基于AMESim的三辊导向装置液压系统仿真研究.pdf

2 0 1 1年 2月 第 3 9卷 第 3期 机床与液压 MACHI NE T O0L HYDRAUL I CS F e b ． 2 01 1 Vo l _ 3 9 No ． 3 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 0 3 ． 0 3 9 基于 A M E S i m的三辊导向装置液压系统仿真研究 邢预 恩 ，要二仓 1 ．内蒙古科技大学机械学院，内蒙古 包头 0 1 4 0 1 0 ；2 ．核工业 2 0 8大队，内蒙古包头 0 1 4 0 1 0 摘要基于 A ME S i m对三辊导向装置液压系统进行仿真研究，根据仿真结果调整或改进液压系统，使三辊导向装置达 到最理想位置状态 ，可提高无缝钢管的生产质量 ，降低生产成本 。 关键词 A M E S i m；三辊导 向；液压系统 中图分类号 T H 1 3 7 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 31 2 93 Si mu l a t i o n Re s e a r c h o n Thr e e ． r o l 1 ． o r i e ut e d De v i c e Hy dr a ul i c S y s t e m Ba s e d o n An ES i re XI NG Yu e n ， YAO Er c a n g 1 ． Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g I n s t i t u t e ，U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y o f t he I n ne r Mo n g o l i a， Ba o t o u I n n e r Mo ng o l i a 01 4 01 0， Ch i na； 2 ． N O ． 2 0 8 G e o l o g i c a l B ri g a d e o f N u c l e a r B u r e a u o f G e o l o gy ，B a o t o u I n n e r Mo n g o l i a 0 1 4 0 1 0，C h i n a Ab s t r a c t T h e s i mu l a t i o n r e s e a r c h o n t h r e e r o l l o r i e n t e d d e v i c e h y d r a u l i c s y s t e m w a s ma d e b a s e d O n AMES i m． Ac c o r d i n g t o s i m u l a t i o n r e s u l t s ，t h e h y d r a u l i c s y s t e m c a n b e a d j u s t e d o r i m p r o v e d a n d t h e t h r e e r o ll o r i e n t e d d e v i c e c a n b e o p t i m i z e d t o i mp r o v e t h e qu a l i t y o f s e a ml e s s s t e e l t u b e s a n d d e c r e a s e p r o d uc t i o n c o s t ． Ke y wo r d s AME S i m； T h r e e - r o l l o r i e n t e d；Hy d r a u l i c s y s t e m 随着计算机仿真技术 的发展 ，越来越 多的行业在 产品的研发过程 中都 使用 了计 算机仿 真。A ME S i m软 件是 由法国 I MA G I N E公 司推 出的一种 用 于机械液 压 系统建模 与仿 真的软件 ，为机械 、流体动力和控制系 统提供 了一个完善 、优越 的仿真环境及最灵活的解决 方案 ，使用户能够借助其友好的面向实际应用的方案 来研究任何元件或 回路 的动力学特 性 。A ME S i m软件 不仅可 以指导新产品 的设计开发 ，建立 现有产 品的仿 真模型并进行 参数 修改 以对现 有产 品 的性 能进 行改 进 ，而且还可对故 障进行仿 真研究 ，在操作上也非常 简单方便。为了适应迅速变化的市场需求 ，提高产品 的竞争力，钢管行业面临着经济全球化和社会信息化 的挑战，必须快速调整产品结构，缩短开发周期，从 而有效 降低生产成本 ，以最快 的上市速度 、最好的质 量 、最低 的成本来满足市场 的需求 。采用 A M E S i m软 件可 以降低钢管的生产成本 、提高质量 ，从 而增 加产 品的市场竞争力 。 1 三辊导向装置 在无缝 钢管的穿 轧生 产中 ，顶杆 的定心具有重要 的意义。顶杆定心不准 ，顶头会偏离穿轧中心线 ，造 成毛管壁厚不均。此外，顶头偏离轧制中心，会加剧 穿轧 过程 中的振动 ，增加毛管在穿轧过程 中的金属滑 移 ，使穿轧速度 降低 ，影 响产 量 ，甚 至 造成 生 产事 故 。 1 ． 1 定心辊装置的作用 定 心辊装置在无缝钢管穿轧生产过程 中的主要作 用是 1 保 证顶杆 在穿轧过 程其 中心和轧制 中心 保持一致 ； 2 支持顶杆 ，使顶杆形成一个连续梁， 保证顶杆在穿轧过程中有足够的刚度，使毛管穿轧顺 利进行； 3 在穿轧过程 中，保证顶杆绕轧制 中心 旋转 ； 4 当毛管穿 轧至该组 定心辊 时 ，及 时张开 ， 并抱紧毛管 ，使毛管 中心与轧制中心保持一致 ，减小 顶杆的振动 ； 5 当管坯穿 轧完 毕时 ，及 时打 开定 心辊 ，保证 毛管能被夹送辊及 时夹住 ，送 出穿孔机。 1 ． 2结构 组成 图 1 三辊导 向装置运动简 图 三辊 液压定 心辊装置 主要 由机 械部分 和液压 系 收稿 日期 2 0 1 0一 O 1 2 8 作者简介邢预恩 1 9 6 4 一 ，女，硕士，主要从事机械制造研究。电话1 3 1 9 1 4 4 6 1 7 1 ，Em a i l y u e n ． x i n g 1 6 3 ． c o m。 1 3 0 机床与液压 第 3 9卷 统组成 。液压 系统 有两 个液 压缸 ，液压缸 2与联 动 板相连，控制联动板的转动，使三个辊 同时夹紧， 并实现导向作用。液压缸 1与杠杆 2直接相连，并 固定在与联动板 同心 的轴上 。在拔 出荒管 时 ，由其 保 证辊 2打开 ，使 荒管顺 利取 出 。三辊 导 向装置 运 动简 图如 图 1 。 1 ． 3机 构的运 动分析 根据机构运 动简 图进行机构的运动分析 。如 图 1 所示 ，液压缸 2推动联动板 运动 ，联动板上有拉板 1 和拉板 3 ，它们分别接杠杆 1和杠杆 3 ，杠杆 1带动 辊子 1 ，杠杆 3 带动辊子 3一起运 动。当液压缸 2伸 出时，联动板顺时针方向转 动、辊子 1的拉板 1 处于 拉状态 、辊子 3的拉板 3处于推状态 。此时 ，辊子 1 、 3同时处 于夹 紧 状态 。杠 杆 2与 液压 缸 1直 接相 连 接 ，液压缸 2推动联动板夹 紧时液压缸 1 不工作 ，液 压缸与联动板固定在 同一根轴上并成一定角度 ，液压 缸 1 控制拉板 2推动杠杆 2使辊子 2也同时夹紧 ，以 实现 3 个辊子 的同时夹紧。 2 三辊导向装置液压系统仿真 由于 三辊定 心对顶 杆 的夹紧 由两液 压缸 的独立 运 动实现 ，两液压缸 运动 速度不 可 能完全相 同 ，三 辊不 同时到达夹 紧位置 ，容易造 成顶 杆 的偏 心 ，同 时三辊定心对顶杆 的夹 紧力 也会影 响钢 管 的轧制质 量 。所 以三辊导 向定心 装置 液压 系统是 否合 理直接 影 响到钢 管的质量 。在 液压 系统 的设计 阶段 如果能 预测其性 能 ，并及时对 不合 理地方 做 出修 改 或者加 以改进 ，对提 高钢 管质 量 方 面将 会 有重 要 的 意义 。 采用 法国 I M A G I N E公 司于 1 9 9 5年推 出 的专 门用 于 液压／ 机械系统的建模、仿真及动力学分析的优秀 软件 ，对其进行仿 真，可在满 足性能 同时降低成 本 。 2 ． 1 仿真模型的建立 由于三辊定 心对 顶杆 的夹 紧 由两液压 缸 的独立 运动实 现的 ，当顶 杆 进入 三辊 定心 机 架 内后 ，阀 1 和 阀 2右位 电磁铁 工作 ，液压缸 1 、2往外伸 ，到达 夹紧位置，此即为顶杆的夹紧状态；当荒管通过三 辊定 心机架时 ，阀 1保持 右位 ，阀 2到左位 ，控制 液压缸 2的伸出 ，三个 定心 辊 同时打开 ，到达 小打 开位置 ，荒管通过三 辊定 心机架 。当一根 荒管 轧制 完毕后 ，阀 1到左位 ，控 制 液压缸 1的伸 出 ，定心 辊 2抬高到一定程度 ，便于荒管从三辊定心机架内 送 出 ，此 时为大打开 位置 。每轧制 一根 钢管 ，三辊 定心机架 的三个定 心辊完 成一 次夹 紧 ，即小 打开一 大打开 的动作循 环 。 根据 已知三辊导 向装置液压系统主要参数 系统 工作压力 1 4 M P a ；液压缸 1 缸径 、杆径分别为 1 4 0 、 1 0 0 m m，行程 3 8 5 m m；液 压缸 2 缸径 、杆 径分 别 为 1 4 0 、1 0 0 m m，行程 2 4 5 m m。仿 真模 型如 图 2示。 由于 A ME S i m软件 系统 中没有液控 阀等元件 ，在仿 真 过程中作者采取信号直 接加载方式 。为了方便起 见 ， 用 A M E S i m软件中的压力源来代替泵 。三辊导向装 置 机构较复杂 ，在该软件系统 中用恒 为 1 0 0 0 N的阻力 来代替。根据两液压缸运 动特点及其 工况 ，设计三辊 导 向装置液压系统如图 2示 。 h ydr a ul i c 图2 仿真模型 2 ． 2 系统仿真加 载 主要 目的是检验该仿真模型是否能满足液压缸的 工作循环，为了达到液压缸的运动精度 ，给分段线性 信号源 1 、 2的信号加载了分段且时间间隔不同的信 号如图 3和4示 。运行仿真模型可 以得到液压缸 1 、2 位移 随时间变化曲线如 图 5和 6 。 1 0 0 ．1 0 一6 0 ．7 0 ． 8 0 一L 0 2 4 6 8 1 0 12 l 4 1 6 时 间／ s 0 2 4 6 8 1 0 1 2 l4 1 6 时 间／ s 图3 换向阀 1 信号 图4 换向阀2信号 0 ． 40 O ． 3O 昌 0 ． 20 0 ． 1 0 0 ． 2 5 O 2 0 0 ． 1 5 1 0 0 05 0 ． 0 0 0 2 4 6 8 10 l 2 1 4 16 0 2 4 6 8 1 0 1 2 14 1 6 时间／ s 时 间， s 图 5 液压缸 1 动作线图 图 6 液压缸 2动作线图 第 3期 邢预恩 等基于 A ME S i m的三辊导向装置液压系统仿真研究 1 3 1 从图 5 、 6的仿真结果看 出 ，在 t 0～ 5 S 时 ，液 压缸 1 、2同时到 达夹 紧位置 ，顶 杆将不 会 出现顶偏 现象 ；在 t 5～ 6 S 时 ，两缸都 是停 止状态 ，即毛管 在穿轧过程 ；t 6～l 1 S 时 ，液 压缸 1 仍 是停 止 的 ， 液压缸 2 在运动 ，即这个 时候三 辊到达 小打开 位置 ， 液压缸 1 从 t 1 1 S 开始 运动 ，即开始到 达大打开 位 置 ，可 是 液 压 缸 2却 还 没 有 停 止 ，出 现 不 理 想 状 况 。作者通 过调整 或改 进液 压 系统 ，使其 达 到最 理 想状态 。 2 ． 3 仿 真研 究分 析 通过对三辊导 向装置液压系统 的仿真 ，可 以在设 计 阶段预测 出其性能 。由上述分析可 以看出 ，液压缸 1 从 t 1 1 S开始 运 动 ，即 将 开始 到 达 大打 开 位 置 ， 可是液压缸 2 却 还没有 停止 ，即出现不理想状况 ，也 就是说大打开这一位置状态不能很好 达到 ，它会影 响 到钢管顺利出管 ，进而影响到整个 钢管生产 的正 常轧 制 。通过仿真分 析调整 或改进 液压 系统 可使其达到最 理想位置状态。 3结束语 综上所述 ，基于 A ME S i m的三辊导向装置液 压系 统的仿真研究在钢 管的生产 中有着 巨大 的应用潜 力 ， 它是虚拟现实技术和计算机仿真技术在制造领域的综 合发展及应用，不消耗现实的资源和能量，却能反映 实 际产品 的有关情况。A ME S i m 以其 简便 的操 作 和强 大的仿真分析能力 ，为工程师指出了一条宽 阔的设计 和研发道路 ，值 得研究 与应用 。 参考文献 【 1 】付永领， 祁晓野． A M E S i m系统建模和仿真 从入门到精 通 [ M] ． 北京 航 空航 天大学 出版社 ， 2 0 0 6 ． 【 2 】刘伟达， 刘剑雄， 严波． 虚拟制造技术及其在制造业中的 应用研究综述 [ J ] ． 机械研究与应用 ， 2 0 0 6 2 l 7 2 0 ． 【 3 】 周晖， 杨湘杰， 章力． 虚拟制造技术在产品设计中的应用 [ J ] ． 制造业 自动化， 2 0 0 7 8 8 9 9 1 ． 【 4 】 邬国秀． 基于 A M E S i m的阀控液压缸液压伺服系统仿真 [ J ] ． 计算机应用技术， 2 0 0 8 ， 3 5 1 2 8 3 0 ． 【 5 】张康智， 刘凌． 液压系统仿真软件研究[ J ] ． 煤矿机械 ， 2 0 0 9， 3 0 3 1 01 2 ． 【 6 】王瑜， 林立， 姜建胜． 基于 A M E S i m的气控全盘式刹车制 动特性协同仿真[ J ] ． 西南石油大学学报， 2 0 0 9， 3 1 4 1 5 91 6 3． 【 7 】F u r n k a w a Y， S h i n a g a w a Y． A c c u r a t e a n d r o b u s t l i n e s e g me n t e x t r a c t i o n b y a n a l y z i n g d i s t r i b u t i o n a r o u n d p e a k s i n H o u g h s p a c e [ J ] ． C o m p u t e r V i s i o n a n d I m a g e U n d e r s t a n d i n g ， 2 0 0 3 ， 9 2 1 1 2 5 ． 【 8 】K ang B， T a n C A． N o n l i n e a r r e s p o n s e o f a b e a m u n d e r d i s t r i b u t e d mo v i n g c o n t a c t l o a d [ J ] ． C o m m u n i c a t i o n s i n N o n l i n e ar S c i e n c e and N u m e r i c a l S i m u l a t i o n ， 2 0 0 6 ， 1 1 2 2 0 32 3 2 上 接 第 1 4 4页 识 、设备运动过程状态知识 、加工过程状 态监测结果 所反映 的异常状 态和知识 ，以及它们 彼此 之间相互联 系的知识 、诊断对象的征兆与故 障之 间的各种 因果关 系的知识等。这样设计的目的，是为了将设备控制器 内部的数据及加工过程状态监测的结果结合起来，最 大限度地运用设备所拥有的可诊断信息，对设备故障 进行综合诊断。不仅可 以提高知识本身的有效性，而且 还能更准确地定位故障点 ，将故障定位到最小范围内。 公共数据库是监测与诊断共 同生成和共 同利用的 动态数据库 。其中包括 通 过实时通信获取 的设备控 制器内部反映设备运动状态和位置状况的信息；状态 监测结果信息。此外 ，由于状态监测的结果还取决于 设备运动过程及工况变化情况，所以，公共数据中还 包括反映设备加工工 艺过程 改变情况 的数据 。 综 合推理机是集成诊断专家 系统 的核心 ，它不仅 能利用状态监测结果进行推理 ，还能分析和判断来 自 设备控制器内部的数据 ，并能结合相关的两种数据进 行推理 ，最后进行综合处理并作 出诊断决策 。 4结束语 不论采用何种制造方式 ，状态监测技术都是保障 制造活动顺利实现 的重 要手段 。随着制 造业 的发展 ， 传统意义上的那种集 中式的状态监 测技术 已经难 以适 应现代 制造 过程的要求 ，迫 切需要一些新 的状态监测 技术与方法 ，适应制造技术 的数字化 、智能化 、分散 化与全球化发展趋势 。近年来 出现 的智能化状态监测 技术 、分布式状态监测技术 以及基 于 I n t e r n e t ／ I n t r a n e t 的网络化状态监测技术等等都是这方面的一些典型代 表 。 参考文献 【 1 】何新贵． 知识处理与专家系统[ M] ． 北京 国防工业出版 社 ， 1 9 9 0 ． 【 2 】虞和济， 侯广林． 故障诊断的专家系统[ M] ． 北京 冶金 工业 出版 社 ， 1 9 9 1 ． 【 3 】孙宇， 范亚新， 张军， 等． 基于 D A I 的 F M S 智能检测监控 系统研究[ J ] ． 中国机械工程 ， 1 9 9 9， 1 0 6 8 3 2 8 3 7 ． 【 4 】万军． 先进制造中加工过程智能建模与监控技术研究 [ D] ． 北京 清华大学， 1 9 9 6 ． 【 5 】史天运． F MS 状态监测与故障诊断技术研究[ D] ． 北京 北京理工大学 ， 1 9 9 8 ． 【 6 】 吴伟蔚． 基 于 I n t e r n e t 的远程协作诊断若 干关键技术 [ D ] ． 武汉 华中科技大学， 2 0 0 1 ．