雙向緩沖缸對鍛造操作機行走機構特性影響的分析研究

趙春玲 ，薛 飛 ，史 青 ，劉文廣

（1.蘭石集團 蘭石能源裝備工程研究院有限公司,甘肅 蘭州 730314;2.甘肅省金屬塑性成型裝備智能控制重點實驗室,甘肅 蘭州 730314）

1 引言

鍛造操作機是快鍛壓機的重要配套設備，集機械、電氣、液壓于一體，具有慣量大、自由度多、控制精度高、操控能力強等特點，可實現手動、半自動、自動與壓機聯動動作，廣泛應用于電力、機械、冶金、船舶、航空航天等工業領域[1-2]。鍛造操作機由臺架、大車以及夾鉗三部分主要組件構成，具備行走、前后側移、平升平降、上下傾斜、鉗桿旋轉、對中和緩沖等多種功能，以滿足鍛造操作機開坯、拔長、鐓粗、整圓等工藝要求[3-4]。目前操作機液壓控制系統由多個獨立的液壓回路組成，由主泵通過各液壓回路控制液壓油缸和馬達，完成相應動作、實現相應功能。

由于鍛造操作機本身重量大，其大負載和大慣量的工作特點，使得操作機在大車行走啟停和前后換向時均具有較大的沖擊振動，嚴重影響操作機的快速性和重載靈巧性，因此設置緩沖裝置對于提升鍛造操作機整機性能具有十分重要意義[5]。由于大車啟動和停止時的慣性將引起鉗架的前后擺動，所以，緩沖裝置必須可以吸收雙向沖擊力，而雙向緩沖油缸作為鍛造操作機的重要組成部分，既可以吸收水平方向的沖擊振動，還起到穩定鉗桿位置的作用[6]。

目前世界上主要的鍛造操作機生產商有德國的SMS公司、DDS公司等，國產鍛造操作機的鍛造水平相對落后[7]，基于此，對雙向液壓緩沖缸對操作機大車行走機構特性影響的研究具有重要的意義。

2 雙向液壓緩沖缸

2.1 結構

圖1為5t鍛造操作機中雙向液壓右緩沖缸的結構圖，其中，桿頭1與操作機機架連接，桿頭2與鉗桿連接，油腔與蓄能器連接，通一定背壓，其余間隙通大氣，防止出現真空。大車啟動時，桿頭1受拉力，活塞桿在該力的作用下推動活塞2向左運動，活

塞1在止動管1的作用下保持固定，此時油腔受到擠壓，實現啟動緩沖的目的；同理，大車制動時，桿頭2受拉力，活塞桿在該力的作用下推動活塞1向右運動，擠壓油腔，實現制動緩沖的目的。

2.2 力平衡方程

式中Aa——油腔活塞有效面積，m2；

pa——供油壓力，MPa；mp——活塞和負載折算到活塞上的總質量，kg；Bp——活塞和負載折算到活塞上的總阻尼系數，N·s/m；

圖1 5t雙向液壓緩沖缸結構圖

Kp——負載彈簧剛度，N/m；

Fl——負載力，N；

Xp——活塞位移，m。

該方程為雙向液壓緩沖缸中單向的力平衡方程，是緩沖缸特性研究和仿真的基礎。

3 操作機液壓系統分析

操作機大車行走機構由2臺高速大扭矩馬達裝置、銷齒輪、銷齒架和鋼軌組成，液壓馬達裝置帶動銷齒輪與齒銷嚙合，驅動操作機前進或后退。圖2為操作機大車行走液壓系統原理簡圖，對比例換向閥7通電，調整行走機構溢流閥11a至110bar，此時行走主泵2由空循環狀態轉入壓力供油，驅動液壓馬達帶動銷齒輪實現操作機的前進或后退。由四個單向閥8構成的橋式回路與直動式溢流閥11配合使用，保證液壓馬達在正反兩個方向的壓力相同。大車行走的水平緩沖動作由雙向緩沖缸13完成，緩沖缸的進油腔與蓄能器相連，在工作中起到吸收水平方向沖擊的作用，其緩沖原理見圖2的緩沖回路，當大車行走時，比例減壓閥12同時通電，行走泵提供的高壓油經過比例減壓閥12降壓,由緩沖缸溢流閥11b保證緩沖缸的工作壓力為一定值。

圖2 5t操作機大車行走液壓原理簡圖

4 大車行走機構的AMESim仿真分析

4.1 仿真模型的建立

AMESim采用物理模型的圖形化建模方式，提供了可直接使用的豐富的應用庫，但對一些復雜元件，AMESim沒有直接的元件模型，需要通過軟件中的HCD庫來自行建立[8]。

圖3所示為大車行走液壓系統的AMESim仿真模型，根據緩沖缸的工作原理、機構及數學模型，利用HCD庫建立元件模型。

圖3 大車行走液壓系統的AMESim模型

4.2 參數設置

4.3 仿真結果分析

設置仿真時間為20s,大車前進10s,后退10s，圖4所示為雙向緩沖缸左側活塞1的位移曲線。可以看出，操作機大車啟停轉化的瞬時，緩沖缸一端桿頭受拉力，活塞桿在該力的作用下推動左側活塞1運動，右側活塞2在止動管的作用下保持固定，此時油腔受到擠壓，活塞位移輕微出現波動，且波動在0.1s內消失，實現了操作機啟停緩沖的功能。

表1 主要參數設置表

圖4 緩沖缸活塞1位移曲線

圖5 所示為大車行走時，壓力隨時間的變化曲線，其中曲線1為接入緩沖油缸時的壓力曲線，曲線2為斷開緩沖油缸時的壓力曲線。可以看出，無緩沖油缸時，在比例換向閥啟閉瞬間，閥口壓力在0.3s內由105bar降至94bar,隨后又在0.2s內升至109bar，壓力波動幅度大且頻率高，且換向閥全開時，壓力波動仍存在。當緩沖缸工作時，閥口基本無壓力波動，且閥口啟閉時，壓力升降平穩。由此可知，雙向緩沖油缸可在很大程度上降低行走換向閥的壓力波動，增加操作機大車行走的平穩性，延長比例換向閥壽命。

圖5 大車行走壓力曲線

圖6 所示為大車行走時，液壓馬達轉速隨時間的變化曲線，其中曲線1為斷開緩沖缸時的轉速曲線，曲線2為接入緩沖缸時的轉速曲線?？梢钥闯?，緩沖缸的作用使得大車在一個行走周期內，行走馬達轉速平穩升降，無波動。

圖6 大車行走馬達轉速曲線

圖7 所示為大車行走時，液壓馬達轉矩隨時間的變化曲線，其中曲線1為接入緩沖缸時的轉矩曲線，曲線2為斷開緩沖缸時的轉矩曲線?？梢钥闯?，緩沖缸的作用使得馬達的轉矩在行走過程中平穩的變化。

圖7 大車行走馬達轉矩曲線

5 實驗對比

5.1 實驗設備

該實驗采用手持式測量儀HMG3010進行數據監測與采集。HMG3010是一臺便攜式測量和數據記錄裝置，主要用于所有與液壓系統相關數據的測量，如壓力、溫度、流量和位置等，廣泛應用于服務、維修和試驗臺。該裝置測量速率高，操作簡單，具有很好的靈活性。

5.2 實驗結果分析

圖8所示為5t操作機大車行走時，比例換向閥工作油口的壓力實測曲線。與圖5曲線2作對比可以看出，由于操作機工況復雜，建模仿真時忽略了部分因素的影響，且仿真時間步長設置的不同，導致兩條壓力曲線存在差異，但其總體變化趨勢基本一致，驗證了該系統仿真的正確性。

圖8 大車行走壓力實測曲線

6 結論

（1）大車啟停瞬時，桿頭受力，活塞桿推動一側活塞運動，且位移變化平緩，而另一側活塞保持固定，此時油腔受壓均勻，實現了操作機啟停緩沖的功能；

（2）在雙向緩沖油缸的作用下，行走換向閥的壓力波動減小，操作機大車行走的平穩性增加，且行走馬達轉速和轉矩平穩升降，無波動。