液压轮胎定型硫化机液压系统设计与仿真.pdf

2 0 1 4年 1 月 第4 2 卷 第 1 期 机床与液压 MACHI NE T O0L HYDRAUUCS J a n ． 2 0 1 4 V0 l _ 4 2 No ． 1 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 0 1 ． 0 3 1 液压轮胎定型硫化机液压系统设计与仿真 韩青 ，叶选林 ，任杉 ，王海生 ，晏立 1 ． 红河学院工学院，云南红河 6 6 1 1 0 0 ； 2 ． 西北工业大学机电学院，陕西西安 7 1 0 0 7 2 ； 3 ． 云南广播电视大学机械电子工程学院，云南昆明6 5 0 2 2 3 摘要液压轮胎定型硫化机是轮胎生产制造的关键设备。针对液压轮胎定型硫化机重载、高精度以及高可靠性的要 求，对轮胎定型硫化机液压系统进行研究 ，在此基础上设计轮胎定型硫化机液压系统回路。液压站采用平均流量法进行节 能设计。在数学模型基础上，对液压系统的准确性、快速性和启动性能进行仿真分析。现场使用结果验证了设计和仿真的 正确性和有效性。 关键词液压轮胎定型硫化机；液压系统；快速性；启动性能 中图分类号 T H1 3 7 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 4 11 1 6 4 Hy d r a u l i c S y s t e m De s i g n a n d S i mu l a t i o n f o r Hy d r a uli c Ti r e Cu r i n g Pr e s s H A N Q i n g ，Y E X u a n l i n ，R E N S h a n ，WA N G Ha i s h e n g ，Y A N L i 1 ． E n g i n e e r i n g C o l l e g e ，H o n g h e U n i v e r s i t y ，H o n g h e Y u n n a n 6 6 1 1 0 0 ，C h i n a ； 2 ． S c h o o 1 o f Me c h a t r o n i c，N o r t h we s t e r n P o l y t e c h n i c al Un i v e r s i t y ，Xi ’ a n S h a a n x i 7 1 0 0 7 2，C h i n a ； 3 ． C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， Y u n n a n R a d i oT V U n i v e r s i t y ，K u n m i n g Y u n n a n 6 5 0 2 2 3，C h i n a A b s t r a c t T h e h y d r a u l i c t i r e c u ri n g p r e s s i s t h e k e y e q u i p m e n t f o r t i r e ma n u f a c t u ri n g ．A c c o r d i n g t o t h e r e q u i r e m e n t s o f h i 【g h s p e e d，h i g h p r e c i s i o n a n d r e l i a b i l i t y f o r t h e h y d r a u l i c t i r e c u ri n g p r e s s ，t h e f u n c t i o n s o f h y d r a u l i c s y s t e m w e r e a n a l y z e d a n d t h e c i r c u i t s o f h y d r a u l i c s y s t e m w e r e d e s i g n e d ． I n t h e h y d r a u l i c s t a t i o n ，t h e a v e r a g e fl o w me t h o d wa s a d o p t e d t o s a v e t h e e n e r g y ．S i mu l a t i o n s o n t h e a c c u r a c y ，c e l e ri t y and s t a r t u p p e rf o r ma n c e o f t h e h y d r a u l i c s y s t e m we r e ma d e b a s e d o n t h e ma t h e ma t i c a l mo d e 1 ．T h e fi e l d r e s u l t s s h o w t h e d e s i gn and s i mu l a t i o n a l e e o I T e C t a n d v a l i d ． Ke y wo r d s Hy d r a u l i c t i r e c u rin g p r e s s ；Hy d r a u l i c s y s t e m；C e l e ri t y ；S t a r t u p p e r f o rm a n c e 液压轮胎定型硫化机是实现轮胎生产的重要设备 之一 ，其主要功能是在轮胎硫化过程 中对轮胎进行定 型，对于提高轮胎的均匀性 、动平衡及精度具有重要 的作用。轮胎定型硫化机 自2 0世纪 5 0年代问世 以 来，经过 6 O多年的发展，从最初的全机械传动的机 械式轮胎定型硫化机 ，逐步发展到现在的全液压传动 形式的液压轮胎定型硫化机。目前中国橡胶机械企业 是最主要的轮胎定型硫化机生产厂商，如福建华橡自 控、益阳橡胶机械、桂林橡胶机械等，但国产的液压 橡胶定型硫化机的精度、能耗、钢材消耗量以及可靠 性与国际先进水平 如 日本神户制钢所都存在较 大 的差距 。 近年来，汽车交通、矿山开采及工程机械等领域 的迅猛发展，对轮胎质量提出了更高的要求。轮胎定 型硫化机的准确性和快速性是保证轮胎质量的重要指 标，而轮胎定型硫化机的大负载和冲击载荷给液压传 动系统的设计带了很大的不便 ，常需要采用机、电、 气、液混合驱动方式来实现准确和快速控制 ，因此液 压系统是液压轮胎定型硫化机设计的重中之重。 针对液压轮胎定型硫化机高压、重载和准确性的 要求 ，对其液压系统进行了设计和仿真，并进行了准 确性 、快速性和启动性能方面的研究。现场使用结果 验证了设计和仿真的正确性和有效性。 1 液压控制系统设计 1 ． 1 液压控制系统功能分析 轮胎定型硫化机控制系统由开合模系统、装胎机 械手、卸胎系统、中心操纵机构和加压保压回路系统 组成 ，完成开合模、中心机构操纵功能 、装胎 、加压 保压和卸胎功能，以满足轮胎定型硫化的要求。 开合模功能。由液压系统驱动开合模油缸实现活 络模具的上升和下降。为提供生产效率和保证精度 ， 收稿 日期 2 0 1 21 22 7 基金项目西北工业大学创新基金资助项 目 1 2 0 1 0 作者简介韩青 1 9 7 3 一 ，男，博士研究生，讲师，研究方向为智能机器人 、机电一体化与机电控制技术。Em a i l h a n q i n g O08 1 6 3．c o rn。 第 1 期 韩青 等液压轮胎定型硫化机液压系统设计与仿真 1 1 7 开合模应具有快速和慢速开合功能。 中心机构操纵功能。由液压系统驱动2个平行油 缸，实现中心机构的下环上升和下降。 装胎功能。由液压系统驱动装胎机械手的升降油 缸实现夹持轮胎的升降。 加压保压功能。由液压系统驱动加油油缸实现对 处于硫化期的轮胎进行增压 ，并提供稳定的压力，确 保轮胎按工艺要求进行硫化。 卸胎功能。由液压系统驱动卸胎油缸实现对硫化 后轮胎的倾斜滑动。 1 ． 2液压控制 系统的设计 液压轮胎定型硫化机开合模 、中心机构操纵功 能 、装胎 、加压保压和卸胎功能相对独立 ，从而使得 液压系统的设计具有独立性 。图 1为液压轮胎定型 硫化机的构型，并根据图 1 和轮胎定型硫化的工艺要 求设计了相应的液压控制系统。表 1为动作流程表。 图 1 液压轮胎定型硫化机构型 表 1 动作流程表 序号 动作 序号 动作 1 卸压 9 机械手上升 2 快速开模 1 0 慢速合模 3 慢速开模 1 1 快速合模 4 中心机构下环升 1 2 慢速合模 5 卸胎进 l 3 加压 6 卸胎上升 1 4 保压 7 卸胎摆 出 1 5 补压 8 机械手下降 1 6 硫化 1 开合模功能。由液压系统驱动开合模油缸实 现活络模 的上升和下降。为提供生产效率和保证精 度 ，开合模应具有快速和慢速开合功能。采用双缸设 计 ，保证上升和下降的稳定性。液压硫化机在开合模 初期，要求油缸速度快 ，实现快速开合；在接近终点 时，油缸减速慢进 ，直至接近终点。开合模时 ，为确 保双缸同步 ，必须左右油缸均到达设定位置后 ，再切 换速度，如图2所示。 P T 开合 模 一 、 错 利 渝 6 L f 、 L 一 L L [ 、 ， 1 ] 舟 7M Pa 习 iX ， 稠 l I 慢 开合模 快 开合模 压接 头 图2 开合模系统 2 中心机构操纵功能。由液压系统驱动 2个 平行油缸，实现中心机构下环的上升和下降，如图 3 所示 。 中心机构下环升降 压接 宁 I I r 、 I l ． 7 M P a L l 衄 图 3 中心机构系统 3 装胎功能。由液压系统驱动装胎机械手的 升降油缸实现夹持轮胎的升降，如图4所示。 4 加压保压功能。由液压系统驱动加油油缸 实现对硫化期的轮胎进行增压，并提供稳定的压力 ， 确保轮胎按工艺所要求的硫化压力进行硫化。采用 4 个加压油缸施加合模力进行加压和保压，液压回路如 图 5所示 。 第 1 期 韩青 等液压轮胎定型硫化机液压系统设计与仿真 1 1 9 2 ． 2 启动性能分析 工作介质。 2 ． 3 现 场 实验 设计的液压 轮胎定 型硫化机 已投入实际运行 ， 液压系统稳定性好 、可靠性高、维护简便 、抗干扰 能力强 ，满足控制系统的设计要求 ，达到行业领先 水平。图 1 1 为液压轮胎定型硫化机在某轮胎厂的 工作现场。 图 1 1 液压轮胎定型硫化机工作现场 3结论 1 完成了基于平均流量法的液压轮胎定型硫 化机液压控制系统的设计，降低了液压站的能耗； 2 采用多级先导阀补偿 系统液压动力 ，提高 阀芯的快速性和准确性，从而大幅度提高轮胎定型硫 化机 的工作能力和工作质量 ； 3 采用高弹性模量液压油提高系统的启动性 能，降低液压系统启动时引起的振荡 ，提高液压系统 性能和可靠性。 参考文献 【 1 】王守城， 容一鸣． 液压与气压传动[ M] ． 北京 北京大学 出版 社 ， 2 0 0 8 ． 【 2 】代平之， 张作龙． 液压泵回路的节能措施 [ J ] ． 流体传动 与控制 ， 2 0 0 7 1 5 l 一5 5 ． 【 3 】 倪敬， 项占琴 ， 潘晓弘， 等． 多缸同步提升电液系统建模 和控制[ J ] ． 机械工程学报， 2 0 0 6 ， 4 2 1 1 8 1 8 7 ． 【 4 】 顾I临怡， 王庆丰， 路甬祥． 液压驱动的大惯性负载加减速 特性研究[ J ] ． 机械工程学报， 2 0 0 2 ， 3 8 1 0 4 6 4 9 ． 【 5 】 傅新 ， 徐明， 王伟， 等． 液压驱动的大惯性负载加减速特 性研究[ J ] ． 机械工程学报， 2 0 1 0 ， 4 6 1 1 4 9 5 4 ． 上接 第 9 0页 1 一 实 际油 缸速 度 1 一 实 际角 速度 时 间／ s f a 油缸活塞速度 时间／ s b 迎角角速度 图 1 4 连续变迎角试验结果 5 结束语 针对风洞模型支撑装置驱动油缸要求位置和速度 同时精确控制的特点 ，搭建了简易的杆支撑机构电液 伺服系统。采用速度前馈和位置反馈复合控制策略， 详细推导了速度前馈计算模型，并设计了两种合理的 速度曲线 ，通过速度位移信号发生器 ，实现了速度前 馈控制和位置反馈控制的无扰切换。借助 A ME S i m ／ M o t i o n 联合仿真技术 ，创建了杆支撑机构电液伺服系 统的机电液仿真模型。理论推导、仿真研究与试验结 果相互印证 ，证实了速度前馈和位置反馈复合控制策 略的有效性，可以实现油缸位置和速度的同时精确控 制。所采用的控制策略简单 ，容易实现 ，具有重要的 工程应用价值 ，可以广泛用于风洞模型支撑装置步进 和连续变姿态角控制中。 参考文献 【 1 】 王帆， 周平， 葛思华， 等． 一种新型快速位置系统的研究 [ J ] ． 机床与液压 ， 1 9 9 6 2 1 31 4 ． 【 2 】 孙海生 ， 祝明红． b 3 ． 2 m风洞战斗机大迎角试验关键技 术研究[ J ] ． 实验流体力学， 2 0 1 l 3 5 25 7 ． 【 3 】 柏艳红， 权龙． 电液位置速度复合伺服系统控制策略 [ J ] ． 机械工程学报， 2 0 1 0 2 4 1 5 01 5 5 ． 【 4 】徐格宁， 胡增嵘． 电梯速度 曲线 、 行程及时间综合分析 [ J ] ． 中国工程机械学报， 2 0 0 4 4 4 1 3 4 1 6 ． 【 5 】 付永领， 祁晓野． L M S I m a o n e ． L a b A M E S i m系统建模和 仿真 参考手册[ M] ． 北京 北京航天航空大学出版社， 2 01 1 ． 【 6 】 刘念， 李树成， 王帆． 基于 M o t i o n ／ A M E S i m的某风洞迎 角机构建模 与仿真 研究 [ J ] ． 机床 与液压 ， 2 0 1 2 ， 4 0 1 1 1 3 51 3 7 ． 加 0 l【 卜 s ． Ⅲ目 ＼ 稍 烬 舞