基于AMESim的組合式油壓機沖盂系統仿真研究

李永宏，王任全，曹紹銀，靳華棟

（北京京誠瑞信長材工程技術有限公司，北京100176）

0 引言

組合式高速油壓機是特種筒形件精細化生產線的主要組成部分，集熱沖壓成形工藝技術、機電液集成控制技術、基礎元器件技術于一體的沖壓拉伸設備，在航空航天和國防工業等領域應用廣泛，是保證國防安全的重大裝備之一[1-2]。液壓驅動系統為組合式油壓機提供動力，生產特種筒形件的壓型、沖盂、拔伸三個成型工序，其中，沖盂工序液壓控制回路最為復雜，因此，對油壓機沖盂回路開展仿真研究，是油壓機系統方案設計和產品優化的重要一環。

針對液壓機液壓驅動系統的性能控制優化問題，學者進行了大量卓有成效的研究工作。姚靜[2]針對鍛造油壓機快速性和精確性的要求，開展了鍛造油壓機工作特性影響因素和鍛造油壓機控制特性專題研究。仿真模型在實驗室得到驗證，為比例流量閥的優化設計提供參考；徐琬婷等[3]將自適應模糊PID控制方法應用到快鍛造油壓機位置控制中，仿真結果表明，自適應模糊PID算法具備更好的控制簡便性、可靠性與參數適應性。劉春慶[4]針對水壓機電液比例控制系統的動態特性提高問題開展研究，在主分配器閥芯位置控制環路中引入MRAC控制器，半實物仿真實驗驗證了算法的有效性；姚靜等[5]針對某高速油壓機減速控制性能開展仿真研究，提出一種通過協調匹配供油泵數量與流量閥的開口度完成油壓機減速控制的方案，仿真結果表明油壓機振動降低，運行平穩。宋曉美等[6]利用FluidSIM軟件對實際壓機液壓系統進行了仿真分析，對壓力機的振動和噪聲抑制問題具有一定的參考意義。

本文以某企業組合式油壓機液壓沖盂回路為研究對象，介紹系統的組成和工作原理，采用AMESim軟件搭建二通插裝閥的數學仿真模型，進而建立組合式油壓機的系統仿真模型，針對沖盂工序下組合式油壓機的輸出負載力和驅動液壓缸壓力情況進行了仿真分析，拓展插裝閥類液壓系統分析思路，為組合式油壓機指標優化和驅動缸壓力柔性控制提供參考。

1 組合式油壓機沖盂回路組成

組合式油壓機沖盂系統主要由無桿腔進液閥、無桿腔排液閥、無桿腔比例調壓閥、有桿腔進液閥、有桿腔排液閥和對模閥等組成，如圖1所示[5]。為提高油壓機工作效率，沖盂系統工進流量超過4 000 L/min，所以液壓機橫梁進、排液回路選用液壓插裝閥，以便實現較高的液壓機空程快降、工進和回程速度。組合式油壓機沖盂回路完成壓型、點窩和沖盂3個工藝環節，其中每個環節均包含空程、慢速下降、工進、卸壓和回程等具體環節。

圖1 沖盂回路液壓原理

以沖盂環節為例，在空程快下時，油壓機流量超過20 000 L/min，此時的流量主要由沖液油箱經充液閥沖液，壓機速度通過有桿腔比例流量閥來調節。當沖孔沖頭接近窩底時，充液閥關閉，無桿腔進液閥開啟，有桿腔比例流量閥開度減小，壓機動梁慢速下降。當橫梁接觸工件后，加壓并完成沖孔工序，然后短時保壓，使工件變形充分。保壓結束后，壓機動梁快速回程，無桿腔油液通過充液閥排回沖液油箱，沖盂工藝過程結束。

2 沖盂系統模型建立

為滿足組合式高速油壓機橫梁快速移動產生的大流量需求，沖盂系統應用二通插裝閥完成驅動回路的流量和壓力控制，下面利用AMESim仿真軟件就回路中的插裝閥分別進行建模分析。

2.1 方向控制功能插裝閥仿真建模

根據沖盂系統的液壓原理圖，利用AMESim仿真軟件，對圖1中的1、3、4、7號插裝閥進行建模。以有桿腔進液閥為例，閥芯型號為Rexroth的LC63A20E7X/V，控制蓋板和先導閥的型號分別為LFA63GWA-7X/A20P25V和4WE10D3X/，建立仿真模型如圖2所示，主要仿真參數如表1所示。

圖2 二通方向插裝閥AMESim仿真模型

表1 二通方向插裝閥主要元件設定參數

通過仿真得到插裝閥的“流量—壓差”特性曲線，仿真曲線與插裝閥對應的樣本實測曲線對比如圖3所示，可見流量特性曲線與插裝閥樣本實測結果基本吻合，仿真模型準確有效。

圖3 流量—壓差特性曲線對比

2.2 壓力控制功能插裝閥仿真模型

比例調壓閥選用Rexroth公司LC80DB20E6X/V，建立其仿真模型如圖4所示，主要參數設置如表2所示。通過仿真得到插裝閥的調壓性能曲線，如圖5所示。可以看出，通過調節比例溢流閥（圖4中序號5）的壓力可以相應控制壓力插裝閥的入口壓力。同時，曲線清晰表明，調定壓力與仿真壓力穩態值之間有約1.2 MPa的偏差，這主要是由管路、節流孔等的液阻造成的。

圖4 二通壓力插裝閥AMESim仿真模型

表2 二通壓力插裝閥主要元件設定參數

圖5 二通壓力插裝閥調壓性能曲線

2.3 二通比例流量插裝閥仿真模型

沖盂系統工作時，有慢速下降、工進、快速回程等多種工況，為滿足上述工況對系統流量的需求差異，系統選用二通比例流量閥實現流量控制。二通比例流量插裝閥建模如圖6所示，模型參數設置如表3所示。

圖6 二通方向插裝閥AMESim仿真模型

表3 二通比例流量插裝閥主要元件設定參數

3 沖盂系統仿真分析

沖盂系統仿真模型如圖7所示，系統采用8臺定量泵提供高壓油源，為提高油壓機橫梁快下速度，采用上置補油箱實現液壓缸上腔快速補液，模型中采用大排量液壓泵模擬補油箱。

沖盂過程中油壓機負載力和上腔液壓缸壓力分別如圖8～9所示，可見，在油壓機工進行程230 mm范圍內，油壓機輸出動力平穩，峰值輸出負載力約9.5 MN，達到油壓機設計指標值12.5 MN的76%。油壓機驅動液壓缸上腔壓力在保壓階段達到峰值19.3 MPa，整個沖盂過程中，液壓缸壓力變化波動較小，約為1.5 MPa，占比系統峰值壓力約8%，滿足系統方案設計要求。

圖7 組合式油壓機沖盂系統仿真模型

圖8 沖盂工序油壓機負載力輸出圖

圖9 沖盂工序油壓機上腔壓力曲線

4 結束語

（1）利用AMESim仿真軟件，可以快捷搭建二通方向插裝閥、二通流量插裝閥和二通比例流量插裝閥的數字仿真模型。通過設置虛擬測試油源，仿真得到二通插裝閥對應的“流量—壓差”特性曲線，與對應的樣本實測曲線對比，可以驗證仿真模型的準確性；

（2）從沖盂系統仿真結果可以看出，在組合式油壓機沖盂工序過程中，油壓機峰值輸出負載力約9.5 MN，占比設計指標值的76%；驅動缸缸壓力波動1.5 MPa，波動值不超過峰值壓力的8%，輸出負載力和液壓缸壓力波動量均滿足系統設計指標要求。