液压模锻锤液压控制系统研究.pdf

文 章 编 号 1 6 7 2 0 1 2 1 2 0 1 0 01 0 0 6 8 0 4 液 压 模 锻 锤 液 压 控 制 系统 研 究 刘军 ，张 银 娟 t ，刘 福 海 z 1 ． 河 南农 业大学 机 电工程 学 院 ， 河南 郑州 4 5 0 0 0 2 ； 2 ． 安 阳锻 压 机 械 工 业 有 限 公 司 ， 河 南 安 阳 4 5 5 0 0 0 摘 要 阐述 了液压模 锻 锤 的结构及 工作 原理 。通 过 动量定 理建 立 了全液压 模锻 锤 液压缸 的数 学模 型 ， 为 设 定打 击 能量和 打 击次数 的大 小提供 了依 据 ， 同时为实现模 锻 锤运 行过 程 的精确 控制提 供 了理论 参考 。 并对 锤 头速 度 、 位 移 、 动能 变化 情况进 行 了试 验仿 真 ， 通过 仿 真分 析 为其进 一步 实现模锻 锤 打 击工 序 和打 击 能量 的 数 控 化 和 柔 性 化 奠 定 了基 础 。 关键 词 机 床 技术 ； 液压 系统 ； 模锻 锤 ； 数值模 拟 ； 仿真 中 图 分 类 号 T G3 1 5 文 献 标 识 码 B 1引 言 模 型锻造 是金 属在 外力作 用下 产生 塑性 变 形并 基金项目 河南省重点攻关研究资助项 目 0 7 2 1 0 2 2 l O 0 0 5 收稿 日期 2 0 0 9 1 0 2 0 作者简介 刘军 1 9 5 2 一 ， 男， 教授， 从事数控技术、 先进制造技术的 教学和研 究 出参 数进 行控 制 。 这一 控制 可 由软件 控制 ， 也可 由硬 件控 制 。 将 高精度 磁致 伸缩 线性 位移 检测装 置 、 总线 数据 处理 系统 及 阀控 信 号等 由硬件 控制 直 接连 接在 一 起 ， 对 油缸进 行线 性位 置检 测 ， 并 与 高频 响插 装 阀 控 制系统 、 高频 响 比例 阀控 系统 、 电控 系统 相结 合对 油缸 实 行控制 ， 以达到精 锻 的工艺 要求 。 控制 高频 响 液 压功 率 放 大 回路 和 卸压 缓 冲 回路 的调 节特 性 ， 将 有效 减 轻换 向冲击 ， 甚 至完 全避免 换 向冲击 。同时 ， 提 高 了锻造频 率 、锻件 精度 ，油 缸行 程控 制精 度可 达 士 1 mm- 2 mm。 4结 束 语 在快 速锻 造液 压机 行业 ， 从 国 内的技术 水平 看 ， 几个 处 于行业 先进 水平 的单 位有 济 南铸 造锻 压机 充 满模 膛而 获得锻 件 的方法 。 模 锻 件尺 寸精度 高 ， 机 械 加工余 量 小 ， 锻 件 的纤维 组织 分布更 为合 理 ， 可进 一 步 提高零 件 的使用 寿命 。模 锻生产 率 高 ，操 作简 单 ， 容 易实现 机 械化和 自动化 。 液压 模锻 锤作 为蒸一 空 模锻 锤 的升级 换代 产 品 ， 具有 能量利 用 率高 、 节 约 能源 、 节 约 投资 、 便 于实 现 自动化 等优 点 ， 是 目前应 用 较 多的一 种模 锻设 备 。 械 研 究 所 、 西 安 重 型 机 械 研 究 所 、 兰 州 石 化 机 械 研 究 所 等 。 由他 们设 计制 造 的电液控 制 系统均 具有 较高 的水平 。济 南铸 锻机 械研究 所作 为二 通插 装 阀的 国 家 标 准制定 单位 和二 通插装 阀产 品研 发单 位 ，对二 通 插装 阀结 构 和控制 性能 更有 独到 的见解 。在 快速 锻造 液压机 的控 制系 统 中 ，配 套使用 德 国力 士乐 的 快 速 响应 阀和济 南铸 锻所 的大 流量 、带典 型功 率放 大 回路和卸 压缓 冲 回路 的高频 响插装 阀系统 ，在精 整锻 造 和高 换 向频率 的 电气控 制 小 闭环 控 制方 面 ， 取 得 了 良好 效果 。 【 参 考文献 】 [ 1 ] 雷天觉．新编液 压工 程手册 【 M】 ．北京 北京理工大学出版社 ， l 9 9 8． [ 2 】 徐灏．机械设计手册第 5 卷【 M ] ．北京 机械工业出版社， 1 9 9 8 ． E l e c t r i c i t y - l i q u i d C o n t r o l S y s t e m o f Qu i c k - f o r g e Hy d r a u l i c Ma c h i n e LI Gu o l i a n g，M EI L i y e，LI W e i J i n a n Fo u nd ＆ Me t a l f o r mi ng Ma c hi n e r y Re s e a r c h I n s t i t u t e， J i na n 2 5 00 2 2， S h a n d o n g Ch i n a Abs t r ac t Th e s t r u c t u r a l c h a r a c t e r i s t i c s o f t he e l e c t r i c i t y l i q ui d c o n t r o l s y s t e m i n q u i c k -f o r g e h y d r a ul i c h i n e ha v e b e e n i n t r o d u c e d a s we l l a s i t s a p p l i c a t i o n i n t h e f o r g i n g p r o d uc t i o n ． K e y wor ds Li qu i d t r a n s mi s s i o n a nd c o n t r o l ； El e c t r i c i t y l i q u i d c o n t r o l ； Hy d r a u l i c m a c h i n e 但 是液 压模锻 锤也 存在 故 障率较 高 ，可靠 性 较 差 ， 噪声 严重 等 问题 ， 其 原 因主要 是打击 能 量不 可控 制 。 当工件 变形 所吸 收 的能量小 于锤 头打 击能 量时 ， 锤 头 的多余 能量造 成 了上下 锤头 的对击 ，引起 锤 体 剧 烈振 动 ， 造 成连接 部位 松动 ， 引发疲 劳断 裂 。所 以 建 立全 液压模 锻锤 液压 缸 的数学模 型 ，实 现打 击 能 量 的精 确控 制 ，可提 高液压模 锻 锤 的可靠 性 和能 量 有 效 利 用 ， 具 有 十 分 重 要 的实 际 意 义 [ 5 -- 6 ／ 。 2液 压 模 锻 锤 原 理 液 压 模 锻 锤 自动 化 程 度 高 ， 打 击 不 同 的 工 件 时 ， 只需稍微 改变 设置 即可 实现 。模锻 锤液 压缸 上 腔 为 无 杆腔 ， 下腔 为有杆 腔 ， 是上下 腔双 作用 的单 活塞 杆 液 压缸 ， 通过 控制上 腔压 强来 实现 锤头 的运 动 。 2 ． 1模 锻 锤 液 压 系 统 结 构 液压模 锻 锤液压 系统 一般 是 由动力 元件 、执 行 元 件 、 控制 元 件 、 工作 介 质 和辅 助 装 置组 成 的 ， 系统 各部 分组成 一个 有机 联 系的整 体 。液压 系统 动力 元 件 为液压泵 ， 工 作介 质为油 ； 执 行元件 为单 杆 双作 用 液压 缸 ， 其 上下 腔均 采用 油压 驱动 ， 油压 由油 泵和 蓄 能器及 差动 回路联 合 控制 ，液压 缸 下腔始 终 连通 蓄 能器 ， 控制 系统 只对液 压缸 上腔 控制 ； 控制 元件 为 液 压 阀 ； 辅 助 装 置 包 括 蓄 能器 、 滤 油 器 、 油 箱 、 热 交 换 器 、 油管 、 管 接头 、 压力 表等 。 液 压模 锻锤 液压 系统 结 构 如 图 1所 示 。 打击时 ， 打击 阀使 上下腔 连通 ， 靠 液压 缸有 杆下 腔 和 无 杆 上 腔 面 积 差 实 现 锤 头 快 速 运 动 。 通 过 对 打 击 阀的控 制实 现锤 头 的提锤 、 悬锤 、 打 击 、 放锤 等机 械 动作 。 溢流 阀 4是一 种液体 压力 控制 阀 ，在模 锻 锤液 压 系统 中主 要 起定 压 溢 流 作 用 和安 全 保 护 作 用 ； 节 流 阀 5是 通 过 改 变 节 流 截 面 或 节 流 长 度 以控 制 液 压 油 流 量 ， 在 对 模 时 此 阀 可 以 实 现 锤 头微 动 ； 蓄能器 6是 液 压系 统 中 的一 种 能量储 蓄装 置 ， 与 液 压 缸下 腔 相 通 ， 它上 腔 充 高 压 氮 气 ， 下 腔充液 压油 。在锤 头 向下 快 速打击 时 ， 液 压系统 瞬 时压力 增 大 ， 蓄能器 可 以吸收 这部 分 的能量 ， 转 变 为气 体 压 缩 能储 存 起 来 ， 当提 锤 和打击 阀开 启 ， 上 腔 进 油 时 ， 又 将 气 体压 缩 能 转 变为油 压 能 ， 实 现 系统 能量 的暂 时储 存 及释 放 ， 保 证 整个 系统 压力 正 常 。打击 阀 7采用 二 位三 通一 进一 出常开 式换 向 电磁 阀 ， 通 电时油 路 开启 向油 缸上 腔 进 油 ， 准 备 打 击 ， 断 电 时 出 油用 以卸荷 ， 迅 速提 锤 ， 通 过 控制 其 进 油 路 开 启时 间来实 现打 击能 量 的精 确控 制[ 7 - 9 ] 。 8 赫赫圈田 图1 液压锤的液压系统结构 1 ． 油箱2 ． 液压泵3 ． 电动 机4 ． 溢 流阀5 ． 节流 阀 6 ． 蓄 能 器7 ． 打 击 阀8 ． 活 塞9 ． 活 塞 杆1 0 ． 锤 头 1 1 ．上模具1 2 ． 下模具1 3 ． 基座 2 ． 2液 压模锻 锤 的工作 原理 液 压 模 锻 锤 根 据 锻 件 生 产 工 艺 随 时 调 整 打 击 次 数 和 打击 能量 ， 控制 系统 通 过控 制 电磁 阀的通 断 ， 可 以实 现提 锤 、 打 击 、 悬 锤 等 各种 动 作 循环 ， 也可 以实 现 重打 和轻 打 、 单 打 和连打 。 图 2为液压 模锻 锤控 制 系统流程 图。 由图 2可 以看 出 ，液压 模锻 锤工 作 过程 主要 包 括 以 下 几 方 面 1 启 动 油 泵 按启 动按 钮 ， 电机带 动 油泵启 动 ， 溢 流 阀进 入 2 1 2 作状 态 ， 主油路 升压 ， 液压 油进 入 油缸 下腔 和 蓄能器 下腔 ， 准备 提锤 。 2 打击 打击 阀通 电 ， 进 油 路开 启 ， 来 自油 泵 、 蓄 能 器 以 及 通 过差 动 回路 引来 的下 腔 油 的高 压 油进 入 上 腔 ， 实现锤 头 的快速 下行 。 3 提 锤 打击 阀断 电 ，上腔 接通 油箱 回 油 ， 上 腔 卸 压 ， 锤 头 立 即 快 速 回 程 。 锤头 升至 一定 位置 即可 进行 打击 或 放锤 ， 锤头 升至 最上 位置 ， 将 触动 限 位 开 关 ， 停 止 提 锤 。 4 悬 锤 打击 工序完 毕 ，装 入下 一工 件 时 ， 打 击 阀 不 通 电 ， 靠 下 腔 油 和 蓄 能 器平 衡油 压实 现悬 锤 。 同时锤头 设 有 安 全 销 ， 以 防 事 故 和 意 外 打 击 的 发 生 。 3液 压 缸 模 型 的 试 验 分 析 打 击 能 量 对 于 液 压 模 锻 锤 来 说 是 最 重 要 的参 数 之一 ， 不仅 是机 械设计 要实 现 的主要性 能参 数 ， 而且 是数据 控制 的关 键所在 。所 以建 立正确 的液压模 锻 锤 打击能 量 的数 学模 型 ，对于该 设备 进行 打击 能量 及 打击次 数 的程 序控 制具 有重要 意义 。 3 ． 1 液 压缸 的模 型建立 液压模 锻锤 液压 缸是单 杆双 作用 活塞 缸 ，上下 两 腔 的 有 效 工 作 面 积 不 相 等 。考 虑 模 锻 锤 的 实 际 工 作 环 境 ， 由能 量 守 恒 定 律 对 活 塞 进 行 受 力 分 析 。 液 压 缸 活 塞 的 总 受 力 由液 压 缸 上 腔 对 活 塞 的 力 、 下 腔 对 活 塞 的 力 、油 液 对 活 塞 的 阻 力 ／以 及 活 塞 杆 上 外 加 负 载 组 成 。它 们 的计 算 式 如 下 A 2 4l t “ 1 其方 向为锤头 运动方 向的反方 向 F合 一 于 1 由动量定 理得 液压缸 活塞 的运 动方程 F合t M V MX 2 由式 1 、 2 得液 压模 锻 锤 的液 压缸 活 塞 运动 模 型 寺 J A P - A P l D F s d t 3 式 中 一液压缸 活塞 及活塞 杆质 量 ， k g ； A 液 压 缸 有 杆 腔 活 塞 面 积 ， c m ； A厂液 压 缸 无 杆 腔 活 塞 面 积 ， c m ； D 一 液压 缸活 塞粘性 摩擦 系数 ， Ns ／ m； 一 活塞杆 上 外加 负载 ， N； _ 锤 头 位 移 ， mm； 。 锤 头 速 度 ， m／ s ； 试 验仿 真 利 用 MAT L AB ／ S i mu l i n k仿 真 软 件 ，根 据 式 3 了液压 缸运 动 时的非线 性模 型 ，实现 了 图形 化 方式 下 锤 头打 击 及 回程 仿 真 的参 数化 设 计 ， 如 图 3 仿真结构图 图 3所 示 。 本 文 设 定 液 压 模 锻 锤 上 腔 活 塞 面 积 1 0 0 c mz ， 下 腔 活 塞 面 积 A。 8 0 c m 。 活 塞 杆 上 外 加 负 载 F 1 0 O N。 活 塞 粘 性 摩 擦 系 数 2 Ns ／ m。液 压 缸 活 塞 、 活 塞 杆 及锤 头质量 M- 3 O O k g 。采用 o d e 4 5法进行 2 0 0 s的仿 真 ，通 过 添 加 示 波 器 可 以方 便 的 观 察 上 下 腔 压 强 以 及 液 压缸 活塞 位 置 和速 度 输 出 随时 间 的变 化 的情 况 。 输 入信号 为一 系列 阶跃信 号 ， 液 压缸 上腔 的压强 P E 变 化 如 图 4所 示 。 液 压 缸 下 腔 压 强 P下始 终 为 I O MP a ， 如 图 5所 示 。由 上 下 腔 压 强 的 变 化 引 起 的 锤 头运 动速度 变化 情况 如 图 6所示 ，锤 头位置 移 动情 况 如 图 7所 示 ， 锤 头 的 动 能 如 图 8所 示 。 设 定 锤 头 向 下 运 动 的位 移 和 速 度 为 正 方 向 。 图 4 上腔压强 图 5 下腔压强 图 6 锤头速度 图 7 锤头位移 图 8 锤头动能 参 见 图 4 ～ 图 8所 示 试 验 结 果 ，可 以作 如 下 分 析 1 从 0到 2 0时 刻 上 腔 压 强 为 9 MP a ， 下 腔 压 强 为 1 0 MP a ， P上A 2 _ _ F e P下A ，这 时活 塞受 力平 衡 ， 锤 头 速 度 为 0， 处 于 静 止 状 态 。图 8可 以 看 出 此 段 时 刻 锤 头 的动 能 为 0 。 2 从 2 0到 7 0时刻 上 腔 压 强变 为 3 MP a ， 活 塞 受 的合外 力方 向 向上 ，锤 头 由平衡 状态位 置 开始 向 上 提 锤 ，速 度 由 0变 为 一 4 m／ s ，锤 头 向 上 移 动 了 2 O O mm。 图 8可 看 出 此 段 时 刻 锤 头 的 动 能 为 2 4 0 O J 。 3 9 0到1 2 0时 刻 上 腔 压 强 升 为 1 9 MP a，活 塞 受 的合 外力方 向向下 ， 活塞 加速 向下运 动 ， 锤 头速度 由 0变 为 6 ． 7 m／ s ， 锤 头 向下移 动 了 2 O O mm， 回到初始 位 置 。图 8可 以看 出此 段 时 刻 锤 头 的 动 能 为 6 6 O O J 。 4 在 1 4 0到 1 9 0时 刻 上 油 腔 压 强 为 3 MP a ， 活 塞 受 的合 外力 方 向 向上 ，活 塞 上升 提锤 2 O O mm， 速 度 为一 4 m／ s 。 图 8可 以看 出此 段 时 刻 锤 头 的动 能 为 2 4 O O J。 5 从 7 0到 9 0时 刻 ， 1 2 0到 1 4 0时 刻 ， 1 9 0到 2 0 0时 刻 ， 上 油 腔压 强 都 为 9 MP a ， 活 塞受 力 平衡 ， 活 塞静止 ， 速 度为 O 。图 8可 以看 出此 段时刻 锤 头 的动 能为 0 。 4结 束 语 对 液压 模锻 锤工 作原 理进 行研 究 ，建 立 了液压 缸 的运 动模 型 。通过 对液 压模 锻锤 打击 过程 运行 状 态 进行 仿真 分析 ， 为模 锻锤 设计 提供 了参 数 依据 ， 降 低 了开 发成 本 ，为实 际运 行 中设 定 打击 能量 的大小 和打击 次数 提供 理论 依据 ；同时打 击 能量 的精 确控 制能避 免 多余 打击 的能量 ， 节 能降 耗 ， 从 而有 望 大大 提高工 作效 率 ， 实现 能源 的有效 利 用 。 【 参 考 文献 】 [ 1 1李永堂， 杜诗文． 我国液压模锻锤的研究、 开发与展望『 J 1 ． 机械工程 学报 ， 2 0 0 3 ， 3 9 1 1 4 3 ～ 4 6 ． [ 2 】李南华， 孙捷先． 液压模锻锤的自动控制f J ] ． 太原重型机械学院学 报 ， 1 9 9 1 ， 1 2 4 7 9 8 5 ． 【 3 ]符永宏 ，金瑞琪． C H8 3 ～ 2 5 A型消振 液压模 锻锤 自动控制系统 的 研制『 J 】 ． 江苏理工大学学报， 1 9 9 7 ， 1 8 6 6 0 6 6 ． [ 4 】 郭艳萍 ， 李永 堂 ， 雷步芳 ．大 吨位电液锤 的液压控制 系统及其 动 态性能分析叨． 机械工程与 自动化 ， 2 0 0 7 ， 1 3 8 4 0 ． [ 5 】 金 文明， 马文元 ，杨 慎华 ．5 0 k J 液 压模锻锤 打击能量 仿真研究 [ J ] ． 锻压装备与制造技术 ， 2 0 0 8 ， 4 3 5 9 0 9 2 ． [ 6 】 L e i B F ， L i Y T ． R e s e a r c h o n t h e e n e r g y e c o n o mi z a t i o n o f e l e c t m h y d r a u l i c h a mm e r ．C h i n e s e J o u rna l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g【 J J ， 2 0 0 o ， 1 3 1 6 4 6 9 ． [ 7 】 贾铭新． 液压传 动与控制【 M】 ． 北京 国防工业出版社 ， 2 0 0 5 ． [ 8 】 刘福海． 精密模锻锤 的特点及 应用[ J 】 ．锻造 与冲压 ， 2 0 0 8 ， 4 5 0 5 4． 【 9 】 张长龙． 锻锤 的全液压驱动及程序化控制一我 国现代 锻锤技 术 发展 的必 由之路f J 1 ．锻压技术 ， 2 0 0 5 ， z 1 2 0 2 4 ． Th e Re s e a r c h o f Hy dr a ul i c Co nt r o l S y s t e m f o r Di e Fo r g i n g Ha m me r L I U J u n ， Z HANG Yi n j u a n ，L I U F u h a i 1 ． Me c h a n i c a l E l e c t r i c a l En g i n e e r i n g C o l l e g e ， He n a n Ag r i c u l t u r a l Un i v e r s i t y ， K e ywo r ds Hy d r a ul i c s y s t e m ；