2000kN/4000kN·m鍛造操作機夾鉗水平升降設(shè)計和仿真

李 宣，霍 光，祁 建，謝明陽

（沈陽北方重工集團有限公司，遼寧 沈陽 110141）

0 引言

2000kN/4000kN·m鍛造操作機用于配合10000t鍛造壓機，完成鐓粗、拔長、沖孔、擴孔、切斷等的生產(chǎn)，可實現(xiàn)自動化鍛造，具有提高鍛造精度和效率、降低能耗的作用。鍛造操作機采用全液壓傳動，采用有軌道大車行走方式，可實現(xiàn)夾鉗水平升降、傾斜、鉗頭夾緊、鉗頭旋轉(zhuǎn)等動作，并設(shè)有過載保護裝置。夾鉗水平升降系統(tǒng)是鍛造操作機的重要組成部分，用于聯(lián)動鍛造壓機時實現(xiàn)水平升降。2000kN/4000kN·m鍛造操作機屬于大噸位重載鍛造操作機，存在較大的機械沖擊，對控制精度有較高要求。因此，針對夾鉗水平升降電液系統(tǒng)，利用AMESim分析升降系統(tǒng)的動態(tài)控制特性，對控制系統(tǒng)設(shè)計、現(xiàn)場調(diào)試具有一定的指導(dǎo)意義。

1 夾鉗水平升降動作

由于重載鍛造操作機具有大慣性、大沖擊特性，為提高操作機的承載能力和減少偏心載荷，夾鉗水平升降系統(tǒng)采用兩個平行升降液壓缸驅(qū)動四連桿機構(gòu)，實現(xiàn)夾鉗平行升降。如圖1所示，夾鉗水平升降系統(tǒng)包含多個平行四連桿機構(gòu)CDFE、ABKL、CDHF等，當(dāng)活塞缸退回時，銷軸繞C、D轉(zhuǎn)動，B、A下移，夾鉗下降；活塞桿伸出時，銷軸繞C、D轉(zhuǎn)動，在四連桿作用下，B、A同步轉(zhuǎn)動，H、G位置上移，夾鉗完成提升動作。

圖1 夾鉗平行升降機構(gòu)簡圖

2 電控液壓系統(tǒng)

2.1 電控液壓系統(tǒng)組成

根據(jù)夾鉗水平升降動作和鍛造工藝要求，設(shè)計了電控液壓系統(tǒng)，液壓原理圖如圖2所示。在液壓原理圖中，采用兩組液壓控制系統(tǒng)，每組液壓控制系統(tǒng)均包括比例方向閥、安全插裝閥、排油插裝閥、蓄能器和壓力傳感器等液壓元件。兩組液壓控制系統(tǒng)采用同一個恒壓變量泵作為動力源。在鍛造壓機快鍛時，夾鉗水平機構(gòu)處于浮動狀態(tài)，蓄能器和液壓系統(tǒng)相連，起到緩沖、減少沖擊的作用。

圖2 液壓系統(tǒng)原理圖

2.2 控制原理

在鍛造過程中，操作機的水平升降液壓缸，配合鍛造液壓機的壓下同步運動。控制方式為：將液壓缸1動作作為被跟蹤對象，液壓缸2作為跟蹤對象，將液壓缸2的位移量和液壓缸1的位移量相比較得出差值，然后將差值反饋作為輸入信號控制液壓缸2的比例換向閥，從而液壓缸2就會跟隨液壓缸1發(fā)生變化，實現(xiàn)同步控制，控制方式如圖3所示。

圖3 控制方式示意圖

3 計算機仿真、分析和優(yōu)化設(shè)計

AMEsim是一款專門針對機械和流體仿真的軟件，AMESim為用戶提供一個時域仿真模擬環(huán)境，可使用已有的模型或建立新的子模型元件，構(gòu)建優(yōu)化設(shè)計所需實際模型，并且操作界面友好、操作方便。

3.1 建模和仿真

根據(jù)液壓系統(tǒng)原理圖，進行部分等效簡化，利用AMESim在圖形化建模方面的優(yōu)勢，搭建出系統(tǒng)的仿真模型，如圖4所示。

圖4 模型圖

3.2 仿真和結(jié)果分析

按照鍛造操作機的負(fù)載為滿載200t的工況，設(shè)定AMEsim的參數(shù)進行模擬仿真，仿真兩個升降液壓缸的位移曲線如圖5所示，速度曲線如圖6所示。

圖5 升降液壓缸的位移曲線

圖6 升降液壓缸的速度曲線

（1）從圖5、圖6可以看出，液壓系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)夾鉗水平上升和下降的動作，并且液壓缸2的位移、速度跟隨液壓缸1的位移、速度變化，說明液壓系統(tǒng)和同步控制方式的設(shè)計是可行的，

（2）利用AMESim對曲線進行計算，將圖5中的兩條曲線相減，得到兩個升降液壓缸的位置誤差曲線，如圖7所示，可以看出兩個升降液壓缸的位置公差較大，會造成鍛造操作機在升降過程中出現(xiàn)偏載，所以必須對系統(tǒng)進行校正。

3.3 電液系統(tǒng)控制方式的校正

由于兩個升降液壓缸的位置誤差較大，在控制方式中增加兩個PID進行校正，校正后的控制方式如圖8所示；同時，在PID控制中設(shè)置較大的開環(huán)增益，減少系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。修改AMESim模型后，對夾鉗水平升降電液系統(tǒng)進行仿真，得出兩個升降液壓缸的位置誤差曲線，如圖9所示。對比圖6、圖9可以看出，利用PID進行校正后，兩個升降液壓缸的位置誤差變小，從而提高了升降液壓缸的同步精度和效果，減少升降液壓缸偏載。

圖7 升降液壓缸的位置誤差曲線

圖8 校正后的控制方式圖

4 結(jié)論

（1）利用AMESim對夾鉗水平升降系統(tǒng)的建模、仿真和分析，避免建立復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型和公式，也利用了AMESim強大的數(shù)據(jù)處理效果，能夠獲得很好的電液系統(tǒng)仿真效果。

（2）利用PID控制方式對電液系統(tǒng)的同步進行校正，進行軟件仿真，從而提高了夾鉗水平升降同步運動的精度。

圖9 校正后的升降液壓缸的位置誤差曲線

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