基于SimulationX的双动挤压机内置穿孔装置液压支撑系统仿真研究.pdf

2 0 1 5年 1 月 第 4 3 卷 第 1 期 机床与液压 MACHI NE T 00L HYDRAULI CS J a n． 2 0l 5 Vo 1 ． 43 No ． 1 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 5 ． 0 1 ． 0 2 8 基于 S i m u l a t i o n X的双动挤压机内置穿孔装置液压支撑系统仿真研究 张大伟 ， 李省 ， 赵升吨 ， 张童童 ， 张君 ， 胡阳虎 ， 段丽华 1 ．西安交通大学机械工程学院，陕西西安 7 1 0 0 4 9 ； 2 ．中国重型机械研 究院有限公 司，陕西西安 7 1 0 0 3 2 摘要内置穿孔装置液压支撑系统工作特性直接决定双动挤压机工作状态 、挤压过程实现和产品质量。利用仿真软件 S i m u l a t i o n X建立了内置穿孑 L 装置液压支撑系统的仿真模型，根据液压系统的实际工作情况设置仿真参数。对液压支撑系统 的主柱塞快速空程前进，穿孔针空程前进以及固定针挤压这 3 个主要工作过程进行仿真模拟，分析了内置穿孔装置液压支 撑系统在工作过程中这 3个阶段的速度 、位移 、流量等特征曲线。 研究结果表明内置穿孔装置液压支撑系统整体性能稳 定 ，运行 良好 ，满足系统工作性能要求 。 关键词 双动挤压机 ；内置式穿孔装置 ；液压 系统 ；系统仿 真 中图分类号 T G 3 7 5 文献标志码 A 文章 编号 1 0 0 1 - 3 8 8 1 2 0 1 5 1 1 1 2 - 4 S i mul a t i o n St u dy o n Hy d r a ul i c Su pp o r t i n g Sy s t e m o f i n s i de Pi e r c i n g De v i c e f 0 r Do ub l e ． a c t i o n Ex t r ud e r Ba s e d o n S i mul a t i o nX S o f t wa r e ZHANG Da we i ，L I S h e ng ，ZHAO S he n g du n ’ ，Z HAN G T o n g t o n g ，Z HANG J u n ，HU Ya n g h u ，D UA N L i h u a 1 ． S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， X i ’ a n J i a o t o n g U n i v e r s i t y ，X i ’ a n S h a a n x i 7 1 0 0 4 9 ，C h i n a ； 2 ． C h i n a N a t i o n a l H e a v y Ma c h i n e r y R e s e a r c h I n s t i t u t e C o ． ， L t d ． ， X i ’ a n S h a a n x i 7 1 0 0 3 2 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e p e r f o r ma n c e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e h y d r a u l i c s u p p o r t i n g s y s t e m of t h e i n s i d e p i e r c i n g d e v i c e d i r e c t l y d e t e r mi n e t h e wo r k s t a t u s o f d o u b l e a c t i o n e x t r u s i o n p r e s s ，i mp l e me n t a t i o n o f e x t rus i o n p r o c e s s a n d t h e q u a l i t y o f p r o d u c t s ． T h e s i mu l a t i o n mo d e l o f h y d r a u l i c s u p p o r t i n g s y s t e ms o f t h e i n s i d e p i e r c i n g d e v i c e w a s b u i l t b y t h e u s e o f s i mu l a t i o n s o f t wa r e S i mu l a t i o n X，a n d t h e s i mu l a t i o n p ara me t e we r e s e t a c c o r d i n g t o t h e a c t u a l wo r k i n g c o n d i t i o n o f t h e h y d r a u l i c s y s t e m． T h e t h r e e ma i n w o r k i n g p r o c e s s e s s u c h a s f a s t i d l e f o r wa r d o f ma i n p l u n g e r p i s t o n ，i d l e f o rw a r d of p i e r c e r a n d e x t r u s i o n p r o c e s s w i t h t h e fi x e d p i e r c i n g ma n d r e l we r e s i mu l a t e d ． Th e v e l o c i t y ，d i s p l a c e me n t a n d fl o w c h a r a c t e r i s t i c s c u r v e i n t h e t h r e e ma i n w o r k i n g p r o c e s s e s w e r e a n a l y z e d d u r i n g t h e wo r k i n g p r o c e s s o f t h e s y s t e m． T h e s i mu l a t i o n r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e o v e r a l l p e rfo r ma n c e o f t h e h y d r a u l i c s u p p o rt i n g s y s t e m of t h e i n s i d e p i e r c i n g d e v i c e i s s t a b l e ，ru n s w e l l a n d me e t s t h e s y s t e m p e r f o r ma n c e r e q u i r e me n t s ． Ke y wo r d s Do u b l e a c t i o n e x t r u d e r ； I n s i d e p i e r c i n g d e v i c e； Hy d r a u l i c s y s t e m ； S y s t e m s i mu l a t i o n 0前言 铝 合金 、铜合金 、钛锆 等稀有 合金材 料的型材在 飞机 、车辆 、船 舶等 工 业 应 用广 泛 ，需 求 量 越 来越 大。双动挤 压机是 成形此类 高性 能型 材 的关 键设 备 ， 我国先后 引进 和开 发 了多种 型 号 的双 动挤压 机 [ 1 ] 。 内置式穿孔系统的液压支撑系统对实现穿 扩孔 过程 、固定挤 压过程稳定进 行和保证 产品质量起 着重 要作用_ 6 ] ，而液压支撑系统工作特性直接决定双动挤 压机工作状态 、挤 压过程实现和产品质量 。 贾薇和邢海昌 详细阐述 2 5 MN双动铜挤压机 主液压 系统构成 ，以及高压大流量控制 、无极调速等 方面 的应用 。王 晓邦 比较分析 了国内外不 同型号不 同规格挤压机液压 系统特点 ，指 出液压 系统 总体设计 水平对满 足 生产 需求 起着 关键 作 用。杨 大祥 和 杨红 娟 9 介绍 了 1 2 5 M N双动铝挤压 机液压 控制系统 技术 特点 ，阐述 了内置穿孔装置液压系统 固定针挤压 、穿 孔针快速运 动等 控制 回路 和工作 过 程。韩 泓 】 。 。 提 出 了一种用 于双动铝 挤压机 的快 速响应 、高定位 精度 、 高可靠性定针技术 ，该定针 系统 的穿孔针定位采 用液 压系统 收稿 日期 2 0 1 3 1 1 0 8 基金项目国家科技重大专项 2 0 1 1 Z X 0 4 0 1 6 - 0 8 1 作者简 介张 大 伟 1 9 8 2 一 ，男，博 士，讲 师，从 事 先 进 加 工 工 艺 及 设 备 研 究。Em a i l z h a n g d a w e i 2 0 0 0 m a i l ． x j t u ． e d u ． c n 。 第 1 期 张大伟 等 基于 S i mu l a t i o n X的双动挤压机内置穿孑 L 装置液压支撑系统仿真研究 1 1 3 目前对内置穿孔系统的研究多集中于穿孔针的结 构优化及 强度 校 核 、液 压 系统 的控 制 原理 及 工作 过 程 ．很少涉及 到整个 液压 系统 工作过 程 的仿真分 析 。 本文利用仿真软件 S i m u l a t i o n X建立 了 1 6 M N双动挤 压机的液压支撑系统的仿真模型 ，根据液压系统的实 际工作情况设置仿真参数，对液压支持系统的主柱塞 快速空程前进 ．穿孔 针空程前进 以及 固定针挤压过程 这 3 个 主要工作过程进行仿 真模拟 ，得 到了穿孔装置 液压支 撑 系统在 工作 过程 中这 3个 阶段 的速 度 、位 移、流量等特征曲线。分析结果表明，液压支撑系 统整体 性能稳 定 ，运行 良好 ，满 足 系统 工作 性能 要 求 。 1 内置式穿孔装置液压支撑系统工况分析 图 1 是 1 6 MN双 动挤压 机 内置 穿孔 装 置液 压 支 撑系统执行机构结构原理图。该执行机构由主缸 、侧 缸 、穿孑 L 缸 、充液 阀、活动横梁 以及导油管组成 ，其 中主缸为单 向柱塞缸 ，其余液压缸为双 向活塞缸 。各 液压缸主要技术参数如表 1 所示 。 图 1 1 6 MN双动挤压机液压支撑系统结构 农 1 液压缸技术参数 主缸柱塞直径／ r a m 主缸行程／ m m 侧缸活塞杆直径／ m m 侧缸液压缸直径／ m m 侧缸行程／ ra m 穿孔缸活塞杆直径／ mm 穿孔缸液压缸直径／ ram 穿孔缸行程／ m m 内置式穿孔系统的液压支撑系统工作流程如图 2 所示，从流程图中可以看出，液压支持系统的主要工 作过程有 3 个 ，即主柱塞快速空程前进 ，穿孔针空程 前进以及固定针挤压过程。以下主要针对该 3个工作 过程进行建模仿真与分析研究。 啪 拗嘁姗湖 1 1 4 机床与液压 第 4 3卷 开始 铸锭、挤压垫片进入供锭机 挤 压筒 靠拢 供 锭 机上 升 ，将 锭片 和铸 锭 送到 挤压 中 心线 主 柱塞 快速 空 行程 前进 _ 叫 I Y工 口国 函 皇 N 压 轴 接触 压 垫 片 主 缸 和侧 缸 同时进 高 压 油 活动横梁撞 压后极限开 主 缸 、侧 缸及 穿孔 缸 泄压 羹 薜 茬 压 二 垫 片 到 位／ ／ ＼／ 卤 主 柱 塞 退 回 I l 穿孔针抹油l 打开挤压筒l l 主柱塞后退 残 料小 车 移入 _ 二[ I 塑塑 l 各液压缸回到初始位置 图 2 液压支撑系统工作流程图 2 双动挤压机液压支撑系统仿真 2 ． 1 仿 真模 型建 立 基于 S i m u l a t i o n X软件 环境 ，建立 了 1 6 MN双动 挤压机 内置式穿孔装 置液压 支撑 系统 的液压 系统 仿真 模 型 ，如 图 3 所示 。 主液压缸 为单 向柱塞缸 ，在快 速空程前进 时 ，液 压缸进 高压油 ．将铸 锭和挤 压垫片推入挤 压桶中 ；在 回程时 。与主液压缸 相连的二位二通阀动作 ，将 主液 压缸油 口与油箱相连 ，主液压缸泄压 、回油。两个侧 液压缸为双 向活塞缸 ，在进料过程 中，与主柱塞缸 同 步动作 ，一起 将活动横梁往 前推 ；在 回程过程 中，两 个侧液压缸通过换 向阀换 向，将活 动横梁拉 回。主液 压缸 的柱塞以及两个 侧液压缸 的活塞均 与活动横梁 固 连，仿真模型中采用机械固连的方式将 3 个液压缸的 活塞 柱塞 固连到一块 ，活动横梁采用质量块代替。 内置式穿孔装置中主液压缸的柱塞同时作为穿孑 L 液压缸 的缸体 ，故仿真模型 中将穿孔液压缸 的缸体采 用机械方式与 主液压缸 的柱塞相 固连 ，使他们具有 相 同的位移特性 。穿孔液压缸 的左侧液压腔油 口与溢 流 阀和单 向阀相 连 ．在穿 孔前 ，穿 孑 L 缸左 腔通 高压 油 ， 将穿孔针也就 即活塞推 到设定 位置 ；在 挤压 过程 中 ， 穿孔液压缸的活塞相对地面保持不动，主柱塞朝挤压 筒位 置移 动 ，穿孔缸左侧 液压 腔内液压油超过设定压 力时，溢流。在穿孔结束时，穿孔液压缸右侧通另一 个 压力的高压油 ，将活塞顶 回到设 定位置 。 图 3 液 压支撑形 系统的液压系统 S i m u l a t i o n X仿 真模 型 第 1 期 张大伟 等 基于 S i m u l a t i o n X的双动挤压机内置穿孔装置液压支撑系统仿真研究 1 1 5 2 ． 2 结 果分 析 与讨论 双动挤压机 内置式穿孔装 置液压支撑系统在 主柱 塞快速空行程前进过 程 中．主液压缸和两个侧液压缸 一200 1 0 0 媾 同时进高 压油 ，推动 活 动横 梁前 进 ，到达 设定 位 置 后，停止供给高压油；穿孔液压缸不通高压油，处于 不工作状态 。其仿真结果如 图 4所示 。 图4 主柱塞缸快速空行程时柱塞速度、位移、流量曲线 从 图 4中可 以发现 ，在 主柱塞 缸快速 空行程开始 时，主柱塞有一个明显的加速阶段。从主柱塞缸快速 空行程时柱塞速度 曲线 中可以看 出 。在 0 ． 0 7 6 S 的时 候加速结 束 ，到达 最 大速 度 0 ． 4 3 m ／ s ．之 后 均 以这 一 速度平稳运行 。柱 塞速度大小和流量大小是密切相 关 的，当速度稳定后 ，流量也达到稳定值 。从主柱塞 缸快速空行程时柱塞流量曲线中可以得到，主柱塞平 1 O 8 6 4 壤 2 稳运行时 ．其流量为 2 1 8 ． 1 L ／ s 。 双动挤压机 内置式穿孔装置液压支撑系统在穿孔 针快速空行程前进过程 中。主液压缸和两个侧液压缸 处于不工作状态 。穿孔液压缸通高压油 ，推动穿孔针 前进，到达设定位置后 ，停止供给高压油。其工作过 程 中的速度 、位移 、流量变化如 图 5所示 。 7 00 [ 卜 - o- 茬 鬈m 600 0．3 昌5 0 0 一 量 暴加o． 目0．2‘ 300． 魁 0．1． 200- lO0 O．0- 0． 0． 0 0． 5 l _ 0 1 时 间， s 图5 穿孔针空行程时速度 、位移、流量曲线 从 图 5展示 的仿真结果 中可以看到 ．在穿孔针快 速空行程前进 开始时 ．穿孔针有一个非常 明显 的加速 阶段 。从穿 孔 针 空行 程速 度 曲线 图 中可 以得 到 ．在 0 ． 0 6 8 S 的时候加速结束，到达最大速度 0 ． 3 7 m ／ s ， 之后均以这一速度平稳运行。在液压缸几何尺寸确定 条件下 ，流量决定了速度，二者变化曲线一致 ，除了 数值不 同。从 穿孑 L 针空 行程流 量 曲线 图 中可 以得 到 ， 穿孔针平稳运行时，其流量为 7 2 ． 6 9 L ／ s 。 固定针挤 压过程是双 动挤 压机 在主 要工作 过程 ， 也是液压支撑系统最关键的工作过程。在固定针挤压 过程中，主液压缸和两个侧液压缸同时进高压油 ．推 动活动横梁前进，到达设定时间后 ，停止供给高压 油 ；穿孑 L 液压缸 不通高压油 ，处于保压状态 ，其左侧 液压腔 内液压 油在穿孔缸 的推动下保持恒 压 ，当压力 超过溢 流阀设 定值时 ，就会通过溢流 阀溢 流泄压 。挤 压过程 中活动 横梁的速度和位移变化如 图 6 所示 ．主 液压缸 的压力 和流量变化如 图 7所示 。 兽 暑 稔 坦 2 0 一 15 ● 1 O 面 媛5 0 1 0 l5 20 时间， s 图6 固定针挤压过程中活动横梁速度和位移曲线 2 0 ． 善 L ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． 奋 一 压 力 一 流 量 O j O 5 10 1 5 2 0 时 间， s 图 7 固定针挤压 过程主柱塞腔压力和流量 下转第 1 2 2页