合金钢管材液压成形试验机合模机构液压系统的设计与仿真研究.pdf

2 0 1 2年 7 月 第 4 O卷 第 1 3期 机床与液压 MACHI NE TOOL ＆ HYDRAUL I CS J u 1 ． 2 01 2 Vo 1 ． 4 0 No ．1 3 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 2 ． 1 3 ． 0 3 1 合金钢管材液压成形试验机合模 机构液压系统的设计与仿真研究 刘东升 ，樊黎霞 1 ．南京理工大学工程训练中心，江苏南京 2 1 0 0 9 4 ；2 ．南京理工大学机械学院，江苏南京 2 1 0 0 9 4 摘要针对高强度合金钢管材液压成形试验机合模需求，设计了双作用四缸外挂及 四立柱缸浮动的合模锁模结构及其 液压系统。基于 A ME S i m软件 ，建立了合模结构液压系统的仿真模型，并对该模型进行了仿真分析。结果表明该系统能 很好地满足四缸同步的实际需求，为液压系统的参数优化及控制系统的设计提供了参考。 关键词液压成形试验机；合模锁模结构；仿真分析 中图分类号T H 1 3 7 ． 7 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 I 2 0 1 2 1 3 1 0 2 4 De s i g n a nd Si mu l a t i o n o f Hy dr a uli c Sy s t e m o f Di e St r u c t ur e o f Al l o y - s t e e l Tub e Hy d r o f o r mi ng Te s t i n g M a c hi ne s L I U Do n g s h e ng ， F AN L i x i a 。 1 ． E n g i n e e ri n g T r a i n i n g C e n t e r ，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 ． 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 ri n g ，N a n j i n g U n i v e rs i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o gy，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 Ab s t r a c t B y e x t e r n a l l y h a n g i n g f o u r d o u b l e a c t i n g c y l i n d e r s a n d ma k i n g f o u r c o l u mn c y l i n d e r s fl o a t ，t h e l o c k e d mo d e s t r u c t u r e f o r d i e s t r u c t u r e o f h i g h s t r e n g t h a l l o y s t e e l t u b e f o r mi n g t e s t i n g ma c h i n e s wa s d e s i g n e d ． B a s e d o n i t ， t h e r e l e v a n t h y d r a u l i c c i r c u i t w a s e s t a b l i s h e d ． Wi t h AMES i m ， s i mu l a t i o n mo d e l f o r t h e h y d r a u l i c c i r c u i t o f d i e s t r u c t u r e wa s e s t a b l i s h e d a n d s i mu l a t e d ． T h e s i mu l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t t h e h y d r a u l i c c i r c u i t s y s t e m me e t s t h e n e e d o f f o u r c y l i n d e r s s y n c h r o n i z i n g，w h i c h l a y s a g o o d b a s i s for r e l e v a n t p a r a me t e r o p t i mi z a t i o n o f h y d r a u l i c c i r c u i t s y s t e m a n d c o n t r o l s y s t e m d e s i g n ． Ke y wo r d s F o rm i n g t e s t i n g ma c h i n e s ；L o c k e d mo d e s t r u c t u r e f o r d i e s t r u c t u r e ； S i mu l a t i o n a n a l y s i s 管材内液塑性 成形 简称 T H F 技 术是 一种 将 结构轻量化和加 工柔性化结合在一起的新颖近净成形 技术。 自 1 9 4 0年问世 以来 ，历经 7 0年的发展 ，逐渐 成为在塑性加工领域占据重要地位并具有广泛应用前 景和强大发展潜力的新 型技术⋯ 。在国 内，管材 内液 塑性成形尚处于起步阶段，由于受高昂费用的限制， 试验设备主要是三向压力机或在普通液压机上改装而 成。因此，研究工作主要局限于理论分析，但缺乏必 要的试验验证。 作者进行 了高强度 合金 钢 管件 液压 塑性 成形 关 键技术研究的前期工作 ，主要针对专用的管材液压 成形试 验机合模锁模 机 构进行 研 究 ，设 计 出液压 系 统 回路 ，并 利用 A ME S i m软件 对设 计 的 回路 系统 进 行建模与仿真分析 ，从理论上验证 了所设计 的液压 系统的合理性，并为实际生产提供 了重要的参考依 据 。 ． 卜 匿 呕 堵 头 复 位 解 锁 分模 j ’ ．． 图 1 试验机成形工艺过程循环图 试验机主机结构除应满足成形工艺过程所需的全 部功能外 ，还应具有合理的强度、刚度、可靠性 、经 济性 、质量轻、制造维修方便、不易损坏等。因此主 收稿 日期 2 0 1 1 0 5 1 6 基金项 目兵器预研基金项 目 作者简介刘东升 1 9 7 2 一 ，男，硕士研究生，主要研究方向为液压系统设计及仿真、C A E应用。Em a i l l d s 8 1 4 1 63 ．e o mo 第 l 3 期 刘东升 等 合金钢管材液压成形试验机合模机构液压系统的设计与仿真研究 ‘ 1 0 3 机采用上、下组合传动的三梁四柱式的总体结构 。 四超高压缸直接驱动立柱，使立柱浮动，扩大垂直方 向上的成形高度，从而实现立卧两用的功能。 当成形较长或三通工件时，为增加补料的速度， 左右水平缸双 向进给 ，从而实现卧式成形。当成形十 字管件时，左右两进给缸转化为平衡缸，而垂直方向 上的平衡缸转化为进给缸 ，从而实现立式成形 。主机 结构如图 2所示 。 l 2 1 1 l O 9 1 2 3 4 S 6 7 8 l 一基板2 一预应力拉板卜 支承柱4 一连杆5 一锁模缸 6 - - 立柱缸基板 卜 机架8 一水平缸座 9 一水平进给 平衡缸 l O 一上工作台n一合模缸1 2 一上梁板1 3 一顶板l 4 一锁模框 l 5 一垂直平，衡／ _进给缸l 6 一垫板l 7 一模具l 8 一立柱缸 图 2 试验机主机的总体结构示意图 2 合模机构液压 系统设计 2 ． 1 合模锁模机构液压系统的工作 需求 合模机构的工作循环如图3所示，先提供一定的 压力，完成工件的预成形、快速合模及可靠锁模。合 模力与上模板的速度和位置能随不同工件而变化。立 柱能上下运动不受较大偏载作用，立柱在成形时能保 持一定时间的承载静止。为避免管坯被压溃 ，还需要 控制上模板下行的速度、位置与预成形 内压的匹配。 因此成型机合模锁模机构液压回路系统需求如下 1 应能提供足够的合模力，并保证上 、下模 始终对中。 2 合模运 动要 平稳 ，上下 模 闭合 时 ，不应 有 冲击 。 3 可靠锁模后 ，要有较长时间保压锁模，以 防成形或整形 时管坯破裂将模具 冲开伤人 。 4 根据工艺 的需要，液压系统所消耗的功率 应能随着工作流量和工作压力的变化而相应调整。 差 塑鐾 母 翟 囵 囤一 坯 l I锁 模 2 ． 2 合模 机 构液压 系统设 计 合模控制回路采用多缸同步电液伺服系统 ，选 用新 型数字 同步 阀 为控制元 件并 与位移计组成闭环 反馈 系统 ，实现合模 四缸与立柱四缸 的无差 同步位置 控制 ，保证立柱运动平稳，避免卡死。通过顺序阀实 现合模四缸与立柱四缸前后顺序动作。 另外 ，采用大流量的插装阀组成两位两通开关阀 和三位五通换向阀，以实现快速合模。采用蓄能器和 超高压液控单向阀组成立柱缸补油回路，实现立柱缸 长时 间保压 。 根据液压回路系统工作需求 ，设计液压系统原理 图如 图 4所示。 1 一液压泵 2 一 回油过滤器 3 一冷却器 4 一电磁溢流 阀 5 、6 一电磁换向阀 7 、l O 一液控单向阀 8 一叠加式节流阀 囊式蓄 能器 n一油． 油单程增压器 l 2 一可调式单 向电磁节流 阀 l 3 插装式三位五通换向阀 l 4 ～超高压液控单向阀 l 5 数字同步 阀 l 6 一立柱缸 1 7 保 压液控单向阀 1 8 - 矗 插装式通电磁阀 l 9 一压力传感器 2 模缸 图4 超高压合模回路 D T 6与 D 1 ’8 一D T 1 3通 电 ，液 压 油推 开超 高 压液 控单向阀分4路进入立柱缸的上腔，驱动立柱同步快 速 下 行 ，立 柱 缸 下 腔 卸 载 ；当 达 到 规 定 压 力 后 ， D T 1 4通电，液压油分 4路进入合模缸下腔，上工作 台下行，进行预成形和合模；然后 D T 6断电，三位 五通换向阀回中位。D T 4通电，三位四通换向阀右位 接人回路，超高压油液分4路继续充人立柱缸上腔和 合模缸下 腔 ，达到锁模 压力后 D T 4和 D T 8 --D T 1 3断 电 ，D T 5 通 电 ，蓄能器长时保压成形。 胀形结束，D T 7和 D T 1 4通电，三位五通换 向阀 右位 接入 回路。D 一 D T 1 3通 电，液 压油 经 数字 同 1 0 4 机床与液压 第 4 O卷 步阀调速后分成 4路 ，分别进入立柱缸 的下腔和合模 缸上 腔 ，驱 动 立柱 上行 ，上 模 板 快速 升起 。D T 3通 电，三位四通电磁换向阀左位接入回路，增压缸高压 腔进油，低压腔回油，增压缸复位。 3 液压系统仿真研究 3 ． 1 A M E S i m仿真模型的建立 A ME S i m软件是法 国 I M A G I N E公 司推出的一种 专门用于液压机械系统建模 、仿真及动力学分析软 件 ，它具有很强大的液压元件库，建立的系统模型 与实际工作原理图很相似，能直观反映系统的工作原 理。其仿真模型主要是根据具体分析 目的来建立，通 常在满足要 求的前提下 ，模型越简单越好 。针对 四立 柱缸与四合模缸在低压动作高压锁模情况下的同步性 进行分析，简化原液压系统原理图后建立相应的仿真 模型 ，如图 5所示 。 图5 四立柱缸与四合模缸同步仿真模型 3 ． 2 合模机构液压 系统同步仿真分析 从 四立柱缸 与 四合模 缸 的位移 曲线 图 6 a 、 7 a 看 误差在允许范 围之 内，基本实 现了同步 。 从压力曲线 图 6 b 、7 b 看 低压完成动作 后 ，接通高压，继续通入高压液体，四立柱缸 或 四合模缸 几乎 在 同一时 间达 到相 同 的高压 ，使 锁 模压力对称均匀，偏心力矩很小，满足使用要求。从 流量 曲线 图 6 C 、 d ， 7 c 、 d 看 其 流量 偏差只有 2 ％ ，与原先的设计计算吻合比较好。因此 通过对比四立柱缸与四合模缸的位移、压力及流量曲 线，证明其同步性，同时也说明了所设计的液压系统 满足使用要求 。 O． 20 O． 15 昌 0 ． 1 0 0 ． O 5 0． 00 g． 1 0 0 删 ． 2 0 0 O ． 4O O． 30 昌 0 ． 20 0 ． 1 0 0 ． 00 2 0 0 雪 。 尹 o 0 5 0 斌 O ．50 8 0 矗 6 O 善 4 0 R 出 2 0 0 0 2 4 6 8 1 0 0 5 1 0 l 5 2 0 时间， s 时间， s a 立 柱缸 位移 曲线 b 立 柱缸 压 力 曲线 0 5 l 0 l 5 2 O 时间， s c 1 立 柱缸 上腔 流量 曲线 l 40 _ 口1 0 0 目 6 O 襄2 0 2 0 0 5 l 0 l 5 2 0 时 间， s d 立柱缸 下 腔流 量 曲线 图6 四立柱缸位移、压力及流量曲线 0 5 l O 15 2O 时 间， s a 合模缸位移曲线 8 0 6 O 芝4 o 幽 2 O 0 5 0 ， 、 O ．置一 5 0 目 ．1 00 。 1 50 媾 ． 2 0 0 2 5 0 0 5 1 0 1 5 2 O 时 间， s b 合模缸压力 曲线 0 5 1 0 l 5 2 0 0 5 l 0 1 5 2 0 时 间， s 时间， s c 合模缸上腔流量曲线 d 合模缸下腔流量 曲线 图7 四合模缸位移、压力及流量曲线 3 ． 3 低高压转换仿真分析 针对低高压转换时是否存在冲击 ，建立如图8所 示仿真模型 。 图 8 不可调式低 、高压 转换 仿真模型 第 1 3 期 刘东升 等 合金钢管材液压成形试验机合模机构液压系统的设计与仿真研究 1 0 5 由单向节流阀控制增 ； 压缸 的 流量 ，得 到 图 9所 示的压力 曲线。从曲线上 芝 看 当有压力由2 0 M P a 转 苗 换为8 0 M P a 供油时，液压 系统存在冲击。 对于 采用 电液 换 向 阀 O 5 1 O l 5 2 0 2 5 3 0 3 5 时问『 s 的大 流量 系 统 ，可 以在满 图 9 低高压转换 足执行元件动作要求的情 前压力曲线 况下 ，通过减小主阀芯换向速度来减小液压冲击 。 因此 ，除延缓电磁换向阀5的上电速度外，可将单向 节流阀更换为可调式单向节流阀，使增压缸的初始流 量 由小 变大 ，实现平稳过渡。 改进的仿真模型如图 1 0所示 ，得到压力曲线如 图 1 1 所示。可以看出冲击已经大大降低，基本实 现平稳过渡。同理，为减少高压转换为低压时的冲 击，在液控单向阀的控制回路上增加可调式单向电磁 节流阀，控制液控单向阀的开启速度和大小，从而降 低液压 冲击 。 图1 0 可调式低、高压转换仿真模型 9 O 8 0 7 0 矗6 0 室 3 3 0 幽20 1 0 0 1 0 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 30 3 5 时间， s 图 1 1 低高压转换优化后压力曲线 通过以上仿真分析，验证了液压系统的正确性， 并对原设计进行改进 ，大大降低了液压冲击，延长了 系统的使用寿命。 4结论 根据实际工况需求，设计了液压管材试验机合模 结构的液压系统，并运用 A M E S i m仿真软件，对设计 出来的液压系统进行了仿真分析。最后得出该液压系 统的设计基本上满足了实际需求，并为控制部分的设 计提供 了重要参考依据 。 参考文献 【 1 】李洪祥， 刘海军． 管材内高压成形国内研究进展及发展 趋势[ J ] ． 中国机械工程 ， 2 0 0 6 1 7 5 45 9 ． 【 2 】俞新陆． 液压机的设计与应用[ M] ． 北京 机械工业出版 社 ， 2 0 0 7 1 1 2 3 ． 【 3 】 倪敬， 项占琴． 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 4 7 4 9 ． 【 4 】厉超， 王存堂． 基于新型数字同步阀的液压同步系统研 究[ J ] ． 机械与电子 ， 2 0 0 6 1 2 4 7 4 9 ． 【 5 】秦家升， 游善兰． A M E S i m软件的特征及应用[ J ] ． 工程 机械 ， 2 0 0 4 1 2 6 9 ． 【 6 】裴学智． 冲击消除措施的探讨与应用[ J ] ． 液压气动与 密封 ， 2 0 1 0 2 91 1 ． 上接第 1 2 3页 出信号会出现失真。仿真结果表明对称缸不存在这 样的问题，即使负载很大时，输 出信号仍然保持 良 好 。 3 当采用对称比例方向阀控制非对称缸系统 应用于频率较高的场合时，可以采用双 P I D或背压补 偿的方法进行补偿，通过调节 P I D参数和液压缸背 压 ，可以消除液压缸输出信号的失真。 参考文献 【 1 】 崔甫． 矫直原理与矫直机械[ M] ． 北京 冶金工业出版 社 ， 2 0 0 7 ． 【 2 】李文刚． 新型高精度管材矫直机[ J ] ． 钢管， 1 9 9 9 ， 2 8 5 1 6一l 9 ． 【 3 】许益． 电液比例控制系统分析与设计[ M] ． 北京 机械工 业出版社 ， 2 0 0 5 ． 【 4 】吴根茂 ， 邱 敏秀， 王庆丰， 等． 新编实用 电液比例技术 [ M] ． 杭州 浙江大学出版社， 2 0 0 6 ． 【 5 】邓瑞国． 液压比例方向阀的选择和计算[ J ] ． 重型机械， 1 9 9 2 1 ． 【 6 】L I D o n g j i e ， Y O U B o ， C H E N G N i n g b o ， e t a 1 ． T h e D e v e l o p ． me n t o f No v e l N u me ri c a l C o n t r o l R o t a t i n g P i p e T o o l＆ I t s C o n t r o l S y s t e m[ C ] ／ ／ P r o c e e d i n g s of t h e S i x t h I n t e rna t i o n a l C o n f e r e n c e o n I n t e l l i g e n t S y s t e ms D e s i g n a n d Ap p l i c a t i o n s ， 2 0 0 6 1 52 0 ． 【 7 】王慧． 电液伺服／ 比例控制示范实验系统研究[ D ] ． 杭 州 浙江大学， 2 0 0 8 ．