冯东晓 张营杰 杨红娟 苏振华

1、中国重型机械研究院股份公司 2、金属挤压与锻造装备国家重点实验室

锻造操作机钳杆跟随控制研究

冯东晓1,2张营杰1,2杨红娟1,2苏振华1,2

1、中国重型机械研究院股份公司 2、金属挤压与锻造装备国家重点实验室

锻造操作机是锻造油压机的主要配套设备。在锻造过程中，锻造操作机钳杆跟随控制合理与否，将直接影响到锻件的最终质量及锻造效率。本文讨论了锻造操作机钳杆跟随控制方式，针对不同规格锻造操作机及不同的锻压工艺提出了相应的解决方案，并提出了相应的控制框图。

锻造操作机；钳杆跟随控制；控制框图

锻造操作机是锻造油压机的主要配套设备，主要用于配合压机完成各种锻造工艺。在锻造过程中，为了提高锻件质量及锻造效率，对锻造操作机钳杆控制系统有以下要求：（1）在压机加压过程中，钳杆跟随下降；（2）在压机回程过程中，钳杆跟随上升。本文介绍了三种锻造操作机钳杆跟随控制方式，提出了各个控制方式的控制框架图。在此基础上，提出了各个控制方式适合的锻造操作机规格及锻造工艺。

1 锻造操作机钳杆跟随控制介绍

锻造操作机在锻造过程中的钳杆跟随控制主要有三种方式：主动跟随、被动跟随及主动跟随与被动跟随组合控制方式。

1.1 主动跟随控制

主动跟随控制原理如图1所示。在锻造过程中，主动跟随的控制过程如下：（1）压机加压时，锻造操作机通过打开比例方向阀1及隔离阀2主动下降。钳杆下降速度由比例方向阀开口度控制，该过程要求操作机跟随下降速度为压机加压速度的一半。（2）压机回程时，操作机通过打开比例方向阀1及隔离阀2跟随压机主动上升，该过程要求操作机上升速度小于等于压机回程速度，上升高度高于上次加压时加压高度的一半。

1.2 被动跟随控制

被动跟随控制原理如图2所示。在锻造过程中，被动跟随的控制过程如下：（1）压机加压时，操作机跟随压机被动下降。钳杆平升降油缸油液排入蓄能器3；（2）压机回程时，钳杆通过蓄能器跟随上升。

图1 主动跟随控制原理图

图2 被动跟随控制原理图

图3 主动被动跟随组合控制原理图

1.3 主动被动跟随组合控制

主动被动跟随结合控制原理如图3所示。在锻造过程中，主动被动跟随组合控制过程如下：（1）对于小压下量的精整工艺：蓄能器隔离阀4打开，压机加压时，钳杆平升降缸排油到蓄能器3。压机回程时，通过蓄能器实现钳杆跟随上升；（2）对于大压下量的其他锻造工艺：压机加压时，安全平衡阀5电磁铁得电，钳杆平升降缸通过平衡阀排油。压机回程时，操作机通过打开比例方向阀1及隔离阀2跟随压机主动上升，该过程要求操作机钳杆上升速度小于等于压机回程速度，上升高度高于上次加压时加压高度的一半。

1.4 三种跟随控制方式比较

三种跟随控制方式有各自的优缺点：（1）被动跟随控制过程简单易于实现，但在压机加压过程中操作机钳杆要被动受力；（2）主动跟随控制操作机钳杆不被动受力，其缺点在于控制过程复杂，操作机主动运动速度要与压机速度匹配。且主动跟随控制在压机加压过程中，操作机钳杆平升降缸要主动泄压排油，在压机回程过程中，操作机跟随上升启动反应慢；（3）主动被动结合的控制方式综合了两种控制方式的优点，保证了整个锻造过程高效且操作机钳杆受力合理。

2 控制框图

操作机跟随控制，主要通过采集压机位移传感器的信息、压机供液泵开启数量及锻造工艺信息，将相应的信息反馈给操作机。根据信息反馈选择相应的控制方式、操作机的速度及相应行程高度。由于被动跟随控制方式简单，不需要程序做任何判断，本文不再介绍被动跟随控制。

2.1 主动跟随控制

主动跟随控制框图如图4所示。为防止未夹持锻件或夹持锻件未放在砧子上时，操作机误动作，在压机加压时操作机主动跟随需要满足三个条件：（1）主缸压力≥1.5MPa；（2）压机上下砧距离≥100mm；（3）压机不在镦粗工况。压机主缸压力通过主缸压力传感器检测，压机上下砧开口距离通过主机位移传感器检测，压机是否在镦粗工况通过工作台面上的旋钮检测。在跟随过程中，要求操作机下降速度为主机加压速度的一半，主机加压速度由上压主泵数量来确定。上压主泵数量通过电机是否带电及泵头阀是否带电来检测，需共同满足两个条件才表明主泵上压。

如图4所示，主动跟随的触发条件可分为压机手动加压和自动加压两种情况，在压机手动加压时，操作机仅主动跟随下降，回程过程手动控制。在压机自动加压时，操作机主动跟随下降。在压机回程时，操作机主动跟随回程，回程高度要大于上次加压高度的一半。上次加压高度通过程序调用上次设定数值。

图4 主动跟随控制框图

2.2 主动被动跟随组合控制

主动被动跟随控制组合控制方式，首先要根据压机的锻造工艺设置选择被动跟随控制及主动跟随控制。对于主动跟随控制，其控制方式与2.1所述控制方式相同。对于被动跟随控制，仅需打开蓄能器隔离阀即可。

3 应用情况

中国重型机械研究院成套供货了50余台10～3000kN的大型锻造操作机。其中200kN以下操作机平升降系统采用蓄能器被动跟随控制方式，该种控制方式在锻造过程中反应灵敏，锻造频次高，配合压机实现快速锻造。200～1000kN锻造操作机平升降系统采用主动跟随与被动跟随相结合的方式，该种控制方式既能满足小压下量时快速锻造的要求，同时在大压下量时可以通过主动跟随来保证钳杆机构不被动受力。1000kN以上锻造操作机通常配合80MN以上大型锻造压机来实现锻造。大型锻造压机在快速性与平稳性两项中更倾向于锻造过程的平稳性，要求锻造操作机随动过程平稳，对快速性没有要求，采用主动跟随控制。

从多年现场使用情况来看，以上平升降随动系统使用效果良好，故障率低，满足用户不同锻造工艺的要求。

4 结论与展望

本文讨论了锻造过程中，操作机钳杆的跟随控制方式。根据锻造操作机的规格以及不同的锻造工艺，提出了相应的跟随控制解决方案：（1）对于大型锻造操作机，采用主动跟随的控制方式；（2）对于小型锻造操作机，采用蓄能器被动跟随控制；（3）对于中型操作机在锻件精整工艺时采用蓄能器被动跟随控制，在其他大压下量锻造工艺时主动跟随控制。在本文跟随控制的基础上，可以进一步加入操作机的旋转、行走动作进而实现操作机与压机的联动。

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课题号：2010ZX04013021。

课题名称：国家重大专项“3000KN/7500KNm大型锻造操作机。