300 MN模鍛水壓機水路系統(tǒng)動態(tài)特性仿真分析

陳國強，譚建平

(1.中南大學 高性能復雜制造國家重點實驗室，湖南 長沙 410083；2.中南大學 機電工程學院，湖南 長沙 410083；3.湖南工程學院 機械工程學院， 湖南 湘潭 4111101)

300 MN模鍛水壓機水路系統(tǒng)動態(tài)特性仿真分析

陳國強1,2,3，譚建平1，2

(1.中南大學 高性能復雜制造國家重點實驗室，湖南 長沙 410083；2.中南大學 機電工程學院，湖南 長沙 410083；3.湖南工程學院 機械工程學院， 湖南 湘潭 4111101)

針對300 MN模鍛水壓機水路系統(tǒng)在使用中頻繁出現(xiàn)密封擊穿和泄漏、壓力傳感器損壞及管路連接松動等故障現(xiàn)象，基于AMESim和Simulink軟件開展水壓機水路系統(tǒng)動態(tài)特性的仿真分析。建立了水壓機水路系統(tǒng)的聯(lián)合仿真簡化模型，并對模型的正確性進行了理論驗證，完成了對水壓機加壓-碰模過程的仿真分析，得到了主分配器閥體泄漏、管道內(nèi)徑、乳化液溫度和氣體含量等相關(guān)參數(shù)對水路系統(tǒng)性能的影響規(guī)律，為水路系統(tǒng)的改進和維護提供理論指導。

模鍛水壓機；動態(tài)特性；水路系統(tǒng)；仿真分析

0 前言

300 MN模鍛水壓機是目前亞洲最大的模鍛水壓機，而水路系統(tǒng)是其核心部分，具有高壓力、大流量的特點。目前該水壓機的水路系統(tǒng)在使用中頻繁出現(xiàn)壓力傳感器損壞、液壓元件密封擊穿和泄漏及管路連接松動等故障現(xiàn)象，給企業(yè)造成了巨大的損失。

評價水路系統(tǒng)能否正常工作和各項性能指標時，除了要求水路系統(tǒng)必須完成規(guī)定的動作循環(huán)和滿足靜態(tài)特性外，還要求其有良好的動態(tài)特性[1]。一般來說，液壓系統(tǒng)的動態(tài)特性主要表現(xiàn)在壓力波動的幅度，壓力穩(wěn)定的時間及壓力波動的頻率等方面。分析水路系統(tǒng)動態(tài)特性所采用的方法有經(jīng)典的控制理論法、物理模擬法、實驗研究法、數(shù)值仿真法等[2-7]。Augus R. Simpso[3]通過特征線法，張鍵[4]等用功率鍵合圖法對水路系統(tǒng)進行建模分析；駱建彬[5]用解析法建立了300MN模鍛水壓機水路系統(tǒng)的動力學仿真模型，并分析碰模過程中系統(tǒng)液壓沖擊，不足是建立的系統(tǒng)模型不完善，分析過程單一[5]；黃長征等[6]從其主分配器閥體優(yōu)化設(shè)計的角度分析了水壓機各工況下液壓沖擊 。劉江明[7]通過AMESim和Simulink的聯(lián)合仿真研究了300MN模鍛水壓機的空行程-提升狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程的液壓沖擊的仿真分析。

數(shù)值仿真是隨著計算機的發(fā)展而出現(xiàn)的一種以現(xiàn)代控制理論為基礎(chǔ)的分析方法，具有精確、可靠、經(jīng)濟、適應性強等優(yōu)點，可以模擬任何輸入函數(shù)作用下系統(tǒng)各變量隨時間的變化規(guī)律，從而獲得對水路系統(tǒng)動態(tài)過程直接而全面的了解，本文基于AMESim和Simulink軟件開展對水壓機水路的動態(tài)特性仿真分析。

1 300 MN模鍛水壓機結(jié)構(gòu)及其水路系統(tǒng)簡介

300 MN模鍛水壓機機架是梁柱式結(jié)構(gòu)，主體由4個提升缸、8個工作缸、4個同步缸、4個平衡缸、8根立柱、上下橫梁、上下墊板組和活動橫梁組成，共有八根立柱，每兩根立柱和一個上橫梁、一個下橫梁以熱裝的螺紋連接形式構(gòu)成水壓機橫向的剛性框架，如圖1所示。

圖1 水壓機水路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

300 MN模鍛水壓機水路系統(tǒng)包括提升缸、平衡缸、工作缸、泵站、主分配器各種管道、充液閥及充液罐等部分組成。水路系統(tǒng)中的提升缸、平衡缸和工作缸由水壓機的本體結(jié)構(gòu)連接在一起，工作缸缸體固定在上橫梁上，提升缸體和平衡缸缸體固定在下橫梁上，各個缸的柱塞通過活動橫梁連接在一起，上、下橫梁通過立柱連接在一起。300 MN模鍛水壓機來水泵站的工作壓力為32 MPa。

水壓機水路系統(tǒng)的控制通過主分配器的閥門實現(xiàn)，閥門的開啟或關(guān)閉過程是由操作員控制操作手柄輸入轉(zhuǎn)角信號，再通過油壓系統(tǒng)驅(qū)動凸輪至指定的角度，最后凸輪頂起各進、排水閥完成的，各個閥需按照一定的規(guī)律協(xié)調(diào)工作以實現(xiàn)停止、空行程、加壓和提升四個狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，通過操作員的操作手柄角度信號轉(zhuǎn)換為閥門的開啟順序及高度信號，手柄轉(zhuǎn)角與閥門開啟關(guān)閉的關(guān)系如圖2所示，圖中1-8為各閥的編號。

圖2 主分配器閥芯開啟控制圖

圖中橫坐標x代表手柄轉(zhuǎn)動角度，縱坐標y代表各閥門的開啟高度。“停止”位置表示凸輪轉(zhuǎn)角0°，停止-提升過程凸輪轉(zhuǎn)角為負值，停止-加壓過程凸輪轉(zhuǎn)角為正值。

2 水路系統(tǒng)CAE建模及理論驗證

2.1 水壓機水路系統(tǒng)CAE建模

首先基于AMESim軟件完成對水路系統(tǒng)各部分的建模，然后將各部分模型按照實際模型進行綜合。

由于300 MN模鍛水壓機水缸很多，子模型共有16個，使系統(tǒng)變得復雜，計算效率過低，因而對系統(tǒng)進行合理簡化，得到系統(tǒng)仿真模型。

然后在完全相同的參數(shù)環(huán)境下進行仿真分析，對比簡化前后模型在空行程-提升過程中提升管道中沖擊幅值，如圖3、圖4所示。簡化前的沖擊幅值為41.5 MPa，簡化后的沖擊幅值為40.1 MPa，其誤差僅為3.37%，故可確定簡化模型合理可信。

根據(jù)圖上述閥開啟度與凸輪轉(zhuǎn)角的函數(shù)關(guān)系式，在Simulink中建立閥芯開啟控制函數(shù)模型。

圖3 簡化前模型提升管道內(nèi)沖擊曲線

圖4 簡化后模型提升管道內(nèi)沖擊曲線

2.2 仿真模型的理論驗證

由于利用仿真軟件建立的系統(tǒng)模型有效性并不確定，在此以水壓機的空行程-提升過程為對象，基于動量定理的液壓沖擊理論計算，與仿真結(jié)果進行對比，對數(shù)值仿真模型進行驗證。

從液壓沖擊的產(chǎn)生原因分析可知，液壓沖擊主要由兩部分原因引起，即因為閥門關(guān)閉導致管道內(nèi)部的高壓流動液體瞬間停止導致的液壓沖擊和由于活動部件的運動慣性產(chǎn)生的液壓沖擊。對這兩種情況進行基于動量定理的液壓沖擊計算，得出在空行程-提升過程中提升管道內(nèi)部沖擊理論幅值。

(1)管道閥門關(guān)閉時的液壓沖擊。設(shè)管道截面積為A，產(chǎn)生沖擊的管長為l，壓力沖擊波第一波在l長度內(nèi)傳播的時間為t1，液體的密度為ρ，管中液體的流速為υ，閥門關(guān)閉后的流速為零，則由動量方程得

(1)

(2)

式中，t1為壓力沖擊波第一波在管路中的傳播時間;c為壓力沖擊波在管中的傳播速度,c= l/t1;c不僅和液體的體積彈性模量K有關(guān)，而且還和管道材料的彈性模量E、管道的內(nèi)徑d及壁厚δ有關(guān)，c值計算公式為

(3)

其中，ρ為流體密度(ρ=950kg/m3)；υ為流體流速；K=2.06×109N/m；E=2.2×109N/m;d=112mm；δ=26mm。

系統(tǒng)工作壓力32MPa，允許的壓力波動值ΔP0=Ps/100=0.32MPa；活動橫梁最大速度為150mm/s，則通過提升缸排水閥閥口的介質(zhì)流速為

υ=v橫梁·S缸/S管=11.2m/s

代入式(3)可以計算得到c=1 314m/s。基于動量定理計算式(2)有

(2)運動部件制動時的液壓沖擊。設(shè)總質(zhì)量為∑m的運動部件在制動時的減速時間為Δt，速度減小值為Δv，液壓缸有效面積為A，則根據(jù)動量定理得

(4)

對于300MN水壓機，運動部件包括活動橫梁和提升缸活塞，其中活動橫梁總質(zhì)量為2.3×106kg，活塞質(zhì)量與活動橫梁相比很小，在此進行忽略，活動橫梁空行程最大速度為0.15m/s，提升缸活塞總面積為0.7 235m2。將以上參數(shù)代入上式得到活動橫梁從空行程下降在Δt時間內(nèi)停止時產(chǎn)生的液壓沖擊大小為

(5)

對于活動橫梁從空行程下降到突然停止，其產(chǎn)生的液壓沖擊為

(6)

此時液壓系統(tǒng)內(nèi)部最大壓力大小為

pmax=p0+Δp=p0+Δp1+Δp2

(7)

式中，P0為流體內(nèi)部初始壓力。

在空行程狀態(tài)，活動橫梁的重力由平衡缸和提升缸共同承受，故可算得此提升回路系統(tǒng)內(nèi)初始壓力為p0=9.68MPa(相當于活動橫梁的重量減去平衡缸提升力之后作用在提升缸上產(chǎn)生的壓力)

取t=0.1s時，提升管道的壓力峰值為

pmax=p0+Δp=p0+Δp1+Δp2=28.33MPa

設(shè)置簡化后模型參數(shù)，采用空行程-停止過程，凸輪轉(zhuǎn)角變換時間為t=0.1s，采集仿真曲線如圖5所示。

圖5 空行程-停止過程(凸輪轉(zhuǎn)角變換時間為0.1 s)

比較理論計算(28.33 MPa)與提升管道內(nèi)壓力曲線此時仿真結(jié)果(27.14 MPa)可知，仿真與結(jié)果誤差為4.2%，故可判定所建水路系統(tǒng)仿真模型合理可信。

3 300 MN模鍛水壓機水路系統(tǒng)動態(tài)特性仿真分析

加壓-碰模是水壓機工作的關(guān)鍵過程，本文基于仿真模型對此工況進行系統(tǒng)分析，得到泄漏間隙、工作缸管徑、乳化液溫度、乳化液空氣含量等參數(shù)對水路系統(tǒng)動態(tài)特性的影響規(guī)律。在加壓-碰模過程中，平衡缸及提升缸內(nèi)一直處于低壓狀態(tài)，擬分析的參數(shù)對其沒有明顯影響，故在此只以工作缸為對象進行分析。

3.1 閥體泄露的影響

由于閥芯存在運動，故不可避免的會產(chǎn)生內(nèi)部泄露，設(shè)置泄漏間隙為0.1～5.0 mm中的23組數(shù)據(jù)，進行仿真分析并采集碰模后0.2 s內(nèi)工作缸內(nèi)沖擊頻率，如圖6、圖7所示。

圖6 閥體泄漏間隙與工作缸壓力幅值關(guān)系

圖7 閥體泄漏間隙與工作缸沖擊頻率關(guān)系

由圖可知，閥體泄漏對工作缸壓力幅值的影響非常明顯，特別是當泄漏間隙達到1.6 mm以上時，工作缸內(nèi)壓力下降非常明顯，工作缸內(nèi)沖擊頻率很高而且不穩(wěn)定。

3.2 乳化液空氣含量的影響

設(shè)置乳化液空氣含量為0.1%～3%中的11組數(shù)據(jù)進行仿真分析，采集碰模后0.2 s內(nèi)工作缸內(nèi)壓力及壓力沖擊頻率如圖8、圖9所示。

圖8 乳化液空氣含量與工作缸壓力幅值關(guān)系

圖9 乳化液空氣含量與工作缸沖擊頻率關(guān)系

由圖可知，在空氣含量為0.1%～3%間，對工作缸內(nèi)壓力幅值影響不是很大。工作缸內(nèi)不同空氣含量下沖擊頻率不同。

3.3 乳化液溫度的影響

設(shè)置乳化液溫度為5 ～70 ℃中的14組數(shù)據(jù)，進行仿真分析并采集碰模后0.2 s內(nèi)工作缸內(nèi)沖擊頻率。仿真后采集數(shù)據(jù)如圖10、圖11所示。

圖10 乳化液溫度與工作缸壓力幅值關(guān)系

圖11 乳化液溫度與工作缸沖擊頻率關(guān)系

由圖可知，不同的溫度下工作缸內(nèi)壓力幅值不同，但相同的是壓力幅值都遠大于工作壓力。溫度不同，工作缸內(nèi)沖擊頻率也不相同，但沖擊頻率很高。

3.4 工作缸管道內(nèi)徑的影響

設(shè)置工作缸管道內(nèi)徑為6.87～134 mm中的9組數(shù)據(jù)，進行仿真分析并采集碰模后0.2 s內(nèi)工作缸內(nèi)沖擊頻率如圖12、圖13所示。

圖12 工作缸管道內(nèi)徑與工作缸壓力幅值關(guān)系

圖13 工作缸管道內(nèi)徑與工作缸沖擊頻率關(guān)系

由圖可知，工作缸管道內(nèi)徑越小，工作缸內(nèi)的沖擊幅值越小，因此管道內(nèi)徑的合理減小可以減小工作缸內(nèi)的壓力沖擊。從圖13可以看出：不同的管徑對應著不同的沖擊頻率，在管徑為74 mm時沖擊頻率最大為68 Hz。

4 結(jié)束語

基于AMESim和Simulink軟件建立了300 MN水壓機水路系統(tǒng)的聯(lián)合仿真模型，進行了合理簡化，并證明了對模型的合理簡化不會影響系統(tǒng)的結(jié)果。基于動量定理進行了系統(tǒng)的液壓沖擊理論計算，并與系統(tǒng)模型的仿真結(jié)果進行比較，驗證了仿真模型的正確性。基于此系統(tǒng)仿真模型，對水壓機關(guān)鍵工況“加壓-碰模”過程進行系統(tǒng)動態(tài)特性的仿真分析，結(jié)果表明閥芯泄漏間隙對系統(tǒng)動態(tài)特性影響巨大，且1.6 mm是系統(tǒng)能否穩(wěn)定的臨界間隙，而空氣含量對工作缸內(nèi)壓力幅值影響不是很大，工作缸管道內(nèi)徑越小，工作缸內(nèi)的沖擊幅值越小，乳化液溫度對系統(tǒng)動態(tài)特性的影響不明顯。仿真結(jié)果可對水路系統(tǒng)的維護和優(yōu)化提供理論指導。

[1] 馮雙昌.挖掘機工作裝置液壓系統(tǒng)的動態(tài)特性的建模與仿真研究[D].貴陽:貴州大學， 2007.

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Simulation analysis for water system dynamic characteristics of 300MN hydraulic die-forging press

CHEN Guo-qiang1,2，3, TAN Jian-ping1,2

(1.State Key Laboratory of High Performance Complex Manufacturing, Central South University, Changsha 410083,China;2.School of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;3.College of Mechanical Engineering, Hunan Institute of Engineering, Xiangtan 411104, China)

For the fault phenomenon such as seal breakdown and leakage, pressure sensor damage and loose connection failure of pipeline of water system of 300 MN hydraulic die-forging press, the dynamic characteristics analysis based on AMESim and Simulink of water way system was carried out. AMESim mold of water system and Simulink mold of main distributor were molded, and the correctness was tested by theoretical calculation. The law of influence of some system factors was found in the Simulation analysis of press travel to mold-hit travel, which factors such as leak gap of valve, diameter of water way pipeline, emulsion temperature or gas contain act on the water system. The conclusions have a theoretical guiding significance to the improvement and maintains of water system.

hydraulic die-forging press; dynamic characteristics; water system; simulation analysis

2016-07-12；

2016-08-09

湖南省教育廳科研項目(14C0283)

陳國強(1979-)，男，湖南湘鄉(xiāng)人，講師，博士研究生，從事材料成型工藝、機電液系統(tǒng)故障診斷與系統(tǒng)可靠性等方面的教學與研究。

TH137；TP391.9

A

1001-196X(2017)02-0060-05