duì)關(guān)鍵核心技術(shù)參數(shù)保密，對(duì)電氣控制技術(shù)也只進(jìn)行合作。這樣，我國(guó)只有通過(guò)引進(jìn)、合作、消化、吸收再自主集成創(chuàng)新的方式來(lái)發(fā)展自己。中國(guó)工程院在《發(fā)展我國(guó)大型鍛壓裝備研究》有關(guān)建設(shè)800 MN模鍛液壓機(jī)咨詢(xún)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(méi)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(duì)比見(jiàn)表2。

項(xiàng)目組在廣泛調(diào)研考察的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)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(guó)內(nèi)外廠家進(jìn)行充分交流探討，通過(guò)國(guó)際招標(biāo)和專(zhuān)家評(píng)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(jiàn)圖1。

表1 國(guó)內(nèi)外高壓大流量液壓元件的主要技術(shù)參數(shù)對(duì)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(duì)比，總體上國(guó)外的技術(shù)先進(jìn)成熟可靠。

1—閥臺(tái) 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(jiǎn)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(guò)調(diào)節(jié)各個(gè)主工作缸的進(jìn)油流量來(lái)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(guò)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(guò)補(bǔ)償調(diào)節(jié)方式來(lái)使A缸液壓油流量增加，從而提高A缸速度來(lái)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(duì)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(kāi)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(guò)對(duì)同步平衡缸的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。開(kāi)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(guò)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(guò)伺服閥8將P2管的油排出。這樣通過(guò)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(lái)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(jiàn)見(jiàn)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(guó)際上大型鍛造壓機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)，滿足大型壓機(jī)的數(shù)控化、高精度化和專(zhuān)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(guò)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(duì)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(jí)平衡控制三種形式；

(5)泄壓?jiǎn)卧ㄟ^(guò)并聯(lián)一組不同流量的比例閥，通過(guò)先后開(kāi)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(yǔ)

建議國(guó)家有關(guān)部門(mén)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(guó)家科技重大專(zhuān)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(cè)試問(wèn)題。能夠?qū)崿F(xiàn)自主生產(chǎn)提供關(guān)系國(guó)家安全和國(guó)民經(jīng)濟(jì)命脈的國(guó)家重大技術(shù)裝備生產(chǎn)用備件，以解決我國(guó)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(zhǎng)期依賴(lài)進(jìn)口的局面。

致謝：感謝國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)課題組參與單位中國(guó)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(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)塑性工程學(xué)會(huì).鍛壓手冊(cè)：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(guó).大型壓機(jī)液壓同步平衡系統(tǒng)可靠性分析.中國(guó)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.