壓力機液壓系統的設計與仿真

宋曉美，韓 亮

（1.山西大學，山西太原 030013；2.太原鋼鐵集團公司，山西太原 030000）

壓力機液壓系統的設計與仿真

宋曉美1，韓 亮2

（1.山西大學，山西太原 030013；2.太原鋼鐵集團公司，山西太原 030000）

針對壓力機液壓系統常見的振動及噪聲問題，設計了應用于生產實際的壓力機液壓及控制系統，分析了液壓系統原理，并利用FluidSIM軟件對該系統的液壓回路及電氣控制回路進行仿真。

壓力機；液壓系統；設計；原理

0 引言

壓力機是利用沖壓、鍛壓、成型等技術工藝，通過對金屬或非金屬坯件施加強大的壓力使其發生塑性變形和斷裂來加工成型的機械設備[1]。其中液壓壓力機具有壓力大、運行穩定、日常維護和保養簡單等優點，已經廣泛應用于航天、火車、汽車電機、電動機、車輪制造、減振器等及其他機械行業。壓力機的液壓系統主要以壓力控制為主，流量大，壓力高，且壓力、流量變化大。

傳統液壓壓力機普遍存在振動明顯、噪聲大等缺陷。一方面振動易造成原件的靈敏度下降、機件松動、油箱溫度持續升高等。強烈而持久的振動還易造成液壓壓力機密封環境破壞、壓力機原器件損壞甚至失靈，以致壓力機不能正常工作。設備振動也會極大地降低產品的合格率。另一方面，伴隨振動發出的噪聲嚴重影響了機器操作人員的身心健康，容易引發事故。因此，在設計壓力機液壓系統時，必須充分考慮避免壓力機的振動與噪聲，采取合理的解決方案。

1 壓力機的運動分析

液壓壓力機主要是由機架、液壓系統、加壓油缸（主缸）、移動工作臺、冷卻系統、上模及下模組成。加壓油缸裝在機架上端，并與上模聯接，機架下端裝有移動工作臺及與移動工作臺聯接的移動油缸（頂出缸），下模安放在移動工作臺的上面，冷卻系統與上模、下模聯接。

根據壓力機的工作要求，主缸的工作循環為：快速下行→慢速下行→保壓→快速返回→原位停止[1]。如頂出缸的作用為主缸壓制工件完成后將工件頂出，其工作循環為：快速上行→停留→快速返回→原位停止[1]。如果是作薄板浮動壓邊時，頂出缸在其上位時既能保持一定的壓力，又能隨主缸滑塊的下壓而下降。

2 壓力機的液壓及控制系統

根據壓力機主缸和頂出缸的工作循環過程，設計壓力機的液壓系統原理圖如圖1所示，電氣控制圖如圖2所示。其中液壓缸13代表主缸，液壓缸15代表頂出缸。

圖1 壓力機液壓系統原理圖

液壓系統的動作順序表如表1所示。

主缸的工作過程如下。

（1）快速下行。1YA和5YA得電，換向閥4和5左位接入系統，主缸快速下行。進油路：泵1→閥3→閥4左位→閥10→缸13上腔。換向閥5左位接入系統使液控單向閥11反向導通，在滑塊重力作用下主缸活塞快速下行，泵供油不及而使缸13上腔出現負壓，使液控單向閥12反向導通，充油箱充油到缸13上腔[1]。回油路：缸13下腔→閥11→閥7上位→閥4左位→閥16中位→油箱。

（2）慢速下行。主缸快速下行至接觸到工件時，上腔壓力升高，閥12關閉，充油箱停止充油，主缸慢速下行，實現加壓。此時進油路與快速下行時相同，回油路通過節流閥9和換向閥7下位。下行速度與液壓泵流量有關，可由節流閥調節。

表1 電磁鐵動作順序表

（3）保壓。主缸慢速下行至上腔壓力上升到壓力繼電器18的調定壓力時，1YA失電，換向閥4中位接入系統，主缸上下兩腔封閉，實現保壓，泵卸荷。保壓時間由時間繼電器按所壓制工件的工藝要求進行調節。

圖2 電氣控制回路圖

（4）卸壓。保壓時間到后，時間繼電器發出信號使6YA得電，延時繼電器開始計時，主缸上腔通過閥8和閥6上位卸壓。卸壓時間和速度分別由延時繼電器和節流閥調節。

（5）快速返回。卸壓時間到，延時繼電器發出信號使2YA和5YA失電，換向閥4右位接入系統，主缸快速返回。回油一路通過閥12回到充油箱，另一路通過閥10和換向閥4、16回油箱。

主缸壓制完成后，頂出缸頂出工件過程如下。

（1）上行。主缸回到原位停止，2YA失電，閥4中位接入，3YA得電，閥16右位接入系統，頂出缸向上頂出。進油路：泵1→閥3→閥4中位→閥16右位→缸15下腔。回油路：缸15上腔→閥16右位→油箱。

（2）停留。3YA失電，閥16中位接入系統，頂出缸下腔封閉，因此頂出缸滑塊可在停留在某位置。

（3）下行返回。當工件被取走，4YA得電，閥16左位接入系統，頂出缸下行返回。進油路為：泵1→閥3→閥4中位→閥16左位→缸15上腔。回油路：缸15下腔→閥16右位→油箱。

當壓力機作薄板浮動壓邊時，進油路為：缸13下腔→閥11→閥9→閥7下位→閥4左位→閥16中位→缸15上腔。回油路為：缸15下腔→閥17→油箱。

該液壓系統有以下特點。

（1）在液壓泵出口處使用了順序閥，即使在液壓缸上腔出現負壓時液壓泵出口處始終能保持一定的壓力，從而保證主缸快速下行時液控單向閥7的反向導通，避免由于壓力不穩定導致液控單向閥的開、關轉換，引起振動和噪聲。

（2）采用比例溢流閥的調壓回路來調整系統的壓力，結構簡單，既能實現調壓的方便性，又能保證壓力的穩定性及壓力調節的精確度，從而保證壓力機的壓制精度，提高生產效率。

（3）由于主缸滑塊自重較大，采用了液控單向閥的回路來實現保壓，簡單方便。

（4）設置了由換向閥和節流閥組成的卸壓回路，在主缸保壓后上行前對主缸上腔壓力進行卸壓，避免由于上腔壓力大油路突然換接時產生液壓沖擊，引起振動和噪聲。

（5）采用了出口節流調速回路，通過節流閥調節主缸的壓制速度，可滿足加工不同工件的多種壓制速度的要求，使設備的應用范圍更廣[1]。

3 基于FluidSIM軟件的系統仿真

利用FluidSIM軟件對壓力機的不同工況進行仿真[2]：按下S2按鈕，模擬壓力機開始工作，液壓系統開始運行，完成主缸快速下行→慢速下行→保壓→卸壓→快速返回的工作循環。按下S3按鈕，頂出缸完成上行→下行返回→停留的工作循環。以主缸快速下行工況為例，液壓系統工作圖如圖3所示。

圖3 主缸快速下行工況下液壓系統工作圖

4 結論

關于壓力機的液壓系統設計研究具有重要的實用價值。本壓力機的設計很好地改善了傳統壓力機共有的噪聲及振動問題，極大地降低了故障發生率，改善了人工操作環境，并能夠滿足加工不同工件的多種壓制速度的要求，應用范圍更廣。采用FluidSIM軟件對液壓系統進行了仿真測試，取得滿意效果。進一步研究液壓傳動系統，在原系統的基礎上進一步選用合理的液壓原件是降低噪聲及振動的有效途徑。

［1］趙國華，陳建國.HY32-400壓力機液壓系統問題分析與改進［J］.機床與液壓，2008（1）：48-51.

［2］王志華，熊剛，徐浩銘.基于Fluid SIM的壓力機液壓傳動系統設計與仿真［J］.楊凌職業技術學院學報，2014（3）：22-26.

Design and Simulation of Hydraulic System of Press Machine

SONG Xiao-mei1，HAN Liang2
（1.Shanxi University，Taiyuan030013，China；2.Taiyuan Iron and Steel Group Co.，Ltd.，Taiyuan030000，China）

For the problems of the vibration and noise common to hydraulic system of press，the hydraulic and control system applied in the actual production is designed.The principle of the hydraulic system is analyzed and the hydraulic circuit and electric control circuit of the system is simulated by FluidSIM software.

press machine；hydraulic system；design；principle

TH137

：A

：1009－9492(2014)12－0071－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.12.018

宋曉美，女，1988年生，山西介休人，碩士研究生，助教。研究領域：機電系統控制。已發表論文1篇。

(編輯：阮 毅)

2014－11－17