姚 靜，曹曉明1，沙 桐1，李 瑤1，趙桂春1，薛雄偉1，董兆勝1，孔祥東

(1.燕山大學機械工程學院，河北秦皇島 066004； 2.南京工程學院機械工程學院，江蘇南京 210000)

引言

鍛造液壓機是工業(yè)生產中必不可少的制造裝備，尤其是重型自由鍛造液壓機，其規(guī)格和裝備水平通常被作為一個國家制造能力、經濟與國防實力的重要標志[1-2]。近幾年，隨著國家軍工、航天航空、核電、發(fā)電、船舶、汽車等行業(yè)的迅速發(fā)展，對鍛造裝備提出了越來越高的要求[3-4]。

如今，我國已經成為鍛造大國，在鍛件總噸位、鍛造能力上已經躍居世界第一[5]?；仡欀匦妥杂慑懺煲簤簷C在中國發(fā)展的幾十年，我國主要走了“引進、消化吸收、仿制、創(chuàng)新”的技術路線，重型自由鍛造液壓機本體整體性能有了較大的改善，尤其是作為鍛造裝備高端化的核心技術液壓控制系統(tǒng)，有力支撐了現代液壓機工藝的高質快速實現，但是與綠色制造、近凈成形、數字化制造等高標準要求仍有較大差距。

孔祥東教授團隊一直致力于鍛造液壓機液壓控制系統(tǒng)的關鍵技術研究，在節(jié)能新構型、提高控制精度、大通徑比例插裝閥國產化、數字化設計、柔度控制等方面做了大量工作。本研究結合鍛造液壓機發(fā)展趨勢，全面闡述了團隊的研究成果，并做了展望，意在全面提升我國重型自由鍛造液壓機的設計水平和控制性能，為鍛造裝備向智能化、綠色化的發(fā)展提供指導。

1 重型鍛造液壓機節(jié)能新技術

1.1 液壓節(jié)能閥控系統(tǒng)

鑒于閥控系統(tǒng)維護簡單、一次投入成本較低、響應快等優(yōu)點，采用閥控系統(tǒng)的鍛造液壓機是目前市場的主流產品。然而，由于閥控系統(tǒng)采用節(jié)流控制，因此能耗非常嚴重。圖1為中大型液壓機閥控系統(tǒng)能量流傳遞示意圖。大中型液壓機裝機功率一般都在幾千千瓦，研究表明大中型壓機高壓大流量的液壓系統(tǒng)能量轉化率低，存在較大的能量損失。一般電能-機械能的轉化率為70.35%，機械能-液壓能的轉化率為37.43%，液壓能到鍛件成形所需有用功的轉化率為27%[6]。在某些工況，液壓能到成形能的轉化率不足10%。因此，針對鍛造液壓機研究節(jié)能控制方法和系統(tǒng)節(jié)能新新構型，具有重要的理論意義和應用價值。

圖1 鍛造液壓機能量流傳遞示意圖

1) 系統(tǒng)新構型

傳統(tǒng)的液壓機液壓系統(tǒng)拓撲結構如圖2所示，它具有多泵共源(以實現大流量輸出)、液壓源與各執(zhí)行器間均為單通路聯(lián)通、多執(zhí)行器等特點。

圖2 典型鍛造液壓機液壓系統(tǒng)拓撲結構示意圖

鍛造液壓機工況通?？煞譃槌ｅ?拔長、沖孔、擴孔等)和快鍛(精整)，常鍛一般為開環(huán)控制，適用于大變形量的手動控制?？戾懠淳苠懺欤晕恢镁葹槟繕说拈]環(huán)控制，往往與操作機聯(lián)動，自動化程度高。常鍛工況下，液壓源通常采用流量源輸出，由于比例節(jié)流控制，導致每個工作循環(huán)中，總是有大量的油液溢流，尤其當系統(tǒng)的工作壓力較高時，勢必造成能量的大量損耗。而在快鍛工況下，液壓源一般采用定壓定流輸出，系統(tǒng)的輸出壓力取決于各執(zhí)行器所需的最大壓力。然而在該工況下回程缸總是處于高壓小流量狀態(tài)，工作缸處于低壓大流量狀態(tài)，故此不得不將大量的高壓油通過節(jié)流閥轉換為低壓油，導致巨大的節(jié)流損失，另一方面系統(tǒng)為了獲得定壓輸出，就必須始終保持高壓溢流狀態(tài)，其溢流損失也十分可觀。顯然，液壓源的輸出不能與負載的需求相匹配，尤其是單一液壓源無法兼顧多個執(zhí)行器的不同需求，從而導致該類系統(tǒng)的傳動效率極為低下[7]。因此，提出了多源液壓系統(tǒng)的構型，如圖3所示。

圖3 多源液壓系統(tǒng)的構型

多源液壓系統(tǒng)通過開關閥控制，即可在常鍛時做流量源，也可在快鍛時做壓力源。流量源可采用定量泵+變量泵組合，也可全部采用變量泵，流量的輸出盡可能去匹配負載速度的變化，如果工況單一，也可采用恒功率變量泵，去匹配負載變化，以達到節(jié)能的目的。壓力源不同于傳統(tǒng)的單一壓力源，可根據不同執(zhí)行器的出力范圍設置多級壓力，一般快鍛系統(tǒng)主缸和回程缸所需壓力差別較大，可設置2個壓力級別分別為主缸和回程缸提供壓力，而此時系統(tǒng)需要負載口獨立控制，以避免雙壓力對不同執(zhí)行器的耦聯(lián)干擾[8-9]。

2) 節(jié)能控制策略

針對上述系統(tǒng)新構型，分別研究常鍛工況和快鍛工況下的節(jié)能控制策略，在滿足系統(tǒng)控制特性的前提下，大幅提高系統(tǒng)傳動效率。

(1) 基于速度預測的泵閥復合控制(常鍛工況)

常鍛工況，采用基于速度預測的泵閥復合控制，其可分為2部分：速度模糊預測控制和泵口壓力負載敏感控制。模糊預測控制是采集動梁當前運行速度，通過模糊算法對速度進行預測，得出動梁下一時刻運行速度，進而可以得出其所需流量值，這樣就可以通過控制每臺定量泵口的卸荷閥來控制定量泵的投入臺數，減小能量損失。泵口壓力負載敏感控制是在泵口增設比例溢流閥，通過采集下行過程中主缸壓力變化，以及回程過程中回程缸壓力變化進行壓力閉環(huán)控制，復合控制原理如圖4所示[10-11]。

圖4 基于速度模糊預測控制和泵口負載敏感控制的復合控制原理

研究結果表明，采用新構型系統(tǒng)的輸出功率為傳統(tǒng)液壓機系統(tǒng)的40.75%，溢流損失由46.06%降低到了15.35%，系統(tǒng)的能量傳遞效率可達35.23%。采用速度預測的泵閥復合控制顯著提高了系統(tǒng)的能量利用率，大大降低了溢流損失。優(yōu)化前后的各部分消耗能量見圖5。

圖5 優(yōu)化前后系統(tǒng)能量消耗對比

(2) 二級壓力源輸入的位置伺服控制(快鍛工況)

以0.6 MN快鍛液壓機為例，快鍛時，采集不同工況的主缸和回程缸的壓力、流量變化曲線，經整理后可得2缸的壓力流量散點密度圖6。從圖6中可知，主缸工作壓力集中在1 MPa附近，流量區(qū)間為40～60 L/min，而回程缸工作壓力保持在12 MPa左右，流量區(qū)間集中在20～40 L/min。因此，對于這種負載工況差異較大的雙執(zhí)行器系統(tǒng)，建議采用獨立的2級壓力源。壓力設置時要考慮比例閥壓降及管路損失。

圖6 主缸和回程缸壓力-流量散點密度圖

采用二級壓力源輸入的位置伺服控制原理如圖7所示，主缸采用主泵和蓄能器共同供液，回程側單獨設立蓄能器供液。分別匹配快鍛時主缸和回程缸流量、壓力需求，降低溢流和節(jié)流損失，且具有能量存儲和再利用功能。壓下時，根據平均流量的原則，泵源、泵口蓄能器聯(lián)合供能，可通過參數匹配設計，使泵口蓄能器充、放液平衡，泵口無溢流?；爻虃刃钅芷魑漳芰浚峁┲瘟?，省去了中間的比例換向閥環(huán)節(jié)，減少了節(jié)流損失?；爻虝r，回程側蓄能器釋放能量推動活動橫梁回程，同時泵輸出的流量存儲到泵口蓄能器中以供下一循環(huán)壓下使用。

圖7 采用二級壓力源的快鍛液壓系統(tǒng)示意圖

試驗結果表明，與傳統(tǒng)的普通比例閥控系統(tǒng)、采用蓄能器的快鍛液壓系統(tǒng)[7]相比，3種回路的功耗見圖8所示。在相同的輸入和負載工況下，系統(tǒng)的輸入功率大大降低，僅為普通比例閥控系統(tǒng)的24.3%，為采用蓄能器快鍛液壓系統(tǒng)的25.4%；功耗也僅為普通比例閥控系統(tǒng)的19.4%，為采用蓄能器快鍛液壓系統(tǒng)的20.6%[12-22]。

圖8 三種快鍛液壓系統(tǒng)的能耗分布條狀圖

1.2 開式泵控鍛造油壓機系統(tǒng)

在鍛造液壓機領域，德國PANKE的正弦泵控閉式系統(tǒng)最具有代表性，其原理如圖9所示。本研究提出的開式泵控鍛造油壓機系統(tǒng)，如圖10所示，采用2臺不同規(guī)格的RKP泵(即壓下變量泵和回程變量泵)分別對壓機主缸和回程缸進行獨立控制。與閉式泵控鍛造油壓機液壓系統(tǒng)最大的區(qū)別在于開式泵控鍛造油壓機液壓控制系統(tǒng)采用獨立容積調速原理實現油液在系統(tǒng)中的有效循環(huán)，進一步降低了閉式容積調速系統(tǒng)的冷卻功率，同時避免了閉式系統(tǒng)由于油壓機主缸與回程缸的流量不平衡特性導致的需要每個工作循環(huán)中的排油和補油，提高了能量的利用效率[3-25]。

圖9 閉式泵控油壓機液壓控制系統(tǒng)原理

圖10 開式泵控油壓機液壓控制系統(tǒng)原理

開式泵控系統(tǒng)在控制自由度方面，較閉式系統(tǒng)具有更大優(yōu)勢，可實現負載容積獨立控制，主缸和回程缸可根據工況需求和控制要求，采用不同的控制算法。針對蓄能器快鍛過程回程缸壓力選定困難的問題，提出了位置-壓力復合控制，即主缸采用位置伺服控制，回程缸采用壓力閉環(huán)控制。開式泵控鍛造油壓機系統(tǒng)主缸與回程缸剛性連接，在動態(tài)過程中由于主缸或回程缸中強迫流量的產生，造成主缸位置控制精度降低。為此，進行負載容腔獨立控制系統(tǒng)的解耦補償控制研究，提出前饋負載同步補償解耦算法，如圖11所示。該方法大大降低了多余力對于回程缸壓力控制系統(tǒng)的影響，對多余力的抑制具有良好效果，較好的抑制了回程缸壓力的波動。而且回程缸采用壓力閉環(huán)控制以后，隨著回程缸壓力的提高，系統(tǒng)能耗基本不變，但位置控制精度得到了提高[26-37]。

圖11 前饋負載同步補償解耦算法

2 重型鍛造液壓機數字化設計技術

鍛造液壓機因其設計制造周期長、投資大、風險及在線試驗成本高，使得計算機技術和系統(tǒng)仿真技術成為該行業(yè)原理速成、系統(tǒng)性能分析、控制技術改進以及工藝過程研究的首選方式?；谔摂M技術的鍛造液壓機液壓控制系統(tǒng)分析與設計是液壓機原理計算設計和實際鍛造過程在計算機上的本質實現，即采用計算機技術、建模與仿真技術，通過可視化技術，實現鍛造過程及結果的輸出顯示，并能夠分析預測鍛造液壓機液壓控制系統(tǒng)性能及其鍛造工藝對輸出特性的影響，為鍛造液壓機控制系統(tǒng)設計的正確性和可靠性提供理論依據。虛擬樣機技術可以為鍛造液壓機的設計和現代化改造提供技術支撐和仿真環(huán)境，縮短大型液壓機的設計周期，降低研制成本，優(yōu)化液壓機液壓控制系統(tǒng)性能，也可以探索現有鍛造液壓機的工藝特性，改善工藝參數，提高鍛件的質量與產量。

以VB為基礎語言開發(fā)了液壓系統(tǒng)的計算選型軟件、鍛造液壓機液壓系統(tǒng)特性評估平臺；以MATLAB為二次開發(fā)語言，設計了插裝類液壓元件動靜態(tài)仿真平臺以及鍛造液壓機液壓控制系統(tǒng)特性仿真平臺；以MSC.MARC為二次開發(fā)環(huán)境，開發(fā)了外負載特性仿真平臺。以ADAMS為動態(tài)模擬軟件，能夠實時跟蹤輸入，顯示3D壓機的動作，見圖12所示[38-81]。

圖12 鍛造液壓機虛擬仿真平臺框架結構

3 超高壓液壓元件

當前，液壓元件的超高壓化是一大趨勢，尤其對于鍛造液壓機，不僅可以增強裝備水平，而且將大大提高系統(tǒng)功重比。目前，少量萬噸級模鍛液壓機上開始采用60 MPa以上液壓系統(tǒng)，如二重的80000 t模鍛液壓機，它采用了美國Oilgear公司工作壓力為70 MPa的液壓泵和液壓閥。國內的超高壓產品流量較小，還不能應用于鍛造裝備。由于國外技術壟斷，現在產品價格不斷上揚，130通徑比例插裝閥由原來38萬人民幣漲到現在130萬人民幣，并且交貨周期長且不確定，已嚴重威脅到國家重大裝備持續(xù)穩(wěn)定生產問題，因此，迫切需要研發(fā)具有我國自主知識產權的超高壓系列產品，以緩解目前中國高端裝備制造業(yè)的尷尬局面。

3.1 超高壓插裝閥

針對鍛造液壓機高壓化需求，目前已成功開發(fā)了位移-電反饋和位移隨動式2種原理的比例插裝閥，原理示意圖見圖13，樣機圖見圖14[82-85]。其中閥的通徑分別為DN25、DN32、DN63、DN100、DN130，理論通流能力分別為320，480，1900，4300，8000 L/min。要求的性能指標如下：額定壓力70 MPa；重復精度、線性度、滯環(huán)均小于3%。

圖13 兩種超高壓比例插裝閥原理示意圖

圖14 超高壓比例插裝閥樣機

開發(fā)的超高壓產品分別進行了耐壓、泄漏、壓力沖擊靜態(tài)、線性度、重復精度、滯環(huán)、流量-壓差特性、時域響應以及頻域響應等特性試驗。具體測試指標參數見表1所示，性能指標滿足設計要求。

表1 超高壓比例插裝閥部分測試指標參數

3.2 超高壓液壓泵

目前，我國已有10 mL/r以內小排量的70 MPa等級超高壓液壓泵產品，但應用領域以液壓工具為主，難以滿足大噸位鍛造液壓機等排量需求較大的液壓系統(tǒng)的需求。目前，設備上大排量液壓泵多以Oilgear的PFCM系列為主，同樣受到價格和供貨周期的限制。因此，迫切需要研發(fā)具有我國自主知識產權的超高壓大排量超高壓液壓泵。針對此需求，目前，完成了12 mL/r雙側柱塞泵樣機研發(fā)工作，并且設計了30 mL/r雙側柱塞泵與通軸自增壓雙排柱塞泵。其中，12 mL/r柱塞泵樣機測試50 MPa以內運行效果良好，噪音保持在50 dB以內。

圖15～圖17分別為12 mL/r雙側柱塞泵樣機、30 mL/r 雙側柱塞泵和通軸自增壓雙排柱塞泵結構示意圖。

圖15 排量12 mL/r雙側柱塞泵樣機實物圖

1.主軸 2.吸入閥組 3.前端蓋 4.壓出閥組5.柱塞副 6.殼體 7.斜盤 8.缸體 9.后端蓋圖16 排量30 mL/r雙側超高壓柱塞泵結構圖

圖17 自增壓泵結構圖

4 高精控制技術

為提高系統(tǒng)的控制精度和抗干擾能力，從關鍵元件結構和放大器及系統(tǒng)控制器優(yōu)化分別著手，從點到面逐級提高系統(tǒng)性能，具體實施方案見圖18。首先，針對插裝閥流量線性度差的問題，利用流場分析方法，優(yōu)化了閥芯的節(jié)流口排布形式；又針對比例插裝閥強非線性問題，提出ADRC自抗擾控制方法，設計跟蹤微分器、擴張狀態(tài)觀測器，通過非線性反饋控制環(huán)節(jié)對各階微分信號的誤差進行非線性組合，最終得到先導閥的控制量，從而驅動主閥運動，實現高響應速度、高控制精度和高魯棒性。最后把優(yōu)化后的插裝閥應用到液壓機液壓系統(tǒng)，通過系統(tǒng)辨識方法得到其實際的數學模型，利用改進遺傳算法對多PID 控制器參數進行優(yōu)化，得到不同工況、不同負載下的最優(yōu)控制器參數。實驗證明不同工況、負載下的快鍛液壓機的控制精度始終不大于1 mm[86-90]。

5 數字化鍛造工廠構思

要想實現智能化鍛造過程，數字化鍛造是基礎。

數字化鍛造工廠是指在計算機虛擬環(huán)境中，對整個鍛造生產過程進行仿真、評估和優(yōu)化，并進一步擴展到整個產品生命周期的新型生成組織方式，是現代數字制造技術與計算機仿真技術相結合的產物，主要作為溝通產品設計和產品制造之間的橋梁。其本質是信息的集成。

圖18 自抗擾+遺傳+流量線性化控制框圖

根據鍛造液壓機的實際系統(tǒng)及工藝特性，利用大系統(tǒng)協(xié)同仿真技術，將鍛造液壓機控制系統(tǒng)分析與設計分為理論計算、原理方案設計、虛擬鍛件、鍛造設備控制級、過程控制仿真級、過程優(yōu)化級及可視化級6個子系統(tǒng)，如圖19所示。

圖19 數字化鍛造系統(tǒng)

軟件支撐環(huán)境如圖20所示。外圍為設備級，利用ProE建立鍛造液壓機、操作車的數字模型，導入ADAMS建立其動力學模型，利用AMESim建立其動力傳輸系統(tǒng)模型及控制模型，利用MATLAB建立其控制算法模型，最后通過接口設計形成個體的機電液控測仿真平臺。建立加熱爐的熱力學模型，通過流場優(yōu)化其模型參數，利用MATLAB實現其算法編譯； 建立鍛

圖20 數字鍛造工廠軟件支撐模式

件的熱力學模型，用于虛擬鍛造過程實時模擬；建立鍛件的有限元模型，通過有限元分析，存儲數據，通過智能算法，對數據進行處理，再傳遞給相關設備，然后進行設備級之間通訊設計，完成設備級的大數據庫分類及管理。開發(fā)人機界面，形成鍛造過程管理系統(tǒng)和評價系統(tǒng)，最后完成鍛造系統(tǒng)的可視化設計，實現虛擬鍛造場景。

6 結論

隨著信息技術、新能源、新材料等重要領域和前沿方向的革命性突破和交叉融合，鍛造液壓機必將迎來新一輪技術變革，以跟進我國未來智造的發(fā)展和推進我國制造強國戰(zhàn)略。雖然我國鍛造裝備目前還處于追趕工業(yè)3.0的時期，但是綠色化、數字化、信息化已開始逐漸滲透在鍛造裝備的機電液測控一體化系統(tǒng)中。我們應該深刻理解“工業(yè)4.0”和智能制造的內涵，了解其現狀和發(fā)展趨勢，致力于創(chuàng)新，盡快掌握核心技術、關鍵元器件和軟件的自主知識產權。從戰(zhàn)略高度和全球視角出發(fā)，認識面臨的問題和需求，把握好時代發(fā)展節(jié)奏，汲取智能制造優(yōu)秀企業(yè)的經驗，結合國情，結合鍛造裝備的特點，制定切合實際的戰(zhàn)略規(guī)劃，積極探索鍛造裝備“工業(yè)4.0”的中國特色發(fā)展道路。