環鍛壓機對中裝置液壓系統設計及分析

摘要：環鍛壓機對中裝置性能的好壞直接決定了環形鍛件的最終成型質量，文章首先介紹了對中裝置機械結構和控制精度要求，其次根據水平對中機構控制精度要求，提出了比例閥控制液壓系統、分流集流閥控制系統和同步缸控制液壓系統三種控制方式，并對三種控制方式的控制性能展開分析;最后根據豎直舉升機構控制精度要求，提出了雙泵控制液壓系統、分流集流閥控制系統和同步缸控制液壓系統三種控制方式，并對雙泵控制液壓系統的控制性能展開分析。文章提出了多種液壓系統控制方式，可根據實際使用需求進行選擇。

關鍵詞：對中裝置;比例閥控制;分流集流閥控制;同步缸控制

中圖分類號：TG3 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）09-0056-03

0 ?引言

環鍛壓機是為鍛造環形鍛件而設計的具有多工位功能的成套裝備。主要由上料機械裝置、多工位移動工作臺、整體機身、主滑塊、終沖副滑塊、對中裝置、預沖自動擺臂機械裝置、工作臺氧化皮清理裝置、廢料收集裝置等各子系統組成。各子系統之間由可編程控制器PLC結合觸摸屏控制，實現上料、鐓扁、對中、預沖、終沖等鍛造工藝。其中對中裝置對環形鍛件的最終成型質量起著重要的作用。

1 ?對中裝置的機械結構及控制要求

1.1 機械結構介紹

環鍛壓機對中裝置的機械結構如圖1所示，由水平對中機構和豎直舉升機構組成，其中水平對中機構包含左右兩側對中油缸，實現工件在鍛造過程中的水平對中以及夾緊功能;豎直舉升機構包含左右兩側舉升油缸，實現工件夾持后的抬起和落下功能，以及配合移動工作臺移動，實現多工位的轉換。

1.2 對中裝置控制要求

由于水平對中機構和豎直舉升機構的使用功能不同，因此對水平對中油缸和豎直舉升油缸的控制要求也有所區別，具體要求如下：

水平對中油缸的液壓系統控制要求如下：①快速平穩的實現工件的水平對中;②保證工件對中完成后的最終位置與工位中心位置誤差控制在2mm內;③能夠滿足不同規格工件的對中要求和夾持要求。

豎直舉升油缸的液壓系統控制要求如下：①能夠快速平穩的實現對中機構的抬起和落下;②在抬起和落下的運動過程中保證較小的同步誤差，兩側高度誤差控制在15mm內。

2 ?對中裝置液壓系統設計

根據對中裝置水平對中油缸和豎直舉升油缸的控制要求，分別設計了水平對中液壓控制系統和豎直舉升液壓控制系統。下面將分別展開介紹。

2.1 水平對中機構的液壓系統設計

根據水平對中油缸使用工況，需要在兩側對中油缸共同作用下，保證在工件被夾持在指定位置，如果位置偏差超過一定范圍，就會影響后期鍛造精度，主要設計以下幾種液壓控制方式。

2.1.1 比例閥控制的對中液壓系統

圖2所示為比例閥控制的對中液壓系統原理圖。左右兩側電液換向閥分別控制左右兩側水平對中油缸運動，通過控制電液換向閥動作，實現水平對中油缸快速頂出和快速退后，比例閥工作油口分別連通兩側對中油缸的無桿腔，實現工件對中過程的微調;當電液換向閥④控制對中油缸快速頂出接觸到工件后，水平對中油缸無桿腔壓力逐漸升高，當到達壓力繼電器的設定值時，壓力繼電器發訊，進入工件緩慢對中調整過程;由于電液換向閥控制水平對中油缸的運動速度不可控，壓力繼電器發訊時工件所處位置難以確定，需首先讀取對中油缸位移尺數據，判斷工件偏差方向和偏差位移量，最后通過程序控制比例閥⑦動作，實現工件位置的緩慢微調，最終實現工件到達目標位置;當需要夾持抬起時，電磁換向閥⑥得電動作，控制泵來油同時進入兩側對中油缸無桿腔實現工件夾持。

此系統帶有位移傳感器對油缸位置跟蹤比較，通過比例閥調節對中位置，可實現較高的對中位置精度，實際使用中對中位置精度能夠達到±0.2mm。并且在系統有輕微漏損的情況下也能夠照常工作，對中精度不受行程長度及負載大小的影響。

由于此控制系統中使用到比例方向閥、位移傳感器和壓力傳感器等精密元件，對液壓系統的油液的清潔度及現場環境要求較高，同時液壓系統及電控系統也比較復雜，成本較高。

設備維護人員需定期維護液壓系統，對用戶現場液壓維護人員的要求較高。液壓元件出現故障后的解決周期較長。

2.1.2 分流集流閥控制液壓系統

圖3所示為分流集流閥對中液壓系統原理圖。電液換向閥⑥得電動作時，泵來油進入水平對中油缸的無桿腔或者有桿腔，實現對中油缸的快速頂出或快速退回動作;分流集流閥④可實現進入或流出兩側對中油缸無桿腔的流量是均勻的，當油液進入對中油缸無桿腔時，會通過分流集流閥進行分流;當油液流出對中油缸無桿腔時，會通過分流集流閥進行集流;由于分流集流閥和兩側對中油缸存在加工制造誤差，因此要求對中油缸每次退回時，必須回到起始位置，通過接通電液換向閥③消除起始誤差，否則誤差會逐漸累計變大。

如圖4所示，分流集流閥將一路供油分為兩路等量供油，不受輸入輸出壓力的影響。當負載變化時，閥芯④在閥體③中自動滑移，以補償P1與P2壓力的壓差。壓力通過滑閥內部的阻尼孔作用于相反一側滑閥的端面，若P1壓力較高，則相反一端的開口減少，其Q2開口流量相應減少，反之皆然。進口壓力=高壓出口的壓力+開口的壓降。集流閥的同步精度約為5%。同步精度較低，且容易受到油液清潔度和油液溫度干擾。油缸行程對其影響很大，行程越長對中誤差越大，在系統有漏損時誤差會加大最終誤差，要求每次退回至行程末端時必須進行誤差消除，否則誤差會累計。

2.1.3 同步缸控制液壓系統

圖5所示為同步缸對中液壓系統原理圖。電液換向閥④得電動作時，油液進入對中油缸的無桿腔或有桿腔，實現油缸快速頂出或快速退回;當電液換向閥④左側電磁鐵得電時，油液進入同步缸②兩個右腔，推動同步缸活塞往左運動，將同步缸兩個左腔的油液推入兩側對中油缸的無桿腔;當電液換向閥④右側電磁鐵得電時，油液進入兩側對中油缸的有桿腔，對中油缸退回，將對中油缸無桿腔的油液推入同步缸②兩個左腔，推動同步缸活塞往右運動，同時將同步缸兩個右腔的油液通過電液換向閥④返回油箱;對中油缸每次退回時，必須通過接通電磁閥③，確保兩側對中油缸回到起始位置，并在起始位置安裝一個行程開關⑤做判斷。

同步缸是一種單桿多活塞液壓缸，它最大的優點在于其同步精度不受系統壓力、流量及負載等各種因素的影響。并且由于同步缸不存在同步誤差，成本較低、維修方便。同步缸控制精度與執行元件的加工精度及調試有很大關系，要求調試初期同步缸、管路及執行元件內氣體必須排凈，并且保證液壓管路的密封良好，不得存在漏損。一般調試完成后的對中精度比較理想。

2.2 豎直舉升機構的液壓系統設計

根據舉升缸的使用工況，需要保證在舉升及落下過程中保持基本同步，如果左右兩側舉升缸的運行同步誤差超過一定的范圍，就會導致舉升及落下過程中工件的偏斜，嚴重的會導致工件的滑落，主要設計以下幾種液壓控制方式。

2.2.1 雙泵控制液壓系統

圖6所示為舉升缸雙泵液壓系統原理圖，采用雙出軸電機驅動兩個相同型號的液壓泵實現同步控制，但是負載壓力波動會影響液壓泵的內泄，因此采用兩泵方案實現調速比較困難。

本系統采用雙出軸電機加兩臺同型號液壓泵的控制方式，雙出軸電機驅動可以保證泵的同步轉動，但考慮同型號泵的排量也有偏差，所以選用手調變量泵，調試初期可對泵的排量進行微調，使兩泵排量盡可能保持一致。但是使用過程中，由于負載壓力波動會影響液壓泵的內泄，并且電磁閥的換向也不可能到達完全一致，還是會導致較大的誤差。控制的精度約為3%。

2.2.2 分流集流閥控制液壓系統

豎直舉升缸使用分流集流閥控制液壓系統與控制水平對中油缸的原理一致，此處不再詳細描述。

2.2.3 同步缸控制系統

豎直舉升缸使用同步缸控制液壓系統與控制水平對中油缸的原理一致，此處也不再詳細描述。

3  結論

文章首先介紹了水平對中油缸的3種控制方式，其中比例閥對中控制液壓系統的精度最高，但是成本較高、控制較為復雜，同時維護成本較高，適用于對中精度要求較高的場合;分流集流閥控制液壓系統最為簡單，但是精度較差，適用于行程較短，對中精度要求不高的工況;同步缸控制系統在系統成本、故障率及維修效率上能夠達到一個比較理想的要求，適應較為惡劣的工況，在對中精度要求不是很高的情況下可以優先考慮。

其次，文章介紹了豎直舉升缸控制液壓系統，由于豎直舉升缸的行程一般都不大，且控制精度要求較低，所以提出的3種液壓系統控制方式都可以滿足使用要求。但是在行程超過500mm時，盡量避免選用分流集流閥控制系統。在初期調試較好且系統泄露控制較好的情況下，同步缸控制液壓系統控制效果最好。

參考文獻：

[1]郝鐵文，殷文齊，陳舉慶，等.多工位環鍛油壓機液壓系統設計[J].一重技術，2012（3）：4-6.

[2]郝鐵文，劉統珂.環件生產與多工位環件坯料成型液壓機[J].一重技術，2012（1）：17-20.

[3]于曉紅.我國鍛壓行業近況及前景淺析[J].鍛壓裝備與制造技術，2011（5）：14-16.

[4]劉振堂.我國鍛壓機械行業現狀概況[J].鍛壓裝備與制造技術，2011（4）：9-15.

作者簡介：關鋒（1980-），男，山西長治人，碩士，講師，研究方向為機械設計。