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锻造液压机的新型阀控系统*褚祥利，管亚彬（天津市天锻压力机有限公司，天津300142）摘要：应对气候变化，事关中华民族永续发展，事关人类前途命运，我国将应对气候变化摆在国家治理更加突出的位置，不断消减碳排放量，不断强化自主贡献目标，将碳达峰、碳中和纳入生态文明建设整体布局，坚定不移地走生态优先、绿色低碳的高质量发展道路。要加快发展新一代信息技术，高端装备、航空航天、海洋装备等战略性新兴产业，提高产业链供应链现代化水平。伴随产业升级，环保与节能理念在制造行业的深入，液压系统的传统设计显露出耗能多、震动大、效率低、噪声大等问题。鉴于以上传统液压系统的问题，本公司基于锻造液压机液压系统的特殊性，开发了新型阀控系统。新型阀控系统，大大提升了液压系统的可靠性、平稳性，提高了设备产出效率和效益，促使高端装备产业升级。关键词：锻造液压机；比例插装阀；阀控；可靠性；平稳性中图分类号：TH137.9文献标识码：A文章编号：1001-2354（2023）S1-0168-05New valve control system for forging hydraulic pressCHU Xiangli，GUAN Yabin（Tianjin Tianduan Press Co.，Ltd.，Tianjin 300142）Abstract：To address climate change,is a matter of sustainable development of the Chinese nation,is a matter of human fate,inresponse to climate change in the national governance more prominent position,constantly improve the carbon intensity reductionamplitude,unceasingly strengthens own contribution to the goal,will reach the peak of carbon,carbon neutral into the overall layoutof ecological civilization construction,ecological priority,unswervingly take the high quality of the green,low carbon developmentpath.We will accelerate the development of next-generation information technology,strategic emerging industries such as high-endequipment,aerospace and Marine equipment,and modernize industrial and supply chains.With the industrial upgrading and thedeepening of the concept of environmental protection and energy saving in the manufacturing industry,the traditional design of hy-draulic system has exposed the problems of high energy consumption,large vibration,low efficiency,loud noise and so on.In view ofthe above problems of traditional hydraulic system,tianforge Press Co.，Ltd.，developed a new valve control system based on theparticularity of hydraulic system of forging hydraulic press.The new valve control system greatly improves the reliability and stabili-ty of the hydraulic system,improves the output efficiency and benefit of the equipment,and promotes the upgrading of high-endequipment industry.Key words：forging hydraulic press;valve control;reliability;stationarity*收稿日期：2023-04-06；修订日期：2023-06-05锻造液压机是机械行业中的重型机械设备，由于锻造速度快、控制精度好、自动化程度高、工艺范围广及节能、节材显著，成为自由锻设备的发展方向之一，被广泛应用于工业生产中，是机械制造业的一种基础设备，其应用涉及国民经济的各个领域，现代重型锻造液压机的制造能力和水平更是成为一个国家综合国力的象征。随着机械工业、国防工业及宇航工业的发展，对制件的尺寸精度和生产效率提出了越来越高的要求，因此，对锻造液压机的液压系统的快速性和平稳性的要求也随之提高。早期锻造液压机液压系统，广泛采用滑阀控制，但是滑阀通流能力小，液流阻力大，当液压系统需要更大流量时，必须采用两个或多个并联使用，或者设计非标大通径阀，这样做的结果，不仅使整个系统过于庞大，增加了成本，而且滑阀结构尺寸随着通径的增大而急剧增加，造成其自身质量大，行程大，从而导致响应速度慢，换向时间长，同时换向冲击加大，泄漏量增加1。20世纪70年代，国外锻造机开始采用了二通插装阀，此类阀具有通流能力大、响应速度快、抗污染能力强、工作可靠、第 40 卷 增 刊 12023 年 7 月Vol.40S1Jul.2023机械设计JOURNAL OF MACHINE DESIGNDOI:10.13841/ki.jxsj.2023.s1.0192023年7月高度集成等优点。后续又出现了三级插装阀为主开关阀控制系统，三级插装阀响应快，换向冲击小，一定程度上提高了锻造液压机的锻造速度，减小了液压系统的冲击。但是以上形式的控制阀都是属于开关量控制模式，在实际应用过程中，调试难度大，而且系统中水锤造成的冲击现象还是存在，系统中的超压、负压现象对元件的使用寿命影响很大。随着科技的进步，比例技术和插装阀结合的涌现，电液比例插装阀开始应用到锻造液压机上，电液比例插装阀不仅流量大，响应快，而且具有一定的抗污染能力。本公司作为我国最专业、规模最大的液压机设计研发和生产制造企业，在充分考虑客户需求的前提下，精益求精，将电液比例插装阀技术应用到锻造液压机中，研发出一种全新锻造液压机的新型阀控系统，这种系统不仅提高了系统的工作性能（快速性、平稳性、可靠性），简化了系统结构，而且可实现高效的容积调速，有效解决了系统响应滞后、系统过渡发热、系统震颤等问题，减少甚至完全消除待机、保压时的能量消耗，高效、稳定、低能耗已经成为目前成型装备的最新发展趋势。1新型阀控系统的特点1.1锻造液压机的使用工况分析锻造是机械制造业的基础工艺之一，是固体金属材料在加热状态下进行塑性变形的一种手段，许多重型产品的制造离不开锻造工艺，锻造液压机就是为了实现这一工艺而产生的，替代了人工铁锤作业，解放了生产力，提高了生产效率。锻造机在国民经济中占有重要地位，是航空航天、核电、造船、军工、汽车等行业的必备制造设备，是衡量一个国家机械制造业水平和能力的标志之一。传统的锻造液压机大多技术落后，主要体现在以下几方面：（1）作业环境差工人在高粉尘、高温、高噪声的环境里，需要锻造师傅指挥锻造液压机操作者进行生产，工件的锻造温度无法精确把控，仅通过锻造师傅经验来把控，工件的表面裂纹、工件的锻造比不够、锻件内部缺陷等问题出现概率大；（2）生产效率低往往一个工件的锻制，需要回炉加热若干次，加热的不恰当，还会造成料件的报废，工件的制造成本居高不下；（3）锻件精度低生产出来的制件加工余量大，原材料与能源的损耗大；市场的竞争力体现不出来，企业也慢慢被拖垮。作为替代传统的锻造液压机，新开发的新型锻造液压机，因锻造频次高，自动化水平高、控制精度高及节省原材料等优点，被市场所认可，有效解决了传统锻造液压机所遇到的问题，提升了整个锻造生产的产业链。锻造液压机的新型阀控系统采用变量泵作为油源，电液比例插装阀作为控制开关，搭建起锻造液压机的执行系统，通过PLC控制比例插装阀的换向，从而控制油液进出执行机构。阀控系统简图如图1所示。此新型阀控系统具体液压配置和选型需要根据工件的具体成型工艺进行了合理的设计和匹配，从速度、压力、操作响应性等指标来满足用户的使用需求。1.2阀控系统的优劣势由于锻造液压机的液压系统经常处于高压、大流量的工作状态，必然要求其液压系统控制精度高、压力冲击小，甚至节能等。国内外对锻造液压机的传动系统进行了广泛研究，将其典型的传动类型概括为以下几种：滑阀为主控阀的系统 由潘克-三菱长崎机工株式会社研制，滑阀式传动系统控制的基本原理是采用大流量滑阀来控制系统的流量和方向，同时利用多个辅助滑阀来实现液体分流2。滑阀的阀口与阀体腔属于间隙配合，在高压、大流量工况下，系统发热严重，能量损失大，压力波动大，平稳性差，控制阀寿命急剧缩短，因此，滑阀的传动系统在大型锻造液压机上的应用不适合推广；插装阀为主控阀的开关型阀控系统，这类系统是目前液压机系统中应用最为广泛，插装阀具有响应速度快、工作可靠、通流能力大、抗污染能力强和高度集成化等优点，但毕竟它还是普通开关量的控制模式，还是存在系统压力波动与冲击较大、调试及故障检查比较困难3；电液比例插装阀为主控阀阀控系统，这类系统是目前应用最为广泛的系统，其代表性的制造厂有SMS、SPA、天津天锻、中国重型机械研究所、兰州兰石，比例插装阀元件目前生产商主要为美国Oilgear、德国力士乐、意大利ATOS。电液比例插装阀，如图2所示，不仅通油能力强、响应时间快，抗污染能力强，该阀的开口行程完全可控、避免了普通开关量的通断引起的冲11112131517161448.298.1657312褚祥利，等：锻造液压机的新型阀控系统图1锻造液压机阀控系统简图1主泵电机；2主泵；3单向阀；4安全卸荷阀组；5截止阀；6蓄能器;7进油比例插装阀；8回程缸；9主缸；10卸荷比例插装阀；11蓄能器；12截止阀；13溢流阀；14单向阀；15安全卸荷阀组；16补油泵电机；17补油泵-169机 械 设 计第40卷增刊1击，柔性控制，是现阶段主要锻造设备主机厂所认同的液压元件；正弦泵传动系统，这类系统由德国威普克-潘克公司研制。正弦泵的控制原理为通过先导伺服阀控制的液压缸来驱动定子按一定角度偏移，进而控制泵的吸油和排油。通过液压缸的实际反馈位移与输入的偏移位置进行对比，进行闭环控制。采用正弦泵驱动的液压机省去了传统锻造液压机液压系统中常用的充液阀和换向阀等。电液比例插装阀的新型阀控系统与正弦泵的锻造液压机的控制系统相比，在系统加压、卸压及节流等方面，正弦泵更加节能，能量损耗更少，提高了传动效率，阀控系统存在一定的节流发热，在采购成本和后期的维护保养方面，正弦泵的使用成本和维修保养成本非常昂贵，并且没有替代的产品，属于卡脖子环节。1.2.1可靠性高对于传统的锻造液压机，由于采用的是普通的电磁阀开关控制，系统中的超压、失压部位很难得到根治，诱发了设备的许多问题，例如，气蚀、爆管、水锤等，设备的维护得不到维修工人的认可。新型阀控系统，按照工件的成型工艺速度要求，通过控制阀芯的开口度，从而控制匹配执行机构所需要的液压系统流量，阀芯的开口度采用的是闭环控制，通过给定使能信号及PID的算法4，阀芯快速柔性到达指定位置，相比于常规的开关量控制的二通插装阀，不受液体油温、液体压力等方面影响，有效地消除了系统的超压冲击、失压震动等诱发故障的前期现象。不仅可以非常精确地控制压机运动部件的运动精度，还可以实现完全无冲击的压机的运行操作，从而最大程度地减少了管道的泄漏和压机故障，设备的正常运行时间得到了保障，故障率大大降低，可靠性高。1.2.2柔性高由伺服装置精确控制阀芯的位移，进而控制主系统液体流量的变化，连续可变的流量控制实现了无级调节的加压与回程速度，这种变速形式是压机高速平稳运行的基本保障，滑块运行轨迹相对于传动的运行轨迹（图3），实现了极大程度上的优化，更接近于正弦曲线（图4），下行过程中的顿挫及震动想象，实现了滑块的柔性控制，滑块的运动随着手柄上下运动。滑块可以设置为自由工作模式，也可设定为定程等功能模式，大大提高了液压机智能化程度和使用范围。.1.2.3生产效率高操作者根据实际工况的需要，操作手柄进行往复的自由运动，也可以进行定程设置（与操作进行联动模式-无需人工干预），在自由锻造实际生产中，实际的快下速度的快慢对提升效率不是很明显，工件变形时间及动作转换的快慢才是提升效率的关键，高速平稳转换控制，滑块的锤头无需等待系统的响应，跟随性极佳，在坯料锻造温度区间内完成工件的锻打，减少中途回炉加热，避免二次加热产生的氧化皮及耗损，提升了生产效率，降低了综合成本（加热炉天然气的耗损、坯料的加热耗损、坯料的锻造余量等），在市场经济的大环境下，才会有更强大的竞争力。1.2.4节能性相比传统的二通插装阀控制系统，高压油溢流时会产生大量的热能，而新型阀控系统，匹配锻件成形工艺速度的要求，油泵与控制阀之间完全耦合（按需求提供流量），避免了高压溢流、高速节流等工况出现，液压系统的热能小，液压油温升小，降低了能耗和换热器的使用功率。1.2.5精度高滑块高速运动状态影响了液压机系统的稳定性，而液压机系统出现不稳定现象将会缩短液压元件的使用寿命，增加了系统的故障率。因此，如何保证锻造液压机在高速压下过程中保持运动滑块的平稳性及重复定位精度是解决快速锻造液压机提高产品合格率同时又能提高其工作效率的关键。液压传动系统对滑块高速移动的平稳性和重复定位精度的控制是通过新型阀控系统对执行机构精确的控制来实现的。图2比例插装阀简图图3传动阀控系统的滑块运行轨迹图4新型阀控系统的滑块运行轨迹ABYXESXABPTabSYB2工作周期阀响应时间阀响应时间卸压减速压下量行程时间停滞时间无停滞时间的超调量工作周期压下量行程时间ABCDEFGH-1702023年7月主要采用高性能比例伺服阀对液压系统流量的大小进行控制，运动部件的位移采用位移传感器进行监控，并且通过神经元PID闭环控制系统对压力、速度和位置进行反馈调节5，定位精度可达0.5 mm，滑块的重复定位精度高0.1 mm，保证了制件的成品合格率和一致性，如图5所示。2新型阀控系统的应用2.1液压机主要参数60 MN锻造机的具体参数如表1所示6。2.2液压机制件成形工艺曲线液压机的位移-时间曲线如图6所示。图5新型阀控系统的滑块重复定位精度表160 MN锻造机具体参数25201510500123t/sy/mm褚祥利，等：锻造液压机的新型阀控系统续表1 5001 4001 3001 2001 1001 0009008007006005004003002001006405274272502373005101520253035404550556065707580859095时间/s3.914.8313.426.96.32对中加紧抬起30 mm（重叠动作）工作台换位预冲头摆入对中退回落下胚料落入模腔冲孔位移/mm墩粗100 105 110 115 12026.1654.42626.222落料胚料顶出（重叠动作）对中加紧对中抬起翻转工作台换位对中退回落下终冲头摆入工作台换位终冲头摆出图6液压机位移-时间曲线序号1234567项目公称力/kN回程力/kN系统工作最大压力/MPa最大开口/mm最大工作行程/mm立柱间有效空间尺寸/mm最大偏心距/mm规格60 0006 00031.54 5003 0003 600100序号89101112131415161718192021222324项目滑块速度移动工作台有效尺寸移动工作台载质量/t移动工作台工位数量/个移动工作台上平面距地面高度/mm下顶出公称力/kN下顶出行程/mm下顶出速度上顶出公称力/kN上顶出行程/mm上顶出速度对中装置顶出力/kN对中装置顶升行程/mm工作台移动速度/(mm/s)设备总功率/kW快下/(mm/s)压制（20 MN）/(mm/s)压制（40 MN）/(mm/s)压制（60 MN）/(mm/s)回程/(mm/s)左右/mm前后/mm顶出/(mm/s)退回/(mm/s)顶出/(mm/s)退回/(mm/s)规格20060（可调）45（可调）30（可调）2002 8009 00080303 0001 1005050300100505050080200约2 1002.3制件成形精度该工件的锻造流程：装取料机从加热炉将圆棒料（约1 200）从炉内取出转运至压机镦粗位对中装置对坯料进行对中滑块下行镦粗滑块回程预冲摆臂摆入滑块-171机 械 设 计第40卷增刊1下行进行预冲孔滑块回程后摆臂摆出对中装置夹紧工件并抬起移动工作台落料砧移动到压机中心对中装置落下松开工件并退回工件落到落料砧冲切摆臂摆入滑块下行进行冲切连皮滑块回程摆臂摆出移动工作台移动到出料位出料由装取料机将坯料夹持到辗环机进行环件碾制镦粗砧移动到上料位装取料机上料进入下一个工作循环。采用新型阀孔系统后，设备产成的制件（图7）成形精度大大提高，结果如表2所示。3结论党中央实施创新驱动发展战略，格外重视自主创新，格外重视创新环境建设，努力提升我国产业水平和实力，推动我国从经济大国向经济强国、制造强国转变。要时不我待地推进科技自立自强，只争朝夕突破“卡脖子”状态，努力把关键核心技术和装备制造业掌握在我们自己手里。航空航天、船舶、导弹等军工国防工业，以及大型运输机、高速列车、城市轨道交通等现代化交通运输业的快速发展，自主研发研制的关键产品，均需大型化、整体化的锻件，如百万千瓦级火电和超临界、超超临界核电用汽轮机转子、特大支承辊、大型高温高压厚壁筒体、船用大功率低速柴油机组合曲轴等，而这些锻件的生产需要必须配备大吨位、高精度和高效率的锻造液压机，因此，锻造液压机向大型化、自动化、精密化、紧凑化和成套化等方向发展是必然趋势。锻造液压机的新型阀控系统，解决了国产锻造机液压系统暴露出耗能多、震动大、效率低、噪声大等问题。鉴于以上传统液压系统的问题，本公司基于锻造液压机液压系统的特殊性，开发了锻造液压机新型阀控系统，大大提升了液压系统的可靠性、平稳性，大大提高了锻造产品的制造质量和工作效率，降低了工人的劳动强度，改善了劳动环境，其技术已达到国际先进水平，具有显著的社会效益和经济效益，助力了企业的发展，同时也推动了整个行业的技术升级。参考文献1 雷天觉.液压工程手册 M.北京：机械工业出版社，1990.2 贾铭新，杨勇.液压传动与控制 M.2版.北京：国防工业出版社，2011.3 王庆国，苏东海.二通插装阀技术 M.北京：机械工业出版社，2001.4 姚静.锻造液压机液压控制系统关键技术研究 D.秦皇岛：燕山大学工学博士学位论文，2009：15-18.5 李贵闪，翟华.电液比例控制技术在液压机中的应用 J.锻压装备与制造技术，2005（6）：28-30.6 俞新陆，液压机的设计与应用 M.北京：机械工业出版社，2007.作者简介：褚祥利（1985），男，高级工程师，学士，主要研究方向：重型锻造机设计。E-mail：坏料外形/mm300 430成形高度/mm145圆度/mm2平面度/（mm/m）0.8壁厚差/mm2图7产成制件表2制件成型精度控制-172