静压造型线液压系统的组成及控制

赵林栋，李来升，文 明，董韶宜，杜 鑫，季 虎，王 利

（1.济南铸造锻压机械研究所有限公司，山东济南 250306；2.山东电力工程咨询院有限公司，山东济南 250013）

静压造型线液压系统的组成及控制

赵林栋1，李来升1，文 明1，董韶宜2，杜 鑫1，季 虎1，王 利1

（1.济南铸造锻压机械研究所有限公司，山东济南 250306；2.山东电力工程咨询院有限公司，山东济南 250013）

本文叙述了静压造型线液压系统的组成和功能，以及液压系统在运行过程中的控制。

静压造型线;液压系统;温度控制;压力控制

随着技术的进步，近几年静压造型线以自动化程度高、成型率高、表面硬度高且均匀、型腔表面光滑等优点逐渐成为各铸造厂的首选设备。

静压造型线的主要驱动方式为液压，液压驱动的优点是可以实现无极调速[1]，在同等输出功率下，液压传动装置的体积小、重量轻、扭矩大、受力好，可实现无间隙传动，运动平稳。采用液压油作为传动介质，使液压元件有自我润滑作用，大大提高其使用寿命。液压元件标准化、系列化，方便于设计、制造和推广应用。本文对静压造型线的液压系统组成和功能以及在使用过程中的控制进行了描述。

1 静压造型线液压系统的组成和功能

静压造型线的液压系统主要由液压泵站、蓄能器站、阀组、运动单元、管路、过滤系统、温控系统等组成。通过液压泵站向系统中注入压力油供给到各个使用终端，由阀组控制油缸或马达运动来实现造型线的运行。

（1）液压泵站

液压泵站是液压系统的心脏，它主要由变量泵、定量泵、循环泵、阀组、油箱、温度控制系统、压力控制系统、过滤系统、冷却系统、加热系统、回油系统等组成。其功能是为整个液压系统提供压力和温度可控、流量稳定、符合精度要求的压力油。

（2）蓄能器站

蓄能器站是由蓄能器、氮气瓶、阀组等组成，是液压系统中的能量存储设备。其功能是在系统空闲时储存压力油，在系统需要油时对系统进行快速补油，以稳定整个系统的压力。

（3）阀组

阀组是由阀块和各种功能阀组成。其作用是通过相应的电气控制，根据阀的自身功能来控制运动单元工作，以满足我们实际生产中的各种要求。

（4）运动单元

运动单元由油缸、马达这些以液压油为能量而运动的设备组成。其功能是通过它们的伸缩或旋转来完成设备的动作。

（5）管路

管路由无缝钢管、液压软管、截止阀、管路法兰、接头、三通等组成。其功能是将压力油输送到各控制阀组及运动单元，并将回油路里的油输送回油箱。

（6）过滤系统

过滤系统由吸油过滤、回油过滤、循环过滤三大部分组成，分别是在相应工况下起到过滤液压油的作用。

（7）温控系统

温控系统由温度传感器、加热系统和冷却系统组成。加热系统有电加热管加热和管路阻尼加热两部分组成。冷却一般有风冷、水冷、油冷三种方式。

2 液压系统在静压造型线中的重要性

静压造型线的驱动方式多样，除液压驱动外主要还有气动驱动和电动驱动，但是相对其余这两种方式液压驱动有着不可替代的作用，它们的特点分析如下。

（1）气动驱动：气动系统的组成与液压比较相近，其主要由气源、储气包、气源处理系统、阀组、管路、运动单元等组成。其各相关单元的功能与液压系统不尽相同，气动系统中返回的气体通过阀体上的消音器直接排放到空气中，不像液压系统有专门的回油路，把液压油输送回油箱。

①气动驱动的优点：空气取之于大气，成本低廉；安装、控制方便；无污染、无排放、后期维修方便。

②气动驱动的缺点：介质为压缩空气，工业压缩空气的使用压力一般不超过1MPa，这就决定了以它为动力源的气缸的输出力要远远小于油缸；空气的可压缩性强，在使用过程中如果受到大于压缩空气所产生的反向力时会产生逆向的误动作。

（2）电动驱动：电动驱动的运动单元主要指减速电机、变频电机、伺服电机等，以电力为动力源输出一定的扭矩来实现设备的动作。减速电机：在额定功率下输出额定的转速和扭矩。变频电机：在减速电机的基础上增加了变频器控制，可以改变减速电机的输出转速，以调整设备运行的快慢。伺服电机：增加了伺服控制器及编码器，可精确控制设备的运行状态。

①电动控制的优点：电做为直接能源相对于气动和液压没有能量转换过程中的损失。电动控制的电线连接简单直接。

②电动控制的缺点：电缆线需要走到设备上，动力电一般都为380V，所以在使用过程中必须做好有效的接地以及其他安全保护措施。另外电动元件在控制设备运行方面有一定的局限性，比如升降设备、水平推送设备，如果使用电动方式将导致设备的结构比较复杂。

（3）液压驱动：液压驱动的优缺点如下：

①液压驱动的优点：造型线的液压系统一般使用46#抗磨液压油，液压油拥有良好的流动性，易产生稳定的系统压力以保证液压执行元件稳定可靠运行；在需要相同扭矩的情况下，液压马达的体积要远远小于电机的尺寸，能明显减少设备的占用空间；造型线液压系统提供的压力可达11MPa～12MPa，液压运动执行元件输出的力量远远大于气动系统的执行元件；液压系统的标准化程度、集成化程度高，可有效提高设计效率和可靠性；在整个电路控制中都使用的24V弱电，干扰小、安全性好。

②液压驱动的缺点：相对于气动驱动和电动驱动，液压驱动的安装是最复杂且对施工人员的技能素质要求最高的，因为整个高压回路由无缝管、接头、法兰和密封组成，焊接和酸洗以及安装密封等工作必须由专业的施工人员实施才能保证良好的安装效果，以确保后期的正常使用。

从以上分析可以明确，相对于气动和电动，液压驱动在静压造型线中应作为主要驱动方式，而在实际的使用中也证明了这一点。现阶段的造型线主要是以油缸为主动力源，行程过长和需要旋转的设备使用马达或电机，部分不需要直接受力且驱动力小的运动部件使用气缸。静压造型线主机在压实过程中就是使用多个油缸驱动的多触头对型砂进行压实，以获得硬度均匀、符合性能要求的砂型。

3 静压造型线液压系统的控制

如果把整个静压造型线比喻成一个人的话，各个设备就是骨架，液压油就是血液。静压造型线是否能够可靠稳定运行与液压系统的控制有着重要关系。那么怎样合理的控制液压系统呢，我们从压力控制、温度控制、过滤系统、蓄能器站几个方面分别做以简述。

3.1 压力控制

液压系统压力的稳定性直接影响到设备运行的平稳性，为了保证整条静压造型线平稳可靠的运转，系统压力波动范围一般不要超过设定压力的±5%。过大的压差浮动会引起设备运行不到位、损坏砂型等问题。泵站的压力调整方式如下：

（1）变量泵压力的调整：

图1 变量泵原理图

变量泵本身自带压力调节，目前静压造型线液压站一般标准配备一台带标准型压力补偿变量控制器的轴向柱塞泵。除变量泵本身压力可调外，在P口管路上还接有一个溢流阀，见原理图（见图1）。调整时以变量泵本身的压力调节为准，P口溢流阀作为保护阀存在。在调整过程中应首先将泵的调节阀和保护阀全部调到无压力，然后分别调整这两个调压阀让压力交替上升，在压力升高过程中应以2MPa为一个节点，每个节点都要检查管路是否正常。到泵本身压力调到正常工作压力且保护阀调到比工作压力大1.5MPa左右时为止，将两个阀的调整螺杆背死，此时变量泵的调压结束。

（2）定量泵压力的调整：

定量泵本身不带压力调节，它通过P口管路上的溢流阀来控制本路的压力。一般造型线选用的定量泵是叶片泵或齿轮泵。第一次开泵调压时应先将溢流阀压力调到最低，开泵后从0往上逐级上调，每个节点都要停顿一下以检查管路是否正常。调到工作压力后将阀锁死。如果有多台定量泵应一台一台的逐个调压。原理见图2。

图2 定量泵原理图

（3）当所有的泵调压结束后，应依次将泵打开、负荷，通过总压力表和各分压力表查看是否调整正常，如果工作正常，泵的调压完成。

3.2 温度控制

静压造型线液压系统的温度控制过程是通过接收来自油箱上的温度传感器传来的信号，得出油箱内液压油的温度，然后通过程序控制加热系统和冷却系统[2]对油温进行调节。

加热系统中的阻尼加热一般安装在回路的两个终端，这样可以有效避免盲区；电加热和冷却系统一般安装在循环泵系统上。

液压系统正常工作有一个最佳温度范围，过低的油温容易导致各执行元件运行不灵活，甚至对液压泵造成一定的损坏等问题；过高的油温又容易造成大量液压密封件的软化、老化进而出现系统漏油等一系列现象，并且还会导致液压油质量的恶化以至带来很多其他相关问题。由此看来过高或过低的油温对静压造型线液压系统都是很不利的。

根据多年的现场调试经验，我们得出油温与泵站控制之间的关系如表1。

表1 油温与泵站控制之间的关系表

3.3 过滤系统

要想保持液压系统的稳定，那么保证液压油的油质是关键。造型线用油一般要求过滤精度为10μm。为了保护液压泵在泵的吸油口安装了吸油过滤器；为了保证回油箱的油是清洁的，在回油路上安装了回油过滤器；同时在循环泵系统里需配备循环过滤器，随时对油箱内的液压油进行过滤。部分液压阀对液压油的清洁度较高，所以在各分油路安装了相应要求的过滤器。比如静压造型机工作台举升所用的高频响阀，其要求过滤精度为5μm，为此需专门安装一个过滤器以满足该阀对液压油的要求。

静压造型线在开始单机动作调试前，要对液压管路进行冲洗，冲洗时间一般不要低于12h，冲洗完毕后要检查并清理回油滤芯。在以后的生产过程中也要经常清洗滤芯，一般建议最初造型线使用1个月后需要对所有滤芯进行检查并清洗，正常生产后可每季度对过滤系统检查一次，必要时更换滤芯。

3.4 蓄能器站

蓄能器站的工作原理是在氮气瓶中充满比系统压力低0.5MPa左右的压缩氮气，氮气与蓄能器一端连通，蓄能器的另一端接到主压力管路上，当系统内的压力大于氮气瓶内的压力时，压力油通过管路进入蓄能器储存起来；当氮气的压力大于系统压力时，此时储存在蓄能器中的压力油补充到系统中以稳定系统的油压。

蓄能器站使用的蓄能器主要有气囊式和活塞式两种，二者相比较，活塞式蓄能器（见图3）具有工作可靠、安装维护方便、使用寿命长、可承受压力大、并可串联氮气瓶组等优点（大大提高有效容积），更多的蓄能器站配置的是活塞式。

图3 活塞式蓄能器

图4 流量图

蓄能器站在整个液压系统中占有重要地位，之所以配置蓄能器是因为造型线在实际运行过程中对液压油的需求量并不是均衡的，而是一个频繁波动的过程（见图4），为了维持设备稳定运行，必须要保证设备能够得到充足的液压油，但是如果按照用油高峰来配置泵的排量和数量的话，就会造成电能源的浪费消耗，同时也会造成设备成本的增加，而配置蓄能器就避免了以上问题，并且效果还会更好，因为蓄能器除了能够短时大量供油、维持系统压力之外，还具有吸收冲击压力或泵的脉动压力的功能，使系统更加稳定。根据流量图，结合静压造型线的运行状况，通过计算来确定蓄能器的规格以及配置氮气瓶的数量以达到最佳效果。

4 结束语

液压系统对于静压造型线是一个主动力系统，我们只有更好的认识它，做到正确的使用和维护才能保证造型线的正常运行。望本文对静压造型线液压系统及其控制的简述能够对静压造型线的使用者起到一定的借鉴作用。

[1] 李百强,马颖.对造型线液压系统的认识[J].中国铸造装备与技术, 2011, (5), 44-46.

[2] 胡必超,焦振功,黄江斌,等.HWS静压造型线液压系统分析[J], 铸造设备研究,2004,(2),3-5.

The Composing and Control of Hydraulic System of Static Pressure Molding Line

ZHAO LinDong1, LI LaiSheng1, WEN Ming1, DONG ShaoYi2, DU Xin1, JI Hu1, WANG Li1

(1.Jinan Foundry and Metalforming Machinery Research Institute, Jinan 250306, Shandong China; 2. Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute Corp. Ltd, Jinan 250013, Shandong China)

The composing and function of a hydraulic system of a static pressure molding line has been described with the hydraulic system control in its running.

static pressure molding line; hydraulic system; temperature control; pressure control

TG231.6；

A；

1006-9658（2012）05-0004-4

2012－08－10

稿件编号：1208－097

赵林栋（1983-），男，从事静压造型设备研发