重型双功能液压机主缸驱动系统及其使用方法与流程

本发明涉及重型液压机柱塞缸控制技术领域，更具体地，涉及一种重型双功能液压机主缸驱动系统及其控制方法。

背景技术：

随着我国科技的不断进步，重型机械的需求量越来越大，大吨位液压机的应用也越来越多，尤其是在模锻和黑色金属垂直挤压机方面，吨位已经由以前的几千吨上升到数万吨。

在模锻加工中，动梁的运动速度低，但是需要严格控制动梁的运动速度精度，因而需要对进入柱塞缸的高压油液流量进行精确控制；而在垂直挤压加工中，特别是在黑色金属垂直挤压中，由于黑色金属导热系数高，散热快，为避免因坯料温度降低过多而致使变形抗力急剧增加或造成闷车事故，需要快速完成挤压加工，因而需要为柱塞缸提供高压大流量油液。

然而，目前重型液压机多为单一功能压机，如单独用于模锻加工的模锻液压机和单独用于黑色金属垂直挤压加工的黑色金属垂直液压机。模锻液压机多采用充液油箱、变量泵、比例阀组成的柱塞缸供油回路，当柱塞缸需要快下时由充液油箱为柱塞缸补油，当柱塞缸工进时由变量泵经比例阀为柱塞缸供油，这种回路无法满足垂直挤压时柱塞缸对高压大流量油液的需求；黑色金属垂直挤压机多采用变量泵为柱塞缸供油的回路，垂直挤压时直接由变量泵根据速度要求为柱塞缸供油，这种供油回路速度控制精度低，无法满足模锻加工过程中对柱塞缸速度精确控制的需求。

技术实现要素：

本发明提供一种重型双功能液压机主缸驱动系统及使用其控制柱塞缸速度的方法，以解决现有重型液压机单一功能、仅能实现模锻或垂直挤压其种一种功能的技术问题。

根据本发明的一个方面，提供一种重型双功能液压机主缸驱动系统，其包括：油箱、与油箱连通的供油回路、旁路排油回路、卸荷回路及柱塞缸；所述供油回路包括三个并联的大流量供油泵、小流量供油泵和变量供油泵，所述供油回路的输出端分别与所述旁路排油回路和柱塞缸相连；所述大流量供油泵、小流量供油泵和变量供油泵分别通过单向控制阀与所述旁路排油回路和柱塞缸相连，且所述单向阀的输入端还连接有二位二通电液换向阀。

在上述方案基础上优选，所述供油回路的输出端进一步还连接有供油压力感应器和用于限定最大供油压力的先导型溢流阀，且所述先导型溢流阀与所述油箱相连通。

在上述方案基础上优选，所述供油回路与所述柱塞缸之间设有两个并联的大通径主油路控制支路和小通径主油路控制支路。

在上述方案基础上优选，所述大通径主油路控制支路和小通径主油路控制支路均包括插装阀、三位四通比例阀，所述插装阀的两个主油口分别与所述供油回路的输出端和所述柱塞缸相连，并将所述插装阀的控制口与所述三位四通比例阀相连接。

在上述方案基础上优选，所述大通径主油路控制支路和小通径主油路控制支路的输出端通过单向阀与所述柱塞缸相连接，并在所述单向阀输出端接有用于测量进入所述柱塞缸内油压的压力传感器。

在上述方案基础上优选，所述大流量供油泵的最大供油量为Q_b、小流量供油泵的最大供油量为Q_s和变量供油泵的最大供油量Q_v，Q_b＞Q_v＞Q_s，且Q_v＞Q_b-Q_s。

本发明还提供了一种使用如上所述重型双功能液压机主缸驱动系统控制柱塞缸速度的方法，其包括以下步骤：

S1.基于柱塞缸的最大速度，获取柱塞缸的最大进油量Q_m；

S2.基于柱塞缸的最大进油量Q_m获取供油回路中的大流量供油泵、小流量供油泵和变量供油泵的开启状态；

S3.基于柱塞缸在不同加工阶段的速度，获取柱塞缸的进油量Q₁，以调节供油回路瞬时的供油量Q₂，且Q₂>Q₁，以确定二位二通电液换向阀的导通状态；

S4.基于柱塞缸速度设定值v确定调速回路，并确定柱塞缸运动到位，停止供油回路供油；

S5.基于供油回路的油压及卸荷时间，获取卸荷回路的开度。

在上述方案基础上优选，所述步骤S2进一步包括:

当0＜Q_m＜Q_v时，仅启动变量供油泵；

当Q_v≤Q_m<Q_v+Q_s时，关闭大流量供油泵，启动小流量供油泵和变量供油泵；

当Q_v+Q_s≤Q_m<Q_v+Q_b时，关闭小流量供油泵，启动大流量供油泵和变量供油泵；

当Q_v+Q_b≤Q_m<Q_v+Q_b+Q_s时，启动小流量供油泵、大流量供油泵和变量供油泵。

在上述方案基础上优选，所述步骤S3进一步详细包括：

当0＜Q₁＜Q_v时，与大流量供油泵和小流量供油泵连接的两个二位二通电液换向阀关闭，与变流量供油泵连接的二位二通电液换向阀导通；

Q_v≤Q_m＜Q_v+Q_s时，与大流量供油泵连接的二位二通电液换向阀关闭，与变流量供油泵和小流量供油泵连接的两个二位二通电液换向阀导通；

Q_v+Q_s≤Q_m＜Q_v+Q_b时，与小流量供油泵连接的二位二通电液换向阀关闭，与大流量供油泵和变流量供油泵连接的两个二位二通电液换向阀导通；

Q_v+Q_b≤Q_m＜Q_v+Q_b+Q_s，时，与大流量供油泵、小流量供油泵和变流量供油泵连接的三个二位二通电液换向阀均导通。

在上述方案基础上优选，所述重型双功能液压机主缸驱动系统还包括两个并联的大通径主油路控制支路和小通径主油路控制支路，所述大通径主油路控制支路和小通径主油路控制支路的输出端与所述柱塞缸相连接，所述步骤S4进一步包括：

当0＜v≤v₀时，采用小通径主油路控制支路与旁路排油回路的组合对柱塞缸速度进行调节；

当v₀＜v≤v_max时，采用大通径主油路控制支路与旁路排油回路的组合对柱塞缸速度进行调节；

其中，v₀为切换小通径主油路控制支路和大通径主油路控制支路的柱塞缸速度设定值；v_max为柱塞缸最高速度值。

本发明提供了一种重型双功能液压机主缸驱动系统，采用三个并联的大流量供油泵、小流量供油泵和变量供油泵，并配合将大流量供油泵、小流量供油泵和变量供油泵分别通过单向控制阀与所述旁路排油回路和柱塞缸相连，并在每一个单向阀的输入端还接有一个二位二通电液换向阀，使用时，根据柱塞缸的速度选择三个供油泵中任意一个或两个或三个供油泵，可实现其快速供油提供垂直挤压时柱塞缸对高压大流量油液的需求；并利用供油回路与柱塞缸之间的小通径主油路控制支路和大通径主油路控制支路，配合旁路排油回路和卸荷回路，可实现柱塞缸速度的精准调控，以满足模锻对进入柱塞缸的高压油液流量精确控制需要，从而为在一台重型液压机上实现模锻和垂直挤压两种功能提供基础，缩减了加工制造成本，提高了单台压机的使用效率。

附图说明

图1为本发明的一种重型双功能液压机主缸驱动系统的原理图；

图2为本发明的使用重型双功能液压机主缸驱动系统控制柱塞缸速度的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

请参阅图1所示，本发明提供了一种重型双功能液压机主缸驱动系统，包括：油箱1、与油箱1连通的供油回路100、旁路排油回路200、卸荷回路300及柱塞缸400。

供油回路100包括三个并联的大流量供油泵5、小流量供油泵4和变量供油泵28，且大流量供油泵5、小流量供油泵4和变量供油泵28分别通过一个滤油器2、3、29与油箱1相连通，其另一端分别接有一个单向控制阀7、6、25和一个二位二通电液换向阀8、26、24，三个单向控制阀7、6、25的出油口接通后与旁路排油回路200和柱塞缸400相连。

旁路排油回路200包括小通径旁路排油控制插装阀10、与小通径旁路排油控制插装阀10的控油口连接的三位四通比例阀11，三位四通比例阀11的控油进油口与控制油P1相连，小通径旁路排油控制插装阀10出油口连接油箱1，以对进入柱塞缸400的油量进行精确控制，优选的，控制油P1经由带自保持功能的二位四通电磁换向阀13连接到液控单向阀18的控制油口，可在换向阀13导通的情况下将液控单向阀18开启以便于主缸快速回油，为主缸回程做准备。

使用时，大流量供油泵5、小流量供油泵4可以为系统提供基础流量，以实现其快速供油提供垂直挤压时柱塞缸400对高压大流量油液的需求，而变量供油泵28可使系统供油量近似无级可调，根据柱塞缸400不同运动速度对流量的需求可以确定各个液压泵的启闭状态，可实现柱塞缸400速度的精准调控，以满足模锻对柱塞缸400速度调节精度要求，从而实现其一缸多用的功能。

作为本发明的另一优选实施例中，在以上实施例的基础上，本发明的供油回路100的输出端进一步还连接有供油压力感应器23和用于限定最大供油压力的先导型溢流阀27，且先导型溢流阀27与油箱1相连通。

作为本发明的另一优选实施例中，在以上实施例的基础上，本发明的供油回路100与柱塞缸400之间设有两个并联的大通径主油路控制支路500和小通径主油路控制支路600，其中，大通径主油路控制支路500和小通径主油路控制支路600均包括插装阀14、9和三位四通比例阀12、15，插装阀14、9的两个主油口分别与供油回路100的输出端和柱塞缸400相连，并将插装阀14、9的控制口与三位四通比例阀12、15相连接，使用时，通过大通径主油路控制支路500的插装阀9与小通径旁路排油控制插装阀10中间的配合，可实现柱塞缸400在高速运动阶段的控制；并利用小通径旁路排油控制插装阀10和小通径主油路控制支路600的插装阀14的配合，完成实现对柱塞缸400在低速运动阶段的控制。

进一步的，本发明的大通径主油路控制支路500和小通径主油路控制支路600的输出端通过单向阀16与所述柱塞缸400相连接，并在单向阀16输出端接有用于测量进入所述柱塞缸400内油压的压力传感器17。

且在本发明的卸荷回路300包括卸荷插装阀22和一个三位四通比例阀21，其中三位四通比例阀21与卸荷插装阀22的控制口相连，并将该卸荷插装阀22的出油口连接油箱1，其进油口通过一个单向控制阀20与柱塞缸400的输入端相连通。使用时，该卸荷插装阀22可以根据卸荷时间需要可控地实现对柱塞缸400卸荷。

优选的，本发明的大流量供油泵5的最大供油量为Q_b、小流量供油泵4的最大供油量为Q_s和变量供油泵28的最大供油量Q_v，Q_b＞Q_v＞Q_s，且Q_v＞Q_b-Q_s，且本发明的卸荷插装阀22、小通径旁路排油控制插装阀10、大通径主油路控制支路500的插装阀14和小通径主油路控制支路600的插装阀9均为主阀芯尾部带有节流槽的插装阀22、10、14、9，其中，主阀芯开启大小由三位四通比例阀11进行比例控制以实现对流量的调节。

请参阅图2所示，本发明还提供了一种使用如上所述重型双功能液压机主缸驱动系统控制柱塞缸400速度的方法，其包括以下步骤：

S1.基于柱塞缸400的最大速度，获取柱塞缸400的最大进油量Q_m；

S2.基于柱塞缸400的最大进油量Q_m获取供油回路100中的大流量供油泵5、小流量供油泵4和变量供油泵28的开启状态；

S3.基于柱塞缸400在不同加工阶段的速度，获取柱塞缸400的进油量Q₁，以调节供油回路100瞬时的供油量Q₂，且Q₂>Q₁，以确定二位二通电液换向阀8、26、24的导通状态；

S4.基于柱塞缸400速度设定值v确定调速回路，并确定柱塞缸400运动到位，停止供油回路100供油；

S5.基于供油回路100的油压及卸荷时间，获取卸荷回路300的开度。

在上述方案基础上优选，所述步骤S2进一步包括:

当0＜Q_m＜Q_v时，仅启动变量供油泵28；

当Q_v≤Q_m<Q_v+Q_s时，关闭大流量供油泵5，启动小流量供油泵4和变量供油泵28；

当Q_v+Q_s≤Q_m<Q_v+Q_b时，关闭小流量供油泵4，启动大流量供油泵5和变量供油泵28；

当Q_v+Q_b≤Q_m<Q_v+Q_b+Q_s时，启动小流量供油泵4、大流量供油泵5和变量供油泵28。

在上述方案基础上优选，所述步骤S3进一步详细包括：

当0＜Q₁＜Q_v时，与大流量供油泵5和小流量供油泵4连接的两个二位二通电液换向阀8、26关闭，与变流量供油泵连接的二位二通电液换向阀24导通；

Q_v≤Q_m＜Q_v+Q_s时，与大流量供油泵5连接的二位二通电液换向阀8关闭，与变流量供油泵和小流量供油泵4连接的两个二位二通电液换向阀26、24导通；

Q_v+Q_s≤Q_m＜Q_v+Q_b时，与小流量供油泵4连接的二位二通电液换向阀26关闭，与大流量供油泵5和变流量供油泵连接的两个二位二通电液换向阀8、24导通；

Q_v+Q_b≤Q_m＜Q_v+Q_b+Q_s，时，与大流量供油泵5、小流量供油泵4和变流量供油泵连接的三个二位二通电液换向阀8、26、24均导通。

在上述方案基础上优选，所述重型双功能液压机主缸驱动系统还包括两个并联的大通径主油路控制支路500和小通径主油路控制支路600，所述供油回路100与所述柱塞缸400通过，所述步骤S4进一步包括：

当0＜v≤v₀时，采用小通径主油路控制支路600与旁路排油回路200的组合对柱塞缸400速度进行调节；

当v₀＜v≤v_max时，采用大通径主油路控制支路500与旁路排油回路200的组合对柱塞缸400速度进行调节；

其中，v₀为切换小通径主油路控制支路600和大通径主油路控制支路500的柱塞缸速度设定值，即当柱塞缸的速度大于v₀自动转为最低速度；v_max为柱塞缸最高速度值。

为了进一步详细说明本发明的使用方法，以下将列举模锻加工的具体操作方式予以说明本发明的详细技术方案。

第一步，使电磁铁1YA-10YA、12YA、13YA均失电，11YA得电，此处的1YA表示的是与大流量供油泵5连接的二位二通电液换向阀8的电磁铁，2YA表示的是与小流量供油泵4连接的二位二通电液换向阀26的电磁铁，3YA表示的是与变流量供油泵连接的二位二通电液换向阀24的电磁铁，4YA、5YA表示的是与小通径旁路排油控制插装阀10连接的三位四通比例阀11的电磁铁，6YA、7YA表示的是小通径主油路控制支路600的三位四通比例阀12的电磁铁，8YA、9YA表示的是卸荷回路300的三位四通比例阀21的电磁铁，10YA、11YA表示的是二位四通电磁换向阀13的电磁铁，12YA、13YA表示的是大通径主油路控制支路500的三位四通比例阀15的电磁铁。

此时液控单向阀18先导油回油，液控单向阀18工作在弹簧力作用下关闭，二位二通电液换向阀8、26、24将泵出油口与油箱1连通。然后根据加工工艺模锻中柱塞缸400速度的最大值设定值v_m计算柱塞缸400进油量最大值Q_m，并据此决定大流量供油泵5、小流量供油泵4和变流量供油泵的开启状态，应该使柱塞缸400供油回路100总的供油量Q_a>Q_m，以降低功率损耗。

第二步，根据柱塞缸400在不同加工阶段的速度设定值v计算柱塞缸400进油量Q₁，并据此确定二位二通换向阀8、26、24的导通状态，使柱塞缸400供油回路100瞬时的供油量Q₂>Q₁。

第三步，根据柱塞缸400速度设定值v确定调速回路：当0＜v≤v₀时，采用小通径主油路控制支路600的插装阀9与小通径旁路排油控制插装阀10的组合对柱塞缸400的速度进行调节；当v₀＜v≤v_max时，采用大通径主油路控制支路500的插装阀14与小通径旁路排油控制插装阀10的组合对柱塞缸400速度进行调节。

第四步，根据柱塞缸400速度的实际测量值v_T与设定值v的差值，以分别获取大通径主油路控制支路500的插装阀14、小通径主油路控制支路600的插装阀9、小通径旁路排油控制插装阀10的工作状态，以采用闭环控制的方式对柱塞缸400的速度进行调节。

当采用小通径主油路控制支路600的插装阀9与小通径旁路排油控制插装阀10的组合对柱塞缸400速度进行调节时：若|v-v_T|>Δv_x，则首先采用小通径主油路控制支路600的插装阀9对柱塞缸400速度进行粗调，当Δv_sx<|v-v_T|≤Δv_x时，则小通径主油路控制支路600的插装阀9开口大小维持不变，采用小通径旁路排油控制插装阀10对柱塞缸400速度进行精调；当采用大通径主油路控制支路500的插装阀14与小通径旁路排油控制插装阀10的组合对柱塞缸400速度进行调节时：若|v-v_T|>Δv_y，则首先采用大通径主油路控制支路500的插装阀14对柱塞缸400速度进行粗调，当Δv_sy<|v-v_T|≤Δv_y时，则大通径主油路控制支路500的插装阀14开口大小维持不变，采用小通径旁路排油控制插装阀10对柱塞缸400速度进行精调，其中，Δv_x、Δv_y为由粗调转为精调的速度差值阈值,Δv_sx、Δv_sy为速度误差允许值。

第五步，检查柱塞缸400是否运动到既定位置，若没有到位则需要重复计算二位二通换向阀8、26、24的导通状态等步骤；若柱塞缸400运动到既定位置，则进行下一步，即将通径主油路控制支路的插装阀14或小通径主油路控制支路600的插装阀9关闭。此时，模锻加工进入保压阶段，柱塞缸400需要保压一段时间，由于保压阶段坯料仍存在微小变形，从而使柱塞缸400压力降低，因而需要对柱塞缸400进行补油，此时可以采用小通径主油路控制支路600的插装阀9来为柱塞缸400补油：小通径主油路控制支路600的插装阀9开度由该阀进油路压力传感器23所测得进油口压力与该阀出油口压力传感器17所测出油口压力决定；保压结束时，完全关闭小通径主油路控制支路600的插装阀9，根据压力传感器17所测油缸中油液压力值及卸荷时间计算卸荷插装阀22开度大小，以使柱塞缸400卸荷。

最后，同时使电磁铁1YA-3YA失电，从而使大流量供油泵5、小流量供油泵4和变流量供油泵28经二位二通换向阀8、26、24卸荷,使电磁铁10YA得电，从而使二位四通换向阀13导通，先导油经二位四通换向阀13后将液控单向阀18打开，为柱塞缸400回程做准备。

为了进一步详细说明本发明的使用方法，以下将列举垂直挤压加工的具体操作方式予以说明本发明的详细技术方案。

第一步，使电磁铁1YA-10YA、12YA、13YA均失电，11YA得电，此时液控单向阀18先导油回油，液控单向阀18工作在弹簧力的作用下关闭，二位二通电液换向阀8、26、24将泵出油口与油箱1连通。

第二步，根据加工工艺垂直挤压中柱塞缸400速度的最大值设定值v_m计算柱塞缸400进油量最大值Q_m，并据此决定大流量供油泵5、小流量供油泵4和变流量供油泵28的开启状态，应该使柱塞缸400供油回路100总的供油量Q_a略大于Q_m，以降低功率损耗。

第三步，根据柱塞缸400在不同加工阶段的速度设定值v计算柱塞缸400进油量Q₁，并据此确定二位二通换向阀8、26、24的导通状态，使柱塞缸400供油回路100瞬时的供油量Q₂略大于Q₁。

第四步，根据柱塞缸400速度设定值v确定调速回路：当0＜v≤v₀时，采用小通径主油路控制支路600的插装阀9与小通径旁路排油控制插装阀10的组合对柱塞缸400速度进行调节；当v₀＜v≤v_max时，采用大通径主油路控制支路500的插装阀14与小通径旁路排油控制插装阀10的组合对柱塞缸400速度进行调节。

第五步，根据柱塞缸400速度实际测量值v_T与设定值v的差值计算大通径主油路控制支路500的插装阀14、小通径主油路控制支路600的插装阀9、小通径旁路排油控制插装阀10的工作状态，以采用闭环控制的方式对柱塞缸400速度进行调节。当采用小通径主油路控制支路600的插装阀9与小通径旁路排油控制插装阀10的组合对柱塞缸400速度进行调节时：若|v-v_T|>Δv_x，则首先采用小通径主油路控制支路600的插装阀9对柱塞缸400速度进行粗调，当Δv_sx<|v-v_T|≤Δv_x时，则小通径主油路控制支路600的插装阀9开口大小维持不变，采用小通径旁路排油控制插装阀10对柱塞缸400速度进行精调；当采用大通径主油路控制支路500的插装阀14与小通径旁路排油控制插装阀10的组合对柱塞缸400速度进行调节时：若|v-v_T|>Δv_y，则首先采用大通径主油路控制支路500的插装阀14对柱塞缸400速度进行粗调，当Δv_sy<|v-v_T|≤Δ_vy时，则大通径主油路控制支路500的插装阀14开口大小维持不变，采用小通径旁路排油控制插装阀10对柱塞缸400速度进行精调。检查柱塞缸400是否运动到既定位置，若没有到位则需要重复计算二位二通换向阀8、26、24的导通状态等步骤；若柱塞缸400运动到既定位置，则进行下一步，即将大通径主油路控制支路500的插装阀14或小通径主油路控制支路600的插装阀9关闭。在黑色金属垂直挤压加工过程中，挤压结束时柱塞缸400不需要保压，此时，根据压力传感器17所测油缸中油液压力值及卸荷时间计算插装阀22开度大小，以使柱塞缸400卸荷。

上述Δv_x、Δv_y为由粗调转为精调的速度差值阈值,Δv_sx、Δv_sy为速度误差允许值。

最后，同时使电磁铁1YA-3YA失电，从而使大流量供油泵5、小流量供油泵4和变流量供油泵28经二位二通换向阀8、26、24卸荷。使电磁铁10YA得电，从而使二位四通换向阀13导通，先导油经二位四通换向阀13后将液控单向阀18打开，为柱塞缸400回程做准备。

最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。