31.5MN快锻压机液压系统快锻回路仿真.pdf

Hv dr a u l i c s Pn e uma t i c s Se a l s ／ No ． 1 1 ． 2 01 2 3 1 ． 5 M N快锻压机液压系统快锻回路仿真 于今 ， 李建平 重 庆大 学 机 械工 程学 院 ， 重 庆4 0 0 0 3 0 摘要 3 1 ． 5 MN快锻压机设计 锻造控制精度 、 锻造频次较高 ， 但是压机滑块质量大 ， 在工作时滑块的动作速度很快 ， 控制 阀块必须进行 快 速且频 繁的切换 ， 这些特点会造成 压机 的稳定性差 、 控制精度低 。为了解决这些矛盾 ， 本文从快锻压机的特性 出发 ， 建立了系统各部 分的数 学模 型 ， 用 MA T I J A B ／ m u l i n k L软件进行 了仿真 ， 验证 了设计 的系统达到 了要求。 关键词 快锻压机 ； MA T L AB i mu l i n k ； 仿真 中图分类号 T H1 3 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 2 l 1 - 0 0 2 9 0 3 F a s t Fo r g i ng Lo o p S i m u l a t i o n o f 3 1 ． 5 M N F a s t F o r g i ng Pr e s s Hy d r a u l i c S y s t e m YU J i n， L I J i a n - p i n g S c h o o l o f Me c h a n i c a l En g i n e e r i n g o f C h o n g q i n g Un i v e r s i t y ，C h o n g q i n g 4 0 0 0 3 0， C h i n a Abs t r ac t Th e wr o ug h t c o n t r o l i n g p r e c i s i o n a n d f r e qu e nc y o f 3 1 ． 5 MN f a s t f o r g i n g p r e s s a r e h i g h e r ， b ut t h e s l i de r o f c o mpr e s s o r i s a l i t t l e h e a v y， S O t h a t i t l e a d s t o f a s t mo v i n g s p e e d i n t h e wo r k ， a n d t h e c o n t r o l i n g b o n n e t h a s t o b e s wi t c h e d q u i c k l y a n d f r e q u e n t l y ．Th i e s e c h a r a c t e r i s t i c s w i l l c a u s e p o o r s t a b i l i t y a n d l o w c o n t r o l l i n g p r e c i s i o n ． T o s o l v e t h e s e c o n fl i c t s ， t h e a r t i c l e s t a rt s w i t h t h e p r e s s t r a i t s ， a n d b u i l d s ma t h e ma t i c mo d e l ， t h e n s u mi l a t e i t wi t h t h e MAT L AB ／ S i mu l i n k L ， a f t e r t h a t w e c a n c o n f i r m i t r e a c h e s wi t h t h e n e e d s o f s y s t e m ． Ke y wor ds f a s t f o r g i n g pr e s s； MATLAB／ S i mu l i nk； s i mu l a t i o n 0 引 言 快锻液压机是 2 0世纪 6 0年代开始发展起来 的一 种新型锻压设备 ， 快锻压机有着运行速度快 、 控制精度 好 、 机械化程度高 、 节能减排效果显著等特点⋯， 被认为 是 自由锻设备发展 的主要方向之一 。但 是由于在工作 过程 中工作压力高 、 液体流速快 、 动作切换频繁 、 传动 功率与传动力大 、 运动惯性大 ， 容易造成快锻液压机卸 荷换向冲击大 、 控制精度难以保证_ 2 l 。为了克服这些负 面影响 ，关键是分析和掌握快锻回路系统及其控制策 略对液压机性能的影响。对快锻液压机进行建模仿真 分析是分析系统较好 的途径之一。 本文对 3 1 ． 5 MN快锻 压机液压系统原理做 了介绍 ，然后在此基础上对各相 关 元 件 进行 了数学 建 模 ，利 用 MA T L A B ／ S i m u l i n k工具 箱对系统进行 了仿真分析 ，仿真结果表明所设计的液 压系统达到了要求 。 1 3 1 ． 5 MN快锻压机介绍 如图 1所示 ， 3 1 ． 5 MN快锻压机本 体为双立柱预应 力组 合 框架 结 构 ， 缸 与上 横 梁 组合 ， 上 传 动 式 。压 机共 收 稿 日期 2 0 1 2 0 4 1 1 作者简介 于今 1 9 6 4 一 ， 男 ， 贵州安顺人 ， 副教授 ， 硕士研 究生 ， 主要从事 流体智能传动及控制研究。 有三个工作缸。 其 中中间缸最大压力为 2 0 0 0 t ， 两侧缸总 力为 l 1 5 0 t 。 快锻一般为两侧缸工作 ， 在使用两侧缸快锻 时 。 中间缸通过充液阀进行低压进油或排油。回程缸为 柱塞缸 ， 以压机中心对称安装在下横梁和滑块之间。快 锻时 ， 回程缸一直与蓄能器连通保持压力 ， 从而减少 回 程响应时问 ， 提高精整频响。压机设计要求空载时锻造 控制精度 垂直方向 为 l m m， 锻造频次≥8 0次／ m i n 。 1 一排 油 比 例插 装 阀2 一 进 油 比例 插 装 阀3 一侧 缸 4 一 压机滑块5 一 回程缸6 一 蓄能器 图 1 3 1 ． 5 MN快锻压机快锻时液压 系统简图 在快锻时 ，两侧缸进液和排液分别使用两比例插 装阀控制。快锻过程实质上都为 电液比例位置控制系 统。工作原理为 快锻下行时， 两侧缸进液比例阀打开， 2 9 液 压 气 动 与 密 封／ 2 0 1 2年 第 1 1期 排液 比例阀关闭 ， 油压推动滑块下行 ， 回程缸 的油液进 入蓄 能器 ．滑 块 的速 度通 过 调节 比例 阀来调 节 进入 工 作缸的流量进行调节 ，比例阀由输入信号和位移传感 器输出信号的比较的偏差来控制 ； 快锻回程时， 侧缸进 液比例阀关闭， 而排液比例阀开启 ， 蓄能器中的高压油 液进 入 回程缸 ， 推 动 滑块 上行 ， 滑块上 行 的速 度 通过 调 节排油电流比例插装阀来调定。 2 快锻压机快锻 回路数学建模 2 ． 1 电液 比例插 装 阀 1 电流比例放大环节 K 寺 式中 K 、 比例放大器 的放大系数 、 输 出电流 、 输 入 电J 玉。 2 先导阀的电信号和主阀芯位移的关系 在工程 中将先导阀和主阀芯的关系视为一个二阶 振 荡环节 关 系如 下 式 『 f 1 、 ． ． 分别 为系统 阻尼 比和无阻尼 自然 频率 。 3 电液 比例插 装 阀的 阀 口流 量方程 f7 一 一A 、 ／ 一 m 、 ／ ／ 1 ／ ，’ 式中 q、 C A 、 △ p～ d 、 、 分别是阀口的流量 、 流量 系数 、 通 流面 积 、 油液 密 度 、 阀 I 1 压差 、 阀 口平 均 半 径 、 阀 口歼 度 、 阀芯锥 角 。 2 - 2 液 压缸 系统模 型 1 工作侧缸 忽略 油缸 泄漏 的影 响 ， 根 据 流量 连 续方 程 ， 可 以得 到 流 爵方程 。 ． ． ． ql g 2 y V2 ．4I y 式 中q ． 、 q 、 P 、 V 、 V 。 、 A 、 y 分 别侧缸 进 液 的 比例阀流量 、 排液 比例阀流量 、 压力 、 工作容积 、 初始工 作体积； 油液弹性模量 、 柱塞面积 、 滑块位移。 2 同程缸 回程 缸 的流量方 程 为 ． ． q 3 A 2 r V3 3 0 - A 2 Y 式 中 g ， 、 A 、 ， J 、 V ， 、 。 分别为回程缸 的流量 、 柱 塞面 积 、 油 液压 力 、 工 作 容积 初始 工作 容积 。 2 ． 3蓄能器 的数 学模 型 1 蓄能器压 力与 流量 的关 系 l 一 印 l l l l o dV1 一 n p⋯ dVl d T 厂 “ d ⋯ d 式中P 、 凡 、 p 。 分别为气腔任意时刻的气 体压力 、 气体多变指数 、 气腔 中气体初始压力 、 气腔中 气体初始体积 、 气腔任意时刻的气体体积。 2 蓄能器 液腔 的受 力方程 P 3 - p 柏 ， 式 中P 、 p ， 、 A、 m， 、 B 分 别 为 蓄 能 器 进 口 油 液 压 力 、 液 腔油 液压 力 、 液腔 横 截面 积 、 液 腔流 体质 量 、 液 腔 油 液粘性 阻尼 。 3 蓄能器 气腔 的受 力方程 p 2 - p 1 K l c } 式 中P ． 气 腔压力 ； K 任意 时刻 蓄能 器 内气体 的 弹性模 量 ， 即随 着气体压强的变化其体积的变化量。 2 ． 4比例 阀逻辑控 制信 号 将快锻运行逻辑信号设定为“ l ” 和⋯ 0’ 两种状态 ， “ l ” 表示下行 ， “ 0 ” 表示回程。信号的切换 以滑块的位移 为其参数 ， 得到快锻运行逻辑信号的判断条件为 1 当滑块位 移 ≤0时 ， 表 明滑块 处 于上极 限 位置 ， 滑块应该下行 ， 此时输出信 号“ 1 ” ； 2 当滑块位移 ≥2 5 ram时 ， 表 明滑块处于下极限 位置 ， 滑块应该上行 ， 此时输出信号“ 0 ” ； 3 肖滑块位移 0 ， 并且 2 5 ra m时 ， 表 明滑块在下 行或者回程的过程中， 此时输出信号与前一 一 刻一致。 2 ． 5滑块 的动 力学模 型 根据 滑块 受力 分析 ， 得到滑块 的受力方 程 为 p2 l p3 4 2 G B Y F --my 式 中 G、 B 、 、 F、 m 分别 为滑 块重 力 、 油液 粘性 阻 尼系数 、 滑块 与导 轨之 间的摩擦 力 、 负载 力 、 滑 块质 嚣 。 2 ． 6系统 仿真 模型 MA T L AB中的 S i m u l i n k工具箱提供 了标准模块 和 s函数 ， 通过连线将上述对各个部件的数学建模联系起 来， 就构成了整个系统的仿真模型 ， 如图 2所示。 3 仿 真结果与分析 仿真时根据实际工况， 设定工作行程为 2 5 ram， 进排 4结 论 本章 对 3 1 ． 5 MN快 锻压 机作 了简 单 的介绍 ， 着重对 快锻 回路各元 件的数学模 型进行 了推导 ，最后利用 MA T L A B的 S i m u l i n k工具 箱 强大 的数 学 分析 处 理能 力 对整个系统进行了仿真。得到了空载和 5 0 0 t 负载情况 下的滑块位移曲线 、工作缸压力 曲线 以及回程缸压力 曲线 ， 如图 5 ～ 图 8所示 ， 由备曲线中可 以看 出， 3 1 ． 5 MN 快锻液压机液压系统能够满足设计要求。 液比例阀的 P I D控制器的控制参数为K、 -- 0 ． 3 5 、 K i -- 0 ． 0 5 、 K ． - -0 ． 0 3 ， 工作负载为 5 0 0 t ， 仿真时间 3 ． 5 s ， 仿真步长0 ．0 1 s 。 4 图 2 系统 MATL AB ／ Si mu n k仿 真 模 型 如图 3所示 ， 在空载时 ， 滑块位移 、 工作缸压力以及 回程缸压力都是连续光滑 的曲线 ， 无突变和冲击 ； 从滑 块 位 移 曲线 图可 以看 3 1 ． 5 MN快 锻液 压 机 快 锻 周 期 为 0 ． 6 s 左右， 因此快锻 次数可以达到 1 0 0次／ 分钟 ； 同时从 滑 块 位 移 曲线 可 以看 出 ，滑块 的位 移 控 制精 度 可 以达 到 l mm 的要 求 。 在有 负 载 情况 下 ， 从 图 4中可 以看 出 在 每 个快 锻 周期 ， 滑块位移 和回程缸压力都有一个 明显的停滞 ， 主 缸压力出现了主 、 次两个峰值。这是由于 ， 在滑块下行 的过 程 中 ， 未接 触 工 件时 ， 工作 缸压 力 只 需要 克 服 回程 缸压力即可下行 ， 一旦接触工件 ， 滑块 的负载有一个 阶 跃性的上升 ，但工作缸的压力和流量却不能阶跃性 的 变化 ， 所 以， 滑块位移会 出现停滞 ， 这个过程为工作缸 的建压过程 。当工作缸提供 的压力可 以克服负载以及 回程 缸力 的时 候 ， 滑块再 次下 行 。工作 缸 压力这 个 时候 出现 峰 值是 由于 当滑 块 忽然 撞 击 到工 件 时 ，会 被迫 停 止 ， 但 由于滑块的惯性 ， 会产生振荡 ， 从而造成工作缸 压 力 的振 荡 。 同 时 ， 从 滑 块 位移 曲线 可 以看 出 ， 在 负载 情况下 ， 快锻周期为 0 ． 7 s左右 ， 比空载周期长 ， 这是 由 于有负载时， 系统建压需要更多的时间。 o l 2 3 t l s 图 4负载时滑块位 移 f ／ S 图 8负载 时回程缸压力 参 考 文 献 【 1 】 孔祥 东 ， 窦雪川 ， 等． 基 于 2 2 MN快锻液压机多模态控制策略 研究f J ] ． 液压与气动 ， 2 0 0 8 ， 1 0 ． [ 2 】 杨军怀 ， 陈国清． 快速 锻造 液压饥液压 系统 压力 冲击的试验 研究[ J 1 ． 中国机械丁程 ， 1 9 9 4 ， 3 ． [ 3 】 姚静． 锻造 液压机液压控 制系统关 键技 术研究[ D 1 ． 条皇岛 燕 山大学 ． 2 0 0 9 ． [ 4 ] 王积伟 ， 章宏甲， 黄谊． 液压与气压传动[ M ] 一E 京 机械 业 出 版 社 ． 2 0 o 5 ． [ 5 】 路 甬祥 ， 胡大纥 ． 电液 比例 控制技术【 M] ． 北京 机械工业 出版 社 ． 1 9 8 7 ． 【 6 ] 王琦 ， 徐式蕴 ， 等． MA T L A B基础与应用实例 集粹【 M] ． 北京 人 民邮电出版社 ． 2 0 0 7 ． 【 7 】 黄 中霖． 控制 系统 M A T L A B计算 及仿真[ M 】 ． 北 京 国防工业 出版社 ． 2 0 0 1 ． 31 ，， ，， ～ f ． 、 ● J m 、 ● _ 1 骨 一 、 、 』 ， L ， ， ● f一 我r f一 ● J 一● 、 Ⅳ 一一 一 K ． 3 加 m 5