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液壓模鍛錘液壓控制系統(tǒng)研究

文檔作者：劉軍張銀娟劉福海文檔來(lái)源： 1．河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 2．安陽(yáng)鍛壓機(jī)械工業(yè)有限公司，		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年07月20日
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文章編號(hào)：1672—0121(2010)01—0068—04
液壓模鍛錘液壓控制系統(tǒng)研究
劉軍 ，張銀娟t，劉福海z
(1．河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南鄭州450002；
2．安陽(yáng)鍛壓機(jī)械工業(yè)有限公司，河南安陽(yáng)455000)
摘要：闡述了液壓模鍛錘的結(jié)構(gòu)及工作原理。通過(guò)動(dòng)量定理建立了全液壓模鍛錘液壓缸的數(shù)學(xué)模型，為
設(shè)定打擊能量和打擊次數(shù)的大小提供了依據(jù)，同時(shí)為實(shí)現(xiàn)模鍛錘運(yùn)行過(guò)程的精確控制提供了理論參考。并對(duì)
錘頭速度、位移、動(dòng)能變化情況進(jìn)行了試驗(yàn)仿真，通過(guò)仿真分析為其進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)模鍛錘打擊工序和打擊能量
的數(shù)控化和柔性化奠定了基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：機(jī)床技術(shù)；液壓系統(tǒng)；模鍛錘；數(shù)值模擬；仿真
中圖分類號(hào)：TG315 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B
1 引言
模型鍛造是金屬在外力作用下產(chǎn)生塑性變形并
基金項(xiàng)目：河南省重點(diǎn)攻關(guān)研究資助項(xiàng)目(0721022lO005)
收稿日期：2009—10—20
作者簡(jiǎn)介：劉軍(1952一)，男，教授，從事數(shù)控技術(shù)、先進(jìn)制造技術(shù)的
教學(xué)和研究
出參數(shù)進(jìn)行控制。這一控制可由軟件控制，也可由硬
件控制。將高精度磁致伸縮線性位移檢測(cè)裝置、總線
數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)及閥控信號(hào)等由硬件控制直接連接在
一起，對(duì)油缸進(jìn)行線性位置檢測(cè)，并與高頻響插裝閥
控制系統(tǒng)、高頻響比例閥控系統(tǒng)、電控系統(tǒng)相結(jié)合對(duì)
油缸實(shí)行控制，以達(dá)到精鍛的工藝要求?？刂聘哳l響
液壓功率放大回路和卸壓緩沖回路的調(diào)節(jié)特性，將
有效減輕換向沖擊，甚至完全避免換向沖擊。同時(shí)，
提高了鍛造頻率、鍛件精度，油缸行程控制精度可
達(dá)士1mm-2mm。
4 結(jié)束語(yǔ)
在快速鍛造液壓機(jī)行業(yè)，從國(guó)內(nèi)的技術(shù)水平看，
幾個(gè)處于行業(yè)先進(jìn)水平的單位有：濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)
充滿模膛而獲得鍛件的方法。模鍛件尺寸精度高，機(jī)
械加工余量小，鍛件的纖維組織分布更為合理，可進(jìn)
一步提高零件的使用壽命。模鍛生產(chǎn)率高，操作簡(jiǎn)
單，容易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化。液壓模鍛錘作為蒸一
空模鍛錘的升級(jí)換代產(chǎn)品，具有能量利用率高、節(jié)約
能源、節(jié)約投資、便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)
用較多的一種模鍛設(shè)備 。
械研究所、西安重型機(jī)械研究所、蘭州石化機(jī)械研究
所等。由他們?cè)O(shè)計(jì)制造的電液控制系統(tǒng)均具有較高
的水平。濟(jì)南鑄鍛機(jī)械研究所作為二通插裝閥的國(guó)
家標(biāo)準(zhǔn)制定單位和二通插裝閥產(chǎn)品研發(fā)單位，對(duì)二
通插裝閥結(jié)構(gòu)和控制性能更有獨(dú)到的見(jiàn)解。在快速
鍛造液壓機(jī)的控制系統(tǒng)中，配套使用德國(guó)力士樂(lè)的
快速響應(yīng)閥和濟(jì)南鑄鍛所的大流量、帶典型功率放
大回路和卸壓緩沖回路的高頻響插裝閥系統(tǒng)，在精
整鍛造和高換向頻率的電氣控制小閉環(huán)控制方面，
取得了良好效果。
【參考文獻(xiàn)】
[1] 雷天覺(jué)．新編液壓工程手冊(cè)【M】．北京：北京理工大學(xué)出版社，
l998．
[2】徐灝．機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)第5卷【M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998．
Electricity-liquid Control System of Quick-forge Hydraulic Machine
LI Guoliang，MEI Liye，LI W ei
(Jinan Found~ ＆ Metalforming Machinery Research Institute，Jinan 250022，Shandong China)
Abstract：The structural characteristics of the electricity——liquid control system in quick-forge hydraulic
hine have been introduced as well as its application in the forging production．
Keywords：Liquid transmission and control；Electricity—liquid control；Hydraulic machine
但是液壓模鍛錘也存在故障率較高，可靠性較
差，噪聲嚴(yán)重等問(wèn)題，其原因主要是打擊能量不可控
制。當(dāng)工件變形所吸收的能量小于錘頭打擊能量時(shí)，
錘頭的多余能量造成了上下錘頭的對(duì)擊，引起錘體
劇烈振動(dòng)，造成連接部位松動(dòng)，引發(fā)疲勞斷裂。所以
建立全液壓模鍛錘液壓缸的數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)打擊能
量的精確控制，可提高液壓模鍛錘的可靠性和能量
有效利用，具有十分重要的實(shí)際意義[5-6／。
2 液壓模鍛錘原理
液壓模鍛錘自動(dòng)化程度高，打擊不同的工件時(shí)，
只需稍微改變?cè)O(shè)置即可實(shí)現(xiàn)。模鍛錘液壓缸上腔為
無(wú)桿腔，下腔為有桿腔，是上下腔雙作用的單活塞桿
液壓缸，通過(guò)控制上腔壓強(qiáng)來(lái)實(shí)現(xiàn)錘頭的運(yùn)動(dòng)。
2．1 模鍛錘液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
液壓模鍛錘液壓系統(tǒng)一般是由動(dòng)力元件、執(zhí)行
元件、控制元件、工作介質(zhì)和輔助裝置組成的，系統(tǒng)
各部分組成一個(gè)有機(jī)聯(lián)系的整體。液壓系統(tǒng)動(dòng)力元
件為液壓泵，工作介質(zhì)為油；執(zhí)行元件為單桿雙作用
液壓缸，其上下腔均采用油壓驅(qū)動(dòng)，油壓由油泵和蓄
能器及差動(dòng)回路聯(lián)合控制，液壓缸下腔始終連通蓄
能器，控制系統(tǒng)只對(duì)液壓缸上腔控制；控制元件為液
壓閥；輔助裝置包括蓄能器、濾油器、油箱、熱交換
器、油管、管接頭、壓力表等。液壓模鍛錘液壓系統(tǒng)結(jié)
構(gòu)如圖1所示。
打擊時(shí)，打擊閥使上下腔連通，靠液壓缸有桿下
腔和無(wú)桿上腔面積差實(shí)現(xiàn)錘頭快速運(yùn)動(dòng)。通過(guò)對(duì)打
擊閥的控制實(shí)現(xiàn)錘頭的提錘、懸錘、打擊、放錘等機(jī)
械動(dòng)作。
溢流閥4是一種液體壓力控制閥，在模鍛錘液
壓系統(tǒng)中主要起定壓溢流作用和安全保護(hù)作
用；節(jié)流閥5是通過(guò)改變節(jié)流截面或節(jié)流長(zhǎng)度
以控制液壓油流量，在對(duì)模時(shí)此閥可以實(shí)現(xiàn)錘
頭微動(dòng)；蓄能器6是液壓系統(tǒng)中的一種能量?jī)?chǔ)
蓄裝置，與液壓缸下腔相通，它上腔充高壓氮
氣，下腔充液壓油。在錘頭向下快速打擊時(shí)，液
壓系統(tǒng)瞬時(shí)壓力增大，蓄能器可以吸收這部分
的能量，轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w壓縮能儲(chǔ)存起來(lái)，當(dāng)提錘
和打擊閥開(kāi)啟，上腔進(jìn)油時(shí)，又將氣體壓縮能
轉(zhuǎn)變?yōu)橛蛪耗?，?shí)現(xiàn)系統(tǒng)能量的暫時(shí)儲(chǔ)存及釋
放，保證整個(gè)系統(tǒng)壓力正常。打擊閥7采用二
位三通一進(jìn)一出常開(kāi)式換向電磁閥，通電時(shí)油
路開(kāi)啟向油缸上腔進(jìn)油，準(zhǔn)備打擊，斷電時(shí)出
油用以卸荷，迅速提錘，通過(guò)控制其進(jìn)油路開(kāi)
啟時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)打擊能量的精確控制[7-9]。
8
赫赫圈田
圖1 液壓錘的液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
1．油箱2．液壓泵3．電動(dòng)機(jī)4．溢流閥5．節(jié)流閥
6．蓄能器7．打擊閥8．活塞9．活塞桿10．錘頭
1 1．上模具12．下模具13．基座
2．2 液壓模鍛錘的工作原理
液壓模鍛錘根據(jù)鍛件生產(chǎn)工藝隨時(shí)調(diào)整打擊次
數(shù)和打擊能量，控制系統(tǒng)通過(guò)控制電磁閥的通斷，可
以實(shí)現(xiàn)提錘、打擊、懸錘等各種動(dòng)作循環(huán)，也可以實(shí)
現(xiàn)重打和輕打、單打和連打。圖2為液壓模鍛錘控制
系統(tǒng)流程圖。
由圖2可以看出，液壓模鍛錘工作過(guò)程主要包
括以下幾方面：
(1)啟動(dòng)油泵
按啟動(dòng)按鈕，電機(jī)帶動(dòng)油泵啟動(dòng)，溢流閥進(jìn)入212
作狀態(tài)，主油路升壓，液壓油進(jìn)入油缸下腔和蓄能器
下腔，準(zhǔn)備提錘。
(2)打擊
打擊閥通電，進(jìn)油路開(kāi)啟，來(lái)自油泵、蓄能器以
及通過(guò)差動(dòng)回路引來(lái)的下腔油的高壓油進(jìn)入上腔，
實(shí)現(xiàn)錘頭的快速下行。
(3)提錘
打擊閥斷電，上腔接通油箱回
油，上腔卸壓，錘頭立即快速回程。
錘頭升至一定位置即可進(jìn)行打擊或
放錘，錘頭升至最上位置，將觸動(dòng)限
位開(kāi)關(guān)，停止提錘。
(4)懸錘
打擊工序完畢，裝入下一工件
時(shí)，打擊閥不通電，靠下腔油和蓄能
器平衡油壓實(shí)現(xiàn)懸錘。同時(shí)錘頭設(shè)
有安全銷，以防事故和意外打擊的發(fā)生。
3 液壓缸模型的試驗(yàn)分析
打擊能量對(duì)于液壓模鍛錘來(lái)說(shuō)是最重要的參數(shù)
之一，不僅是機(jī)械設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)的主要性能參數(shù)，而且
是數(shù)據(jù)控制的關(guān)鍵所在。所以建立正確的液壓模鍛
錘打擊能量的數(shù)學(xué)模型，對(duì)于該設(shè)備進(jìn)行打擊能量
及打擊次數(shù)的程序控制具有重要意義。
3．1 液壓缸的模型建立
液壓模鍛錘液壓缸是單桿雙作用活塞缸，上下
兩腔的有效工作面積不相等?？紤]模鍛錘的實(shí)際工
作環(huán)境，由能量守恒定律對(duì)活塞進(jìn)行受力分析。液壓
缸活塞的總受力由液壓缸上腔對(duì)活塞的力 、下腔
對(duì)活塞的力 、油液對(duì)活塞的阻力／以及活塞桿上
外加負(fù)載 組成。它們的計(jì)算式如下：
= A 2
4lt"1
(其方向?yàn)殄N頭運(yùn)動(dòng)方向的反方向)
F合= 一 于 (1)
由動(dòng)量定理得液壓缸活塞的運(yùn)動(dòng)方程：
F合t=M V~=MX (2)
由式(1)、(2)得液壓模鍛錘的液壓缸活塞運(yùn)動(dòng)
模型：
寺J(A~P：-A Pl—D —Fs)dt (3)
式中： 一液壓缸活塞及活塞桿質(zhì)量，kg；
A — — 液壓缸有桿腔活塞面積，cm ；
A廠液壓缸無(wú)桿腔活塞面積，cm ；
D 一液壓缸活塞粘性摩擦系數(shù)，Ns／m；
一活塞桿上外加負(fù)載，N；
_— 錘頭位移，mm；
。
— — 錘頭速度，m／s；
試驗(yàn)仿真
利用MATLAB／Simulink仿真軟件，根據(jù)式(3)
了液壓缸運(yùn)動(dòng)時(shí)的非線性模型， 實(shí)現(xiàn)了圖形化
方式下錘頭打擊及回程仿真的參數(shù)化設(shè)計(jì)，如
圖3 仿真結(jié)構(gòu)圖
圖3所示。
本文設(shè)定液壓模鍛錘上腔活塞面積100cmz，下
腔活塞面積A。=80cm ?；钊麠U上外加負(fù)載F~=10ON。
活塞粘性摩擦系數(shù) =2Ns／m。液壓缸活塞、活塞桿
及錘頭質(zhì)量M-3OOkg。采用ode45法進(jìn)行200s的仿
真，通過(guò)添加示波器可以方便的觀察上下腔壓強(qiáng)以
及液壓缸活塞位置和速度輸出隨時(shí)間的變化的情
況。輸入信號(hào)為一系列階躍信號(hào)，液壓缸上腔的壓強(qiáng)
P E變化如圖4所示。液壓缸下腔壓強(qiáng)P下始終為
IOMPa，如圖5所示。由上下腔壓強(qiáng)的變化引起的錘
頭運(yùn)動(dòng)速度變化情況如圖6所示，錘頭位置移動(dòng)情
況如圖7所示，錘頭的動(dòng)能如圖8所示。設(shè)定錘頭向
下運(yùn)動(dòng)的位移和速度為正方向。
圖4 上腔壓強(qiáng)
圖5 下腔壓強(qiáng)
圖6 錘頭速度
圖7 錘頭位移
圖8 錘頭動(dòng)能
參見(jiàn)圖4～圖8所示試驗(yàn)結(jié)果， 可以作如下分
析：
(1)從0到20時(shí)刻上腔壓強(qiáng)為9MPa，下腔壓強(qiáng)
為10MPa，P上A 2__Fe=P下A ，這時(shí)活塞受力平衡，錘
頭速度為0，處于靜止?fàn)顟B(tài)。圖8可以看出此段時(shí)刻
錘頭的動(dòng)能為0。
(2)從20到70時(shí)刻上腔壓強(qiáng)變?yōu)?MPa，活塞
受的合外力方向向上，錘頭由平衡狀態(tài)位置開(kāi)始向
上提錘，速度由0變?yōu)橐?m／s，錘頭向上移動(dòng)了
2OOmm。圖8可看出此段時(shí)刻錘頭的動(dòng)能為240OJ。
(3)90到120時(shí)刻上腔壓強(qiáng)升為19MPa，活塞
受的合外力方向向下，活塞加速向下運(yùn)動(dòng)，錘頭速度
由0變?yōu)?．7m／s，錘頭向下移動(dòng)了2OOmm，回到初始
位置。圖8可以看出此段時(shí)刻錘頭的動(dòng)能為66OOJ。
(4)在140到190時(shí)刻上油腔壓強(qiáng)為3MPa，活
塞受的合外力方向向上，活塞上升提錘2OOmm，速
度為一4m／s。圖8可以看出此段時(shí)刻錘頭的動(dòng)能為
24OOJ。
(5)從70到90時(shí)刻，120到140時(shí)刻，190到
200時(shí)刻，上油腔壓強(qiáng)都為9MPa，活塞受力平衡，活
塞靜止，速度為O。圖8可以看出此段時(shí)刻錘頭的動(dòng)
能為0。
4 結(jié)束語(yǔ)
對(duì)液壓模鍛錘工作原理進(jìn)行研究，建立了液壓
缸的運(yùn)動(dòng)模型。通過(guò)對(duì)液壓模鍛錘打擊過(guò)程運(yùn)行狀
態(tài)進(jìn)行仿真分析，為模鍛錘設(shè)計(jì)提供了參數(shù)依據(jù)，降
低了開(kāi)發(fā)成本，為實(shí)際運(yùn)行中設(shè)定打擊能量的大小
和打擊次數(shù)提供理論依據(jù)； 同時(shí)打擊能量的精確控
制能避免多余打擊的能量，節(jié)能降耗，從而有望大大
提高工作效率，實(shí)現(xiàn)能源的有效利用。
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The Research of Hydraulic Control System for Die Forging Ham mer
LIU Jun ，ZHANG Yinjuan ，LIU Fuhai
(1．Mechanical&amp;amp; Electrical Engineering College，Henan Agricultural University，
Keywords：Hydraulic system ；

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