高性能鍛造操作機液壓控制系統技術原理

陳柏金

（華中科技大學 材料科學與工程學院，湖北 武漢 430074）

鍛造操作機與快速鍛造液壓機組成機組，一人操作，實現自由鍛造生產的機械化和自動化。鍛造操作機不僅用來夾持鍛件，實現鍛造過程中鍛件的送進、翻轉等動作，而且完成行走位置、旋轉角度等控制，并且與快速鍛造液壓機一起進行聯動控制。

鍛造操作機采用全液壓驅動，車體行走、夾鉗旋轉使用液壓馬達實現，鉗口夾持、鉗桿升降、鉗桿傾斜、鉗桿側移、鉗桿側擺和緩沖等各種動作使用液壓油缸實現，液壓系統的性能決定了操作機的性能指標、故障率等。

鍛造操作機的液壓控制系統需滿足能耗低、響應速度快、動作平穩、控制精度好、可靠性高等技術要求，經過幾十年的技術進步，相關技術已基本成熟，形成了各具技術特點的鍛造操作機產品。

1 泵并聯與蓄能器同時供液

泵控制液壓回路為鍛造操作機液壓系統提供動力。DDS、GLAMA、ZDAS 等鍛造操作機主泵均采用恒壓控制變量泵，多個主泵單元出口油路并聯工作，即使在一個泵單元發生故障的情況下，鍛造操作機也能工作。

主泵出口油路均配置大容量蓄能器組，在鍛造操作機沒有動作時主泵為蓄能器組充液，有動作時主泵與蓄能器組同時為執行機構供液，不僅能提高鍛造操作機的動作響應速度與控制性能，而且可降低系統的裝機功率、緩沖動作過程中的壓力沖擊。

圖1 為DDS 600kN 鍛造操作機主泵控制液壓回路原理圖。

圖1 DDS 600kN 鍛造操作機主泵控制液壓回路原理圖

鍛造操作機主泵采用兩臺恒壓控制變量泵并聯工作方式，閥V1 同時控制兩臺主泵卸荷，兩臺主泵的出口連通在一起，為鍛造操作機動作及控制提供壓力油源。

系統中配置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動作過程中的液壓沖擊；閥V2 得電，蓄能器與主泵一起提供壓力油，提高操作機動作的響應速度，并緩沖壓力沖擊。

操作機比例閥等控制油直接從主泵出口油路引出，并配置蓄能器對其進行穩壓。

圖2 為GLAMA 250kN 鍛造操作機主泵控制液壓回路原理圖。

圖2 GLAMA 250kN 鍛造操作機主泵控制液壓回路原理圖

采用一臺電動機帶動3 臺串聯在一起的液壓泵，其中排量為190ml/r 的液壓泵為恒壓控制變量主泵，為操作機動作提供動力；排量為50.7ml/r 的液壓泵為低壓補液泵，為操作機提供低壓油液；排量為12ml/r 的液壓泵為保壓泵，為操作機夾鉗夾緊提供保壓壓力油。操作機主泵通過V1、V2 閥進行卸荷；低壓補液泵通過V3 閥卸荷，且出口設有蓄能器，保證低壓補液流量。

操作機的兩組主泵均并聯工作，兩臺主泵的出口油液匯集在一起，經單向閥V4 為車體行走蓄能器組充液，經單向閥V5 為其他動作蓄能器組充液，并為操作機系統的所有比例閥提供控制油，這兩組蓄能器通過單向閥V6 隔開，在需要時車體行走蓄能器組可為操作機其他動作供液。

閥V7、V8 分別控制主泵與蓄能器組油液到操作機車體行走回路及其他動作回路的油液通斷，閥V9失電，閥V7、V8 關閉。在進行操作機動作時，閥V9需得電，打開閥V7 及V8，為操作機動作提供動力油源。

2 車體無側隙啟停及行走

鍛造操作機車體行走采用比例控制閥控制液壓馬達，液壓馬達驅動減速機構和鏈輪來實現啟停及行走。

鍛造操作機質量大，生產過程中頻繁啟停，要實現動作平穩、精確定位，需要采用無側隙啟停及行走技術。無側隙啟停及行走原理如圖3 所示。鍛造操作機車體行走前后兩組液壓馬達分開控制，采用液壓及控制技術使相同側的兩個液壓馬達驅動鏈輪與銷齒在不同方向嚙合在一起，在操作機車體定位階段，兩組液壓馬達驅動，另兩組液壓馬達支撐，使操作機車體行走具有較高的定位精度和驅動功率。

圖3 鍛造操作機車體無側隙啟停及行走原理示意圖

具體實現技術有多種，ZDAS 設置專門的控制閥來調節啟停時兩組馬達工作腔的壓力差實現；DDS通過控制比例閥的輸出，使前后兩組馬達產生速度差實現；GLAMA 通過兩組馬達串聯技術實現。

圖4 為DDS 600kN 鍛造操作機車體行走控制液壓回路原理圖。

圖4 DDS 600kN 鍛造操作機車體行走控制液壓回路原理圖

車體行走驅動采用前后兩組液壓馬達，兩組液壓馬達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的旋轉方向和速度，比例閥出口設置插裝式開關閥V2、V3 及V8、V9，保證比例閥出口油路可靠關閉，在車體行走動作時帶電打開。

液壓馬達工作時，高壓腔的溢流閥起安全保護作用，低壓腔通過單向閥V5 和V6、V10 和V11 與低壓補液系統相通，在車體行走停止瞬間為液壓馬達提供反向低壓油，避免液壓馬達吸空。

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

車體行走質量大、速度高，液壓馬達不帶制動器。兩組液壓馬達分開控制，在進行行走啟停及定位控制時，控制系統根據行走速度、方向自動使兩組液壓馬達的控制存在速度差，使行走系統的傳動鏈輪與銷齒條無側隙嚙合，實現平穩啟停及精確定位。

圖5 為GLAMA 250kN 鍛造操作機車體行走控制液壓回路原理圖。

圖5 GLAMA 250kN 鍛造操作機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液壓馬達驅動。兩個液壓馬達串聯在一起，液壓馬達間設置減壓補油、限壓液壓回路，當液壓馬達向一個方向旋轉時，串聯在一起的兩個液壓馬達中前一液壓馬達進出口壓差高、后一液壓馬達進出口壓差低，前一液壓馬達推動后一液壓馬達轉動，使得與兩個液壓馬達連接在一起的傳動鏈輪與銷齒完全嚙合，且兩個鏈輪與銷齒的嚙合方向正好相反，實現行走機構的無側隙傳動。車體行走控制由比例閥V1 實現,V1 的回油回路配有開關閥V2,在車體運動時打開，在車體停止時關閉，保證操作機車體可靠停止。單向閥V5、V6 及壓力閥V7、V8 組成液壓橋式回路，在液壓馬達驅動車體運動時，閥V7、V8 限制液壓馬達行走的最高工作壓力；在操作機車體停止運動瞬間，閥V1 關閉，通過閥V5、V6 從低壓補油系統為液壓馬達反向補油，避免由于閥V1 關閉導致液壓馬達腔室缺油而損壞液壓馬達。閥V3 得電時連通液壓馬達的進、排油回路，在車體停止及開始動作時短時間得電，降低液壓馬達兩腔的壓力差，使車體啟停動作平穩。

3 鉗桿自適應緩沖及升降

鍛造操作機鉗桿懸掛系統的鉗桿平行升降及傾斜液壓回路實現鉗桿的平行升降、上下傾斜動作。鉗桿平行升降、鉗桿傾斜均設有蓄能器緩沖回路，并通過控制閥使動作速度穩定。鉗桿懸掛系統自動適應負載變化，具有鉗桿高度自動緩沖復位功能，使操作機提升機構的動作與壓機同步，如圖6 所示，當壓機以速度V 壓下時，操作機鉗桿以V/2 速度同步下降。

圖6 操作機提升機構自動適應壓機行程示意圖

操作機鉗桿緩沖有兩種方式：

（1）被動緩沖。由與操作機平行升降液壓油缸相通的緩沖蓄能器被動實現，當壓機壓力作用在夾持的坯料上時，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）主動緩沖。操作機控制系統接收壓機控制系統給定的位置信號，在鍛造過程中控制升降液壓油缸主動與壓機的壓下動作同步運動，通過增大或降低平行升降油缸的壓力使其位移與壓機相適應。

4 雙速液壓馬達實現高低速運動

目前，鍛造操作機的行走及旋轉速度指標都較高，如DDS 600kN 操作機車體行走最大速度1000mm/s，鉗口旋轉最大速度25rpm；GLAMA 250kN 操作機車體行走最大速度1000mm/s，鉗口旋轉最大速度26rpm。高速度對應空行程應用場合，如依靠動力部分滿足高速度要求，則裝機功率增大。DDS、GLAMA、ZDAS 均采用雙速馬達實現，如圖4、圖5 所示。如車體行走液壓馬達，一檔最大速度為500mm/s，另一檔最大速度為1000mm/s，工作時控制系統根據操作狀態、運動參數等，通過控制閥來改變雙速液壓馬達的工作狀態，實現兩檔不同的最大速度，兩種速度之間通過軟件斜坡進行平滑過渡。

采用雙速液壓馬達驅動，實現高力矩—低速度，或低力矩—高速度，即小步長扭矩高，加速度增加，動作響應快，大步長扭矩低，速度增加，動作速度快。

5 結語

鍛造操作機早期采用PAHNKE 及SMS 的擺動杠桿結構，國內鍛造操作機的液壓控制原理與PAHNKE 類似；隨著DDS、GLAMA 鍛造操作機大量進入國內市場，目前鍛造操作機多采用平行連桿結構。GLAMA 鍛造操作機具有自身特點，如采用分體驅動等，相關技術只有自己應用，國內鍛造操作機目前廣泛采用DDS 機械結構，液壓控制系統模仿DDS。由于制造成本、市場競爭原因，國內鍛造操作機機械結構與DDS 操作機基本沒有差別，但液壓控制系統、檢測控制元件、控制技術等與DDS 相差很大，DDS、GLAMA 鍛造操作機的一些技術特點國內操作機實現較少，造成國產鍛造操作機的性能、可靠性、使用體驗等與DDS、GLAMA 差別較大。