50 MN 挤压机电液控制系统改造

刘 杰，薛占军，吴 伟，朱 研

(1.中国重型机械研究院股份公司，陕西 西安 710032;2.西安西航集团航空航天地面设备有限公司，陕西 西安 710021)

0 前言

某铝厂50 MN 水压机是生产大规格型、棒材产品的主要挤压设备，该挤压机现有的操纵控制方式已明显老化、落后，挤压机运行的可靠性得不到保证，且自动化程度和生产效率低，产品质量差等系列问题严重影响生产技术发展的需要。为提高产品质量和生产效率，降低能源消耗，减小工人劳动强度，提高经济效益，在原水压机设备的基础上，将水压传动改为油压传动，更新电气控制系统，实现挤压机自动、智能控制，以提高其生产效率和加工精度。

1 50 MN 挤压机液压系统改造方案

原50 MN 挤压机采用泵-蓄势器传动，通过操作手手动操作各水分配器来实现和控制各动作。本文在原50 MN 水压机设备结构的基础上，采用全新的液压系统驱动，包括新设计了2 件回程缸、2 件挤压筒移动油缸、1 套充液阀装置、1套大剪刀油缸、移动模架、辅机和出料系统。在原50 MN 水压机设备后梁及后梁以后搭建支架，用于安装液压站。主机液压系统采用比例压力泵直接驱动，在主柱塞一个回程缸中设置位移传感器，以便速度闭环和位置检测。采用位移传感器的挤压筒移动缸进行速度控制和位置检测。辅机和后部出料上的液压负载由辅助泵提供动力源。

2 改造后挤压机的主要参数

改造后的主要参数:

公称挤压力 50 MN

液压系统最大工作压力 30 MPa

最大挤压速度 10 mm/s

最小挤压速度 0.2 mm/s

主缸快进速度 8～80 mm/s

主缸返回速度 140 mm/s

主缸快进速度 8～80 mm/s

主缸返回速度 140 mm/s

回程力 2.3 MN

挤压筒靠紧力 4.5 MN

挤压筒离开力 3.2 MN

挤压筒靠紧时移动速度 80 mm/s

挤压筒离开时移动速度 140 mm/s

剪刀缸剪切力 2.5 MN

剪切速度 80 mm/s

提升速度 250 mm/s

挤压中心线高度 850 mm

系统冷却器面积 30 m2

系统过滤精度 10 μm

3 50 MN 挤压机控制系统改造措施

改造后的50 MN 挤压机液压系统如图1 所示，液压站采用3 台比例压力泵根据不同规格型、棒材的挤压比来调整挤压速度并进行高低速切换。低速时1 台泵参与挤压，其它比例泵处于卸荷状态;高速时3 台比例泵同时参与挤压。辅助泵和锁紧泵都采用恒压变量泵和蓄能器配合的恒压源，系统能源消耗低。压力传感器实时监控主挤压回路主缸挤压压力，回程缸前进后退设有背压，防止停止时冲击向前滑行。

图1 50 MN 液压系统原理示意图Fig.1 Principle diagram of 50 MN extrusion machine hydraulic systems

3.1 大流量伺服变量泵直接传动

改造后50 MN 挤压机主机系统采用P－Q 比例压力流量泵直接控制主缸、回程缸、剪刀缸和挤压筒移动缸，该泵工作效率高，节能环保，适用于大功率场合，而且泵直接传动挤压机压力调整方便、速度易于精确控制。P－Q 比例压力流量泵控制回路如图2 所示，该泵的压力、流量由电子控制系统控制，通过位置传感器和压力传感器将信息反馈给高响应频率的比例阀，从而控制变量柱塞泵的流量和压力。在调试过程中可监控泵的压力、流量输入和输出信号，根据偏差调节PID 参数，使泵的输入输出一致，从而保证挤压机在挤压墩粗过程中压力恒定，挤压过程中速度稳定。

图2 (P－Q)泵控制回路图Fig.2 (P－Q)pump control circuit diagram

3.2 挤压速度闭环控制

在挤压过程中，挤压速度的波动直接影响产品质量。原50 MN 挤压机通过操作手手动操作各分配器进行动作控制，控制精度较低。改造后采用比例泵与设有位移传感器装置回程缸闭环控制，主缸速度控制和检测非常方便可靠。根据不同工艺要求，可任意设定主缸速度，并对其进行实时调节，可在监控画面上监视和在线修改挤压过程中的各种参数，挤压速度采用闭环控制，无级调整，具有速度在线设定与跟随功能。改造后的主缸挤压液压系统的控制框图如图3 所示。

图3 主缸速度控制框图Fig.3 Main cylinder speed control block

3.3 强制供油液压系统

液压站系统采用强制供油，螺杆泵为系统中各高压泵吸油口提供经过过滤的干净油液，经过出口稳压单向阀后油液同系统回油汇合，经过冷却器进行冷却，使油液温度保持稳定。图4 所示为改造后液压站布置图，液压站采用立柱高架平台，结构紧凑，布管整齐，技术改造中方便利旧。

图4 改造后液压站布置图Fig.4 Hydraulic station layout after transformation

3.4 S7-300PLC 控制器系统

改造后电控系统采用先进的S7-300PLC 控制器组成的控制系统，图5 所示控制操作台人机画面，画面可实现工艺参数的输入:可输入铸锭长度和残料厚度等参数。可设置液压系统参数挤压筒和动梁等的速度及位置，根据生产工艺要求调节参数，还可通过按键切换显示工况各个画面，监控整个系统各部分的实时工作状况和提供故障诊断功能。

图5 操作台人机画面Fig.5 Operator human-computer interface

4 结语

中国重型机械研究院股份公司为某公司改造的50 MN 挤压机2014 年3 月已通过用户验收，改造后的控制系统有效地降低了设备故障率，提高了挤压精度，同时提高了生产效率和产品质量。改造后运行一年多，挤压机运行状态良好。

［1］俞新路.液压机的设计及应用［M］.北京:机械工业出版社，2006.

［2］郭玉玺，李景莉，赵国栋，等.短行程铝挤压机前上料系统及夹钳式自适应供锭机械手［J］.有色金属加工.2005，34(3):30－32.

［3］王春行.液压控制系统［M］.北京:机械工业出版社，2008:41－50.

［4］杨武，谭建平，陈晖，等.挤压机速度控制系统建模及控制策略研究［J］.锻压技术，2013，38(6):151－155.

［5］周建华.基于PLC 的柱塞式挤压机控制系统研发［J］.机电产品开发与创新，2008，21(2):171－173.

［6］刘静安.重型挤压机的技术改造与开发实践［J］.轻合金加工技术，2004.

［7］景平忠.25 MN 反向挤压机挤压速度的控制系统［J］.轻合金加工技术，1997，25(1):18－20.

［8］陈功德，胡建华，钟瑜，等.80 MN 挤压机现代化配套改造［J］.铝加工，2001，24(6):45－46.

［9］谭建平，文跃兵，周俊峰.挤压机节流调速系统的研究［J］.现代制造工程，2009(2):108－109.

［10］谢东钢，陈蕴博，郑文达，等.现代挤压装备的发展［J］.中国材料进展，2013(5):265－266.

［11］薛占军，刘杰.50 MN 挤压机改造应力应变测试分析［J］.重型机械，2013(6):78－81.