基于ITI-SimulationX的快锻液压机液压系统仿真.pdf

第 5期 总第 1 7 4期 2 0 1 2年 i O月 机 械 工 程 与 自 动 化 MECHANI CAL ENGI NEERI NG AUT MATI N No． 5 Oc t ． 文章 编 号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 0 1 2 0 5 0 0 4 9 0 3 基于 I TI S i mu l a t i o n X 的快锻液压机液压系统仿真 张 亦 工 太原 重工股份有 限公 司 技术 中心，山西 太原0 3 0 0 2 4 摘要 利用 1 T1 一 S i mu l a t i o n X软件 建立 了大型快锻液压机 液压 系统模 型，给 出了系统快锻 工况 下的工作 性能 指标和 主要元件运行状 态，并通过对比仿真结果 与调试现场采集数据验证仿真模 型。结果表 明仿真模 型与 实际系统 吻合较好 ，为 I Tl S i mu l a t i o n X软件在工程系统研究领域 的应用提供 了可行性依据。 关键词 液压机 ；液压 系统；仿真；I T1 - S i mu l a t i o n X 中 图分类号 T G 3 l 5 ． 4 T P 3 9 1 ． 9 文献标识 码 A 0 引 言 大型快 锻 液压机 主机 结 构 大 多 为 上 推式 ， 即工 作 缸置于压机上部口 ] 。此种结构压机重 心高， 液压管道 长 ， 系统经常工作在高压、 大流量状态， 而且动作切换 频繁， 极易产生冲击和振动， 影响压机整体工作性能。 液 压 系统 仿 真是 了解 大型快 锻 液压机 工 作特性 的 重 要手 段 。本 文 对某 大型快 锻液 压 机快锻 工 况下 的 系 统进 行 了动态 仿真 ， 给 出 了系 统 工作 性 能指 标 及 主 要 元件 运行 状态 。 1 系统 简介 动力 系统 、 主控 系 统 和 充 液 系统 是 快 锻 液 压 机 液 压 系统 的重 要组 成 部 分 。 以某 大 型 快 锻 液 压机 为例 ， 动力系统为压机提供动力油源 ， 其组成包括主油箱、 主 泵 及其 控制 阀块 ， 主 泵控 制 阀块 主要包括 单 向 阀 、 溢 流 阀和卸 荷 阀 。压 机 主控 系 统 通 过控 制 主 、 侧 缸 和 回程 缸压力实现活动横梁快下 、 加压 、 卸压、 回程和停止 等 动作 ， 主 、 侧 缸和 回程 缸 均 为柱 塞 缸 ， 活 动横 梁 通 过 柱 塞 与主 、 侧缸 和 回程缸 分 别连 接 ， 主 、 侧 缸 和 回程 缸 压 力分别由相应的集成 阀块控制 。充液系统的作用是在 活动横梁快速下降时向工作缸提供大量油液， 卸压和 回程时接收工作缸排出油液 ， 其组成主要包括充液罐 组件及充液 阀。压机液压系统简图如图 1 所示。 大型快锻液压机快锻工况为 主泵经由供油管道 、 侧缸进油阀向两侧缸供油 ， 回程缸与蓄能器连通 ， 形成 保压容腔 ； 压下阶段， 高压油进入侧缸， 活动横梁下行 ， 回程 缸油 液进 入蓄 能 器储 存 能 量 ； 当活 动横 梁 行 至 距 下停 点某位 置 ， 侧缸 排油 阀开启 卸 压 ， 油 液经 由卸 压管 道排入充液罐 ， 同时蓄能器释放能量 ， 高压油进入回程 缸 ， 活动横 梁上 行 ， 到达上停 点后 ， 进 人下 一工作 循环 ， 在此阶段 ， 主缸通过充液阀与充液罐连通 ， 主缸排油阀 处 于常 闭状 态 。快 锻 工况 行 程 一般 不 超过 3 O mm， 锻 透 深度 3 mm 5 mm[ 2 ] 。快 锻液 压 机在 满足 高 锻 造 频次的同时 ， 还需保证运行平稳 ， 无 冲击和振 动， 锻造 精 度在 1 I n m 范 围 内。 1 一 主油 箱 ； 2 一主 泵 组 ； 3 一 主 泵 控 制 阀块 ； 4 一 主缸 ； 5 ～侧 缸 ； 6 一回程缸 ； 7 一括动横梁； 8 一主侧缸 阀块 ； 9 一充液阀块 ； 1 O 一蓄能器 ； 1 1 一回程缸 阀块 ； 1 2 一充液罐 图 l 压机液压系统简图 2仿真 环境 I T I S i mu l a t i o n X是德 国 I T I有限公 司开发 的面 向工程系统高级建模和多学科仿真的软件平 台， 该软 件可以完成很多复杂系统 的综合分析、 设计优化等任 收稿 日期 2 0 1 2 0 7 一 O 1 ；修 回 日期 2 0 1 2 0 7 0 5 作者简介 张亦 工 1 9 6 0 一 ，男 ，山西太原人 ，高级工程师 ，主要从事机械设计和研究 工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 O 机 械 工 程 与 自 动 化 2 0 1 2年 第 5期 务 ， 并 在许 多 领域 得 到广 泛 应 用 和验 证 。快 锻 液 压 机 液压系统是复杂的非线性、 时变系统， 涉及液压、 机械、 电气 、 控制等多学科 ， 利用 I TI S i mu l a t i o n X软件丰富 的元件库 ， 可以方便 、 准确地建立快锻液压机液压系统 仿真模型。另外 ， 该软件还具有功能齐全 的结果显示、 分析窗口， 可以对系统各组成单元 的参数变量进行动 态实时显示 、 数据导出和报告生成等L 4 ] 。 3 系统仿真 3 ． 1仿真模 型 依据快锻液压机液压系统原理图及管道图以及系 统各元件参数 ， 利用 I TI S i mu l a t i o n X软件液压库、 机 械库和控制信号库内单元搭建快锻液压机系统快锻工 况仿真模型 ， 如图 2所示。泵 、 阀、 管道、 液压缸、 油箱 和蓄 能器 等液 压元件 均 来 源 于 液压 库 ， 活 动 横 梁及 连 接柱塞作为控制部分以等效质量代替 ， 质量单元位于 机械库， 锻造力负载为实测 曲线 ， 可以用机械库的力单 元建模 ； 泵 、 阀特性曲线来源于产品样本 ； 按现场工艺 编制的控制时序可以结合控制信号库单元实现 ， 如变 量泵 转角 控制 、 充液 阀和排 油 阀启 闭控 制 等 。 圈 2 压 机 快 锻 工 况 仿 翼 模 型 3 ． 2仿真 结果 分析 快锻工况下 ， 活动横梁行 程 2 3 mm， 锻透深度 3 mm， 锻造力 曲线如 图 3所示 。由于快锻工况一般用 于轴类件精整工序， 而精整前此类零件表面大多高低 不平 ， 因此 ， 各工作循环的实测锻造力数值存在波动。 图 4和图 5给出了快锻时活动横梁的位移和速度 曲线 。快锻开始时， 活动横梁 位于上停点 ， 初始位移 6 0 0 mm， 然后活动横梁开始空程快下 ， 接近下停点 约 2 mm 处 ， 活 动横 梁 减 速 直 至 停 止 ； 回 程 开 始 时 ， 活 动 横 梁 速度 较低 ， 然 后开 始快 速 回程 直 至上停 点 ， 锻造 频 次达 7 2次／ rai n ， 锻造 精度 l mm 范 围 内。 1 2 蚕 8 4 O I 尊 -●- 掣 61 O 6 0 0 茸 5 9 0 ∞ 5 8 0 5 7 0 t ／ s 图 3 锻造力 F的变化 曲线 t ／s 图 5 活动横梁速度 的变化 曲线 利 用 I TI S i mu l a t i o n X软 件提供 的结果 显示 功 能 ， 可以全面了解系统 内各元件运行状态 ， 包括 阀启闭特 性 、 管 道压力 和流 速 以及 液压缸 压力 等 。另 外 ， 该 软件 还允许 通过 拖拽在 同一 窗 口内显 示 多条 结 果 曲线 ， 这 样就 可 以方 便地观 察 、 对 比同一 时 刻 各元 件 的匹 配运 行状 态 。图 6同时显示 了侧 缸排油 阀开 度和 主缸充 液 管道流量 ， 图 7 则显示了主、 侧缸和 回程缸压力 。大型 快锻液压机液压管道长， 建立 准确 的管道模型对其液 压系统仿 真非常重要 。I TI S i mu l a t i o n X软件 提供的 管道模型考虑了多种 因素， 包 括由摩擦引起 的层流或 湍流压力损失 、 流速改变引起的动态压力损失 、 重力压 降 、 流体质 量惯性 、 管 道 弹性 包 括 流体 压 缩 和管 壁 弹 性 以及管 道热 传递等 。从 图 6可以看 出 ， 流 动方 向改 变时， 充液管道内存在明显的流量脉动， 此脉动频率若 接近管道固有频率， 则易引起管道振动 ， 因此 ， 充液管 道设 计 时增加 消振元 件非 常必要 。 2 l 0 1 2 0 0 0 0 0 0 ． 要 目 0 0 0 0 0 0口 0 2 4 6 8 1 0 t l s 图 6 侧缸排油 阀开度 r 与主缸充液管道流量 Q 3 ． 3 仿 真模 型验证 为验证仿真模型准确性 ， 以设备空载运行时各元 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2年第 5期 机 械 工 程 与自 动 化 5 l 件参数初始值输入仿真模型， 并与实际设备运行状态 值进行对 比后可知 ， 活动横梁行程仿真结果 与实测 曲 线 吻合较 好 ， 如 图 8所示 。 目 目 ＼ 驰 察 t ／ s 图 7主 、 侧 缸 及 回程 缸 压 力 t ／ s 图 8仿真结果与测试结 果对 照 4 结 论 本文基于 I TI S i mu l a t i o n X软件平台， 对某大型快 锻液压机快锻工况进行建模和仿真研究 ， 给出了锻造 频次 、 锻造精度等系统工作性能指标 ， 以及活动横梁位 移和速度 、 充液管道流速、 排油 阀启 闭特性 、 主缸和 回 程缸压力等动态参数， 并通过与现场实测数据进行 对 比验证了仿真模 型的准确性 ， 为多学科仿真软件 I TI S i r n u l a t i o n X在 工 程 系统 研究 领 域 的应 用 提 供 了可 行 性依据 。 参考文献 [ 1 ] 高俊峰．我 国快锻液 压机 的发展与现 状 [ J ] ．锻 压技 术． 2 0 0 8，3 3 6 i - 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j u a n ． S c h o o l o f M e c h a n i c a l En gine e r i n g，S h a a nx i U n i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y，Ha n z h on g 7 2 3 0 0 3，Ch i n a Ab s t r a c t Th e i n v a l i d a t i o n o f h a r mo n i c d r i v e i s mo s t l y t h e f a t i g u e r u p t u r e o f t h e f l e x s p l i n e ．Th e f i n i t e e l e me n t me t h o d b a s e d o n c o n t a c t i s p u t f o r wa r d，t h c ma t h e ma t i c a l mo d e l i s s e t u p a n d t h e mo d a l a n a l y s i s i s c a r r i e d o u t ，a n d t h e f i r s t t e n n a t u r a l f r e q u e n c i e s o f t h e f l e x i b l e wh e e l a r e g o t ．Th e s t u d y c a n g i v e s o me r e f e r e n c e f o r t h e i m p r o v e me n t o f h a r mo n i c d r i v e ． Ke y wo r d sf l e x s pl i n e；f i ni t e e l e me nt ；mod al a na l ys i s 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m