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第 28 卷 第 5 期 2011 年 10 月邢 台 职 业 技 术 学 院 学 报 Journal of Xingtai Polytechnic CollegeVol.28 No.5 Oct. 2011快锻液压机快锻控制方案设计及仿真研究李 楠，曹世超（邢台职业技术学院 电气工程系，河北 邢台 054035） 摘 要：快锻液压机由于活动横梁运动速度高，主控阀组必须进行频繁、快速的切换，且液压 机运动部分的惯性又相当大，所以往往引起剧烈的液压冲击和机械振动，严重影响液压机的运 行精度和使用寿命。
本文在研究其锻造曲线的基础上对快锻控制工序进行详细的分析，并进行 较全面的快锻 PLC 控制方案设计，利用 PLCSIM V5.4 SP3 软件进行仿真，仿真结果表明 PLC 快 锻控制方案可以达到液压系统的要求。
关键词：快锻液压机；锻造曲线；PLC；仿真 中图分类号：TG315.4 文献标识码：A 文章编号：1008—6129（2011）05—0088—03 一、引言 随着机械工业、国防工业以及航天工业的快 速发展，对优质合金钢、耐热合金钢的需求日益 增长，人们对自由锻件的锻造尺寸精度和生产效 率提出了越来越高的要求，因而对快锻液压机的 锻造速度和压下精度的要求也随之提高[1]。
尤其 是近年来随着信息技术和计算机技术的飞速发 展，人们对锻造液压机的自动化程度和快锻方式 下的控制精度要求越来越高。
这就势必要研制一 套适合快锻液压机的 PLC 控制方案， 使锻件尺寸 精度和锻造速度达到理想要求，从而缩短锻造时 间、节省钢材，获得更好的经济效益。
二、锻造曲线 快锻液压机控制的关键是设计拟合锻压过程 中的锻造曲线，使锻造曲线不因锻造过程负载工 况的不同而出现大的突变点，而且在上、下死点 减速达到平稳过渡。
理想的锻造曲线一般为正弦曲线。
目前，技 术水平最高的是德国潘克公司制造的正弦泵传动 系统，但由于其价格高、维护成本高，国内广泛 应用的是三级插装阀系统和以电液比例插装阀为 主的比例控制系统。
16MN和45MN的快锻液压机组技术附件1、快锻液压机组的组成快锻液压机组主要包括以下几个部分（见示意图1）：压机本体、液压系统、全液式锻造操作机、砧库、送料回转车、地下式升降回转台、电气和计算机控制系统（操纵、显示、监控、故障自断等）、通风、照明、排污、报警等公用设施等。
图1.快锻机组结构示意图（1）压机本体主机主要由机架、工作缸、回程缸、导向装置、上砧夹紧快换装置、上砧旋转装置、移动工作台、横向移砧装置、上下砧、润滑系统、行程检测装置、支架、托板及垫板等组成。
快锻液压机主机结构形式有两种，整体框架双柱式下拉式结构和分体预应力机架双柱斜置上压式结构，16MN和45MN的快锻液压机在结构上的对比如表1所示：表1. 16MN和45MN快锻液压机结构（2）液压系统液压系统主要为快锻液压机工作提供动力源，是为压机吨位大，工作环境温度高，高压大流量，工作频次高，控制精度好，而且适应多种锻造程序和工艺需要，优化性能等条件而设计的。
系统采用油泵直接传动，伺服比例阀控方式。
快锻液压机液压系统主要由主泵系统、主控制系统、辅助控制系统、循环系统、控制系统、检测与排污装置等组成。
不同吨位的快段液压机组的液压系统在布置上有所区别，20MN以下，主泵台数较少，液压系统相对简单，全部布置在地面以下；25MN以上，主泵台数较多，液压系统复杂，全部布置在地面。
表2为16MN和45MN 快段液压机液压系统的基本组成及功能。
表2. 16MN和45MN快段液压机液压系统基本组成及功能（3）全液式锻造操作机全液式锻造操作机是配合主机完成锻造过程的主要辅助设备，主要通过其机械手夹钳所锻铸件，配合主机锻造。
全液式锻造操作机主要有无轨和有轨两种。
目前，国内尚无技术成熟的无轨锻造操作机，主要依靠进口。
国内主要是有轨锻造操作机。
无轨锻造操作机相对于有轨锻造操作机具有占地面机小、操作灵活的特点。
目前，无轨锻造操作机是兰州兰石重工新技术有限公司技术攻关项目。
电液锤、液压机、快锻机和精锻机各自的特点1 电液锤传统蒸汽锤、空气锤能源消耗大，据统计能源利用率不到2%。
为解决蒸汽锤、空气锤存在的问题，国外锻锤设计制造商加快了电液锤的研制步代，取得显著成效。
德国 Lasco公司是世界著名的锻锤制造商。
从电液锤发展历史来看，液压锤经历了从放油打击单动落锤(KH型，称为第1代产品)到放油打击双动落锤(KHK型，称为第2代产品)再到现在的全液压双动落锤(KGH，称为第3代产品)。
全液压双动落锤的打击能量是通过控制油量多少来实现的，打击阀的关闭时间可不受锤头位置的限制，操作十分灵活可靠，彻底根除了放油打击电液锤的许多弊病。
因此，近年来这种电液锤得到较快的发展。
该公司的电液锤已经实现了程序化控制，即打击能量和打击次数都可实现程序控制。
锤的传动效率高达65%，为蒸汽锤和空气锻锤的30倍。
此外，德国Beche公司还研制了全液压锤。
近10年来，我国在电液锤研制方面也取得很大发展，主要表现在传统蒸汽锤、空气锤换头改造上，即采用电液传动装置了代原有锻锤的气缸及动力站，保留原有机架、砧座。
安阳锻压机械公司利用这种技术为数十家企业改造1-3t传统蒸汽锤和空气锤10余台，取得了较好效果，能源利用率由2%提高到20%-60%。
除换头外，电液锤整机的研制仍处于发展阶段，居于德国lasco 公司第2代产品发展水平上，属于液气锤。
全液压锤研究和制造正在起步。
2 液压机液压机的结构特真使其易于获得较大的工作压力、行程和空间;工作压力和工作速度可根据需要进行调整，且平稳，无冲击。
其不足之处是生产效率比较低，活动横梁下死点不易控制准确。
由于液压机具有变形速度低的特点，有利于合金的塑性变形。
因此，比较适用于高合金铸锭锻造。
国外制造液压机技术比较成熟。
俄罗斯重型锻压设备制造公司是生产锻压设备的主导公司，可生产800t,125t,2000t,3150t,6300t液压机，其载重量为5-30t，负载力矩为118-785kN"m，是轨道式锻造操作机。
快锻液压机
锻压速度接近于汽锤的液压机，简称“快锻机”。
压力为500～3000吨,但以1000～2000吨为多。
每分钟锻压次数可达80～120次。
快锻液压机一般采用双柱或四柱下拉式结构，液压系统部件的动作灵敏、快速。
液压机通过计算机控制活动横梁的压下量与行程，同时也将液压机与操作车连锁操纵。
现在已发展到锻压过程控制，生产坯料尺寸精度可达±1～2mm。
我国50年代开始研制快锻液压机。
当时，新型合金材料不断出现，这些材料塑性差，变形抗力大，热加工温度范围窄，要求锻压设备能力大、速度快，这在一般的锻压水压机和汽锤都不能兼具这两个条件，而快锻液压机却能够兼具，因此，在60～70年代得到很大发展，几乎代替了3000吨以下的锻压水压机。
中国从60年代也开始试制了500吨、630吨和2000吨几种快锻液压机。
快锻液压机广泛用于机械制造业，也用于特殊钢及钛合金生产中。
为了扩大品种、提高质量，快锻液压机已成为现代化特殊钢厂的必备装备，对耐热合金、不锈钢、高速钢、模具钢等材料都能加工;它可生产较大规格的方、圆、扁坯锻材和盘件、环件、炮筒、炮尾座及各种自由锻件，宜于多品种小批量的生产；它与精锻机联合作业，还可生产大型管坯、车轴等产品。
快锻液压机的特性
1.快速性主要影响因素：建压时间、卸压时间、返程速度。
这3点和系统所选元件的动态特性有密切关系。
因此,在系统设计和泵站装配时要充分考虑高压泵、主控阀、管道、蓄能器等元件的特性及位置摆放,减小其液容效应,提高系统快速性。
2.冲击震动小：快锻液压机工作于高压大流量状态,流动的液体具有强大液压能,其中一部分能量用来使工件产生塑性变形,另一部分则使工作缸、管道及机架等产生弹性变形,同时由于液压油的液压弹簧效应也储存了大量能量,这部分势能的释放势必导致系统压力、动梁等具有振动特性,所以解决压机的振动冲击问题是高压大流量系统的重中之重。
液压机液压系统的冲击振动一般发生在主缸卸压时。
3.注重节能溢流损失小,系统发热少。
（1）随着工件变形抗力增加,系统压力逐渐升高而速度逐渐减小,当系统压力达到一定值时,系统所需流量很少,利用压力反馈减少泵投入台数使系统溢流达到最小。
(2)流量负载合理匹配。
锻造工艺要求不同时,液压机的工作速度要求不同,如果系统流量和负载不匹配,会造成很大的功率损耗。
因此系统要可在操作过程中,根据需要实时变换泵的投入台数。
另一方面,由于压机动梁压下和返程两个阶段所需流量相差很大,也可通过选定使压下和返程投入泵的台数不一样,从而减小溢流损失,达到节能目的。
(3)能量储存。
传统的快锻回路采用差动形式,系统快速压下时,回程缸背压腔压力不可调造成系统10% ~20%功率损失。
如果在液压机泵口和回程缸回油路上设置蓄能器,压机下降时泵口蓄能器释放能量,回程缸口蓄能器回收能量,快速返程时两蓄能器工作状态相反,这样不仅节省能量,而且减少建压时间,使液压机的动作更加柔和。
(4)镦粗时采用恒功率控制。
液压机镦粗时,可以利用伺服控制新型变量泵,采用容积控制,利用恒功率输入,满足液压机镦粗时压力飞升快而工进速度慢的特点。
(5)辅助系统采用多种控制方式。
辅助系统包括移动工作台、移砧工作台、顶出缸、旋转缸、定位缸等。
移动工作台和移砧工作台需要压力高、流量大,而顶出缸、旋转缸和定位缸需要的压力低、流量小。
可以利用变量泵,通过设定不同的恒流输入曲线,减少节流损失同时满足系统速度需要。
4.控制精度好：采用电液比例控制技术，锻造液压机液压控制系统庞大,系统的固有频率不高,快速性和高精度控制难以协调。
且快锻效果受外负载———锻件的物理特性影响很大。
快锻次数低时容易超程,快锻次数高时快锻行程不到位。
