全自動液壓壓磚機液壓系統排氣回路的建模與仿真研究

匡偉春+易平波+梁斯仁

【摘 要】根據壓磚機排氣回路的特點，建立了排氣回路的功率鍵合圖模型，并用Simulink軟件為回路建立了仿真模型。設置系統參數，對排氣回路進行仿真，重點觀察液壓泵出口流量的變化情況。仿真結果表明：壓磚機在排氣過程中，液壓泵出口流量逐漸減小，參數變化基本符合設計要求。仿真模型的建立，為回路的參數設置和動態響應的觀察提供了方便，能更好地呈現液壓系統排氣回路動態特性，提高了液壓系統設計的效率。

【關鍵詞】壓磚機；排氣回路；功率鍵合圖；Simulink

0 引言

全自動液壓壓磚機（簡稱為壓磚機）主要用于建筑、衛生陶瓷工業中陶瓷墻地磚的壓制成形，介于粉料輸送和窯爐燒制工序之間，是陶瓷墻地磚工業生產線中的關鍵機械設備。壓磚機中排氣裝置的作用是在壓機對粉料兩次加壓之后，使動梁稍許抬起，以便排除粉料中的空氣。因此，排氣過程的好壞直接關系到產品質量的優劣，而對壓磚機液壓系統排氣回路進行動態分析就變得尤為重要。

功率鍵合圖（Power Bond Graphs）簡稱鍵合圖，1959年由美國MIT的H.M.Paynter教授提出，是一種用來描述工程系統能量結構的圖示表示方法。文獻[1]對混凝土泵車液壓系統的泵送回路進行動態仿真，為系統的設計和改進提供可靠的分析依據；文獻[2]對鎂合金鑄軋機液壓系統傾翻回路進行動態仿真，為系統性能分析提供理論依據，文獻[3]利用鍵合圖，對軸向柱塞泵液壓系統建模，通過仿真得到液壓閥的壓力變化曲線。鑒于排氣回路的重要性，根據壓磚機排氣回路的特點，建立了排氣回路的鍵合圖模型，并用Simulink軟件建立了仿真模型。設置仿真參數，對壓磚機在排氣過程中的兩個重要參數液壓泵出口流量和液壓缸工作壓力進行仿真，為壓磚機的液壓系統設計提供參考。

1 壓磚機排氣回路原理

壓磚機的排氣過程有兩次，分別是在粉料第一次加壓后和第二次加壓后。壓磚機一次排氣過程，如圖1所示。排氣液壓回路中，液壓油經過錐閥V205、錐閥V201、錐閥V202、錐閥V204進入主油缸的下腔，使活動橫梁進行上抬運動，這樣坯體中的氣體可以排出。主油缸的上腔為卸荷狀態，主油缸上腔的液壓油經錐閥V105流回油箱，排氣過程結束。

2 液壓缸的鍵合圖模型

排氣回路主要由液壓缸、液壓泵、蓄能器、錐閥、溢流閥、換向閥等主要元件組成。液壓缸是排氣回路中重要的能量轉換裝置，把系統中的壓力能轉換為機械能。液壓缸的具體結構如圖2所示，液壓缸的上腔有效工作面積為A1，下腔有效工作面積為A2，輸入壓力為p1，輸入流量為q1，回油的壓力為p2，回油的流量為q2。活塞的運動速度為v，活塞輸出力為F。

1-5、1-6、1-7：電磁閥6D；3-2：插裝閥60B；10：插裝閥40G ；11：插裝閥40C ；15-1、15-2、15-3：蓄能器；16-1：插裝閥32A；17：梭閥；20：比例閥；21：順序閥；23：插裝閥32H；29：濾油器；50：主油泵；51：電動機；56：主油缸；57：充液閥；58：接力缸；59：上油箱

圖1 排氣回路液壓原理圖

圖2 液壓缸

考慮進油腔和回油腔的液容效應、液感效應、液阻效應、活塞的慣性和液壓缸的摩擦，液壓缸鍵合圖模型如圖3所示。圖中，Isq為液壓缸上腔的液感；Csq為液壓缸上腔的液容；Rsq為液壓缸上腔的液阻；Ixq為液壓缸下腔的液感；Cxq為液壓缸下腔的液容；Rxq為液壓缸下腔的液阻；Ia為液壓缸的慣性；Rf為液壓缸的摩擦。

圖3 液壓缸功率鍵合圖模型

液壓缸的液感可表示為

I=■（1）

式（1）中I為液感，l為液壓缸的行程，ρ為液壓油的密度，A為液壓缸的有效工作面積。

液壓缸的液容可表示為

C=■（2）

式（2）中C為液容，Be為體積彈性模量，V為液壓缸壓縮體積。

3 排氣回路的鍵合圖建模

為了分析計算的方便，建立排氣回路鍵合圖模型時不考慮控制油路上的元件。排氣回路主要元件包括柱塞泵、濾油器、插裝閥、蓄能器、液壓缸、油箱等，排氣回路的鍵合圖模型如圖4所示。

4 排氣回路Simulink仿真

4.1 建立Simulink仿真模型

建立一個Simulink排氣回路模型文件exhaust.mdl，根據排氣回路的鍵合圖模型，建立液壓柱塞泵、濾油器、管道（包括高壓膠管和低壓膠管）、插裝閥（包括插裝閥1、2和3）、蓄能器、液壓缸（包括缸上腔、負載連通腔和缸下腔）的仿真模型。添加階越信號模型作為信號的輸入，添加示波器模型用來顯示系統參數的變化情況。根據排氣回路液壓原理圖和排氣回路鍵合圖中的因果關系，進行建模。

4.2 參數設置

根據某壓磚機的參數計算液壓系統排氣過程所需要的數據，部分數據按經驗值選取。仿真算法采用變步長一步求解法的ode23s。

4.3 仿真結果

圖5為排氣回路液壓泵出口流量qp曲線。如果希望得到某個液壓元件的壓力損失或流量變化，在建立模型時添加觀測器，就可以顯示參數的變化情況。由圖5可知，泵的出口流量逐漸減小，由6.02×10-3m3/s減小到5.99×10-3m3/s，衰減過程近似為線性。

5 結論

本文根據壓磚機排氣回路的特點，建立了壓磚機排氣回路的鍵合圖模型，并用Simulink軟件為回路建立了仿真模型。仿真結果表明，壓磚機在排氣過程中，液壓泵出口流量由6.02×10-3m3/s逐漸減小到5.99×10-3m3/s。總的來說，參數變化基本符合設計要求。仿真模型的建立，為該回路動態特性的獲得提供平臺，為參數的合理設置提供了仿真環境。

【參考文獻】

[1]張桂菊，肖才遠，葛動元.基于MATLAB/Simulink的混凝土泵車液壓系統的動態仿真研究[J].液壓與氣動， 2012（10）：19-23.

[2]姚瑤，韓佳東，于曉光，等.基于功率鍵合圖和MATLAB/Simulink的液壓系統動態仿真[J].液壓與氣動，2013（12）：103-106.

[3]LUMKES J H，FRONCZAK F J.Design，Simulation，and Validation of a Bond Graph Model and Controller to Switch between Pump and Motor Operation Using Four on/off Valves with a Hydraulic Axial Piston Pump/Motor[C].Proceedings of the 2000 American Control Conference，Chicago，IL，June 2000：3605-3609.