基于AMESim 的熱芯盒射芯機上芯盒提升機構液壓控制系統研究

張靜偉，宋高旗，姚 勝，丁建峰

（一拖（洛陽）鑄造有限公司，河南洛陽 471004）

熱芯盒射芯機主要用于電加熱的熱芯盒射制砂芯。其工作過程是利用壓縮空氣將預先混有樹脂粘結劑的砂子或覆膜砂射入芯盒，通過芯盒的加熱，將砂子固化直至硬化，最后將砂芯從芯盒中頂出。采用機電液一體化控制，設備運行平穩可靠、自動化程度高。其中上芯盒提升機構的液壓系統要求既能滿足快速運動以減少運動循環時間，又能慢速合模或開模以防止芯盒沖撞而造成砂芯損壞，針對此問題，設計了熱芯盒射芯機上芯盒提升機構電液比例液壓控制系統，利用AMESim軟件，分析了上芯盒提升液壓系統的速度跟蹤動態特性，仿真結果驗證了液壓控制系統設計的合理性。

1 上芯盒提升液壓系統的組成及工作原理

上芯盒提升機構主要用于上芯盒的提升脫模和合模，同步機構確保上芯盒升降平穩、同步，提升油缸由比例閥控制，使開合模的動作平穩、快慢適度，其液壓系統如圖1所示。

圖1 上芯盒提升電液比例控制系統原理圖

該系統由電液比例換向閥、電磁換向閥、平衡閥、液控單向閥和液壓缸等組成。通過調節電液比例方向閥的開度，控制單作用液壓缸的運行速度和方向，可以實現快－慢的運行方式，使其在合?；蜷_模時采用低速運行，在其他行程下采用快速運行。電磁換向閥、平衡閥和液控單向閥的作用是確保液壓缸靜止時能鎖定在任意位置，避免上芯盒因自重而下降。

2 上芯盒提升液壓控制系統建模仿真

AMESim軟件為流體動力和控制系統提供了優越的仿真環境和靈活的解決方案[1,2]。根據上芯盒提升系統的液壓工作原理，利用AMESim中的液壓系統設計庫，對上芯盒提升電液比例控制系統建立物理學模型[3-5]，根據整個系統之間的關系，添加電磁換向閥、平衡閥、液控單向閥和液壓缸等模塊，連接相關油路，完成電液比例模型的搭建，如圖2所示。

圖2 上芯盒提升電液比例控制系統仿真模型

搭建上芯盒提升液壓系統模型后，要為系統中各模塊選擇子模型。每個模塊都有一種或數種子模型可供選擇。根據提升系統的實際工況要求，以上芯盒最大重量700kg為對象，對模型和子模型逐一進行匹配，對系統中元件的結構參數進行設置。以瑞士萬福樂的WDPFA10電液比例閥為對象，設置模型如下：泵的轉速為1500r/min，溢流閥的壓力為15MPa，單作用缸的缸筒直徑為50mm，活塞桿直徑為36mm，行程為305mm，平衡閥的平衡壓力設定和負載匹配。在控制系統中控制信號比例放大系數為10。

3 仿真結果與分析

對于上芯盒提升液壓系統，由于實際使用要求系統既能滿足快速運動又能慢速合模或開模，故對上芯盒提升液壓系統進行速度跟蹤仿真。給定信號是按上芯盒提升系統在合模（液壓缸縮回）或開模（液壓缸伸出）過程中，由快速合?！俸夏！Ｖ埂匍_模—快速開模的狀態給定。其中快速合模時，比例閥負向開度100%，速度為0.32m/s，時間為0.75s；慢速合模時，比例閥負向開度30%，速度為0.1m/s，時間為0.65s。停止的時間設定為0.6s。慢速開模時，比例閥正向開度30%，速度為0.05m/s，時間為1.3s；快速開模時，比例閥正向開度100%，速度為0.16m/s，時間為1.5s。設定系統仿真時間為5s，步長為0.01s，進行仿真，仿真結果如圖3所示。為了更好的顯示控制系統對目標速度的跟蹤特性，利用AMESim后處理（Post Processing）功能得到目標速度與控制系統液壓缸活塞速度的差值與時間的關系，如圖4所示。

圖3 上芯盒提升電液比例控制系統仿真曲線

圖4 動態跟蹤誤差曲線

從圖3和圖4中可以看出，對上芯盒提升電液比例液壓控制系統，通過設定控制信號比例放大系數，很快減少誤差，最終接近系統要求的速度。在上芯盒提升系統快速合模時，目標速度設定為0.32m/s，由于機械系統存在慣性以及液壓閥電磁鐵本身動作滯后，造成系統響應有0.1s延遲。在快速合模啟動后，在0.15s時間內速度達到穩定，與目標速度的差值為6mm/s；在慢速合模時，目標速度降到0.10m/s，同樣由于系統跟隨存在滯后，滯后時間為0.12s，而后電液比例閥動作，系統再進行跟隨，在0.1s時間內速度達到穩定，與目標速度差值為-4mm/s；當目標速度降到0m/s時，同樣系統存在滯后，但滯后時間已縮短到0.06s，最后系統再進行跟隨，在0.1s時間內速度降為0。同理，在上芯盒提升系統慢速開模時，目標速度設定為0.05m/s，同樣存在滯后，造成系統響應有0.1s延遲。在慢速開模啟動后，在0.1s時間內速度達到穩定，與目標速度的差值為5mm/s；在快速開模時，目標速度設定為0.16m/s，同樣由于系統跟隨存在滯后，滯后時間為0.13s，而后電液比例閥動作進行跟隨，在0.08s時間內速度達到穩定，與目標速度差值為-4mm/s。當目標速度降到0m/s時，同樣系統存在滯后，但滯后時間已縮短到0.05s，最后系統再進行跟隨，在0.05s時間內速度降為0。從圖3和圖4中可以得出結論，上芯盒提升液壓控制系統能夠跟隨系統設定的速度變化而變化，沒有超調，由于系統存在慣性和液壓閥電磁鐵本身動作滯后，所以系統響應有很小的時間延遲，但能滿足系統速度控制要求。

4 結論

（1）應用電液比例控制技術對熱芯盒射芯機上芯盒提升機構液壓系統進行了設計，采用電液比例閥能連續可調，并便于操作，有利于實現自動化和智能化。

（2）利用AMESim軟件，建立上芯盒提升機構電液比例控制系統仿真模型?；诖四Ｐ?，分析了上芯盒提升液壓系統的速度跟蹤動態特性，仿真結果可靠合理，驗證了液壓控制系統設計和選型的合理性。