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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源： 1．河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 2．安陽鍛壓機(jī)械工業(yè)有限公司，			點擊數(shù)：
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文章編號：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．安陽鍛壓機(jī)械工業(yè)有限公司，河南安陽455000)
摘要：闡述了液壓模鍛錘的結(jié)構(gòu)及工作原理。通過動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)，同時為實現(xiàn)模鍛錘運行過程的精確控制提供了理論參考。并對
錘頭速度、位移、動能變化情況進(jìn)行了試驗仿真，通過仿真分析為其進(jìn)一步實現(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：TG315 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：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
基金項目：河南省重點攻關(guān)研究資助項目(0721022lO005)
收稿日期：2009—10—20
作者簡介：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裝置、總線
數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)及閥控信號等由硬件控制直接連接在
一起，對油缸進(jìn)行線性位置檢測，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
油缸實行控制，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，
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
在快速鍛造液壓機(jī)行業(yè)，從國內(nèi)的技術(shù)水平看，
幾個處于行業(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
單，容易實現(xiàn)機(jī)械化和自動化。液壓模鍛錘作為蒸一
空模鍛錘的升級換代產(chǎn)品，具有能量利用率高、節(jié)約
能源、節(jié)約投資、便于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點，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。由他們設(shè)計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
家標(biāo)準(zhǔn)制定單位和二通插裝閥產(chǎn)品研發(fā)單位，對二
通插裝閥結(jié)構(gòu)和控制性能更有獨到的見解。在快速
鍛造液壓機(jī)的控制系統(tǒng)中，配套使用德國力士樂的
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．新編液壓工程手冊【M】．北京：北京理工大學(xué)出版社，
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[2】徐灝．機(jī)械設(shè)計手冊第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，
錘頭的多余能量造成了上下錘頭的對擊，引起錘體
劇烈振動，造成連接部位松動，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，具有十分重要的實際意義[5-6／。
2 液壓模鍛錘原理
液壓模鍛錘自動化程度高，打擊不同的工件時，
只需稍微改變設(shè)置即可實現(xiàn)。模鍛錘液壓缸上腔為
無桿腔，下腔為有桿腔，是上下腔雙作用的單活塞桿
液壓缸，通過控制上腔壓強來實現(xiàn)錘頭的運動。
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)
各部分組成一個有機(jī)聯(lián)系的整體。液壓系統(tǒng)動力元
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，油壓由油泵和蓄
能器及差動回路聯(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，打擊閥使上下腔連通，靠液壓缸有桿下
腔和無桿上腔面積差實現(xiàn)錘頭快速運動。通過對打
擊閥的控制實現(xiàn)錘頭的提錘、懸錘、打擊、放錘等機(jī)
械動作。
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是通過改變節(jié)流截面或節(jié)流長度
以控制液壓油流量，在對模時此閥可以實現(xiàn)錘
頭微動；蓄能器6是液壓系統(tǒng)中的一種能量儲
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，液
壓系統(tǒng)瞬時壓力增大，蓄能器可以吸收這部分
的能量，轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w壓縮能儲存起來，當(dāng)提錘
和打擊閥開啟，上腔進(jìn)油時，又將氣體壓縮能
轉(zhuǎn)變?yōu)橛蛪耗?，實現(xiàn)系統(tǒng)能量的暫時儲存及釋
放，保證整個系統(tǒng)壓力正常。打擊閥7采用二
位三通一進(jìn)一出常開式換向電磁閥，通電時油
路開啟向油缸上腔進(jìn)油，準(zhǔn)備打擊，斷電時出
油用以卸荷，迅速提錘，通過控制其進(jìn)油路開
啟時間來實現(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)工藝隨時調(diào)整打擊次
數(shù)和打擊能量，控制系統(tǒng)通過控制電磁閥的通斷，可
以實現(xiàn)提錘、打擊、懸錘等各種動作循環(huán)，也可以實
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，液壓模鍛錘工作過程主要包
括以下幾方面：
(1)啟動油泵
按啟動按鈕，電機(jī)帶動油泵啟動，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)油路開啟，來自油泵、蓄能器以
及通過差動回路引來的下腔油的高壓油進(jìn)入上腔，
實現(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，將觸動限
位開關(guān)，停止提錘。
(4)懸錘
打擊工序完畢，裝入下一工件
時，打擊閥不通電，靠下腔油和蓄能
器平衡油壓實現(xiàn)懸錘。同時錘頭設(shè)
有安全銷，以防事故和意外打擊的發(fā)生。
3 液壓缸模型的試驗分析
打擊能量對于液壓模鍛錘來說是最重要的參數(shù)
之一，不僅是機(jī)械設(shè)計要實現(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。考慮模鍛錘的實際工
作環(huán)境，由能量守恒定律對活塞進(jìn)行受力分析。液壓
缸活塞的總受力由液壓缸上腔對活塞的力 、下腔
對活塞的力 、油液對活塞的阻力／以及活塞桿上
外加負(fù)載 組成。它們的計算式如下：
= A 2
4lt"1
(其方向為錘頭運動方向的反方向)
F合= 一 于 (1)
由動量定理得液壓缸活塞的運動方程：
F合t=M V~=MX (2)
由式(1)、(2)得液壓模鍛錘的液壓缸活塞運動
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；
試驗仿真
利用MATLAB／Simulink仿真軟件，根據(jù)式(3)
了液壓缸運動時的非線性模型， 實現(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，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，通過添加示波器可以方便的觀察上下腔壓強以
及液壓缸活塞位置和速度輸出隨時間的變化的情
況。輸入信號為一系列階躍信號，液壓缸上腔的壓強
P E變化如圖4所示。液壓缸下腔壓強P下始終為
IOMPa，如圖5所示。由上下腔壓強的變化引起的錘
頭運動速度變化情況如圖6所示，錘頭位置移動情
況如圖7所示，錘頭的動能如圖8所示。設(shè)定錘頭向
下運動的位移和速度為正方向。
圖4 上腔壓強
圖5 下腔壓強
圖6 錘頭速度
圖7 錘頭位移
圖8 錘頭動能
參見圖4～圖8所示試驗結(jié)果， 可以作如下分
析：
(1)從0到20時刻上腔壓強為9MPa，下腔壓強
為10MPa，P上A 2__Fe=P下A ，這時活塞受力平衡，錘
頭速度為0，處于靜止?fàn)顟B(tài)。圖8可以看出此段時刻
錘頭的動能為0。
(2)從20到70時刻上腔壓強變?yōu)?MPa，活塞
受的合外力方向向上，錘頭由平衡狀態(tài)位置開始向
上提錘，速度由0變?yōu)橐?m／s，錘頭向上移動了
2OOmm。圖8可看出此段時刻錘頭的動能為240OJ。
(3)90到120時刻上腔壓強升為19MPa，活塞
受的合外力方向向下，活塞加速向下運動，錘頭速度
由0變?yōu)?．7m／s，錘頭向下移動了2OOmm，回到初始
位置。圖8可以看出此段時刻錘頭的動能為66OOJ。
(4)在140到190時刻上油腔壓強為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可以看出此段時刻錘頭的動能為
24OOJ。
(5)從70到90時刻，120到140時刻，190到
200時刻，上油腔壓強都為9MPa，活塞受力平衡，活
塞靜止，速度為O。圖8可以看出此段時刻錘頭的動
能為0。
4 結(jié)束語
對液壓模鍛錘工作原理進(jìn)行研究，建立了液壓
缸的運動模型。通過對液壓模鍛錘打擊過程運行狀
態(tài)進(jìn)行仿真分析，為模鍛錘設(shè)計提供了參數(shù)依據(jù)，降
低了開發(fā)成本，為實際運行中設(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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