一種萬噸級復合材料熱成形伺服油壓機控制系統

喬禮惠，劉寧書，許晶晶

（江蘇揚力液壓裝備有限公司,江蘇 揚州 225127）

防護密閉門要求既能阻擊沖擊波，又能阻擋毒劑進入室內，主要應用于地下掩體的出入口處。以往防護密閉門要么是鋼筋混凝土結構要么是厚鋼板結構，為達到承受沖擊以及完全密閉的防護等級要求，一般都制作的比較厚重，依靠人力打開關閉比較吃力，另外因裝于地下受濕氣影響易腐蝕生銹，每年都必須要做防銹處理，維護成本較高。經多年研制采用SMC 復合材料結合模壓工藝生產出來的輕質密閉防護門，不僅填補了目前國內國際SMC 產品的空白，也是人防工程防護設備行業革命性的變革。通過內置預埋嵌件并經過高溫高壓成型，防護門強度大大增加，同時門與門框采用整體式密封條密封，實現零泄漏。復合材料輕質防護密閉門具有重量輕、強度高、耐腐蝕、阻燃性好等優點，同時還具有環保、無維護費用、易于批量生產等特點，可完全替代現行的鋼筋混凝土防護密閉門和厚鋼板防護密閉門，將在人防建設中發揮重要作用。

隨著復合材料熱成型輕質密閉防護門行業的發展，對模壓成型設備也提出了更高的要求。本文重點介紹100MN 復合材料熱成型伺服油壓機，工作臺面有效尺寸為5800mm×4800mm，其在公司原先已成功研制的35MN 油壓機基礎上，機身結構設計仍延用多拉桿、多缸均布形式，機身體經動靜態軟件仿真分析后調整鋼板焊接結構，著重解決機身剛度及局部應力集中問題；在液壓系統控制中為做到平穩卸荷采用主動型SCF 系列充液閥結合蓄能器恒壓控制，并依據復合材料熱成型工藝特點，單獨設置開模裝置，同時對開模系統進行提升實現壓制過程中滑塊調平功能；在電氣控制系統中設置有獨特的循環放氣動作控制以及經優化的多泵合流控制功能；另外在安全控制上增設有公司獨創的充液閥緊固螺釘防松報警裝置，確保設備的可靠運行。

1 油壓機主體結構

此臺萬噸級油壓機主體結構沿用之前35MN油壓機的分體拉桿框架結構，機床外形實物如圖1所示。在機床工作臺的四個角部安裝有箱式焊接結構的立柱，立柱的頂部與上橫梁的底部實現面接觸，立柱的底部通過圓環柱銷定位方式與工作臺上平面接觸，每根立柱內設置有兩根42CrMo 合金鋼材質的拉桿，在上橫梁的上平面以及工作臺的下平面分別安裝有鎖緊螺母與拉桿進行配合，主機的組合框架通過拉桿及鎖緊螺母并經液壓螺母的超高壓預緊進行固定組合，可保證油壓機在滿噸位工況和有適度沖擊或偏心載荷情況下可靠工作。在上橫梁上均布有16 只主油缸，此臺復合材料熱成型油壓機的滑塊行程比較長，達到1800mm，受制造水平的限制，這種主缸難以做成活塞缸，經研究決定全部采用柱塞缸結構，同時在兩側立柱的中間空檔中增設左右對稱的柱塞式回程缸用于滑塊的回程控制，考慮到復合材料熱成型的工藝特點，在回程缸的左右兩側設置有單獨控制的四只開模調平缸。整機結構已獲得實用新型專利證書《防滑塊傾斜的大臺面重型液壓機》，專利號：ZL 2022 2 0618232.3。

圖1 100MN 油壓機外觀實物照片

2 液壓系統設計

液壓系統采用先進的插裝閥集成系統，系統設有過載保護和液壓支撐保護回路，通過由多個獨立的插裝閥集成塊應用搭積木方式進行組合以滿足機床動作的要求，其中插裝閥主要采用的是二通插裝閥，其具有結構簡單、流動阻力小、動作快、沖擊小、控制方式靈活等特點，是采用先導控制、座閥主級和插裝連接的模塊化、集成化的液壓控制元件。同時在油泵出油口、主缸上腔、回程缸塞腔等關鍵部位設有快插式壓力檢測接頭，通過快插式壓力表進行觀察可以快速的診斷液壓系統故障和監測液壓系統的運行狀態。主缸液壓控制原理已獲得實用新型專利證書《大噸位液壓機的主缸控制系統》，專利號：ZL 2022 2 0646041.8。

2.1 充液閥控制系統

此臺萬噸油壓機16 只主缸的上腔油口分別通過主動型充液閥與油箱連接，各充液閥的下液控口分別與充液閥下控制油路相連，各充液閥的上液控口分別與充液閥上控制油路相連。充液閥控制系統液壓原理如圖2 所示，主壓力油路進油口與插裝閥C53 的入口相連，插裝閥C53 的出口通過單向閥D1 與蓄能器AC1 及插裝閥C54 的入口相連，插裝閥C54 的出口與電液換向閥YA23的P 口相連，電液換向閥YA23 的T 口接油箱，A口與充液閥下控制油路AK 相連，B 口與充液閥上控制油路BK 相連；插裝閥C53 的液控口與電磁換向閥YA25 的A 口相連，電磁換向閥的P 口與主壓力油路相連，T 口接油箱；插裝閥C54 的液控口與電磁球閥YA24 的A 口相連，電磁球閥的P口與插裝閥C54 的出口相連，T 口接油箱，插裝閥C54 的出口還通過調壓閥F27 接油箱，調壓閥F27作為安全壓力閥將插裝閥C54 出口的最高壓力控制在15MPa；在蓄能器的油路上安裝有壓力傳感器進行壓力檢測，油路上同時設置有截止閥F28，用于蓄能器維護將油液排回油箱。該充液閥控制系統具有恒定流量作用，通過蓄能器將管路中充滿油液，既可提高打開關閉充液閥的響應時間，又能確保16 只主缸同步快速打開及同步快速關閉，響應迅速且穩定，最終提升了輕質防護密閉門的成型質量。該控制系統已獲得實用新型專利證書《液壓機主缸的充液閥控制系統》，專利號：ZL2022 2 0636619.1。

圖2 充液閥控制系統液壓原理圖

2.2 開模調平控制系統

復合材料在熱壓成型過程中，由于防護門各部位幾何尺寸、溫度的差別，制品變形抗力的合力往往偏離壓機的中心，導致滑塊承受由此產生的傾覆力矩，極易導致滑塊產生傾斜而影響制品的尺寸與精度，因此在此臺萬噸油壓機滑塊的四個角部設有調平支耳，各調平支耳的下方對應設有開模調平缸。開模調平缸控制系統液壓原理如圖3所示，主系統進油油路分別與插裝閥C35、C37、C39 和C41 的入口相連，插裝閥C35 的出口與開模調平缸一的下腔油口及插裝閥C34 的入口相連，插裝閥C35 的液控口與電磁換向閥YA32 的A口相連，電磁換向閥YA32 的B 口與調壓閥F18的出口相連，P 口與插裝閥C35 的出口相連，T 口接油箱，插裝閥C34 的出口接油箱；插裝閥C34 的液控口與調壓閥F18 的入口相連，調壓閥F18 的控制口通過比例壓力閥YAA 接油箱；其余各開模調平缸的液壓回路依次類推。根據滑塊壓制過程中傾覆力矩的大小調整各開模調平缸實際需要力的大小，結合立柱上的四角八面導軌抗偏載措施的應用，可確?；瑝K對制品壓制力的均衡；在制品壓制完成后通過開模調平缸先進行微動開模，避免直接回程因速度快使得制品與模具產生拉絲等質量問題。該控制系統已獲得實用新型專利證書《復合材料制品防偏載液壓系統》，專利號：ZL 2022 2 0676560.9。

圖3 開模調平控制系統液壓原理圖

3 電氣控制系統

此臺萬噸伺服油壓機電氣控制系統以三菱FX3U 系列PLC 為核心，配以GT2712 高性能觸摸屏，與之前35MN 油壓機相比，此次在滑塊兩側對角位置分別設有一只絕對值型拉繩編碼器進行雙重冗余檢測，根據反饋的實時位置及壓力采集值，經過PLC 運算處理后實現對伺服驅動器和液壓元器件的控制，從而滿足機床的動作要求。

3.1 循環放氣動作控制

復合材料是由不飽和聚酯、低收縮添加劑、脫模劑、礦物填料等組成。將多種原料預先混合成糊狀，再加入增稠劑等進行混合后對短切玻璃纖維進行充分浸漬，形成片狀的“夾芯”結構的原料。進行輕質密閉防護門生產時先通過揭膜再進行稱重切割后將片狀原料放置在加熱模具中，最后通過萬噸壓制力進行壓制成形。通常模具加熱溫度控制在150℃～180℃，在這種高溫高壓情況下，制品不可避免會釋放出部分氣體，此時根據工藝要求壓制一段時間后需將滑塊抬起微小距離以便于將模腔中的氣體放掉，同時補入清新空氣再次進行壓制。此放氣循環動作根據制品成型工藝要求進行設置，PLC 控制邏輯如圖4 所示。電氣控制系統根據設置的循環次數、放氣時間等參數進行自動控制。在最后一次放氣動作結束后將進入長時間高溫高壓的保壓狀態，應制品成型質量要求，保壓壓力應保持恒定不允許出現波動，經研究決定采用伺服泵保壓方式，由伺服驅動器根據泵口檢測壓力自行調整伺服電機轉速實現泵保壓控制，實現主缸上腔壓力的恒定控制，減少油液溢流降低油液溫升。

圖4 PLC 邏輯控制圖

3.2 多泵合流控制

由于受伺服電機功率和油泵排量的限制，此臺萬噸伺服油壓機所需的流量將由多組泵源共同提供，也就是通過將多組油泵的出油口進行匯合以獲得較大流量從而滿足機床動作需要。以往多泵合流是指將某組泵系統作為主系統，其余泵系統設置為從系統，通過主驅動器接收PLC 發出的流量、壓力指令信號來決定從驅動器是否參與運行。但在此臺萬噸油壓機控制上，如果純粹實現主從控制，那么工藝缸、開模調平缸、鎖緊缸等周邊缸的動作將無法協調，針對此種情況，我們在現有主從控制基礎上增設每組泵系統由單獨的模擬量通道控制，即將原先主從協調控制由驅動器運算改為由PLC 運算，在壓制階段采用多泵合流控制給每組通道提供統一的模擬量信號，而在輔助缸工作時有針對的只輸出對應通道的模擬量信號，真正做到“需要多少流量便提供多少流量”的節能控制，既充分發揮驅動器內置PID 運算的優勢又滿足機床特殊工藝動作要求，避免不必要的溢流，降低油液的溫升。

4 螺釘防松報警裝置

充液閥與油缸底連接螺釘如存在旋緊力不均或松動時，極易出現螺釘斷裂充液閥飛出這樣的重大安全事故，為防止此事故的發生通常做法是在將螺釘緊固后畫紅直線進行標記，日常巡護時查看紅直線是否移位來判斷螺釘的松緊，此項工作比較費時費力。在此臺萬噸油壓機充液閥螺釘緊固上我們首先采用氣動扭力扳手對螺釘進行緊固，再配上公司獨創的防松報警裝置，螺釘防松報警裝置結構如圖5所示，在螺釘的內六角沉孔中嵌裝有六角插榫，六角插榫的中心設有插榫螺紋孔，插榫螺紋孔中旋接有凸輪螺桿，凸輪裝置的圓周上設有沿軸向延伸的凸輪凹槽，開關固定盤的下方附有強磁環座，與充液閥上平面吸附固定，凸輪裝置與充液閥緊固螺釘共軸線，在開關固定盤的外圓周上固定有微動行程開關，行程開關的探頭嵌于凸輪凹槽中，這樣當螺釘出現松動時將帶動凸輪螺桿旋轉，觸動行程開關觸點動作發出報警信號，依據報警信號可快速排查出松動螺釘并進行緊固。

圖5 螺釘防松報警裝置結構示意圖

5 結論

公司研制的此臺100MN 復合材料熱成型伺服油壓機參照原先成功交付的35MN 油壓機，其主體結構仍延用之前為解決應力集中問題而設計的多拉桿、多油缸均布型式，機身體經軟件動態、靜態仿真分析后調整鋼板焊接結構，在確保剛度的同時有效減少局部應力集中問題；對原先電液控制系統進行優化，在液壓系統中通過設置恒定壓力來控制主動型充液閥的打開和關閉，提高響應時間并減少卸荷沖擊；在開模缸的應用上通過增加液壓元件以實現壓制過程中的調平功能，同時結合立柱上的四角八面導軌，對復合材料成型過程中產生的傾覆力矩進行平衡從而有效保證輕質密閉門的成型質量；另外對復合材料熱成型工藝進行深入研究，電氣控制中增加有循環放氣動作控制功能，同時根據密閉門熱成型過程中壓制力恒定的要求，采用泵保壓控制技術確保主缸上腔壓力恒定；安全控制上通過增設充液閥緊固螺釘防松報警裝置，確保機床的可靠運行。該萬噸復合材料熱成型伺服油壓機的成功研制不僅填補了國內復合材料熱成型設備的空白也促進了人防建設事業的發展。