張金龍，蔡宇安

（陜西重型汽車有限公司，陜西西安 710200）

0 引言

機械壓力機是通過曲柄滑塊機構將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為滑塊的直線往復運動，對坯料進行成形加工的鍛壓機械。機械壓力機因其動作平穩(wěn)、工作精度高、操作條件好、生產(chǎn)率高，易于實現(xiàn)機械化、自動化，廣泛應用于汽車、船舶制造等行業(yè)。機械壓力機的公稱工作力基本上是以滑塊從上死點運動到距行程的下死點約13 mm 處為實際最大工作力[1]。

機械壓力機是通過電機拖動螺桿傳遞力，當壓力到達工件時，電機無法控制壓力機的力，而在生產(chǎn)過程中，因為操作不當、設備或模具選型不合適、材料變化等原因，有可能發(fā)生超過壓力機公稱工作壓力的情況，滑塊作為壓力機的關鍵執(zhí)行單元，如果不能及時停止，存在損壞設備及模具的可能，因此機械壓力機需要設計滑塊過載保護裝置。

老式的滑塊過載保護裝置是根據(jù)壓力機的噸位制作金屬壓塌塊，作為傳動中的一個薄弱環(huán)節(jié)，當發(fā)生過載時靠破壞此件來切斷傳動線路，使動力不能繼續(xù)輸入，后續(xù)機構運動停止，從而保護后續(xù)主要受力件不遭到損壞。這種過載保護屬于剛性過載保護，可靠性較差，更換麻煩，目前已逐漸被淘汰，取而代之的是利用氣液平衡原理設計制作較柔性化的液壓保護裝置。這種結構滑塊過載保護壓力值可調(diào)，過載保護動作迅速準確，過載保護后修復速度快，可靠性高，廣泛應用于各種機械壓力機中。

以濟南機床二廠生產(chǎn)的J39-1250 機械壓力機使用的液壓保護裝置為例，從液壓保護裝置的結構、工作原理、電氣控制、操作維護等方面，系統(tǒng)分析其設計與應用的優(yōu)越性。

1 液壓保護系統(tǒng)設計

1.1 液壓保護系統(tǒng)工作原理

液壓保護過載裝置一般由氣動泵、液壓缸、卸荷閥、壓力繼電器、電磁閥、液壓馬達、抗振壓力表等元件組成（圖1）。

圖1 液壓保護裝置工作原理

在滑塊螺桿的端部設計一個液壓的封閉腔，里面注滿液壓油，當工件受到壓力時，液壓封閉腔也在受力，而且工件上的力越大，加在液壓封閉腔上的力也越大。同時在液壓封閉腔上聯(lián)接一個壓力表，將壓力表安裝在滑塊的前面（圖2），能實時顯示滑塊液壓保護的壓力。當壓力機發(fā)生過載時，液壓保護系統(tǒng)的卸荷閥迅速卸荷，卸荷閥上的限位開關動作，液壓墊中的壓力迅速下降，液壓保護限位開關動作，滑塊在平衡缸的作用下略微上移，保護壓力機和模具不受損傷。同時壓力繼電器動作，液壓保護與行程聯(lián)鎖切斷離合器控制線路，壓力機停止運行。此時操作面板上的液壓保護正常指示燈滅，卸荷指示燈亮，液壓保護系統(tǒng)處于卸荷狀態(tài)，壓力機不能開動[2]。

圖2 滑塊液壓保護壓力表

1.2 液壓保護系統(tǒng)設計要點

（1）當滑塊沖壓力超過壓力機額定噸位的10%時自動卸荷，滑塊自動停止，保護行程25 mm，整個系統(tǒng)反應時間不大于25 ms，并配有防振壓力顯示表，滑塊上死點停止后，過載保護恢復時間小于60 s。

（2）整個系統(tǒng)安裝在壓力機滑塊內(nèi)，必須具有良好的抗振性，并帶有過載保護液壓系統(tǒng)油量檢測裝置。

（3）過載保護裝置可實現(xiàn)手動卸載，控制面板上增加卸荷開關。

1.3 液壓過載保護系統(tǒng)的程序控制

1.3.1 可編程邏輯控制器

PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器）類似一個微型電腦處理器，由電源、中央處理器、存儲器、通信單元、輸入輸出單元等組成（圖3），可執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術運算等操作指令，當PLC 投入運行后，CPU 以一定的掃描速度重復執(zhí)行輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新這樣一個掃描周期的3 個階段，通過數(shù)字式或模擬式的輸入輸出對設備或者生產(chǎn)進行精準控制[3]。

圖3 PLC 控制原理

1.3.2 PLC 相對于繼電器控制系統(tǒng)的優(yōu)勢

（1）極大減少了電氣元件和接線。PLC 用內(nèi)部軟件代替大量的中間繼電器，采用梯形圖代替了大量的邏輯運算，減少控制系統(tǒng)的設計、安裝、調(diào)試工作量。

（2）極大縮短了維修時間。PLC 的穩(wěn)定性很高，且有完善的自我診斷和故障報警顯示功能。當有輸入或輸出單元發(fā)生故障時，可以根據(jù)PLC 總站或者分站模塊上的指示燈迅速地找出故障，也可以通過程序在線監(jiān)控迅速地找出故障點。

（3）運行速度快，可靠性高。傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)使用大量的中間繼電器，長期使用后會出現(xiàn)觸點接觸不良造成故障，而且會受到周圍強電的電磁干擾，PLC 用內(nèi)部軟件代替大量的中間繼電器，而且PLC 的控制是由程序控制執(zhí)行，運行速度快，可靠性高。

（4）擴展升級更方便。傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)都是硬件連接，改造時只能拆除重新安裝接線，PLC 系統(tǒng)升級改造時，只需要改變I/O 點修改控制程序里的某段程序即可，而且可以無限次修改[4]。

1.3.3 PLC 的選型

PLC 的品牌和型號很多，不同PLC 的功能、價格、使用方法、適用的側重點也不同。因此，合理選擇特定的PLC，對于提高設備的控制能力和降低運行成本都有重要意義。

PLC 的選擇主要應從PLC 的點數(shù)估算、存儲器容量、運算功能、編程功能、控制功能、通信功能、診斷功能和反應速度等方面加以綜合考慮，在滿足工廠設備功能要求及保證設備運行可靠、使用維護方便的前提下，做到最優(yōu)的性價比。同一個工廠應盡量做到PLC 品牌型號統(tǒng)一，優(yōu)點是不同的設備模塊之間可互為備用替代，減少模塊的采購和儲備，減小停機時間降低維護成本；因同一品牌型號的PLC 使用方法和功能類似，學習和吸收接受能力更快，能降低設備維護人員的培訓成本；同一品牌型號的PLC 其通信接口相同，在后期擴展聯(lián)網(wǎng)時更方便。

1.3.4 PLC 編程的基本原則和步驟

梯形圖是PLC 最基本、最簡單，也是最常用的編程語言。梯形圖程序按從左到右，從上到下順序執(zhí)行。梯形圖每一行都是從左母線開始，線圈接在最右邊，線圈右邊不能再接接點；線圈不能直接與左母線相連；應避免雙線圈輸出；當輸出負載大于接口指標時要用接觸器或者繼電器過渡，防止燒壞輸出觸點。編程的邏輯關系要簡單明了，在保證程序功能的前提下盡量減少指令的使用和程序的運行時間。

編程的基本步驟：首先要根據(jù)用到的輸入輸出點列出I/O配置表，編寫程序后自檢，沒有問題后上傳到PLC 中，然后根據(jù)畫好的電路圖連接電路，電路的連接必須與PLC 程序中的點一一對應，最后上電調(diào)試。下面以三菱Q06 系列PLC 為例，編寫滑塊液壓保護程序。

（1）液壓保護系統(tǒng)主程序如圖4、圖5 所示。

圖4 液壓保護系統(tǒng)程序1

圖5 液壓保護系統(tǒng)程序2

（2）液壓保護系統(tǒng)還需要和行程操作有一定的聯(lián)鎖動作。當液壓保護在卸荷狀態(tài)時，行程操作不能開動（圖6）。

圖6 液壓保護與滑塊開動行程聯(lián)鎖

（3）液壓保護系統(tǒng)還要與滑塊調(diào)整動作有一定的聯(lián)鎖動作（圖7）。當液壓保護系統(tǒng)卸荷后，開動滑塊調(diào)整會損傷滑塊調(diào)整機構，因此此時滑塊調(diào)整不能動作[5]。

圖7 液壓保護與滑塊調(diào)整動作聯(lián)鎖

2 液壓保護系統(tǒng)應用

2.1 過載

如果液壓保護系統(tǒng)的壓力低于規(guī)定值，壓力機就處于過載狀態(tài)?！耙簤罕Ｗo卸荷”指示燈亮，“液壓保護正?！敝甘緹魷?。如果此時滑塊處于上死點，首先將滑塊液壓保護選擇開關旋到“重調(diào)”位置，等待氣源閥、氣動泵工作，當液壓墊中的壓力達到要求后，“卸荷”指示燈滅，“正?！敝甘緹袅粒簤罕Ｗo系統(tǒng)恢復正常，將選擇開關旋至“正?！蔽恢?，壓力機即可恢復正常工作（圖8）。

圖8 液壓保護正常狀態(tài)

2.2 重調(diào)

如果發(fā)生過載時滑塊位于下死點區(qū)，將工作狀態(tài)選擇開關選擇到“微調(diào)”位置，通過操作“微調(diào)開動”按鈕，將滑塊調(diào)整到上死點。此時兩種情況需要注意：如果滑塊行程超過180°，則需要開動微調(diào)正向（圖9），如果滑塊行程未超過180°，則需要開動微調(diào)反向，使滑塊運行至上死點區(qū)，此時“重調(diào)”才會起作用。

圖9 開動微調(diào)正向?qū)⒒瑝K調(diào)整到上死點

2.3 試驗

一般壓力機都會設計手動卸荷開關，有時為了試驗液壓保護系統(tǒng)是否正常工作，可以將液壓保護選擇開關選擇到“試驗”位置。此時液壓系統(tǒng)卸荷，“液壓保護正?！敝甘緹魷?。卸荷后液壓系統(tǒng)的恢復與“重調(diào)”步驟相同。

3 液壓保護系統(tǒng)維護

由于機械壓力機滑塊上下往復運動頻次高，伴隨著沖裁力造成的振動大，時間長了液壓保護裝置中的一些元件可能會出現(xiàn)故障，造成壓力機停機。

當液壓保護系統(tǒng)出現(xiàn)故障，滑塊過載后重調(diào)無動作時，可以打開控制程序在線監(jiān)控查看是哪個點不滿足運行條件，也可以打開操作面板上的人機界面，查詢哪里不滿足液壓保護重調(diào)條件（圖10）。常見故障原因及處理措施有：

圖10 液壓保護重調(diào)條件查詢

（1）油箱缺油。平時注意觀察油箱油面，油位不足時及時補充，加油時要采取過濾措施，避免氣動泵吸空；定期更換液壓油，液壓油品質(zhì)要合格。

（2）平衡器壓力不正常。檢查壓力是過大還是過小，J39-1250 機械壓力機正常的平衡器壓力在0.33 MPa左右。同時注意氣源管道要設置分離水裝置，避免對管路、氣動元件造成銹蝕，以降低維護成本。

（3）液壓保護電機不工作。檢查電機空開是否跳閘。

（4）液壓保護壓力傳感器或者卸荷限位不靈敏或損壞。電磁閥或壓力繼電器損壞。維修時注意不要把雜物帶入系統(tǒng)裝置內(nèi)，元件安裝前應擦拭干凈，避免出現(xiàn)因部分元件堵塞而導致系統(tǒng)不能正常工作。

（5）線路虛接或斷路故障等。因滑塊內(nèi)部空間狹窄，維修和日常保養(yǎng)時要注意不要踩踏線路[6]。

4 結束語

液壓保護裝置因其優(yōu)越性在機械壓力機中廣泛應用，可靠地解決了滑塊在過載時可能損壞設備或模具的問題，而且過載后恢復快、操作方便，相對老式的剛性過載保護方式較為復雜，只有掌握其結構、工作原理以及正確的操作方式，才能更好地發(fā)揮液壓保護裝置的作用，在日常的應用中要定期檢查，做好維護保養(yǎng)，以提高液壓保護裝置運行的穩(wěn)定性。