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(nèi)，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(jié)構(gòu)要么是厚鋼板結(jié)構(gòu)，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(guān)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(jīng)多年研制采用SMC 復合材料結(jié)合模壓工藝生產(chǎn)出來的輕質(zhì)密閉防護門，不僅填補了目前國內(nèi)國際SMC 產(chǎn)品的空白，也是人防工程防護設(shè)備行業(yè)革命性的變革。通過內(nèi)置預埋嵌件并經(jīng)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(xiàn)零泄漏。復合材料輕質(zhì)防護密閉門具有重量輕、強度高、耐腐蝕、阻燃性好等優(yōu)點，同時還具有環(huán)保、無維護費用、易于批量生產(chǎn)等特點，可完全替代現(xiàn)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(shè)中發(fā)揮重要作用。

隨著復合材料熱成型輕質(zhì)密閉防護門行業(yè)的發(fā)展，對模壓成型設(shè)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(chǔ)上，機身結(jié)構(gòu)設(shè)計仍延用多拉桿、多缸均布形式，機身體經(jīng)動靜態(tài)軟件仿真分析后調(diào)整鋼板焊接結(jié)構(gòu)，著重解決機身剛度及局部應力集中問題；在液壓系統(tǒng)控制中為做到平穩(wěn)卸荷采用主動型SCF 系列充液閥結(jié)合蓄能器恒壓控制，并依據(jù)復合材料熱成型工藝特點，單獨設(shè)置開模裝置，同時對開模系統(tǒng)進行提升實現(xiàn)壓制過程中滑塊調(diào)平功能；在電氣控制系統(tǒng)中設(shè)置有獨特的循環(huán)放氣動作控制以及經(jīng)優(yōu)化的多泵合流控制功能；另外在安全控制上增設(shè)有公司獨創(chuàng)的充液閥緊固螺釘防松報警裝置，確保設(shè)備的可靠運行。

1 油壓機主體結(jié)構(gòu)

此臺萬噸級油壓機主體結(jié)構(gòu)沿用之前35MN油壓機的分體拉桿框架結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)的立柱，立柱的頂部與上橫梁的底部實現(xiàn)面接觸，立柱的底部通過圓環(huán)柱銷定位方式與工作臺上平面接觸，每根立柱內(nèi)設(shè)置有兩根42CrMo 合金鋼材質(zhì)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(jīng)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(jīng)研究決定全部采用柱塞缸結(jié)構(gòu)，同時在兩側(cè)立柱的中間空檔中增設(shè)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(cè)設(shè)置有單獨控制的四只開模調(diào)平缸。整機結(jié)構(gòu)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(tǒng)設(shè)計

液壓系統(tǒng)采用先進的插裝閥集成系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)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(jié)構(gòu)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(guān)鍵部位設(shè)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(tǒng)故障和監(jiān)測液壓系統(tǒng)的運行狀態(tài)。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(tǒng)》，專利號：ZL 2022 2 0646041.8。

2.1 充液閥控制系統(tǒng)

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(tǒng)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(diào)壓閥F27 接油箱，調(diào)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(shè)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(tǒng)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(guān)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(guān)閉，響應迅速且穩(wěn)定，最終提升了輕質(zhì)防護密閉門的成型質(zhì)量。該控制系統(tǒng)已獲得實用新型專利證書《液壓機主缸的充液閥控制系統(tǒng)》，專利號：ZL2022 2 0636619.1。

圖2 充液閥控制系統(tǒng)液壓原理圖

2.2 開模調(diào)平控制系統(tǒng)

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(chǎn)生的傾覆力矩，極易導致滑塊產(chǎn)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(shè)有調(diào)平支耳，各調(diào)平支耳的下方對應設(shè)有開模調(diào)平缸。開模調(diào)平缸控制系統(tǒng)液壓原理如圖3所示，主系統(tǒng)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(diào)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(diào)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(diào)壓閥F18 的入口相連，調(diào)壓閥F18 的控制口通過比例壓力閥YAA 接油箱；其余各開模調(diào)平缸的液壓回路依次類推。根據(jù)滑塊壓制過程中傾覆力矩的大小調(diào)整各開模調(diào)平缸實際需要力的大小，結(jié)合立柱上的四角八面導軌抗偏載措施的應用，可確保滑塊對制品壓制力的均衡；在制品壓制完成后通過開模調(diào)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(chǎn)生拉絲等質(zhì)量問題。該控制系統(tǒng)已獲得實用新型專利證書《復合材料制品防偏載液壓系統(tǒng)》，專利號：ZL 2022 2 0676560.9。

圖3 開模調(diào)平控制系統(tǒng)液壓原理圖

3 電氣控制系統(tǒng)

此臺萬噸伺服油壓機電氣控制系統(tǒng)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(cè)對角位置分別設(shè)有一只絕對值型拉繩編碼器進行雙重冗余檢測，根據(jù)反饋的實時位置及壓力采集值，經(jīng)過PLC 運算處理后實現(xiàn)對伺服驅(qū)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(huán)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(jié)構(gòu)的原料。進行輕質(zhì)密閉防護門生產(chǎn)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(jù)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(huán)動作根據(jù)制品成型工藝要求進行設(shè)置，PLC 控制邏輯如圖4 所示。電氣控制系統(tǒng)根據(jù)設(shè)置的循環(huán)次數(shù)、放氣時間等參數(shù)進行自動控制。在最后一次放氣動作結(jié)束后將進入長時間高溫高壓的保壓狀態(tài)，應制品成型質(zhì)量要求，保壓壓力應保持恒定不允許出現(xiàn)波動，經(jīng)研究決定采用伺服泵保壓方式，由伺服驅(qū)動器根據(jù)泵口檢測壓力自行調(diào)整伺服電機轉(zhuǎn)速實現(xiàn)泵保壓控制，實現(xiàn)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(tǒng)作為主系統(tǒng)，其余泵系統(tǒng)設(shè)置為從系統(tǒng)，通過主驅(qū)動器接收PLC 發(fā)出的流量、壓力指令信號來決定從驅(qū)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(xiàn)主從控制，那么工藝缸、開模調(diào)平缸、鎖緊缸等周邊缸的動作將無法協(xié)調(diào)，針對此種情況，我們在現(xiàn)有主從控制基礎(chǔ)上增設(shè)每組泵系統(tǒng)由單獨的模擬量通道控制，即將原先主從協(xié)調(diào)控制由驅(qū)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(tǒng)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(jié)能控制，既充分發(fā)揮驅(qū)動器內(nèi)置PID 運算的優(yōu)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(xiàn)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(fā)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?shù)乃删o，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(chuàng)的防松報警裝置，螺釘防松報警裝置結(jié)構(gòu)如圖5所示，在螺釘?shù)膬?nèi)六角沉孔中嵌裝有六角插榫，六角插榫的中心設(shè)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(shè)有沿軸向延伸的凸輪凹槽，開關(guān)固定盤的下方附有強磁環(huán)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(guān)固定盤的外圓周上固定有微動行程開關(guān)，行程開關(guān)的探頭嵌于凸輪凹槽中，這樣當螺釘出現(xiàn)松動時將帶動凸輪螺桿旋轉(zhuǎn)，觸動行程開關(guān)觸點動作發(fā)出報警信號，依據(jù)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(jié)構(gòu)示意圖

5 結(jié)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(jié)構(gòu)仍延用之前為解決應力集中問題而設(shè)計的多拉桿、多油缸均布型式，機身體經(jīng)軟件動態(tài)、靜態(tài)仿真分析后調(diào)整鋼板焊接結(jié)構(gòu)，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(tǒng)進行優(yōu)化，在液壓系統(tǒng)中通過設(shè)置恒定壓力來控制主動型充液閥的打開和關(guān)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(xiàn)壓制過程中的調(diào)平功能，同時結(jié)合立柱上的四角八面導軌，對復合材料成型過程中產(chǎn)生的傾覆力矩進行平衡從而有效保證輕質(zhì)密閉門的成型質(zhì)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(huán)放氣動作控制功能，同時根據(jù)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(shù)確保主缸上腔壓力恒定；安全控制上通過增設(shè)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(nèi)復合材料熱成型設(shè)備的空白也促進了人防建設(shè)事業(yè)的發(fā)展。