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液压模锻锤液压控制系统研究

文档作者：刘军张银娟刘福海文档来源： 1．河南农业大学机电工程学院 2．安阳锻压机械工业有限公司		点击数：	更新时间： 2021年09月10日
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文章编号：1672—0121(2010)01—0068—04
液压模锻锤液压控制系统研究
刘军 ，张银娟t，刘福海z
(1．河南农业大学机电工程学院，河南郑州450002；
2．安阳锻压机械工业有限公司，河南安阳455000)
摘要：阐述了液压模锻锤的结构及工作原理。通过动量定理建立了全液压模锻锤液压缸的数学模型，为
设定打击能量和打击次数的大小提供了依据，同时为实现模锻锤运行过程的精确控制提供了理论参考。并对
锤头速度、位移、动能变化情况进行了试验仿真，通过仿真分析为其进一步实现模锻锤打击工序和打击能量
的数控化和柔性化奠定了基础。
关键词：机床技术；液压系统；模锻锤；数值模拟；仿真
中图分类号：TG315 文献标识码：B
1 引言
模型锻造是金属在外力作用下产生塑性变形并
基金项目：河南省重点攻关研究资助项目(0721022lO005)
收稿日期：2009—10—20
作者简介：刘军(1952一)，男，教授，从事数控技术、先进制造技术的
教学和研究
出参数进行控制。这一控制可由软件控制，也可由硬
件控制。将高精度磁致伸缩线性位移检测装置、总线
数据处理系统及阀控信号等由硬件控制直接连接在
一起，对油缸进行线性位置检测，并与高频响插装阀
控制系统、高频响比例阀控系统、电控系统相结合对
油缸实行控制，以达到精锻的工艺要求。控制高频响
液压功率放大回路和卸压缓冲回路的调节特性，将
有效减轻换向冲击，甚至完全避免换向冲击。同时，
提高了锻造频率、锻件精度，油缸行程控制精度可
达士1mm-2mm。
4 结束语
在快速锻造液压机行业，从国内的技术水平看，
几个处于行业先进水平的单位有：济南铸造锻压机
充满模膛而获得锻件的方法。模锻件尺寸精度高，机
械加工余量小，锻件的纤维组织分布更为合理，可进
一步提高零件的使用寿命。模锻生产率高，操作简
单，容易实现机械化和自动化。液压模锻锤作为蒸一
空模锻锤的升级换代产品，具有能量利用率高、节约
能源、节约投资、便于实现自动化等优点，是目前应
用较多的一种模锻设备 。
械研究所、西安重型机械研究所、兰州石化机械研究
所等。由他们设计制造的电液控制系统均具有较高
的水平。济南铸锻机械研究所作为二通插装阀的国
家标准制定单位和二通插装阀产品研发单位，对二
通插装阀结构和控制性能更有独到的见解。在快速
锻造液压机的控制系统中，配套使用德国力士乐的
快速响应阀和济南铸锻所的大流量、带典型功率放
大回路和卸压缓冲回路的高频响插装阀系统，在精
整锻造和高换向频率的电气控制小闭环控制方面，
取得了良好效果。
【参考文献】
[1] 雷天觉．新编液压工程手册【M】．北京：北京理工大学出版社，
l998．
[2】徐灏．机械设计手册第5卷【M]．北京：机械工业出版社，1998．
Electricity-liquid Control System of Quick-forge Hydraulic Machine
LI Guoliang，MEI Liye，LI W ei
(Jinan Found~ ＆ Metalforming Machinery Research Institute，Jinan 250022，Shandong China)
Abstract：The structural characteristics of the electricity——liquid control system in quick-forge hydraulic
hine have been introduced as well as its application in the forging production．
Keywords：Liquid transmission and control；Electricity—liquid control；Hydraulic machine
但是液压模锻锤也存在故障率较高，可靠性较
差，噪声严重等问题，其原因主要是打击能量不可控
制。当工件变形所吸收的能量小于锤头打击能量时，
锤头的多余能量造成了上下锤头的对击，引起锤体
剧烈振动，造成连接部位松动，引发疲劳断裂。所以
建立全液压模锻锤液压缸的数学模型，实现打击能
量的精确控制，可提高液压模锻锤的可靠性和能量
有效利用，具有十分重要的实际意义[5-6／。
2 液压模锻锤原理
液压模锻锤自动化程度高，打击不同的工件时，
只需稍微改变设置即可实现。模锻锤液压缸上腔为
无杆腔，下腔为有杆腔，是上下腔双作用的单活塞杆
液压缸，通过控制上腔压强来实现锤头的运动。
2．1 模锻锤液压系统结构
液压模锻锤液压系统一般是由动力元件、执行
元件、控制元件、工作介质和辅助装置组成的，系统
各部分组成一个有机联系的整体。液压系统动力元
件为液压泵，工作介质为油；执行元件为单杆双作用
液压缸，其上下腔均采用油压驱动，油压由油泵和蓄
能器及差动回路联合控制，液压缸下腔始终连通蓄
能器，控制系统只对液压缸上腔控制；控制元件为液
压阀；辅助装置包括蓄能器、滤油器、油箱、热交换
器、油管、管接头、压力表等。液压模锻锤液压系统结
构如图1所示。
打击时，打击阀使上下腔连通，靠液压缸有杆下
腔和无杆上腔面积差实现锤头快速运动。通过对打
击阀的控制实现锤头的提锤、悬锤、打击、放锤等机
械动作。
溢流阀4是一种液体压力控制阀，在模锻锤液
压系统中主要起定压溢流作用和安全保护作
用；节流阀5是通过改变节流截面或节流长度
以控制液压油流量，在对模时此阀可以实现锤
头微动；蓄能器6是液压系统中的一种能量储
蓄装置，与液压缸下腔相通，它上腔充高压氮
气，下腔充液压油。在锤头向下快速打击时，液
压系统瞬时压力增大，蓄能器可以吸收这部分
的能量，转变为气体压缩能储存起来，当提锤
和打击阀开启，上腔进油时，又将气体压缩能
转变为油压能，实现系统能量的暂时储存及释
放，保证整个系统压力正常。打击阀7采用二
位三通一进一出常开式换向电磁阀，通电时油
路开启向油缸上腔进油，准备打击，断电时出
油用以卸荷，迅速提锤，通过控制其进油路开
启时间来实现打击能量的精确控制[7-9]。
8
赫赫圈田
图1 液压锤的液压系统结构
1．油箱2．液压泵3．电动机4．溢流阀5．节流阀
6．蓄能器7．打击阀8．活塞9．活塞杆10．锤头
1 1．上模具12．下模具13．基座
2．2 液压模锻锤的工作原理
液压模锻锤根据锻件生产工艺随时调整打击次
数和打击能量，控制系统通过控制电磁阀的通断，可
以实现提锤、打击、悬锤等各种动作循环，也可以实
现重打和轻打、单打和连打。图2为液压模锻锤控制
系统流程图。
由图2可以看出，液压模锻锤工作过程主要包
括以下几方面：
(1)启动油泵
按启动按钮，电机带动油泵启动，溢流阀进入212
作状态，主油路升压，液压油进入油缸下腔和蓄能器
下腔，准备提锤。
(2)打击
打击阀通电，进油路开启，来自油泵、蓄能器以
及通过差动回路引来的下腔油的高压油进入上腔，
实现锤头的快速下行。
(3)提锤
打击阀断电，上腔接通油箱回
油，上腔卸压，锤头立即快速回程。
锤头升至一定位置即可进行打击或
放锤，锤头升至最上位置，将触动限
位开关，停止提锤。
(4)悬锤
打击工序完毕，装入下一工件
时，打击阀不通电，靠下腔油和蓄能
器平衡油压实现悬锤。同时锤头设
有安全销，以防事故和意外打击的发生。
3 液压缸模型的试验分析
打击能量对于液压模锻锤来说是最重要的参数
之一，不仅是机械设计要实现的主要性能参数，而且
是数据控制的关键所在。所以建立正确的液压模锻
锤打击能量的数学模型，对于该设备进行打击能量
及打击次数的程序控制具有重要意义。
3．1 液压缸的模型建立
液压模锻锤液压缸是单杆双作用活塞缸，上下
两腔的有效工作面积不相等。考虑模锻锤的实际工
作环境，由能量守恒定律对活塞进行受力分析。液压
缸活塞的总受力由液压缸上腔对活塞的力 、下腔
对活塞的力 、油液对活塞的阻力／以及活塞杆上
外加负载 组成。它们的计算式如下：
= A 2
4lt"1
(其方向为锤头运动方向的反方向)
F合= 一 于 (1)
由动量定理得液压缸活塞的运动方程：
F合t=M V~=MX (2)
由式(1)、(2)得液压模锻锤的液压缸活塞运动
模型：
寺J(A~P：-A Pl—D —Fs)dt (3)
式中： 一液压缸活塞及活塞杆质量，kg；
A — — 液压缸有杆腔活塞面积，cm ；
A厂液压缸无杆腔活塞面积，cm ；
D 一液压缸活塞粘性摩擦系数，Ns／m；
一活塞杆上外加负载，N；
_— 锤头位移，mm；
。
— — 锤头速度，m／s；
试验仿真
利用MATLAB／Simulink仿真软件，根据式(3)
了液压缸运动时的非线性模型， 实现了图形化
方式下锤头打击及回程仿真的参数化设计，如
图3 仿真结构图
图3所示。
本文设定液压模锻锤上腔活塞面积100cmz，下
腔活塞面积A。=80cm 。活塞杆上外加负载F~=10ON。
活塞粘性摩擦系数 =2Ns／m。液压缸活塞、活塞杆
及锤头质量M-3OOkg。采用ode45法进行200s的仿
真，通过添加示波器可以方便的观察上下腔压强以
及液压缸活塞位置和速度输出随时间的变化的情
况。输入信号为一系列阶跃信号，液压缸上腔的压强
P E变化如图4所示。液压缸下腔压强P下始终为
IOMPa，如图5所示。由上下腔压强的变化引起的锤
头运动速度变化情况如图6所示，锤头位置移动情
况如图7所示，锤头的动能如图8所示。设定锤头向
下运动的位移和速度为正方向。
图4 上腔压强
图5 下腔压强
图6 锤头速度
图7 锤头位移
图8 锤头动能
参见图4～图8所示试验结果， 可以作如下分
析：
(1)从0到20时刻上腔压强为9MPa，下腔压强
为10MPa，P上A 2__Fe=P下A ，这时活塞受力平衡，锤
头速度为0，处于静止状态。图8可以看出此段时刻
锤头的动能为0。
(2)从20到70时刻上腔压强变为3MPa，活塞
受的合外力方向向上，锤头由平衡状态位置开始向
上提锤，速度由0变为一4m／s，锤头向上移动了
2OOmm。图8可看出此段时刻锤头的动能为240OJ。
(3)90到120时刻上腔压强升为19MPa，活塞
受的合外力方向向下，活塞加速向下运动，锤头速度
由0变为6．7m／s，锤头向下移动了2OOmm，回到初始
位置。图8可以看出此段时刻锤头的动能为66OOJ。
(4)在140到190时刻上油腔压强为3MPa，活
塞受的合外力方向向上，活塞上升提锤2OOmm，速
度为一4m／s。图8可以看出此段时刻锤头的动能为
24OOJ。
(5)从70到90时刻，120到140时刻，190到
200时刻，上油腔压强都为9MPa，活塞受力平衡，活
塞静止，速度为O。图8可以看出此段时刻锤头的动
能为0。
4 结束语
对液压模锻锤工作原理进行研究，建立了液压
缸的运动模型。通过对液压模锻锤打击过程运行状
态进行仿真分析，为模锻锤设计提供了参数依据，降
低了开发成本，为实际运行中设定打击能量的大小
和打击次数提供理论依据； 同时打击能量的精确控
制能避免多余打击的能量，节能降耗，从而有望大大
提高工作效率，实现能源的有效利用。
【参考文献】
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学报，2003，39(11)：43～46．
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The Research of Hydraulic Control System for Die Forging Ham mer
LIU Jun ，ZHANG Yinjuan ，LIU Fuhai
(1．Mechanical&amp;amp; Electrical Engineering College，Henan Agricultural University，
Keywords：Hydraulic system ；

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