锻造操作机液压系统设计与仿真分析

张丽 1 张亚军 2 吴少杰 3

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摘要：锻造操作机是核电、火电、轨道交通等重大装备制造的关键设备。锻造操作机液压控制系统包括夹持系统、提升俯仰系统、水平移动系统、缓冲系统、大车行走系统和夹钳旋转系统。采用平均流量法对液压泵站进行节能设计。在数学模型的基础上对液压系统的关键控制性能(快速性、准确性、起动性)和可靠性进行仿真分析研究。结果表明，通过对液压系统回路的合理设计，改善了液压系统的控制性能，提高了液压系统的可靠性，可为大流量液压系统的设计提供理论指导，实现锻造操作机的快速、精确、稳定、智能控制。

关键词：锻造操作机；液压系统；设计；仿真

0引言

目前，我国的大型操作机主要依赖进口，不仅价格昂贵、供货周期长，而且也使我国大型锻件的制造加工技术受制于人。因此，自主研发大型锻造操作机对我国重大装备制造业的发展有重要意义。锻造操作机的灵巧性和快速性是保证锻件质量的重要指标，而大型操作机的大负载、大惯量和冲击载荷对传动系统的设计带来了很大的困难，通常需要采用机电液混合驱动的方式来实现快速和准确控制，因此，液压系统是大型操作机设计的关键之一。

1操作机液压系统设计

1.1操作机液压系统功能分析

锻造操作机主要由大车、夹钳和台架三部分组成，为满足开坯、拔长、镦粗和整圆等锻造工艺要求，操作机需要具备行走、夹钳开闭、旋转、提升、平移和缓冲等多种功能。对于大型操作机，上述功能主要由液压驱动方式来实现。行走功能：由液压系统驱动大车前进和后退，实现锻件的水平移动。通过液压马达来实现大车的运动和定位，同时控制大车起停带来的冲击。夹持功能：由液压系统驱动夹钳实现锻件的夹持和旋转。通过夹钳液压缸实现锻件的夹持，通过液压马达驱动夹钳旋转，并实现准确定位。悬架功能：由液压系统驱动悬架液压缸实现夹钳和锻件的垂直移动和俯仰。同时设置液压缓冲机构，以缓解锻压对夹钳的冲击。

1.2操作机液压控制系统的设计

操作机在机构构型上通常采用解耦设计，将操作机主要功能分解成夹持、提升俯仰、水平移动、锻造缓冲、大车行走、夹钳旋转等6个相对独立的运动，这使得液压系统的设计也具有独立性。本文针对图1给出的操作机构型和表1提出的技术要求，设计了相应的液压控制系统。

图1操作机构型

2操作机液压控制系统仿真分析

为了提高锻造操作机的性能，在液压系统设计基础上，建立了液压系统仿真模型，对液压系统的控制性能进行了仿真分析。

2.1快速性和准确性分析

快速准确的操作是对锻造操作机的基本要求，它直接影响到锻造的质量和效率。系统设计中通过多级高精度大流量比例伺服阀作为主控元件驱动伺服缸或液压马达，实现系统的快速准确性。

1. 双动进给和快锻功能模块。图2是双动进给的示意图，图2中水平方向大车以速度v1一直向右行走，由缓冲缸的前进后退实现锻件快进和锻造。当缓冲缸以速度v2向前运动时，锻件实现了相对压机的静止，这时压机对锻件进行锻造，而当缓冲缸向后运动时，实现了锻件的快进缓冲系统中，通过靠近缓冲缸的切换阀进行功能切换，在快锻时缓冲系统起主动进给功能，合大车运动实现双动进给。

图2双动进给示意图

提升系统快锻功能是指在垂直方向提升系统配合压机实现快速的锻造。在对应的提升俯仰系统中，由开关阀和蓄能器组成快锻模块，实现快锻功能。当锻造频次达到30次/min以上时，起动快锻回路，主油路被切断，提升系统由蓄能器被动供油，压机锻造时，蓄能器吸收能量，压机回程时，蓄能器释放能量，锻件快速回复原位，实现锻件快速锻造。水平方向的双动进给和垂直方向的快锻模块的设计实现了高频锻造，在提高快速锻造性的同时，降低了系统的能耗。

2. 流量饱和对提升系统的影响。提升系统是大流量系统，其中的大流量控制元件结构复杂，易产生空化和流量饱和。图3为提升系统无流量饱和与产生流量饱和后的仿真对比曲线，结果表明流量饱和对提升系统的位移和速度有一定影响。出现流量饱和后提升系统的位移误差增大，速度跟踪性能下降。针对这一现象，提出了流量饱和的修正公式，以提高提升系统的快速性和准确性。

图3流量饱和对提升系统的影响

（3）稳态液动力对提升系统的影响。结合稳态液动力对提升系统的快速性和准确性影响的仿真结果，表明稳态液动力对系统快速性和准确性有较大影响。为此，采用多级先导阀补偿液动力，提高了阀芯控制的快速性和精确性。

2.2起动性能分析

对不同弹性模量的油液进行了比较分析，研究了油液弹性模量对系统刚性的影响，提出采用压力油箱提高油液弹性模量改善提升系统起动性能的方案。结合仿真结果表明高弹性模量的油液提高了系统起动性能，减少了系统起动时的震荡性。

3操作机液压系统可靠性设计

锻造操作机、锻件以及压机的成本都非常高，操作机液压系统的可靠性是锻造操作机正常工作和保证锻件质量的重要前提。所以对锻造操作机液压系统可靠性进行研究是非常必要的。

3.1大流量非线性液压系统功能可靠性

针对大流量非线性液压系统的功能可靠性要求，对可靠性要求较高的夹钳、提升俯仰系统进行了研究。

(1)夹钳系统可靠性。针对操作机夹持锻件的重型性及锻件材料的多样性，对夹钳系统的可靠性进行了研究。所示夹钳系统中，采用夹钳系统独立控制方式隔离其他系统的干扰，对系统独立供油，同时设置高压点动补油回路和液压锁紧回路保证了夹持系统的可靠性。

(2)提升俯仰系统可靠性。锻造操作机的水平移动导致左右提升系统受载不均，产生了偏载现象，影响提升俯仰系统的可靠性。在提升俯仰系统中，采用偏载补偿阀进行偏载补偿，保证了提升系统的可靠性。

3.2抗冲击控制

对大惯性系统的冲击控制问题进行了研究，提出了蓄能器加二次溢流阀、合理布置缓冲溢流阀位置等抗冲击措施。

(1)大车行走抗冲击。大车行走起停的冲击非常大，对高频次操作指标分解，高频锻造采用大车连续行走、低频锻造液压蓄能及二次溢流的防冲击方式。大车行走系统中，用蓄能器和二次溢流来吸收加速冲击，用蓄能器和单向阀来吸收减速冲击。当冲击较小的时候，用蓄能器来缓冲，当冲击较大的时候，用溢流阀溢流，或者用单向阀补油，系统设计有效改善了大惯性系统起停的冲击性能。

(2)缓冲系统抗冲击。对缓冲溢流中的冲击进行了数值模拟，提出阈值无极可调及缓冲溢流元件合理布置方式，降低了缓冲溢流中的冲击影响。缓冲系统中，缓冲溢流阀采用近缓冲缸布置，与缓冲溢流阀近泵出口布置相比，缓冲缸受到的冲击减小。仿真结果表明，采用改进后图5元件布置时，缓冲缸受冲击时输出缓冲力明显减少了。

4结束语

完成了锻造操作机液压系统的设计；提出了基于平均流量法的操作机液压泵站的节能设计方案。通过流量饱和的修正公式，提高了提升系统的快速性和准确性。采用多级先导阀补偿液动力，提高了阀芯控制的快速性和精确性。高弹性模量的油液提高了系统的起动性能，减少了系统起动时的震荡性。缓冲溢流阀近缓冲缸布置减少了缓冲缸受冲击时输出缓冲力。

参考文献

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