一种万吨级复合材料热成形伺服油压机控制系统

乔礼惠，刘宁书，许晶晶

（江苏扬力液压装备有限公司,江苏 扬州 225127）

防护密闭门要求既能阻击冲击波，又能阻挡毒剂进入室内，主要应用于地下掩体的出入口处。以往防护密闭门要么是钢筋混凝土结构要么是厚钢板结构，为达到承受冲击以及完全密闭的防护等级要求，一般都制作的比较厚重，依靠人力打开关闭比较吃力，另外因装于地下受湿气影响易腐蚀生锈，每年都必须要做防锈处理，维护成本较高。经多年研制采用SMC 复合材料结合模压工艺生产出来的轻质密闭防护门，不仅填补了目前国内国际SMC 产品的空白，也是人防工程防护设备行业革命性的变革。通过内置预埋嵌件并经过高温高压成型，防护门强度大大增加，同时门与门框采用整体式密封条密封，实现零泄漏。复合材料轻质防护密闭门具有重量轻、强度高、耐腐蚀、阻燃性好等优点，同时还具有环保、无维护费用、易于批量生产等特点，可完全替代现行的钢筋混凝土防护密闭门和厚钢板防护密闭门，将在人防建设中发挥重要作用。

随着复合材料热成型轻质密闭防护门行业的发展，对模压成型设备也提出了更高的要求。本文重点介绍100MN 复合材料热成型伺服油压机，工作台面有效尺寸为5800mm×4800mm，其在公司原先已成功研制的35MN 油压机基础上，机身结构设计仍延用多拉杆、多缸均布形式，机身体经动静态软件仿真分析后调整钢板焊接结构，着重解决机身刚度及局部应力集中问题；在液压系统控制中为做到平稳卸荷采用主动型SCF 系列充液阀结合蓄能器恒压控制，并依据复合材料热成型工艺特点，单独设置开模装置，同时对开模系统进行提升实现压制过程中滑块调平功能；在电气控制系统中设置有独特的循环放气动作控制以及经优化的多泵合流控制功能；另外在安全控制上增设有公司独创的充液阀紧固螺钉防松报警装置，确保设备的可靠运行。

1 油压机主体结构

此台万吨级油压机主体结构沿用之前35MN油压机的分体拉杆框架结构，机床外形实物如图1所示。在机床工作台的四个角部安装有箱式焊接结构的立柱，立柱的顶部与上横梁的底部实现面接触，立柱的底部通过圆环柱销定位方式与工作台上平面接触，每根立柱内设置有两根42CrMo 合金钢材质的拉杆，在上横梁的上平面以及工作台的下平面分别安装有锁紧螺母与拉杆进行配合，主机的组合框架通过拉杆及锁紧螺母并经液压螺母的超高压预紧进行固定组合，可保证油压机在满吨位工况和有适度冲击或偏心载荷情况下可靠工作。在上横梁上均布有16 只主油缸，此台复合材料热成型油压机的滑块行程比较长，达到1800mm，受制造水平的限制，这种主缸难以做成活塞缸，经研究决定全部采用柱塞缸结构，同时在两侧立柱的中间空档中增设左右对称的柱塞式回程缸用于滑块的回程控制，考虑到复合材料热成型的工艺特点，在回程缸的左右两侧设置有单独控制的四只开模调平缸。整机结构已获得实用新型专利证书《防滑块倾斜的大台面重型液压机》，专利号：ZL 2022 2 0618232.3。

图1 100MN 油压机外观实物照片

2 液压系统设计

液压系统采用先进的插装阀集成系统，系统设有过载保护和液压支撑保护回路，通过由多个独立的插装阀集成块应用搭积木方式进行组合以满足机床动作的要求，其中插装阀主要采用的是二通插装阀，其具有结构简单、流动阻力小、动作快、冲击小、控制方式灵活等特点，是采用先导控制、座阀主级和插装连接的模块化、集成化的液压控制元件。同时在油泵出油口、主缸上腔、回程缸塞腔等关键部位设有快插式压力检测接头，通过快插式压力表进行观察可以快速的诊断液压系统故障和监测液压系统的运行状态。主缸液压控制原理已获得实用新型专利证书《大吨位液压机的主缸控制系统》，专利号：ZL 2022 2 0646041.8。

2.1 充液阀控制系统

此台万吨油压机16 只主缸的上腔油口分别通过主动型充液阀与油箱连接，各充液阀的下液控口分别与充液阀下控制油路相连，各充液阀的上液控口分别与充液阀上控制油路相连。充液阀控制系统液压原理如图2 所示，主压力油路进油口与插装阀C53 的入口相连，插装阀C53 的出口通过单向阀D1 与蓄能器AC1 及插装阀C54 的入口相连，插装阀C54 的出口与电液换向阀YA23的P 口相连，电液换向阀YA23 的T 口接油箱，A口与充液阀下控制油路AK 相连，B 口与充液阀上控制油路BK 相连；插装阀C53 的液控口与电磁换向阀YA25 的A 口相连，电磁换向阀的P 口与主压力油路相连，T 口接油箱；插装阀C54 的液控口与电磁球阀YA24 的A 口相连，电磁球阀的P口与插装阀C54 的出口相连，T 口接油箱，插装阀C54 的出口还通过调压阀F27 接油箱，调压阀F27作为安全压力阀将插装阀C54 出口的最高压力控制在15MPa；在蓄能器的油路上安装有压力传感器进行压力检测，油路上同时设置有截止阀F28，用于蓄能器维护将油液排回油箱。该充液阀控制系统具有恒定流量作用，通过蓄能器将管路中充满油液，既可提高打开关闭充液阀的响应时间，又能确保16 只主缸同步快速打开及同步快速关闭，响应迅速且稳定，最终提升了轻质防护密闭门的成型质量。该控制系统已获得实用新型专利证书《液压机主缸的充液阀控制系统》，专利号：ZL2022 2 0636619.1。

图2 充液阀控制系统液压原理图

2.2 开模调平控制系统

复合材料在热压成型过程中，由于防护门各部位几何尺寸、温度的差别，制品变形抗力的合力往往偏离压机的中心，导致滑块承受由此产生的倾覆力矩，极易导致滑块产生倾斜而影响制品的尺寸与精度，因此在此台万吨油压机滑块的四个角部设有调平支耳，各调平支耳的下方对应设有开模调平缸。开模调平缸控制系统液压原理如图3所示，主系统进油油路分别与插装阀C35、C37、C39 和C41 的入口相连，插装阀C35 的出口与开模调平缸一的下腔油口及插装阀C34 的入口相连，插装阀C35 的液控口与电磁换向阀YA32 的A口相连，电磁换向阀YA32 的B 口与调压阀F18的出口相连，P 口与插装阀C35 的出口相连，T 口接油箱，插装阀C34 的出口接油箱；插装阀C34 的液控口与调压阀F18 的入口相连，调压阀F18 的控制口通过比例压力阀YAA 接油箱；其余各开模调平缸的液压回路依次类推。根据滑块压制过程中倾覆力矩的大小调整各开模调平缸实际需要力的大小，结合立柱上的四角八面导轨抗偏载措施的应用，可确保滑块对制品压制力的均衡；在制品压制完成后通过开模调平缸先进行微动开模，避免直接回程因速度快使得制品与模具产生拉丝等质量问题。该控制系统已获得实用新型专利证书《复合材料制品防偏载液压系统》，专利号：ZL 2022 2 0676560.9。

图3 开模调平控制系统液压原理图

3 电气控制系统

此台万吨伺服油压机电气控制系统以三菱FX3U 系列PLC 为核心，配以GT2712 高性能触摸屏，与之前35MN 油压机相比，此次在滑块两侧对角位置分别设有一只绝对值型拉绳编码器进行双重冗余检测，根据反馈的实时位置及压力采集值，经过PLC 运算处理后实现对伺服驱动器和液压元器件的控制，从而满足机床的动作要求。

3.1 循环放气动作控制

复合材料是由不饱和聚酯、低收缩添加剂、脱模剂、矿物填料等组成。将多种原料预先混合成糊状，再加入增稠剂等进行混合后对短切玻璃纤维进行充分浸渍，形成片状的“夹芯”结构的原料。进行轻质密闭防护门生产时先通过揭膜再进行称重切割后将片状原料放置在加热模具中，最后通过万吨压制力进行压制成形。通常模具加热温度控制在150℃～180℃，在这种高温高压情况下，制品不可避免会释放出部分气体，此时根据工艺要求压制一段时间后需将滑块抬起微小距离以便于将模腔中的气体放掉，同时补入清新空气再次进行压制。此放气循环动作根据制品成型工艺要求进行设置，PLC 控制逻辑如图4 所示。电气控制系统根据设置的循环次数、放气时间等参数进行自动控制。在最后一次放气动作结束后将进入长时间高温高压的保压状态，应制品成型质量要求，保压压力应保持恒定不允许出现波动，经研究决定采用伺服泵保压方式，由伺服驱动器根据泵口检测压力自行调整伺服电机转速实现泵保压控制，实现主缸上腔压力的恒定控制，减少油液溢流降低油液温升。

图4 PLC 逻辑控制图

3.2 多泵合流控制

由于受伺服电机功率和油泵排量的限制，此台万吨伺服油压机所需的流量将由多组泵源共同提供，也就是通过将多组油泵的出油口进行汇合以获得较大流量从而满足机床动作需要。以往多泵合流是指将某组泵系统作为主系统，其余泵系统设置为从系统，通过主驱动器接收PLC 发出的流量、压力指令信号来决定从驱动器是否参与运行。但在此台万吨油压机控制上，如果纯粹实现主从控制，那么工艺缸、开模调平缸、锁紧缸等周边缸的动作将无法协调，针对此种情况，我们在现有主从控制基础上增设每组泵系统由单独的模拟量通道控制，即将原先主从协调控制由驱动器运算改为由PLC 运算，在压制阶段采用多泵合流控制给每组通道提供统一的模拟量信号，而在辅助缸工作时有针对的只输出对应通道的模拟量信号，真正做到“需要多少流量便提供多少流量”的节能控制，既充分发挥驱动器内置PID 运算的优势又满足机床特殊工艺动作要求，避免不必要的溢流，降低油液的温升。

4 螺钉防松报警装置

充液阀与油缸底连接螺钉如存在旋紧力不均或松动时，极易出现螺钉断裂充液阀飞出这样的重大安全事故，为防止此事故的发生通常做法是在将螺钉紧固后画红直线进行标记，日常巡护时查看红直线是否移位来判断螺钉的松紧，此项工作比较费时费力。在此台万吨油压机充液阀螺钉紧固上我们首先采用气动扭力扳手对螺钉进行紧固，再配上公司独创的防松报警装置，螺钉防松报警装置结构如图5所示，在螺钉的内六角沉孔中嵌装有六角插榫，六角插榫的中心设有插榫螺纹孔，插榫螺纹孔中旋接有凸轮螺杆，凸轮装置的圆周上设有沿轴向延伸的凸轮凹槽，开关固定盘的下方附有强磁环座，与充液阀上平面吸附固定，凸轮装置与充液阀紧固螺钉共轴线，在开关固定盘的外圆周上固定有微动行程开关，行程开关的探头嵌于凸轮凹槽中，这样当螺钉出现松动时将带动凸轮螺杆旋转，触动行程开关触点动作发出报警信号，依据报警信号可快速排查出松动螺钉并进行紧固。

图5 螺钉防松报警装置结构示意图

5 结论

公司研制的此台100MN 复合材料热成型伺服油压机参照原先成功交付的35MN 油压机，其主体结构仍延用之前为解决应力集中问题而设计的多拉杆、多油缸均布型式，机身体经软件动态、静态仿真分析后调整钢板焊接结构，在确保刚度的同时有效减少局部应力集中问题；对原先电液控制系统进行优化，在液压系统中通过设置恒定压力来控制主动型充液阀的打开和关闭，提高响应时间并减少卸荷冲击；在开模缸的应用上通过增加液压元件以实现压制过程中的调平功能，同时结合立柱上的四角八面导轨，对复合材料成型过程中产生的倾覆力矩进行平衡从而有效保证轻质密闭门的成型质量；另外对复合材料热成型工艺进行深入研究，电气控制中增加有循环放气动作控制功能，同时根据密闭门热成型过程中压制力恒定的要求，采用泵保压控制技术确保主缸上腔压力恒定；安全控制上通过增设充液阀紧固螺钉防松报警装置，确保机床的可靠运行。该万吨复合材料热成型伺服油压机的成功研制不仅填补了国内复合材料热成型设备的空白也促进了人防建设事业的发展。