復合材料液壓機四角調平缸支撐結構的優化

張珍，宋繼順，2，張建，3，王世明，李森(.天津理工大學材料科學與工程學院，天津30038;2.天津市光電顯示材料與器件重點實驗室，天津30038; 3.顯示材料與光電器件省部共建教育部重點實驗室;.天津市天鍛壓力機有限公司，天津3002)

復合材料液壓機四角調平缸支撐結構的優化

張珍1，宋繼順1，2，張建1，3，王世明4，李森4
(1.天津理工大學材料科學與工程學院，天津300384;2.天津市光電顯示材料與器件重點實驗室，天津300384; 3.顯示材料與光電器件省部共建教育部重點實驗室;4.天津市天鍛壓力機有限公司，天津300142)

四角調平的設計對整個壓機的精度具有決定性的影響，本文對調平系統進行可行性分析，文中對復合材料液壓機的四角調機構進行了數值模擬，對四角調平支架結構進行有限元分析，并對四角調平的支撐機構進行了結構優化。對改進后的調平支架結構進行模擬分析，模擬結果表明該調平缸支架結構可以可靠保證系統的準確調平。

復合材料液壓機;四角調平;數值模擬;偏載

0　前言

隨著現代工業的快速發展，工件的質量要求越來越高，形狀也越來越復雜，使得液壓機的噸位和工作臺面越來越大，精度也越來越高。但在實際工作過程中滑塊時常受偏載力的作用，使滑塊產生不同程度的傾斜，在這種情況下，不僅被壓工件極容易報廢，并且損壞模具，而且會嚴重影響液壓設備的使用壽命。因此，在對成型精度要求嚴格的復合材料液壓機中往往需要有四角調平系統，其作用就是避免滑塊在工作狀態下產生傾斜，從而保證上下模具準確壓合，確保工件質量，同時，也有利于改善各構件受力狀況，延長壓機使用壽命。

以天津市天鍛壓力機有限公自主研發制造的YT71S-2000系列復合材料液壓機為例進行模擬分析，該壓機整體性能基本能達到國外同類的水平，如圖1所示。此液壓機的調平系統中，液壓機下橫梁的四角處各設置一組結構完全相同的活塞液壓缸，且四個調平液壓缸上都裝有直線位移傳感器。調平缸并不是在整個行程過程中都與滑塊接觸，因只有在壓機合模階段才需要調平，此時調平缸與滑塊接觸，跟隨滑塊等速下行。控制器通過安裝于四角的直線位移傳感器實時監測滑塊四角位移。如果滑塊在偏載力矩作用下發生偏轉，控制器按控制算法計算出相應的控制率控制高頻響應比例伺服閥，從而調節調平缸的跟隨運動(或加速、或減速、或反頂)，以形成抗偏載力矩，間接保證滑塊下表面的水平度。復合材料液壓機的三維模型圖如圖2所示。

圖1　復合材料液壓機實物圖Fig.1 The real product photo of composite hydraulic press

圖2　復合材料液壓機三維模型圖Fig.2 The 3D model figure of composite hydraulic press

為使滑塊在向下運動的過程中克服偏載力的影響，保證其平行度在誤差范圍之內，即需要控制滑塊下方四角調平液壓缸的位置同步，目前采用多軸同步控制策略，一般可以分為以下幾種:

(2)等同模式各個調平液壓缸都能接收到相同的控制信號，但其只考慮單軸位移控制而忽略各個調平液壓缸相互之間的位置誤差，所以單軸之間的特性差異對整體的同步性能有很大影響。

(3)追逐模式運動過程中控制系統動態地將處于極限位置處(最低或最高位置)的調平液壓缸設為基準缸，控制其余調平液壓缸對基準液壓缸進行位置跟隨。

(4)耦合模式控制器控制調平缸跟隨事先規劃好的速度-位移曲線運動的同時，并將各缸之間的位置誤差用于控制。各調平液壓缸接收到相同指令信號后控制各自軸運動，但是與等同模式不同，耦合模式下將實時計算各調平液壓缸之間的位置誤差量并用于補償同步誤差。

復合材料液壓機調平系統采用了追逐模式的調平策略，并采用雙閉環預測控制。壓力內環采用預測控制策略，該控制方法通過實時的模型滾動優化，實現對被控對象模型參數變化的快速跟蹤，能夠快速抑制擾動對系統穩定性的影響。外環采用綜合控制器，綜合上位機設定速度、當前位移、其他各點位移速度，計算壓力內環設定值。綜合控制器采用模糊規則進行控制，以便抑制系統超調。控制策略框圖如圖3所示。

圖3　控制策略框圖Fig.3 Diagram of the control strategy

1　調平系統可行性分析

本系統為四點支撐平臺的調平問題，為了達到調平中所需的精度要求，首先需要對平臺進行分析，在這里即是對滑塊進行分析，進而確定調平系統的可行性及可靠性。采用的方法是首先為滑塊的水平度建立了數學模型，通過建立模型準確地判斷滑塊的轉動慣量，然后再假設在具有偏載力偶的作用下進行分析處理，確定滑塊需要的調平力及調平位移，據此可以具體確定各支腿的調節量和運動方向(上升或下降)。YT71S-2000M復合材料液壓機的技術要求見表1，滑塊轉動慣量模型如圖4所示。

表1　20MN液壓機技術參數Tab.1 Product technical requirements of 20 MN

圖4　滑塊轉動慣量模型Fig.4 Rotational inertiamoment of slide block model

滑塊繞X軸的轉動慣量大約為

滑塊繞Y軸的轉動慣量大約為

假設突然加載一個5×106N·m的偏載力矩，在一個控制周期(1×10－2s)內產生的位置偏差為

[91] 葛紅亮、鞠海龍：《“中國-東盟命運共同體”構想下南海問題的前景展望》，《東北亞論壇》2014年第4期，第29-30頁。

最大調平力矩為M2=6.5×106N·m

抵消偏載力矩后剩余的調平力矩M3=1.5× 106N·m

在五個控制周期(50 ms)內提供的調平位移

通過計算可以得出，在突加5×106N·m的偏載力矩，控制周期是1×10－2s，在最大調平力為1.3×106的條件下，在五個控制周期內，調平位移3.1 mm大于偏載位移2.1 mm，可以完成調平。

2　四角調平支架結構的有限元分析及優化

對四個調平缸支架進行編號為1、2、3、4，如圖5所示。

圖5　四角調平缸支撐結構編號Fig.5 The number of four leveling cylinder supporting structure

由于四角調平系統在工作過程中，可能的調平工況有五種，見表2。

表2　調平工況Tab.2 Working condition of leveling N

2.1初始設計方案的有限元分析

根據初始設計的帶有調平缸支架的主機結構，在Solidworks軟件中進行三維建模，為了減小計算機的計算時間，在不影響模擬結果的情況下適當簡化模型(如螺紋孔、淺槽、T形槽、倒角等)。建立的模型如圖6所示。模型建立后導入有限元分析軟件ANSYSWORKBENCH中進行網格劃分(圖7)，添加材料屬性(主機結構所有板材材質均為Q235-A鋼板，彈性模量為2.12E+11 N/m2，泊松比為0.288，質量密度為7.86E +3 kg/m3)。然后根據模擬方案施加相應的邊界條件，分析五種工況下調平支架的位移云圖和變形情況。

圖6　液壓機主機結構的三維模型Fig.6 Model of the hydraulic press structure

圖7　對液壓機進行網格劃分Fig.7 Meshing for hydraulic press

通過模擬得到位移云圖如圖8所示。

圖8　改進前支撐結構的位移結果云圖Fig.8 Deformation of the support structure before improvement

取調平精度為±0.1mm，提取以上各模擬結果，列入表格進行分析，如表3所示。

分析表格中的數據發現，五種工況下，最大變形都超過了調平系統的調平精度±0.1 mm，所以該調平缸支架結構不能可靠保證系統的準確調平，需要對調平結構進行改進，改進結構如圖9所示。

圖9　改進后結構模型及局部放大圖Fig.9 Improved structuremodel and the partial enlargement

2.2改進后支撐結構的有限元分析

對改進后的調平支架結構進行模擬分析，得到的位移云圖如圖10所示。

圖10　改進后支撐結構的位移結果云圖Fig.10 Deformation distribution of improved support structure

取調平精度±0.1 mm，提取以上各模擬結果，列入表格進行分析，如表4所示。

表4　改進后模擬結果Tab.4 Simulation results of improved support structure

分析表格中的數據發現，五種工況下，最大變形都在0.088 mm左右，沒有超過調平系統的調平精度±0.1 mm，所以該調平缸支架結構可以可靠保證系統的準確調平。

3　結論

(1)首先對復合材料液壓機調平系統的工作原理進行了介紹，并對調平系統進行了可行性分析計算，從理論角度保證了調平功能的可靠實現。

(2)通過有限元分析方法對復合材料液壓機的調平支架在不同偏載工況下進行模擬分析，獲得調平支架的位移云圖，進而對調平支架進行結構優化，使調平系統滿足調平精度要求。

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Simulation and im provement of four corners leveling cylinders support structure for composite hydraulic press

ZHANG Zhen1，SONG Ji-shun1，2，ZHANG Jian1，3，WANG Shiming4，LISen4
(1.College of Materials Science and Engineering，Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China; 2.Materials and Equipment Key Laboratories，Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China; 3.Key Laboratory of Display Materials＆Photoelectric Devices(Tianjin University of Technology)，Ministry
of Education，Tianjin 300384，China;4.Tianjin Tianduan Press Co．，Ltd．，Tianjin 300142，China)

With the extensive application of composite products，the accuracy of the composite product requirements is also increasing．In order tomake the hydraulic equipment tomeet the requirements of complex precision parts，the improvementof hydraulic stiffness and anti-bias load capacity is needed．As a composite hydraulic machine to ensure accuracy of the four corners of themain structure is levelingmechanism．Corners leveling design has a decisive impact on the accuracy of the press．Four corners of the composite hydraulic leveling mechanism was simulated，and the four corners of the supporting institutions leveling structure is optimized．

composite hydraulic press;corners leveling;numerical simulation;eccentric load

TG315

A

1001－196X(2015)02－0048－05

2015－01－20;

2015－02－13

“高檔數控機床與基礎制造裝備”科技重大專項(SK201301A21－03);天津市企業技術創新項目計劃產學研聯合開發專項(2013ZX04003－031)

張珍(1988－)，男，天津理工大學，碩士研究生，研究方向為材料成形工藝、設備與模具設計。