30000kN全自动液压机液压系统仿真与优化.pdf

2 0 1 1 年 8月 第 3 9卷 第 l 6期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAUL I CS Au g ． 2 01 1 Vo 1 ． 3 9 No ．1 6 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 1 6 ． 0 2 0 3 0 0 0 0 k N全 自动液压机液压系统仿真与优化 许 兆美 淮阴工学院机械工程 学院，江苏淮安 2 2 3 0 0 3 摘要针对 3 0 0 0 0 k N液压机液压系统在现场调试过程中出现的冲击爆鸣问题 ，分析其液压系统原理，利用仿真软件 A ME S i m建立相应的液压模型，并进行动态仿真，得到压制部分在一个工作循环过程中的压力变化曲线。通过对仿真曲线 的分析，找到了爆鸣问题的原因，通过加装一个释压回路解决该问题，并对优化后的液压系统进行了仿真验证。 关键词 液压机；液压系统； A ME S i m仿真 中图分类号T H1 3 7 ． 7 文献标识码 B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 1 6 0 5 63 S i mul a t i o n Opt i mi z a t i o n o f t h e Hy dr a u l i c Sy s t e m o f 3 0 0 0 0 kN Hy d r a ul i c M a c h i n e XU Z ha o me i F a c u l t y o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，H u a i y i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ，Hu a i a n J i a n g s u 2 2 3 0 0 3 ，C h i n a Ab s t r a c t Ai mi n g a t p r o b l e ms o f c o n c u s s i o n a n d f u l mi n a t i o n o c c u r r e d d u ri n g p r o c e s s o f d e b u g g i n g o n s i t e ，t h e h y d r a u l i c mo d e l wa s s e t u p a n d t h e d y n a mi c s i mu l a t i o n w a s p roc e s s e d u n d e r A MES i m s i mu l a t i o n e n v i r o n me n t b y a n a l y z i n g t h e wo r k i n g p ri n c i p l e o f t h e 3 0 0 0 0 k N h y d r a u l i c ma c h i n e ．T h e r e l a t i o n c u r v e s v e r s u s t i me w e r e o b t a i n e d ，w h i c h r e p r e s e n t e d v a ri a t i o n o f p r e s s u r e i n t h e w o r k i n g p r o c e s s o f t h e p r e s s p a r t ．S o me d e f e c t s o f t h e h y d r a u l i c s y s t e m we r e a p p e a r e d a c c o r d i n g t o a n a l y s i s o f t h e c u r v e s ，a n d t h e p r o b l e ms we r e s o l v e d b y i n s t all i n g a p r e s s u r e r e l e a s i n g l o o p ．T h e o p t i mi z e d h y d r a u l i c s y s t e m w a s v ali d a t e d b y s i mu l a t i o n ． Ke ywor dsHy d r a u l i c ma c h i n e； Hy dr a u l i c s y s t e m；AMES i m s i mu l a t i o n 全自动液压机是当代液压装备生产线上最关键的 设备。随着液压技术的不断进步和发展 ，对液压机液 压系统的稳定性、可靠性 、精确性也提出了越来越高 的要求。国内液压机的水平已接近甚至部分超过国外 先进液压机的水平。但液压系统的设计主要借助于经 验，而理论上 的研究 工作却很少。利用仿 真软件 A ME S i m对液压机液压系统进行仿真，可以判别液压 系统的设计是否合理 ，是否能达到预期的设计 目的， 从而有效地缩短设计周期。 作者以某公司设计的 3 0 0 0 0 k N液压机为研究对 象，该设备在调试过程中的某个阶段，液压系统会产 生强烈的振动和巨大的 “ 炮鸣”声 响。为了快速、 低成本解决这个问题，作者利用仿真软件 A ME S i m建 模 ，并对模型仿真，得到了压制部分一个工作循环的 压力曲线 ，分析曲线，最终找出了问题所在，对液压 系统进行了改进，很好地解决了实际问题。 1 3 0 0 0 0 k N液压机液压系统工作原理 对 比国内外液压机机械结构与液压系统 ，该 系统 有很多先进独特之处。 1 ． 1 液压机机械结构特点 在继承国内外先进技术构造的基础上，压机采用 常见的四立柱结构 ，不同之处在于上下压头分别位 于上横梁与模框下部，并由独立的油缸驱动和加压， 上下缸同时加压，保证了制品内部均匀的密度分布， 大大提高了成品的质量。 1 ． 2 液压 系统工作原理 该液压机采用双泵双回路液压系统，配以上下缸 充液阀结构 ，整个系统具有液压管路流量大、功率消 耗低 等优点 。 根据液压机结构特点，为了液压系统仿真需要 ， 在不影响仿真结果的前提下，简化了下缸结构 ，设计 出的压 制部分液压原理如 图 1 所示 。 当系统启动时，由于电磁溢流阀处于常开状态， 则两个泵 1 8 、1 9通过溢流阀 1 2回油，使两泵空载启 动。当系统工作时， 整个流程电磁铁的动作顺序见表 1 。 表 1 电磁铁动作顺序图 Yl Y 2 Y 3 Y4 Y5 Y6 Y7 Y8 Y9 Yl O 上缸下行● ● 下缸上行● ● 上下缸互联 ● ● ● 上下缸加压 ● ● ● ● 上下缸卸荷 ● 上缸上行● ● ● ● 下缸上行● ● 下缸下行● ● ● 收稿日期 2 0 1 0 0 9一 O 1 基金项目江苏省 自然科学基金项目 B K 2 0 0 9 6 6 2 ；江苏省高校自然科学重大基础研究资助项 目 0 9 K J A 4 6 0 0 0 1 作者简介许兆美 1 9 7 6 一 ，女，在读博士，讲师，主要研究方向为先进制造技术及 C A D ／ C A M ／ C A E 。Em a i l f u y u n 5 8 8 1 63 ．c o rn。 第 1 6期 许兆美3 0 0 0 0 k N全 自动液压机液压系统仿真与优化 5 7 l 一 上 缸2 、7 一 充 液 闽3 一 压力 接 点4 一 下缸5、8 、9 、1 0 、1 l 一 电磁 换 向阀 6 一压力传感器1 2 、l 5 一溢流阀 l 3 一单向阀l 4 一压力表 1 6 一 过滤 器1 7 一 温 度计1 8 、l 9 一 液压 泵 图 1 液压原理图 需要特别说明的是 ，当上缸快速下行时，上缸充 液阀 2为上缸补油，同时换向阀 5置右位。同时下缸 快速上行，下缸充液阀 7打开补油 ，电磁 阀 8置左 位。当到达预先设置好的压力接点处、开始加压时， 电磁溢流阀 1 2闭合，系统产生 3 MP a 压力，同时上下 缸充液 阀关 闭 ，下缸活塞 内腔进 油 ，换 向阀 5置左 位 ， 上下缸互联合流，获得 2 5 M P a 压力． 。到达另一个压力 接点时，上下缸卸荷 ，上缸上行，下缸也上行，将砖 块推 出模具 ，由夹钳夹起推出。而后下缸充液 阀打开 ， 则下缸靠自重落下，进入下一个工作循环。 需 要注意 的是 ，由于 电磁溢 流 阀 1 5设 置 的调定 压力 为 3 M P a ，而 电磁溢流 阀 1 2和 l 5相对于泵 1 8是 串联的，所以要获得2 5 MP a 压力 ，电磁溢流阀 1 2的 调定压力应该设 置为 2 2 MP a 。 由此 可以看出 ，该 系统 上下缸同时加压 ，能够保 证制品内部均匀的密度分布 ，大大提高了砖坯质量。 采用双泵双回路 ，辅助以充液阀进行充液，满足了大 流量 、快速加压 的工艺需求 。 2 建立液压系统 A ME S i m模型 根据液压原理图，建立液压系统仿真模型。鉴于 上下缸的特殊结构 ，如果仅仅采用 A ME S i m元件库 ， 并不能充分表达内部结构原理 ，因此 ，为了得到更精 确的仿真结果，这里采用 H C D库建立上下缸的模型。 对于一个具体 的液压系统来说，分析 的目的不 同，建立的模型也不一样，在满足要求的前提下，模 型越小 、越简单越好。对压砖机液压系统建模时，一 些对仿真结果影响不大的次要因素可以忽略。 以一次加压过程为例 ，具体建模结果见图2 。 图2 液压原理图的 A ME S i m模型 在此模型中，由于下缸落下时靠 自重 ，所以上腔 直接通油缸 。同时为 了建模方便 ，下缸结构简化为一 般的液压缸。由于仿真的 目的是为了找 出动作中的 “ 炮鸣”声，所以此简化并不影响结论。 3 仿真结果及分析 工作缸一个工作循环运动时间、行程见表 2 。 表2 工作缸一个工作循环运动时间、行程 空载快下慢下工作保压快回 时间／ s 2 4 4 1 0 2 1 0 行程／ mm 0 6 0 0 1 0 0 1 0 0 0 8 0 0 根据实际工作过程的参数值 ，设置仿真参数 ，运 行仿真模型，得出上下缸位移、压力、速度等曲线。 上缸以一定速度运行，然后加压 4 S ，之后保压 2 S 。位移、压力、受力及流量曲线见图3 _ _ 6 。 2 1 ． 蓍 0． 一0 ． 2 3 5 0 日 2 0 。 5 ．5 0 5 1 O 1 5 2 O 2 5 3 0 3 5 0 5 l 0 l 5 2 0 2 5 3 0 3 5 t ／ s t ／ s 图 3 上缸位移曲线 图4 上缸压力曲线 f 1 ． 善0 ． 二一 1 ． 。 2 3 ． 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 f ， s f ／ s 图 5 上缸活塞杆受力曲线 图6 上缸流量曲线 舯 ∞ ∞如 加 ∞ O 0 0 0 0 O 0 0 0 目、 5 8 机床与液压 第 3 9卷 由以上工作腔压力曲线可以看出，在系统保压结 束后快速 回程时，工作腔压力有一个差值很大的骤 降。由于系统在保 压过程中 ，液压油压缩性 和机械部 分产生弹性变形，因而储存了相当的能量，此时的立 即换向，会瞬间产生强烈的振动和巨大的 “ 炮呜”声 响，造成机器和管路的振动，影响液压机正常工作。 下缸也出现了类似上缸的问题，只是加速度没有 那么大。这 也会产生一定 的 “ 爆鸣” 声。 4 液压 系统改进分析 由以上分析可知 ，要解决液压机 回程时 的巨大响 声和振动，就要使上缸上腔有控制地卸压，待上腔压 力降至较低时再转入回程。 为此可以在系统中 加装一个释压 回路，在 系统保压和换向之间采 取释压措施 ，由此 来消 除 系 统 振 动 和“ 爆 鸣 ” 。图 7为用 溢 流 阀 释压 的回路 。 当换向阀 1 处于图 示位置时，溢流阀2的 远程控制口通过节流阀 3和 单 向 阀 4回油 箱 。 调节节流 阀的开 口大小 图7 卸荷回路 就可以改变溢流阀的开启速度，也即调节缸上腔高压 油的释压速度。溢流阀2的调节压力应大于系统中调 节溢流阀的压力，因此溢流阀2 也起安全阀的作用 。 改进后的系统原理图如图8所示。双点划线框内 部分是加入的释压回路。 图 8 改进后的液压原理图 卸荷溢流阀的电磁铁只在卸压回程时通电，其余 时间保持断电。在保压结束后，回程前 电磁铁先通 电，工作缸上腔高压油液 的压缩能量通过溢流阀逐 渐 释放 ，不会产生 “ 炮 鸣”声 。 如图9所示为加装释压回路的系统工作缸 回路 A M E S i m模型 。 图 9 改进后 的 A M E S i m模型 释压回路可简化为一个先导溢流阀和一个信号源 的组合。虚线框内部分是加入的释压回路。 5 改进后液压系统的仿真分析 对改进后的系统进行仿真运行 ，设定释压时间为 4 S ，将工作缸压力由 2 5 M P a降到 5 MP a 。加装释压 回路后系统工作缸工作腔压力曲线与改进前的工作缸 工作腔压力曲线比较如图 1 0所示。 ； 0 日 20 a- 1 ．5 0 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 t l s a 改 进前 30 2 5 _ 2 O 皇 1 5 l 0 5 0 0 S l 0l 5 2 0 2 53 0 3 5 4 0 t l s b 改进 后 图 l 0 改进前后上缸压力曲线比较 明显看出，改进后 的系统在保压结束后的 4 S 内，工作缸的工作腔压力平缓地逐渐降低至 5 M P a ， 没有了高压骤降，系统不会产生 “ 炮鸣” 。 改进后速度比较如图 1 1 示。 可 以看 出改进后的系统回程 速度得到 了大 幅提 升，系统工作循环时间也缩短了很多，达到了提高生 产效率 的 目的。 下转第6 l页 第 1 6期 徐勉 等 C A D技术在阀块孔系定位系统中的应用 6 l 包括波特率、起始位、数据 位、停 止位、奇 偶校验 等 ， 使两 者按 照 相 同的格式 通 讯 。C J 1 M 的 RS - 2 3 2 C通 讯 口一 般 设 置为 9 6 0 0 b ／ s ，7 位数据位 ，2个停 止位 ，偶 校验 。可对 V B A的 Ms c o m m 控件的 s e t t i n g 属性进行设置 来实现对 串口的初始化。通 信流程如图4所示。 其 中 F C S帧检查 程序 如 通 信端 口初始 化 初始化报文生成命令帧 发送命令帧 读 出应 答 信息 帧 根据应答帧计算F C S 睑验F C g L 通信有效 f 、 图 4 通信流程图 P u b l i c F u n c t i o n F C S B y V a l I n S A s S t r i n g A s S t ri n g Di m S Le n，Xo r R As S t r i n g Di m TF c s As S t r i n g Di m i As I n t e g e r S L e n L e n I n p u t S t r Xo r R 0 F o r i 1 T o S Le n X o r R X o r R X o r A s c M i d M Y M I n S ， i ， 1 Ne x t i T F c s H e x MY M X o r R I f L e n T F c s 1 1 T h e n T F c s ” 0 ” T F S F CS T F c s En d F u n c t i o n 3结 论 通 信 无 效 1 系统使用选择集的方法对 C A D图元进行拾 取 ，比传统的 “ 先读取 D X F文件 ，再查找圆的代码 和属性信息”的方 法更 简单 ，对 内存的消耗更小， 也更准确 。 2 系统使用 A D O技术实现 A c c e s s 数据库的编 辑和管理，只编写较少的程序，占用很少的资源 ，但 是运行效率比较高。由此可见 ，在 V B A下用 A D O技 术连接 A c c e s s 数据库是完全可行的。 3 系统使用 MS C o m m控件代替 A P I 函数编写 串口程序，程序结构更加清晰，增强了程序的可移植 性和可靠性 ，有效地提高了串口编程效率和系统的稳 定性 。 4 系统具 有 良好 的交 互性 、可维 护性 和 可扩 充性。应用程序采用模块化结构 ，使系统具有较好的 可移植性 。 参考文献 【 1 】张帆． A U T O C A D V B A开发精彩实例教程[ M] ． 北京 清 华大学 出版社 ， 2 0 0 4 ． 【 2 】 张帆． A U T O C A D V B A二次开发教程[ M] ． 北京 清华大 学 出版社 ， 2 0 0 6 ． 【 3 】 李江全 ， 张丽， 岑红蕾． V i s u a l B a s i c 串口通信与测控应 用技术实战详解[ M] ． 北京 人民邮电出版社， 2 0 0 7 ． 【 4 】 刘正琼 ， 徐海卫， 潘嫒， 等． 基于 H o s t L i n k 协议的 P L C与 上位机串口通信的实现[ J ] ． 合肥工业大学学报 自然 科学版 ， 2 0 0 8 1 2 1 9 4 21 9 4 3 ． 【 5 】O M R O N ． S Y S M A C C S ／ C J 系列 C J 1 M C P U 可编程序 控制器编程手册[ M] ． 2 0 0 3 2 4 7 2 9 5 ． 上接 第5 8页 0 0 0． ∞ 0 0． -0 ．0 ． 0 l0 20 3 0 4 0 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 30 35 t ／ s t ／ s a 改进 前 b 改 进后 图 1 1 改进前后上缸速度比较 由于下缸和上缸工作情况类似，这里不再对下缸 进行 分析。 6结论 作者针对 3 0 0 0 0 k N液压机工作过程中出现的冲 击爆鸣问题 ，通过分析原有液压系统的工作原理，建 立了 A ME S i m模型 ，并对仿真模型进行分析 ，发现了 初步设计的系统中存在换 向压力冲击大的问题；针对 这些问题进行了分析改进 ，提出了加装释压回路的改 进方案；再对改进后的系统进行仿真分析 ，确定系统 基本正确 。 当把这些理论分析结果应用于实际生产后 ，发现 该方法确实大大降低了冲击 ，爆鸣声几乎消除，大大 降低了噪声污染 ，延长了设备的使用寿命。 参考文献 【 1 】李华聪， 李吉． 机 械／ 液压系统建模仿真软件 A ME s i m [ J ] ． 计算机仿真， 2 0 0 6 ， 2 3 1 2 2 9 42 9 7 ． 【 2 】边海岸， 戴双献． 四柱式万能液压机液压系统原理研究 [ J ] ． 机械工程师， 2 0 0 7 7 9 29 4 ． 【 3 】苏东海， 于江华． 液压仿真新技术 A M E s i m及应用[ J ] ． 机械， 2 0 0 6 ， 3 3 1 1 3 5 3 7 ． 【 g 】程燕军， 柳舟通． 冲压与塑料成型设备 [ M] ． 北京 科学 出版社， 2 0 0 5 ． 【 5 】付永领， 祁晓野． A M E S i m系统建模和仿真 从人门到精 通[ M] ． 北京 北京航空航天大学出版社， 2 0 0 6 ． 【 6 】贺小峰， 何海洋， 刘银水 ， 等． 先导式水压溢流阀动态特 性的仿真[ J ] ． 机械工程学报 ， 2 0 0 6 ， 4 2 1 7 5 8 O ．