粉煤灰蒸压砖成型机液压系统设计与仿真研究.pdf

2 0 1 1年 2月 第 3 9卷 第 3期 机床与液压 MACHI NE T0OL HYDRAUL I C S F e b ． 2 01 1 V0 1 ． 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 2 3 粉煤灰蒸压砖成型机液压系统设计与仿真研究 姚佳烽 一 ，陆宝春 ，李刚 ，田先春 ，蒋怀同 ，余峰 。 1 ．南京理工大学机械工程学院，江苏南京 2 1 0 0 9 4 ；2 ．江苏混凝土砌块成型装备研究中心， 江苏南京 2 1 0 0 9 4 ；3 ．江苏腾 宇机械制造有限公 司，江苏宿迁 2 2 3 8 1 2 摘要根据粉煤灰蒸压砖的工艺需求，蒸压砖成型机压制部分采用上下缸同时加压的方法；在重点分析下缸结构特点 的基础上，给出双泵双回路的液压控制系统。基于 A ME S i m软件，建立液压系统仿真模型，对下缸动态特性进行分析。结 果表明该系统能够更好地满足实际需求，为实际液压系统的设计和参数优化提供依据。 关键词蒸压砖成型机 ；双泵双回路；仿真研究 中图分类号 T H1 3 7 ． 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 3 0 7 9 4 De s i g n a nd S i mul a t i o n Re s e a r c h o n Hy dr a u l i c S y s t e m o f Aut o c l a v e d Fl y As h Br i c k M o l d i ng M a c h i ne Y AO J i a f e n g 一，L U B a o c h u n ，L I G a n g ，T I AN Xi a n c h u n ，J I ANG Hu a i t o n g ，YU F e n g ， 。 1 ． S c h o o l o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，N a n j i n g 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 ，N a n j i n g J i a n g s u 2 1 0 0 9 4 ，C h i n a ； 2 ． E n gi n e e ri n g R e s e a r c h c e n t e r o f C o n c r e t e B l o c k F o r m i n g E q u i p m e n t o f J i a n g s u P r o v i n c e ，N a n j i n g J i a n g s u 2 1 0 0 9 4 ， C h i n a ；3 ． T e n g y u Ma c h i n e r y Ma n u f a c t u ri n g C o ． ，L t d ． ，S u q i a n J i a n g s u 2 2 3 8 1 2 ，C h i n a Abs t r a c tA me t h o d wa s p r o p o s e d u s i n g t h e up p e r a nd l o we r h y dr o c yl i nd e r a pp l yi n g pr e s s ur e t o t he b r i c k a t t h e s a n l e t i me f o r t he p r e s s i n g pa r t o f t h e mo l d i n g ma ch i ne a c c o r di n g t o t e c h ni c s r e qu i r e me nt o f t he fl y a s h a ut o c l a v e d br i c k． The h y d r a u l i c c o n t r o l s y s t e m o f d u a l p u mp a n d d o u b l e c i r c u i t w a s d e s i g n e d b ase d o n s t r e s s e d a n a l y s i s o f s t r u c t u r e o f t h e l o we r h y d r o c y l i n d e r ． A s i mu l a t i o n mo d e l f o r t h e s y s t e m wa s s e t u p b ase d o n AMESi m ，a nd dy n a mi c c ha r a c t e ris t i c o f t h e l o we r h y dr o c y l i n de r wa s a n a l y z e d ． Th e r e s u l t s s h o w t h a t t h e s y s t e m c a n me e t t h e r e q u i r e me n t s ． I t p r o v i d e s b a s i s for t h e s y s t e m d e s i g n a n d p a r a me t e r s o p t i mi z a t i o n o f p r a c t i c a l h y dr a u l i c s y s t e m． Ke y wo r d s A u t o c l a v e d b ri c k mo l d i n g ma c h i n e ； D u a l p u mp a n d d o u b l e c i r c u i t ；S i mu l a t i o n r e s e a r c h 粉煤灰蒸压砖是 以粉煤灰或其他矿渣或灰砂为原 料 ，添加石灰 、石膏以及骨料 ，经胚料制 备 、压制成 型 、高效蒸汽养护等工艺制成，其抗冻性 、耐蚀性 、 抗压强度等多项性能都优于实心黏土砖 。粉煤灰蒸压 砖使黏土实心砖彻底退出了历史的舞台，这对节约土 地 、保 护生态 环境也有重要 意义 ，是 国家大力发展应 用的新 型墙体材料 。 蒸压砖机 行业 的发展也逐渐走 向高峰 ，蒸压砖机 现在已经发展 为多种规格 。新型全 自动加压液压砖机 的问世 为蒸压砖机行业揭开 了一个新篇章 。 国内多数厂家的蒸压砖机的结构基本相似 ，机架 为一般的梁柱结构 ，上梁为缸梁合一结构，内镶缸 套 ，油缸活塞 杆与活 动横梁 刚性连接 ，由立柱 导 向， 从整体结构看类似于萨克米公司9 8 0型压机。液压系 统多为定量泵 系统 ，只有川 西机 器厂 的 1 5 MN压 机 采用恒功率 变量 泵 系统 。对 于 活动横 梁 快速 下行 油 路 ，多数厂家采用在主缸上部顶置一低压充液罐 ，依 靠 0 ． 1～ 0 ． 2 M P a 的油压力 强迫 主缸活 塞推动 活动横 梁快速下行方法 。多数厂家采用机械行程 减速 阀的方 法实现减速制动 。 在 继承国内外先进技术 构造 的基础上 ，作者提出 了一种新 型粉煤灰蒸压砖成 型机 ，压制部分采用上下 缸 同时加压 ，液压系统为双泵双 回路 ，更好地满足了 生产需要 。 1 粉煤灰蒸压砖成型机结构特点 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。工作 时 ，上 下油缸驱 动上下压头依次加 压数个循环 ，排气效果好 ，砖坯密实 。上缸是普通的 液压缸 ，这里重点分析下缸 。 如 图 1 所示 ，下缸 由三 部分组成 外 油缸 1 ，活 塞 2和 内柱塞 3 。其 中内柱塞 3固定在 外油 缸 1上 ， 收稿 日期 2 0 1 0一 O 1 1 4 基金项目国家科技人员服务企业行动计划项目 2 0 0 9 G J C 1 0 0 0 9 作者简介姚佳烽 1 9 8 4 一 ，男，硕士研究生，主要研究方向为液压系统设计、建模与仿真。电话0 2 58 4 3 1 5 6 1 2 E ma i l y a o ．i c c g ma i l ． c o n。 8 O 机床与液压 第 3 9卷 活塞 2内外 壁分别 与 内柱 塞 3和外 油 缸 1 贴紧密封 ，这样就形 成两个 腔。进 油管 通 过内腔进油 口 4为活 塞 2 的 内 腔 提 供 压 力 ，通 过外 腔进油 口 5为活塞 2的外 腔 提 供压力。充液 阀进 油 口 6为 大 直 径 油 口， 在 下 缸 活 塞2 快 速 上 一 詈 行时为其补油。 ． ， 由图 1所 示 ，内 图 下缸运动原理图 柱塞 3中心开有通孔 ，供油液进入 活塞 2内腔。 由于 活塞 2内腔相对于外 腔容积小得多 ，所 以内腔用作活 塞 2的快速上行 ，当然充液 阀也要打开 ，通过充液阀 进油 口6为活塞 2的外腔补油。 当到达预先设定好的压力接点 、需要 活塞 2慢速 上行时 ，关 闭内腔进油 口4和充液阀进油 口6 ，由外 腔进油 口5为活塞提供高压油 ，驱 动压头运动 ，与上 压头联合同时加压 。 下压头需要下行时 ，只需打开充液阀 ，油液利用 下活塞 的 自重通过充 液阀进油 口 6 排 出。 2 液压系统工作原理 l 一上 缸2 一 上 缸充 液 阀3 、6 、8 、9 、1 0 、1 1 一 电磁 换 向阀4 一 下缸 卜 双 单 向节流 阀卜 充 液 阀1 2 、1 卜电磁溢 流 阀l 4 - 单向 阀 l 卜 压力 表l 6 _ ． 齿轮 泵l 7 、l 8 - - 电动机l 柱 塞泵 图 2 液压系统工作原理 图 作者所设计的粉煤灰蒸压砖成型机产生压力为4 MN，生产过程采 用 P L C全 自动控制 ，上下压 头同时 加压 。为了保证在整个工作过程 中各个执行 机构 的稳 定性 ，系统始终要保证 1 0 M P a的压力 ，并且还要 实 现低负载 或空 载启动 。另 外 ，根据 成型 机 的机械 结 构，尤其是下缸的特殊结构 ，设计出的压制部分液压 原理如图 2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 l 6 、1 9通过溢流阀 l 3回油 ，使两 泵低 负载 启动。 当系统工作时 ，电磁 溢流 阀 l 3始 终闭合 ，为 系 统提供 1 0 M P a 压力 。整个流程 电磁 阀的关 键动作 简 述如下 上缸快速下行 时 ，上缸充液阀 2打开补油 ，换 向 阀 8 置右位 。同时下缸快速上行 ，下缸充液阀 7打 开 补油 ，电磁 阀6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 l 2闭合 ，系统产生 2 5 M P a 高压 ，同时上下缸充液 阀关 闭 ，换 向阀 1 1 置 左位 ，下缸活塞外 腔进油 ，换向阀 3置左位 ，上下缸 互联 ，获得 2 5 M P a高压。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。然后下缸充液 阀打开 ，则下缸 靠 自重落下 ，进入下一个工作循环。 这里需要特 殊说 明的是 ，由于 电磁溢 流 阀 l 2和 1 3 相对 于泵 1 6是 串联 的，所 以要 获得 2 5 M P a 压力 ， 电磁溢流阀 l 2的调定压力应该设置为 1 5 M P a o 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。 3液压系统仿真研究 3 ． 1 A M E S i m仿 真软件 简介 A M E S i m软件 是法 国 I MA G I N E公 司 推 出的一 种 专门用于液压机械系统建模 、仿真及动力学分析的软 件，它为流体传动提供了一个完善、优越的仿真环境 及最灵活的解决方案。用户能够借助其友好的、面向 实际应用 的界面 ，使用 已有 的元 件模 型和 或 建 立新的子模 型元件 ，来构建优化设计所需 的实际元件 或回路 的原型 。其完善 的时域与频域分析工具 ，为系 统的静动态特性提供了保证 。 3 ． 2 仿 真模 型的建 立 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。为蒸压砖成型机液压系统建立动 态模型时 ，一些对 系统动态特性影响不大的非主要 因 素可 以忽略 。基于 A M E S i m，建立液压 系统仿 真模 第3期 姚佳烽 等粉煤灰蒸压砖成型机液压系统设计与仿真研究 8 l 型如图 3所示 。 图 3 液压系统仿真模型 3 ． 3 仿真过程与结果分析 进行仿 真分析时 ，齿轮泵 和柱塞泵 的参数设置如 图 4和 5所示 。 图4 齿轮泵参数设置 图5 柱塞泵参数设置 鉴 于下缸 的特殊 结 构 ，仿 真模 型 建立 有 一定 困 难，但是可以通过设置特殊的参数来实现。模型 中 没有给 出充液 阀 ，可 以通过 增大 换 向 阀和油 缸管 路 直径来实现 。当下缸 内腔充液 、实现快上动作 时，以与下缸实际柱塞等面积原则 ，各个参数设置 如图 6示 。 翻轼∞ a me I d■ n 醴e | o f ro d t ,Cho l h o k 0 d e a d v o k lt a t D o 『 I 1 a 1 d d e a d v o k lm e 咄 } 2e n d t o l a l m a s sb 萌 m O v e d 3 0Im 2 B m a3 m 5 0 e ma 5 0 4 0 0 k g 图6 下缸参数设置 下缸快速上行 时 ，电磁溢 流 阀 1 2 此 处及 以后 均参 照图 2 的输 入信 号设置为 1 ，溢流 阀导通 ，不 产生压力。电磁溢流阀 1 3的输入信号设置为 0，溢 流阀起到溢流作用。下缸活塞上部直接接油缸，并且 管路直径设置最大，使上端口的流量影响减到最小。 当电磁溢流阀 l 3参数设置为 5 MP a时，整个系统将 产生 5 M P a的压力 ，下缸活塞下端流量曲线和压力变 化曲线如图 7和 8所示 。 、o 一2 ‘； 2 ．8 J -12 ．1 4 1 6 时 间， 0 垂 4 0 ． 0 1 ． 0 2 ． 0 3 ． 0 4 ． 0 5 ． 0 6 ． 0 时 间， s 图 7 下缸 快上 5 MP a 图 8 下缸快 上 5 MP a 时流量曲线 时压力曲线 可 以看 出 ，下缸 快上 的时 间持续 为 1 ． 6 s ，这个 时间相对整个工作过程来说太长，不满足高效的要 求。但是可以通过调节电磁溢流阀的参数来观察时间 值 。通过改变不 同参数 ，可 以得出 当溢 流阀溢流压 力设置为 1 0 MP a 最 合适 。此时 流量 曲线 和压 力 曲线 见 图 9和 1 0。 5 o ’；一 5 一 1 0 ．25 o． o 1． o 2． o 3 ． o 4． o 5． o 6． o 时 间／ s 图 9 下缸快上 流量曲线 l 2 10 8 6 4 2 0 0 ． o 1 ． o 2 ． o 3 ． o 4 ．o 5 ． o 6 ． 0 时 间／ s 图 1 0 下缸快上 压力 曲线 可以发现，当调定压力为 1 0 MP a 时 ，上升时间 为 0 ． 6 s ，比 5 M P a时节省 了约 1 s ，并且 还避免 了 5 M P a 时产生的轻微 冲击 。 由于粉煤灰蒸压砖的压制力已经确定为 2 5 MP a ， 所以这里的参数不能做大的变动，通过调整各个参 数 ，协调各个参数之间的搭配关系，来确定各个元器 件 的设置参数 。 当下缸接触到模具，开始加压时，下缸外腔充液 加压，根据下缸外腔面积 ，换算成仿真模型中的参 数 ，各个参数设置如图 1 1 所示 。 l T № I V a ／u e l u 瞳 D lo nt l a ma t tn d b m e le r o f ro d I e 呻I h o f l h o k e d e 6 dv o lu me越D 1 t a d d e a dv o I哪a t D o n2e n d t o ta l m a s s m o v e d 6 0m 4 fro m 氇3m 5 0C ff l 3 ．5 0 i r l 3 柏0 D ∞蛔 图 1 1 下缸加压时参数设置 开始加压时 ，电磁溢流阀 1 2和 l 3的输入信号都 设置为 0 。由于压制成 型时需 要压力 固定 为 2 5 M P a ， 电磁溢流阀的溢 流压 力就设 置 为 1 5 MP a 。两个溢 流 阀串联 ，产生总压 力 为 1 51 02 5 M P a 。电磁换 向 阀3置右位 ，实现上下缸互联，此时下缸的流量变化 曲线和压力变化曲线如图 1 2和 1 3 所示。 8 2 机床与液压 第 3 9卷 ．三 一 g - 1 二 ]- 1 ．2 一 2 一3 ．3 时 间／ s 时 间／ s 图 l 2 下缸加压时 图 1 3 下缸加压时 流量曲线 压力曲线 上缸 的参数设 置如图 1 4 所示 。 T 赫 k p is t o n n e t e t d i删e f 。 f r o d le rgt h o f s l f0 k e d e 8 d v o l u m e a I D 。 时1 e n d d e a dv o h 肌 e a l D o 『 I 2e n d t o t a l t ik es b e ir m o v e d V |e l U 瞳 ∞ m 4 5m n6m 5 0c m3 5 0c m ,l O O g g gk g 图 l 4 上缸加压时参数设置 上缸在和下缸互联 同时加压时 ，其流量曲线和压 力曲线如图 1 5和 l 6所示 。 吾 蠡 4 5 0 0 1 ．tO ／ 0． 0 1 ． 0 2． 0 3 ． 0 4． 0 5 ． 0 6． 0 时间， s 图 1 5 上缸加压 时 流量曲线 时间／ s 图 1 6 上缸加压时 压力曲线 通过调整 电磁 溢流阀 1 3的压力 ，根据下缸上行 的时间选定了溢流压力最优值以外，建立仿真模型的 另一个意义在于得到压力曲线 ，验证压 力设置的可行 性 ，还可以得到一些时间参数 ，为 P L C编程提供依据。 比较 图 9和 1 2 ，可 以 看 出 ，下缸 快 速 上行 时 ， 需要 的压力小 ，只有 1 0 M P a ，时间也短 ，只需 约 0 ． 6 S ；当工 作 加 压时 ，压 力 达 到 2 5 M P a ，加 压 时 间为 2 ． 6 s ，基本满 足 了工作 需 求 。另 外在 P L C编程 时 ， 需要设 置上 下缸 开始 卸 荷 的时 间 ，此处 的 0 ． 6 s 与 2 ． 6 s 两个数据就 提供 了重要依据。 图 l 5和 l 6提供 了上缸在加压过程 中压力和流量 的变化过程 ，由此可 以看出 ，上缸在 t 2 ． 6 S 压制到 位 ，压力上 升也很快 ，整个动作过程也基本满足 了需 要 。 4结 论 作者根 据实际工况需求 ，设计 了粉煤灰蒸压砖成 型机的液压 系统 ，并 分析 了下缸 的特 殊 结构 。通 过 A ME S i m仿真 ，并通过改变 其中的参数 ，分析 比较后 得出了一 系列重要结论 。最后可 以看 出 ，该液压系统 的设计基本上满足 了实际需求 。压力与时间曲线也为 控制部分程序的设计提供 了重要理论依据 。 参考文献 【 l 】 冯长印， 张柏清． 国产陶瓷砖 自动液压压砖机的市场与 技术进步[ J ] ． 陶瓷， 2 0 0 6 1 2 3 0 3 2 ． 【 2 】 A M E S i m U s e r M a n u a l [ M] ． I M A G I N E S A ． 【 3 】贺小峰， 何海洋， 刘银水． 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 0 ． 【 4 】A m i r a n t e R， Mo s c a t e l l i P G， C a t a l a n o L A ． E v a l u a t i o n o f t h e f l o w f o r c e s o n a d i r e c t s i n g l e s t a g e p r o p o r t i o n a l v a l v e b y m e a n s o f a c o mp u t a t i o n a l fl u i d d y n a m i c a n a l y s i s [ J ] ． E n e r g e C o n v e i o n＆ Ma n a g e m e n t ， 2 0 0 7 9 9 4 2 9 5 3 ． 上接 第 8 7页 示分别 为示波器现场采集 到的系统的 阶跃 响应 曲线 。 图 4所示为无干扰条件下系统 的阶跃响应 曲线 ；图 5 所示为P I D参数微调且有干扰条件下系统的阶跃响应 曲线。从图4可知系统的阶跃响应到达峰值所用的时 间为 1 ． 2 S ，调整时间为 l s ，超调 明显 ；从 图 5可知 系统的阶跃响应 比较 快 、且超调小 ，这是 因系统 P I D 参数在 图 4基 础 上微 调 ，增 大 了 、 ，减小 K ． ， 使系统更加稳定性 ，当加入干扰时对压力影响很小 。 时间／ s 图4 无干扰条件下系 统的阶跃 响应 时间／ s 图5 干扰条件下系 统 的阶跃响应 5结束语 系统实验结果表 明，在有 干扰条件下 P I D参数微 调后 ，系统阶跃 响 应到 达峰 值所 用 的时 间为 0 ． 8 S ， 调整时 间为 0 ． 8 S ，可见 系统 调整 迅速 、工 作 稳定 、 可靠，且具有较强的抗干扰性 ，能够满足摩擦焊机对 顶锻压力控制的技术要求。 参考文献 【 1 】胥静． 嵌入式系统设计与开发实例详解[ M] ． 北京 北京 航空航 天大学 出版社 ， 2 0 0 5 ． 1 ． 【 2 】王喜锋， 杜随更， 龚城 ， 等． 摩擦焊机液压施力系统压力 特性对 比分析[ J ] ． 焊接学报， 2 0 0 6 ， 2 7 1 2 3 7 4 1 ． 【 3 】朱海， 于冠达， 朱泳， 等． 摩擦焊计算机闭环控制系统的 研究[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 7 ， 3 5 1 2 9 7 9 8 ， 1 0 1 ． 【 4 】曹明． 电液比例技术在摩擦焊压力控制系统中的应用 [ J ] ． 液压与气动， 2 0 0 8 1 4 3 4 5 ．