鍛造液壓機(jī)液壓伺服電機(jī)的研究

鍛造液壓機(jī)液壓伺服電機(jī)的研究

生產(chǎn)液壓機(jī)通常有兩種類型：泵連接和泵直接傳輸油數(shù)。油泵直接傳動(dòng)比水泵——蓄勢(shì)器傳動(dòng)效率高,同時(shí)液壓機(jī)加壓速度不受鍛件變形抗力的影響,較容易實(shí)現(xiàn)與操作機(jī)的同步運(yùn)轉(zhuǎn)。除舊式鍛造液壓機(jī)及部分巨型鍛造液壓機(jī)組仍沿用水泵——蓄勢(shì)器傳動(dòng)外,多數(shù)為油泵直接傳動(dòng)。二、液壓系統(tǒng)的特性油泵直接傳動(dòng)鍛造液壓機(jī)主要用于鍛造高合金鋼及特殊金屬鍛件,一般要求具有較高的鍛造次數(shù)和鍛件尺寸控制精度,因此對(duì)液壓伺服系統(tǒng)有一定的要求:(1)在計(jì)算機(jī)控制下,能實(shí)現(xiàn)壓機(jī)在較小行程下的快速循環(huán),即快速鍛造;(2)壓機(jī)在較高鍛造次數(shù)下,液壓系統(tǒng)的沖擊、振動(dòng)應(yīng)控制在最小范圍內(nèi),即系統(tǒng)在高壓大流量、工作循環(huán)次數(shù)較高的狀態(tài)下,能安全、正常、穩(wěn)定工作;(3)壓機(jī)的活動(dòng)部分在工作轉(zhuǎn)換瞬間對(duì)基礎(chǔ)的沖擊和振動(dòng)應(yīng)較小。鍛造液壓機(jī)的液壓伺服系統(tǒng)不論采用何種傳動(dòng)形式,基本回路的構(gòu)成均相似,其性能主要由主控元件決定。在一定流量下,鍛造液壓機(jī)的快速性和平穩(wěn)性主要受主控元件的開啟特性影響,即系統(tǒng)主缸、回程缸的進(jìn)、排液速度及其規(guī)律的影響。實(shí)際應(yīng)用表明,為了減少壓力沖擊,使壓機(jī)動(dòng)作平穩(wěn),主缸、回程缸的進(jìn)液過程應(yīng)滿足先慢后快再慢的過程,如圖1a所示;應(yīng)使主缸卸荷過程為先慢后快,如圖1b所示。主缸、回程缸進(jìn)排液過程按正弦曲線組合,可使壓機(jī)動(dòng)作快速而平穩(wěn)。三、液壓系統(tǒng)的控制部分鍛造液壓機(jī)噸位大,液壓系統(tǒng)工作在高壓、大流量狀態(tài)下,要求液壓系統(tǒng)控制精度高、壓力沖擊小、以及節(jié)能等。因此國(guó)內(nèi)外對(duì)鍛造液壓機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了廣泛研究,并逐漸形成了以下幾種典型的傳動(dòng)形式。(1)滑閥為主控閥的系統(tǒng),這類系統(tǒng)由Pahnke——三菱長(zhǎng)崎機(jī)工株式會(huì)社研制。主控滑閥V1(圖2,以20MN壓機(jī)為例)為大型2/3位專用5通滑閥,換向時(shí)中間位置不停為2位滑閥;中間位置停就是3位滑閥,其中間位置為O型機(jī)能?；y由伺服閥直接驅(qū)動(dòng),在壓機(jī)手動(dòng)操作時(shí),伺服閥由控制臺(tái)上的手柄控制,主控滑閥V1的動(dòng)作大小、快慢等與控制臺(tái)上的操作手柄動(dòng)作成對(duì)應(yīng)關(guān)系,而在自動(dòng)鍛造時(shí)則取決于設(shè)定值。主控滑閥V1完成液壓系統(tǒng)主要流量的分配,其它輔助閥完成鍛造過程中液體的分流;調(diào)節(jié)V1某一通道的相角超前,可改善V1的流量梯度,有目的地降低傳動(dòng)剛度,減少上下轉(zhuǎn)換點(diǎn)位置超程,有效減少液壓沖擊,使壓機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)。(2)三級(jí)插裝閥(邏輯閥)為主控閥的系統(tǒng),這類系統(tǒng)是應(yīng)用最為廣泛的系統(tǒng),Towler,SMS,SPA及華中科技大學(xué)與蘭州石油機(jī)器總廠,以及西安重型機(jī)器研究所研制的系統(tǒng)均屬此類。二級(jí)插裝閥是采用先導(dǎo)電磁閥直接控制主閥的啟閉,由于先導(dǎo)電磁閥的額定流量有限,對(duì)于大規(guī)格的主閥啟閉時(shí)間超過1000ms,無法滿足高壓大流量的要求,而三級(jí)插裝閥組件,最突出的優(yōu)點(diǎn)是能在極短的時(shí)間內(nèi)平穩(wěn)地開啟和關(guān)閉,因此在鍛造液壓機(jī)中采用三級(jí)插裝閥組件來滿足液壓系統(tǒng)的大流量、快速換向的工作要求。圖3為三級(jí)插裝閥的工作原理。當(dāng)電磁球閥3斷電時(shí),先導(dǎo)插裝閥2關(guān)閉,主閥1也跟著快速關(guān)閉。當(dāng)球閥3通電時(shí),閥2快速開啟,于是主閥1快速開啟。閥2和閥1的行程調(diào)節(jié)器與液阻可以改變閥2的啟閉速度與閥1的控制腔排油量,從而能夠控制主閥啟閉的平穩(wěn)性,減緩液壓系統(tǒng)的換向沖擊。對(duì)于進(jìn)液閥組,形成先慢后快再慢的主閥開啟曲線;對(duì)于主缸卸荷閥組,與阻尼閥配合使用,使主閥卸荷時(shí)開啟先慢后快。(3)正弦泵傳動(dòng)系統(tǒng),這類系統(tǒng)由德國(guó)Pahnke公司研制。圖4是正弦泵的控制原理圖。這種泵由伺服閥通過伺服油缸來驅(qū)動(dòng)定子按一定規(guī)律偏擺,泵按所需曲線輸出流量,泵的實(shí)際偏轉(zhuǎn)位置由反饋傳感器檢測(cè),并構(gòu)成位置閉環(huán)控制。因此泵的流量能按給定規(guī)律連續(xù)變化,對(duì)于排量為505L/min的泵,流量從0～100%的轉(zhuǎn)換時(shí)間為65ms。(4)比例閥傳動(dòng)系統(tǒng),這類系統(tǒng)由華中科技大學(xué)與蘭州石油機(jī)器總廠研制,代表泵直接傳動(dòng)鍛造液壓機(jī)的最新技術(shù)水平。大通徑比例閥由比例電磁鐵、先導(dǎo)液壓控制橋路及插裝式功率級(jí)主閥等組成。如圖5所示,一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的比例節(jié)流閥作為先導(dǎo)控制閥,主閥芯上的窄槽與閥套內(nèi)側(cè)節(jié)流棱邊在閥的進(jìn)口與主閥芯上部容腔之間形成可變節(jié)流口,隨主閥芯的開啟而變化,提供內(nèi)部位置反饋。當(dāng)先導(dǎo)閥打開后,主閥上部容腔中壓力降低,主閥芯在液壓力作用下上移,通過反饋液阻的流量隨著主閥芯位移x的增大而增大,直至平衡位置。如果先導(dǎo)閥流量減少,則主閥芯力平衡被打破而主閥芯向下運(yùn)動(dòng),減小窄槽面積并減小進(jìn)入上腔的流量,直到恢復(fù)力平衡為止。主閥芯位移僅取決于比例電磁鐵的輸入電流。閥的控制流量返回到主閥出口,因此該閥的能量效益高;由于沒有內(nèi)部電反饋回路,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,成本效益高,使用維護(hù)方便;同時(shí)主閥芯位置受一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)控制,該閥的動(dòng)態(tài)控制效果好。四、電液比例控制系統(tǒng)(1)滑閥式控制系統(tǒng)采用一大型滑閥來控制系統(tǒng)的流量和方向,同時(shí)采用多個(gè)輔助閥完成鍛造過程中液體的分流,系統(tǒng)的控制基本上近似于繼電器控制。該滑閥組成的液壓機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)單,類似一般滑閥控制系統(tǒng),滑閥行程有閉環(huán)控制回路。雖然滑閥系統(tǒng)已成功地應(yīng)用于大型液壓機(jī)組,但大流量液體在閥口和腔室間的節(jié)流沖刷,造成系統(tǒng)能量損失大、發(fā)熱嚴(yán)重、閥口易損壞,同時(shí)更換滑閥成本高,系統(tǒng)壓力波動(dòng)大,平穩(wěn)性差。從耐振、耐沖擊、耐久性以及減漏損方面來看,滑閥系統(tǒng)的適應(yīng)性已達(dá)極限。(2)三級(jí)插裝閥控制采用多個(gè)不同通徑的插裝閥組成不同級(jí)別的系統(tǒng),并能按工藝需要靈活調(diào)整和控制。由于邏輯元件具有動(dòng)作時(shí)間短、成本低,密封可靠、制裝簡(jiǎn)單、系統(tǒng)緊湊、標(biāo)準(zhǔn)零件的維修更換比較方便、便于控制等優(yōu)點(diǎn),所以邏輯閥系統(tǒng)得到了普遍應(yīng)用與發(fā)展。但由于系統(tǒng)為開關(guān)控制模式,油缸壓力波動(dòng)較大,系統(tǒng)壓力沖擊較大,調(diào)試?yán)щy,故障檢查比較復(fù)雜。(3)正弦泵控制系統(tǒng)采用多個(gè)相同或不同規(guī)格的正弦泵組成系統(tǒng)。由于正弦泵是一種可逆回轉(zhuǎn)式徑向柱塞變量泵,泵的排油方向可以在排量為0時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換,由正弦泵傳動(dòng)的鍛造液壓機(jī)的加壓速度隨泵的排量變化而變化,而加壓和回程的方向變換由泵本身的轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn),不需要其它液壓系統(tǒng)常用的充液閥和換向閥。因此壓機(jī)上升下降、加壓和回程轉(zhuǎn)換時(shí)沒有沖擊,完全消除系統(tǒng)中因壓力沖擊引起的振動(dòng);同時(shí),由于不用充液閥和換向閥,省去了大部分的操縱和控制液壓閥,減少了這些閥門加壓、卸壓時(shí)間及節(jié)流的能量耗損,大大提高了傳動(dòng)效率,不僅增加了每分鐘的行程次數(shù),而且減少了維修工作,提高了運(yùn)轉(zhuǎn)率。壓機(jī)壓下與回程動(dòng)作及其速度與泵的排量精確地成比例,因而壓機(jī)反應(yīng)靈敏,控制精度高;同時(shí)由于泵的排量可變,使用多臺(tái)泵組合可得到適合于不同鍛造工藝的運(yùn)動(dòng)曲線。其缺點(diǎn)是這種系統(tǒng)的成本與使用維護(hù)費(fèi)用高。(4)大通徑比例閥控制系統(tǒng)采用多個(gè)比例閥來組成系統(tǒng),系統(tǒng)的控制完全由計(jì)算機(jī)進(jìn)行,通過壓力與位移反饋進(jìn)行修正即可獲得滿意的加載及卸載曲線,完全排除了人為調(diào)節(jié)因素的影響,使得調(diào)試過程從傳統(tǒng)的人工定性調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)定量控制;由于采用電液比例控制技術(shù),輸出信號(hào)按預(yù)定規(guī)律變化,連續(xù)成比例地調(diào)節(jié)主缸、回程缸的進(jìn)、排油,在不同動(dòng)作之間能平穩(wěn)過渡,有效地減弱了沖擊與振動(dòng)強(qiáng)度,有利于提高鍛造次數(shù)與控制精度,不僅改善了系統(tǒng)的控制性能,而且簡(jiǎn)化了液壓系統(tǒng),提高了可靠性。圖6是這幾種鍛造液壓機(jī)的運(yùn)動(dòng)曲線對(duì)比。正弦泵控制系統(tǒng)和比例閥控制系統(tǒng)不僅能控制液流的流量,而且能控制流量的大小,因此系統(tǒng)能平穩(wěn)無沖擊地運(yùn)轉(zhuǎn),同時(shí)由于壓機(jī)的回程速度可按操作機(jī)的性能調(diào)整,上死點(diǎn)不需停滯時(shí)間,行程較小,因此工作周期短;而滑閥控制系統(tǒng)和應(yīng)用較廣的多級(jí)插裝閥