軋管機芯棒支撐裝置液壓控制系統(tǒng)仿真設計

趙雙，袁威

(重慶郵電大學先進制造工程學院，重慶400065)

軋管機軋制前，為了便于穿棒，芯棒與毛管中心線高度需對齊。由于一套軋機通常要軋制多個孔型和壁厚的鋼管，因此，芯棒與毛管中心線高度并不是一成不變的，而是隨軋制孔型和管壁厚度的變化而變化。以前，芯棒支撐裝置高度通常采用電機絲桿離線調(diào)節(jié)，這種方式根據(jù)每一批次的鋼管規(guī)格，事先調(diào)整好軋機前臺芯棒支撐裝置高度。由于這種方式需要離線調(diào)節(jié)，對于小批次、多規(guī)格的生產(chǎn)耗時費力，實際生產(chǎn)效率較低。目前，隨著液壓控制系統(tǒng)的成熟，開始采用液壓位置閉環(huán)控制的方式來調(diào)整芯棒支撐裝置的高度，文中將介紹這種控制方式。

1 芯棒支撐裝置結構原理

在軋管機軋制過程中，軋機前臺靠近軋機入口的幾個芯棒支撐裝置(輥)，由于既要支撐芯棒，又要支撐毛管，還要避讓其傳動機構(通常為齒條或鏈條)，因此它有3 個位置:毛管位、芯棒位和下降位。而遠離軋機的幾個芯棒支撐輥僅僅需要支撐芯棒和避讓傳動機構，故只有芯棒位和下降位［1］。芯棒支撐裝置機械結構如圖1 所示。

芯棒支撐輥在軋制過程中的運動過程如下:

(1)毛管從穿孔機運送來之前，毛管支撐輥高度調(diào)整到毛管位，芯棒支撐輥高度調(diào)整到芯棒位，這樣毛管放置到位后，芯棒通過傳動機構帶動前進，實現(xiàn)穿棒功能，開始進入夾送和軋制環(huán)節(jié); (2)隨著軋制的進行，毛管和芯棒向前運動，部分毛管支撐輥需要升高到芯棒位，支撐芯棒; (3)軋制完成后，傳動裝置通過前，支撐輥處于下降位，便于傳動裝置的順利后退; (4)后退完成后，支撐輥快速升起，以便支撐芯棒快速返回。

圖1 芯棒支撐裝置結構圖

2 芯棒支撐液壓系統(tǒng)仿真模型建立

以某軋管機生產(chǎn)線為例，已知單個芯棒支撐裝置的油缸尺寸為φ63/φ36-250，支撐機構短臂為250 mm，長臂為450 mm，長短臂夾角為135°。以某孔型最大毛管壁厚為例，其芯棒位、毛管位、下降位各參數(shù)及坐標值詳見圖2。

圖2 芯棒支撐機構簡圖

根據(jù)機組軋制工藝要求，毛管最大壁厚為12 mm，從下降位到芯棒位支撐輥上升的距離為230 mm。為了實現(xiàn)順利穿棒，工藝要求芯棒支撐輥的芯棒位和毛管位的位置控制精度為±1 mm;芯棒前進時，傳動裝置到來前從芯棒位或毛管位下降到最低位的時間要求小于1 s;芯棒返回時，從最低位上升到芯棒位的時間要求小于2 s;從芯棒位下降到毛管位由于等待時間較長，時間僅要求小于3 s。該機組最大芯棒質(zhì)量約400 kg，由5 個支撐輥分擔，因此每個支撐輥的外負載約為800 N［2］。根據(jù)以上參數(shù)，可在AMESim 環(huán)境中建立機電液系統(tǒng)的綜合仿真模型，如圖3 所示。

在圖3 的AMESim 仿真模型中［3］，恒壓力源1 取14 MPa;高頻響比例閥初選流量P-A/A-T 為50 L/min@1 MPa、P-B/B-T 為25 L/min@1 MPa，頻率50 Hz@25%額定流量。

由芯棒支撐裝置的工作特點可知，芯棒支撐輥上升、下降的支撐臂機構的運動軌跡在同一平面內(nèi)，屬于二維運動。AMESim 軟件中的二維機構庫Planar Mechanical 恰好能夠滿足對該裝置進行動力學仿真的要求，另外AMESim 軟件的AMEViewer 可以提供機構運動的重現(xiàn)［4］。在使用二維機構庫進行仿真的過程中，需要輸入構件的重心坐標、質(zhì)量和坐標，文中采用絕對坐標系的方法。二維仿真結果如圖4所示。

圖3 芯棒支撐裝置仿真模型

圖4 芯棒支撐裝置二維仿真結果

3 仿真結果

以機組靠近軋機的芯棒支撐輥為例，其運動過程為毛管位→下降位→芯棒位→毛管位。相關結構參數(shù)由圖2 可知，芯棒支撐輥的芯棒位、毛管位、下降位分別為+1 067.4、 +1 055.4、 +837.4 mm。根據(jù)前述工藝要求，對芯棒支撐輥液壓控制系統(tǒng)進行仿真，仿真結果如圖5 所示。圖(a)顯示的是下降位和芯棒位的數(shù)據(jù)，圖(b)顯示的是芯棒位和毛管位的數(shù)據(jù)。

從圖5 (a)、(b)中可以看出:芯棒支撐輥位置精度均控制在±1 mm，從毛管位(+1 055.4 mm)降到下降位(+837.4 mm)、從下降位上升到芯棒位(+1 067.4 mm)、從芯棒位降到毛管位的時間分別為0.787、1.634、2.243 s，均滿足工藝設計要求。

圖5 閉環(huán)仿真結果

圖6 為機組生產(chǎn)過程中通過計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的實際運行數(shù)據(jù)，可以看出:與仿真同等工藝要求下，從毛管位降到下降位、從下降位上升到芯棒位、從芯棒位降到毛管位的時間分別為0.500、1.531、2.370 s，與仿真數(shù)據(jù)較為一致，驗證了仿真的準確性和元件選型的正確性。需要說明的是:實際控制中，從毛管位降到下降位，因為支撐輥直接降到某一位置以下就滿足工藝要求，所以沒有采用閉環(huán)控制，這也是現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)中芯棒支撐輥實際位置(曲線2)與設定位置(曲線1)沒有保持一致的原因。

圖6 現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)

4 結論

采用AMESim 對芯棒支撐裝置液壓位置閉環(huán)控制系統(tǒng)進行了動力學仿真設計，并通過現(xiàn)場實際運行數(shù)據(jù)與仿真結果的對比，驗證了仿真的正確性。該芯棒支撐裝置液壓閉環(huán)位置控制系統(tǒng)已在生產(chǎn)線中實際運用，運行情況良好。

AMESim 軟件滿足機構的二維運動控制仿真建模要求，由于AMEViewer 可以提供機構運動的重現(xiàn)，對機械設備的設計也有一定的指導意義。

［1］李笑．液壓與氣壓傳動［M］．北京:國防工業(yè)出版社，2009．

［2］成大先．機械設計手冊［M］．北京:化學工業(yè)出版社，2006．

［3］付永領，祁曉野．AMESim 系統(tǒng)建模和仿真——從入門到精通［M］．北京:北京航空航天大學出版社，2006．

［4］何清華，張大慶，郝鵬，等．液壓挖掘機工作裝置仿真研究［J］．系統(tǒng)仿真學報，2006，18(3):735－738．