基于AMESim的快鍛壓機(jī)泄壓特性仿真分析

張友亮，田麗紅，楊 吉吉，石志鵬

（1.蘭州理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；2.濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所有限公司，山東 濟(jì)南 250306）

0 引言

快鍛壓機(jī)液壓系統(tǒng)具有高壓大流量、大運(yùn)動(dòng)慣量、強(qiáng)時(shí)變負(fù)載、換向頻繁等特點(diǎn)。壓機(jī)壓制動(dòng)作結(jié)束后，若主缸泄壓速度過快，勢(shì)必會(huì)引發(fā)回程振動(dòng)現(xiàn)象[1]；若泄壓速度過慢，則嚴(yán)重制約鍛造頻次的提高。因此，必須合理控制主缸的泄壓速度。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)正在使用的鍛造壓機(jī)液壓系統(tǒng)中，兩級(jí)先導(dǎo)插裝閥和比例插裝閥占據(jù)市場(chǎng)主要份額。此外，德國Wepukoa公司和Pahnke公司聯(lián)合設(shè)計(jì)、開發(fā)了正弦泵控系統(tǒng)，其主控元件為雙向比例變量高壓徑向柱塞泵，通過泵自身輸出流量方向的改變來實(shí)現(xiàn)鍛造壓機(jī)活動(dòng)橫梁的換向運(yùn)動(dòng)，從而使得系統(tǒng)壓力沖擊有效減小，具有較高的工件鍛造精度和鍛造頻次[2]。但該系統(tǒng)前期投入成本較大，制造周期較長(zhǎng)，在國內(nèi)還未獲得廣泛應(yīng)用。

實(shí)際中鍛造壓機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制造、調(diào)試周期長(zhǎng)，應(yīng)用系統(tǒng)仿真技術(shù)能有效克服這些問題，已逐步成為系統(tǒng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、性能評(píng)估的有力工具。

1 AMESim簡(jiǎn)介

AMESim軟件是由法國IMAGINE公司于1995年推出的基于鍵合圖的建模仿真平臺(tái)，具有機(jī)械庫、液壓庫等模型庫和豐富的軟件接口，用戶可以基于圖形化的物理建模方式進(jìn)行聯(lián)合仿真分析。此外，用戶還可以針對(duì)庫中現(xiàn)有模型進(jìn)行定制、封裝，進(jìn)而開發(fā)出企業(yè)產(chǎn)品的元件模型[3]。

2 仿真模型的建立

插裝式比例節(jié)流閥采用先導(dǎo)控制、座閥主級(jí)、插裝式連接，具有通流能力大、控制性能高等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于快鍛、注塑、軋鋼等行業(yè)。該型快鍛壓機(jī)液壓系統(tǒng)采用比例節(jié)流閥泄壓，某型插裝式比例節(jié)流閥控制原理框圖如圖1所示。

圖1 比例節(jié)流閥控制原理框圖

圖2為某型比例節(jié)流閥閥芯局部結(jié)構(gòu)圖，主閥芯采用錐閥式結(jié)構(gòu)，帶有滑閥式尾部，且其上均布有四個(gè)三角形節(jié)流槽口，用于小開口范圍內(nèi)的精細(xì)節(jié)流，從而可以有效避免主閥芯因快速開啟或關(guān)閉過程中引起的液壓沖擊。

圖2 比例節(jié)流閥閥芯局部結(jié)構(gòu)圖

為精確描述插裝式比例節(jié)流閥閥口過流面積，根據(jù)實(shí)際尺寸分別建立了節(jié)流閥的三維模型和不同開口條件下的流場(chǎng)仿真模型，基于CFD技術(shù)在壓力入口、壓力出口條件下，獲得該型比例節(jié)流閥的閥口過流面積-閥口開度變化曲線如圖3所示。

回路仿真模型中，不考慮各液壓元件間的泄露。所建立的快鍛壓機(jī)在主缸單獨(dú)動(dòng)作時(shí)的泄壓回路仿真模型如圖4所示。

圖3 閥口過流面積-閥口開度特性曲線

圖4 快鍛壓機(jī)主缸泄壓回路模型

圖中，壓力油源在1s內(nèi)保持25MPa不變，1s后迅速變?yōu)?。插裝式比例節(jié)流閥在0-9V控制信號(hào)條件下的主閥芯位移階躍響應(yīng)特性曲線如圖5所示。可見，主閥芯位移階躍響應(yīng)時(shí)間約為24ms，與樣本給定值一致[4]，從而驗(yàn)證了所建立的插裝式比例節(jié)流閥仿真模型的正確性。

圖5 主閥芯位移階躍響應(yīng)特性曲線

3 仿真結(jié)果及分析

分別給定比例節(jié)流閥控制信號(hào)為階躍信號(hào)、正弦信號(hào)、斜坡信號(hào)，仿真所得到的不同控制信號(hào)、不同幅值條件下的快鍛壓機(jī)主缸泄壓特性曲線如圖6所示。圖中，P為階躍信號(hào)，S為正弦信號(hào)，R為斜坡信號(hào)。

圖6 不同信號(hào)、幅值下的泄壓特性曲線

可以看出，不同控制信號(hào)、不同幅值條件下的泄壓特性差異較大：同種信號(hào)不同幅值條件下，信號(hào)幅值越小，曲線變化越平緩，反之變化越急劇。原因在于，信號(hào)幅值較小時(shí)，所對(duì)應(yīng)的主閥芯開口度較小，閥口過流面積較小，通流阻力較大，從而壓力變化較為平緩。當(dāng)信號(hào)幅值較大時(shí)，主閥口具有較大的過流面積，從而壓力變化較為劇烈。

還可以看出，相同幅值、不同信號(hào)類型條件下的泄壓特性差異也較大：階躍信號(hào)下的壓力變化曲線均比較急劇，正弦信號(hào)與斜坡信號(hào)下的壓力曲線均比較平緩，且正弦信號(hào)下的壓力變化比斜坡信號(hào)下的壓力變化迅速。

在保證泄壓平穩(wěn)的條件下，為盡量縮短泄壓時(shí)間，提高鍛造頻次，有文獻(xiàn)研究采用正弦信號(hào)和階躍信號(hào)共同來完成泄壓[5]：控制信號(hào)先為正弦信號(hào)，待壓力降至某一值時(shí)，控制信號(hào)切換為階躍信號(hào)。

太原科技大學(xué)黃忠華教授所研究的泄壓回路中，約定快速泄壓的臨界安全界限為5MPa，認(rèn)為當(dāng)液流流速v≤4.5m/s，沖擊壓力△P≤5MPa時(shí)，系統(tǒng)可安全泄壓[6]。宋擁政教授在快速卸放回路中的研究認(rèn)為，快速泄壓與慢速泄壓的臨界壓力一般為8MPa[7]。

在圖4所示的仿真模型基礎(chǔ)上，通過設(shè)置主缸壓力傳感器，來實(shí)現(xiàn)正弦信號(hào)與階躍信號(hào)的切換。所建立的采用正弦信號(hào)和階躍信號(hào)條件下的泄壓回路仿真模型如圖7所示。

分別設(shè)定臨界壓力值為 5MPa、6MPa、7MPa、8MPa、9MPa、10MPa，仿真得到不同臨界壓力條件下的主缸泄壓特性曲線如圖8所示。

4 結(jié)論

圖7 正弦+階躍信號(hào)的泄壓回路仿真模型

圖8 不同臨界壓力下的泄壓特性曲線

本文基于AMESim建立了插裝式比例節(jié)流閥和主缸泄壓回路的仿真模型，進(jìn)行不同控制信號(hào)、不同幅值及不同臨界壓力條件下的泄壓特性仿真分析，得出以下結(jié)論：

（1）比例節(jié)流閥在正弦信號(hào)下具有較好的泄壓特性，泄壓時(shí)間：斜坡信號(hào)＞正弦信號(hào)＞階躍信號(hào)。

（2）比例節(jié)流閥在正弦信號(hào)和階躍信號(hào)作用下能提高泄壓快速性。

本研究對(duì)于實(shí)際比例閥的調(diào)試、控制信號(hào)的選擇，以及基于AMESim進(jìn)行液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、性能評(píng)估具有重要意義。

[1] ZHANG Lijie,BIAN Bin,LI Yukun.Co-simulation Research on the Control System of 65MN Free Forging Hydraulic Press.Oct.2012 Hydromechatronics Engineering.2012,40(19):43-47.

[2] Pahnke,Hans Joachim.Forging machines with hydraulic drive development operating results. Metallurgical Plant and Technology,1998,11(6):77-82.

[3] 李華聰，李 吉.機(jī)械/液壓系統(tǒng)建模仿真軟件AMESim.計(jì)算機(jī)仿真，2006，23（ 12）：294-297.

[4]ATOS電子-液壓產(chǎn)品樣本.ATOS Company，2007.

[5] 向 云.10MN高強(qiáng)度鋼板熱成形液壓機(jī)及液壓系統(tǒng)的研究[D].秦皇島：燕山大學(xué)，2014：45-66.

[6] 黃忠華，安高成，劉志奇.快速泄壓回路動(dòng)態(tài)特性分析[J].太原科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，（ 6）：445-450.

[7] 宋擁政.快速二通插裝閥組的工作原理和特性.鍛壓機(jī)械，1991，26（ 4） ：26-29.

[8] 王成剛.基于AMESim沖擊氣缸二位五通氣控閥的建模與仿真研究[J].液壓氣動(dòng)與密封，2013，（ 1）.

[9] 劉緒儒，等.基于AMESim船舶風(fēng)翼回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)仿真分析[J].液壓氣動(dòng)與密封，2013，（ 4）.