新型下料机液压系统动态特性仿真.pdf

2 0 1 2年 9月 第 4 O卷 第 1 7期 机床与液压 MACHI NE TOOL ＆ HYDRAUL I CS S e p ． 2 01 2 Vo 1 ． 4 0 No ． 1 7 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n 。 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 1 7 ． 0 3 3 新型下料机液压系统动态特性仿真 张立军 ，王兰 ，赵永瑞 ，相恒富 1 ．中国石油大学 华 东机 电工程学院，山东东营 2 5 7 0 6 1 ；2 ．中石油技术开发公司，北京 1 0 0 o 2 8 摘要 为了实现变速周向低应力下料过程中可靠夹紧、送进棒料，设计了相应的液压系统。采用新的建模方法功 率键合图法 ，建立了新型下料机液压系统的动态数学模型，并用 Ma t l a b软件对其进行了动态特性仿真研究。结果表明管 道直径、溢流阀液阻等参数对液压系统中送进缸活塞杆速度和进口压力的影响显著，需合理配置。 关键词 下料；功率键合图；动态特性；数字仿真 中图分类号T P 3 9 1 ． 9 文献标识码A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 1 71 1 2 3 S i mu l a t i o n o n Dy n a mi c a l Ch a r a c t e r i s t i c s o f Hy d r a u l i c S y s t e m o f a Ne w T y p e Cr o p p i n g M a c hi ne Z H A N G L i j u n ，WA N G L a n ，Z HA O Y o n g r u i ， X I A N G H e n g f u 。 1 ． C o l l e g e o f Me c h a n i c a l a n d E l e c t r o n i c E n g i n e e r i n g ， C h i n a U n i v e r s i t y o f P e t r o l e u m， D o n g y i n g S h a n d o n g 2 5 7 0 6 1 ， C h i n a ；2 ． C h i n a P e t r o l e u m T e c h n o l o g yD e v e l o p m e n t C o r p o r a t i o n ， B e i j i n g 1 0 0 0 2 8 ， C h i n a Ab s t r a c t T o r e l i a b l y c l a mp a n d f e e d - i n b a r i n t h e c o u r s e o f t h e p r e c i s e c r o p p i n g w i t h v a r i a b l e s p e e d c i r c u mf e r e n t i a l l o w s t r e s s ， t h e c o r r e s p o n d i n g h y d r a u l i c s y s t e m o f t h e c r o p p i n g ma c h i n e w a s d e s i g n e d i n d e t a i l ．A d y n a mi c ma t h e ma t i c a l mo d e l o f h y d r a u l i c s y s t e m o f t h e c r o p p i n g ma c h i n e w a s d e v e l o p e d b y me a n s o f a n e w me t h o d p 0 we r b o n d g r a p h，and t h e d i g i t al s i mu l a t i o n o f t h e s y s t e m d y n a mi c al c h a r a c t e r w a s ma d e b y u s i n g Ma fl a b s o f t w are ． T h e r e s u l t s s h o w tha t the d i a me t e r o f t h e p i p e an d fl u i d r e s i s t a n c e o f o v e r f l o w v a l v e h a v e r e ma r k a b l e i n fl u e n c e s o n t h e s p e e d o f p i s t o n r o d and e n h a n c e p r e s s u r e o f t h e f e e d - i n c y l i n d e r ． Ke y w o r d s C r o p p i n g ；P o w e r b o n d g r a p h ；D y n a m i c al c h a r a c t e r ；D i gi t al s i mu l a t i o n 为了实现高效、高质量精密下料，课题组人员提 出了变速周向低应力精密下料法 。这种方法能用较 小的外力控制在棒料 V型槽尖端快速萌生裂纹 损 伤 ，然后采用变频调速和周向弯曲连续加载 ，实现 棒料断面上同一半径处各断裂点受力均匀，使 V型 槽尖端周向裂纹扩展速度同步，提高下料断面质量和 效率。该下料系统主要由传动装置、下料模具、液压 夹紧送进系统 、微调装置和机身等五大部分组成。液 压夹紧送进系统作为下料机的重要组成部分，其动态 性能直接影响着下料断面质量和效率。因此，作者采 用功率键合图技术 与 M a t l a b 对液压系统的稳定 性和某 些重要 参数对 系统动 态特性 的影响规律进行研 究 。 1 新型下料机液压系统构成 新型下料机的液压夹紧送进系统的作用是保证下 料过程中棒料一端固定，另一端加载可变力。其中夹 紧装置限制棒料的径向窜动、扭转以及轴向扭转；而 送进装置限制棒料的轴向窜动，并能自动调整棒料的 力臂大小 ，进而改变力矩。下料时首先用夹紧缸夹紧 棒料，然后送进缸将棒料悬臂送人下料模具中进行低 应力下料。下料机夹紧送进棒料动作的控制主要由液 压系统来实现，所以液压系统性能的好坏对整个下料 机的动作协调和精密下料是至关重要的。 该下料机液压 夹紧送进系统如图 1 所示 。 送进 夹 紧 图 I 新型下料机液压系统原理图 阀 阀 阀 收稿 日期 2 0 1 1 0 8 2 9 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 1 1 0 5 3 8 2 ；山东省 自然科学基金资助项 目 Z R 2 0 1 1 E L 0 3 9 ；青岛经济技术开发 区重点科技发展计划项目 2 0 1 1 25 0 作者简介张立军 1 9 7 7 ～ ，男，副教授 ，主要从事金属棒料的精密下料研究。E ma i l z l j 1 9 7 7 6 2 8 s o h u ． c o n。 第 1 7期 张立军 等新型下料机液压系统动态特性仿真 1 1 3 图 1中的二位二通电磁阀2主要起开关作用 ，能 在任何 时候对夹 紧缸的夹 紧放松 进行有 效控制。送进 缸的回油口处的电磁溢流阀4 ，能防止送进缸换向瞬 间造 成的油压冲击 。泵出 口处 的单 向阀 ，可用来 防止 回路 中的压力波动对油泵的直接冲击。另外，由于下 料过程 中所 需的夹紧力和送进力较大 ，且为了便于控 制，液压系统中采用电磁阀换向阀对两个液压缸进行 控制 。 2 下料机液压系统数学模型的建立 下料过程中，当送进缸带着整个夹紧装置沿着导 轨运动时 ，总希望送进缸能快速地达到稳定状态 ，这 样既能提高系统 的快 速性 和稳定性 ，也能减 少 冲击 、 振动和噪声。为此，以下料机液压夹紧送进过程为例 来 研究系统的动态特性。通 过对 图 1 所示 的下料机液 压系统进行分析 ，根据功率键合 图的绘 制规则 ，得 出 系统的功率键合图如图 2 所示。 图 2 新型下料机液压系统的功率键合图 图2中功率流程是从左到右。第一个结点是 0结 点，表示液压泵供给的具有确定流量的流源 5 ， ，在同 一 压力下有 3 个分支功率流，其中有2个是受作用元 控制 的，即控 制液 压泵 泄漏 量 的泄漏 液阻 ．R 液 压 泵压油腔的液容 c ，另 一个分 支功 率流 是用 于控 制 执行元件运动 的P q P代 表相应键 上 的势 变量 ，q 代表相应键上的流变量，以下类同 。第 2个结点是 p 0结点 ，R 是溢流阀 1的液阻。第 3个结点是 1 结 点，表示功率流 P q ，在同一流量下又分为两个分 支功率流，其中一支受管道液阻 和单向阀液阻 R 控制，另一支功率流P q 用于控制进料缸和夹紧缸 的运动。第4个结点是 0结点，表示在相同压力下功 率流P ， q ， 分为两个分支功率流 ，其 中P q 用于控 制送进缸的动作，P 。 q l o 用于控制夹紧缸的运动。在 分支功率流P 。 q l o 支路中，R 和 R 分别表示液控单 向阀和电磁阀3的液阻，功率流 P g 分为两个分支 功率流，其中功率流 P ， q 躬 经变换器 T F转换成机械 功率，作用在夹紧缸上用来控制活塞杆运动。 与 是夹紧缸活塞杆上 的等效质量；在分支功率 流 P q 9 支路中，R 和 R 分别为电磁阀 2和减压阀的液 阻，R 是溢流阀 4的液阻。R 、尺 、 和 R 分别 为三位四通电磁阀的4个控制 口的液阻，C 和 分 别为送进缸进油腔和 回油腔 的液容 ，C 和 C 分别为 夹紧缸 的进 油腔 和 回油腔 的液容 ，， m 。 是 送 进缸 活塞 杆上的等效质量，S 。 和 分别表示送进缸与夹紧缸 的回油管道中需要克服的排油压力。由功率键合图规 则以及 1 结点、0结点和 T F等特性 ，得出液压系统 的状态方程如下 ／CbP S f C bRb C bRI 3 6-- 々。 一 一 。 g l P ’ 。 。 一 s , 4 警 一 ， 一 其中， P 为第 4个节点处的压力且公式为 V 2 R t h R 2 R j R d , R 3 堡 墨 一 Cg l 。 Cb 。 C R 1 h R 2 R j d j R 3 尺 g d R d R d 1 R 3 l h R 2 R j g d R d 式 中 是液压泵 压油 腔的 容积 ， 是 送 进缸无 杆 腔的容积， 是送进缸有杆腔的容积， 是夹紧缸 进油腔的容积， 是夹紧缸 回油腔的容积，P 是夹 紧缸中与活塞杆相连的等效动量，P 是送进缸 中与 活塞杆相连的等效动量 ，A 和 A 分别为送进缸无杆 腔和有杆腔的作用面积，A ， 和 A 分别为夹紧缸进油 腔 和 回油腔的作用面积 。 3仿真结果及分析 鉴于送进缸的进 口压力和活塞杆速度 以及夹紧缸 活塞杆速度响应对整个液压系统的动态特性影响较 大，故对其阶跃响应进行仿真分析，探讨两个重要参 数对系统动态特性的影响，并利用 Ma t l a b软件得到 仿真结果，如图 3 5 所示。 1 1 4 机床与液压 第4 0卷 图3 夹紧缸活塞杆速度 对时间的动态响应 图4 送进缸活塞杆速度 对时间的动态响应 3 ． 1 管道直径对夹紧缸活塞杆速度的影响 管道是液压系统中必不可少的一部分，其直径的 大小对系统动态特性的影响不容忽视，有时候甚至起 到关键性的作用，其效应将影响整个系统 的动态特 性。图3反映了管道直径变化时，夹紧缸活塞杆运动 速度随时间的动态响应过程。由图 3 可知，其运动速 度在开始时有振荡，随着时间的推移 ，在 t 0 ． 1 8 s 左右达到稳定状态，其稳定值在 d 2 5 m l n和 d 3 2 m m时变化不大，为 0 ． 1 0 2 m ／ s 。但 当管道直径小到 某一特定值 d 1 8 F i l m时，其运动速度在开始阶段比 前两者振荡更加剧烈，且超调量很大 ，达到 1 3 5 ％。 夹紧缸活塞杆 的运动速度也 比d 2 5 m m和 d 3 2 m m 时的小，达到稳定状态的过渡时间也有所增加。这主 要是因为管道直径减小时，其动态响应一开始受到管 道液阻和液流惯性增大的影响，这与实际情况也是相 吻合的。 3 ． 2 溢流阀4对送进缸活塞杆速度 的影响 图4表示当送进缸回油 口处的电磁溢流阀 4的 液 阻 变化时 ，送 进 缸 活塞 杆 的运 动 速 度 随 时 间 的动态响应 过程 。由 图 4可知 当电磁溢 流 阀 4的 液阻 R 为特定值时，活塞杆的运动速度在 t 0 ． 0 5 s 左右达到稳定状态 ，其超调量较小 ，说 明送进缸 运动速度的稳定性较好。而当 R 4 0 即无电磁溢 流阀 4时 ，活塞 杆的运动 速度在 t 0 ． 1 2 s 左 右达 到稳定状态 ，其运动速度 的超调量较大 ，且 比 有值时大很多 ，活塞杆 的瞬时前 冲现象明显 ，进而 产生振动和噪声。可见 电磁溢流阀 4作为背压 阀， 在造成一定回油阻力的同时，也能使送进缸 的运动 平稳性得到较好改善。 3 ． 3 溢流 阀 4对送进 缸进 口压 力 的影响 图 5 表示当电磁溢流阀4的液阻 尺 变化时，送 进缸进 口压力随时 间的动态 响应规 律。 由图 5可知 0 0 ． 0 4 0 ． 0 8 0 ． 1 2 0 ． I 6 0 ． 2 时间， s 图 5 送进缸进 口压力对 时间的动态响应 当尺 为特定值时，送进缸进口压力在几经衰减后渐 趋稳定，过渡时间约为 0 ． 1 s ，且超调量也不大；当 R 0 即无 电磁 溢流 阀 4 时 ，送进 缸进 口压 力一 开始就有很大的突变 ，且超调量也很大，这必将会造 成很大的冲击和噪声，但系统仍然是稳定的。可见在 液压系统回路中加入一定的背压是十分必要的。 4结论 1 绘制了新型下料机液压系统的功率键合图， 并建立了其动态特性数学模型。 2 管道直径对液压系统动态特性的影响是显 著的，管径太小会造成其液阻及液流惯性增大，对系 统的稳定性不利。 3 电磁溢流阀的液阻为零 ，对送进缸活塞杆 速度的稳定性不利，易造成活塞杆瞬时前冲，由此产 生很大的振动和噪声。液阻为特定值时，活塞杆运动 稳定性较好，送进缸进口压力由波动过渡到渐趋稳定 的时间短。液阻为零时 ，送进缸进口压力一开始有很 大的突变，超调量也很大，这必将造成很大的冲击和 噪声 。 参考文献 【 1 】 张立军， 相恒富， 王世敬． 变速周向低应力弯曲断裂下料 初始工艺参数的确定 [ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 1 1 ， 3 9 7 6 97 0． 1 2 3 ． 【 2 】 刘能宏， 田树军． 液压系统动态特性数字仿真[ M] ． 大 连 大连理工大学出版社， 1 9 9 3 ． 【 3 】张尚才． 工程系统的键图模拟和仿真[ M] ． 北京 机械工 业出版社 ， 1 9 9 3 ． 【 4 】张志涌， 徐彦琴． M a fl a b教程[ M] ． 北京 北京航空航天 大学出版社， 2 0 0 1 ． 【 5 】章宏甲， 黄谊， 王积伟． 液压与气压传动[ M] ． 北京 机械 工业出版社， 2 0 0 0 ． 【 6 】 赵升吨， 张立军． 新型开槽机液压系统的动态特性仿真 研究[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 6 2 1 0 0 1 0 2 ． 4 2 0 8 6 4 2 O B d 芝 R出 口魈耳凄毅 3 5 2 5 J 5 O 5 l 5 2 2 l O 0 l e ． Ⅲ 一 ～ 秣蟮 葵艘 n 傀 0 0 0 O 0 0 O O I ． s ． g 趟 黼蟮培醣