快鍛液壓機(jī)電液比例控制系統(tǒng)的研究

由于液壓機(jī)系統(tǒng)的高流量和高慣性，振動(dòng)和衰減容易發(fā)生。理想的彎曲曲線為正矩陣曲線。找到一種鍛造精度高、快速性好、制造成本低的控制方案是人們一直追求的目標(biāo)。傳統(tǒng)的快鍛液壓機(jī)是用多級(jí)插裝閥控制,雖然制造成本低,但多級(jí)插裝閥控制實(shí)質(zhì)上是開關(guān)量控制,響應(yīng)速度慢,易產(chǎn)生沖擊。近年來產(chǎn)生了一種控制性能非常優(yōu)越的正弦泵控制系統(tǒng),快速性好,鍛造精度很高,但成本太高,一臺(tái)正弦泵就在百萬元以上。隨著大通徑比例插裝閥的研制成功,改變了快鍛液壓機(jī)的狀況,電液比例控制系統(tǒng)在鍛壓機(jī)上應(yīng)用日益廣泛?，F(xiàn)在應(yīng)用較廣泛的電液比例控制系統(tǒng)是將主缸進(jìn)油流量控制閥與高壓卸荷閥分開,卸荷閥是用二通的比例插裝閥,使得工進(jìn)過程和卸荷過程之間過渡的連續(xù)性、快速性受到影響,且沖擊較大,增加了調(diào)試系統(tǒng)的困難。為了處理好工進(jìn)過程與卸荷過程的過渡,作者提出采用三通的插裝閥控制系統(tǒng),實(shí)質(zhì)是調(diào)節(jié)兩個(gè)節(jié)流口的開度,使鍛造軌跡接近于正弦曲線。1東北部,t口接收劑為黨和國以力士樂生產(chǎn)的通徑在63以上的比例插裝閥(WRC閥)為例,對(duì)比二通插裝閥和三通插裝閥的區(qū)別。比例二通插裝閥機(jī)能符號(hào)及其示意圖如圖1所示。三通的如圖2所示。比例插裝閥的通徑可達(dá)150以上,最大工作壓力可達(dá)42MPa,響應(yīng)時(shí)間一般在幾十毫秒,最大流量可達(dá)50000L/min。由機(jī)能符號(hào)可以看出,一個(gè)三通的插裝閥具有兩個(gè)二通插裝閥的功能。三通插裝閥用于鍛壓機(jī),P口供油時(shí),T口并非完全關(guān)閉,而是有一很小的開度,這樣當(dāng)工作行程完時(shí),T口將開到最大,迅速卸荷并排油,而P口關(guān)到很小,直到下一周期開始。相當(dāng)于連續(xù)地調(diào)節(jié)兩個(gè)節(jié)流口的開度來切換工況間的轉(zhuǎn)換,工況轉(zhuǎn)換時(shí)間短,且沖擊小。所以從性能上講,三通插裝閥用于鍛造液壓機(jī)上,系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)定性較好。2系統(tǒng)正常工作缸系統(tǒng)新型快鍛液壓壓機(jī)電液控制系統(tǒng)模型如圖3所示。工作行程。閥4的P口開度很大,T口開度很小,油液進(jìn)入工作柱塞缸11,推動(dòng)活動(dòng)橫梁下行?；爻谈字械挠瓦M(jìn)入蓄能器9。高壓卸荷。工作行程結(jié)束時(shí),閥4的T口開度很大,P口開度很小,高壓油進(jìn)入油箱卸荷?；爻獭ｋS著工作缸的卸荷,蓄能器9中的油液釋放,進(jìn)入回程柱塞缸。推動(dòng)活動(dòng)橫梁回程。供油泵提供的油液進(jìn)入蓄能器5儲(chǔ)存起來,在工作行程時(shí)與泵一起提供給工作缸。比例閥6在回程缸回程流量不足時(shí)向其補(bǔ)油,比例閥7用于回程缸的放油。安全閥8還起著支撐作用。此系統(tǒng)用蓄能器提供回程時(shí)的油液,無需再用泵供油給回程缸。蓄能器5能瞬時(shí)提供高壓油,使得系統(tǒng)建壓時(shí)間短,并減少了供油泵的數(shù)量,起到了節(jié)能的效果,提高了快速性。蓄能器是實(shí)現(xiàn)快鍛液壓機(jī)節(jié)能的關(guān)鍵元件,既作壓下行程的輔助動(dòng)力源,又作回程的輔助能源。在快鍛液壓機(jī)組控制系統(tǒng)中,通常選皮囊式蓄能器和活塞式蓄能器,它們?cè)诠ぷ餍阅苌蠀^(qū)別不大,皮囊式蓄能器成本低,所以常被選用,但皮囊由于工作時(shí)間過長而產(chǎn)生破壞碎片,可能隨油液進(jìn)入到液壓系統(tǒng)管路中?；钊叫钅芷鞒杀靖叩珱]有上述的問題。3數(shù)學(xué)模型對(duì)上述快鍛液壓機(jī)新型電液比例控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模,有助于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)和分析。3.1電液比例插裝閥的數(shù)學(xué)模型此系統(tǒng)可看作是閥控液壓缸系統(tǒng),當(dāng)液壓執(zhí)行器的固有頻率低于50Hz時(shí),主級(jí)插裝閥芯和先導(dǎo)電液比例閥輸入電流的關(guān)系可用一階環(huán)節(jié)表示為:式中:XIω比例閥的線性化流量方程為:式中:QK3.2液壓室流入工作柱塞缸的流量Q從回程柱塞缸流出的流量Q式中:AAC3.3非線性負(fù)載的忽略柱塞缸、活動(dòng)橫梁等構(gòu)成了執(zhí)行機(jī)構(gòu)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)存在著摩擦等非線性因素,但采用線性化方法分析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能時(shí),需將這些非線性負(fù)載忽略。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)方程為:式中:G為機(jī)架的等效重力;Bm3.4回流缸工作原理蓄能器在快鍛液壓機(jī)中作輔助動(dòng)力源,其數(shù)學(xué)模型式中:p對(duì)于回程缸,其回程所需油液全由蓄能器提供,回程缸與蓄能器組成封閉油腔。忽略管道特性的影響,則回程缸流量的變化就是蓄能器內(nèi)流量的變化,回程缸的壓力變化就是蓄能器的壓力變化。4新型電液比例控制系統(tǒng)的仿真分析針對(duì)上述的系統(tǒng)模型,可用AMESim軟件對(duì)其進(jìn)行仿真研究,利用此軟件建立的仿真模型就像液壓系統(tǒng)模型,形象直觀,無需通過繁瑣的數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)傳遞函數(shù)。以1000t的快鍛液壓機(jī)為例設(shè)置仿真參數(shù):工作柱塞缸徑720mm,回程柱塞缸兩個(gè),缸徑為260mm,泵的出口壓力26MPa,工作行程30mm,壓下量為5mm,工作頻率90次/min,回程力為2MN。一個(gè)周期中閥的總響應(yīng)時(shí)間大致在0.2s,可以算得所需各參數(shù)。蓄能器的各參數(shù)參照皮囊式活塞蓄能器的經(jīng)驗(yàn)公式。通過建立應(yīng)用較為廣泛、單獨(dú)設(shè)置高壓卸荷閥的控制系統(tǒng)(如圖4)和用三通比例插裝閥控制的新型電液比例控制系統(tǒng)(如圖5)模型進(jìn)行仿真對(duì)比。建立仿真系統(tǒng)模型時(shí),在不影響仿真結(jié)果的前提下,可進(jìn)行一些簡化處理,鍛壓機(jī)的一個(gè)工作柱塞缸和兩個(gè)回程柱塞缸可簡化為一個(gè)單出桿雙作用非對(duì)稱活塞缸,并且可在仿真軟件中設(shè)置雙作用活塞缸的兩腔活塞的有效作用面積不同。這樣簡化處理并不影響仿真結(jié)果。由于在AMESim的標(biāo)準(zhǔn)元件庫中沒有對(duì)應(yīng)的三通比例插裝閥,但是三通比例插裝閥本質(zhì)上是對(duì)兩個(gè)節(jié)流口的調(diào)節(jié),且閥的參數(shù)可以由用戶任意設(shè)定,所以可用標(biāo)準(zhǔn)元件庫中的三位四通比例閥來代替三通比例插裝閥。對(duì)于鍛造液壓機(jī)電液比例系統(tǒng)都采用閉環(huán)位置控制,所以在仿真模型中需加入位移傳感器和PID調(diào)節(jié)器。仿真結(jié)果對(duì)比。在同樣的仿真參數(shù)下,圖6中,虛線為單獨(dú)設(shè)置二通比例插裝閥卸荷系統(tǒng)工作柱塞缸流量曲線,實(shí)線為三通比例插裝閥系統(tǒng)的工作柱塞缸流量曲線。從兩種系統(tǒng)的工作柱塞缸的流量曲線可以看出,三通閥的流量曲線更接近正弦曲線。圖7中,實(shí)線為三通閥控制系統(tǒng)的活動(dòng)橫梁位移曲線,即鍛造軌跡曲線;虛線為二通閥系統(tǒng)的鍛造軌跡曲線,可以看出三通閥系統(tǒng)的軌跡更接近正弦曲線。圖8表示兩種系統(tǒng)的回程缸壓力變化曲線,雖然壓力都在波動(dòng),但對(duì)比之下三通閥控系統(tǒng)比二通閥控系統(tǒng)波動(dòng)要小?？傊?從仿真結(jié)果看,三通比例插裝閥控系統(tǒng)比單獨(dú)設(shè)置卸荷閥的系統(tǒng)性能要優(yōu)越。5仿真結(jié)果及分析作者對(duì)快鍛鍛壓機(jī)新型電液比例控制系統(tǒng)進(jìn)行了闡述,建