大型快锻液压机卸压回路动态特性研究.pdf

2 01 1年 2月 第 3 9卷 第 4期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAUL I CS F e b ． 2 01 l Vo 1 ． 3 9 No ． 4 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 0 4 ． 0 2 0 大型快锻液压机卸压回路动态特性研究 王丽薇 ．一 ，张 亦工 ，高殿 荣 I ．太原重工股份有限公司技术中心，山西太原 0 3 0 0 2 4；2 ．燕山大学机械工程学院，河北秦皇岛 0 6 6 0 0 4 摘要基于节点法建立了大型快锻液压机卸压回路各元件数学模型，考虑长管道效应，应用特征阻抗法和模态近似法 获得了长卸压管道的精确动态模型，并仿真研究了有效体积弹性模量、工作缸压力、卸压管道长度、内径等主要参数对卸 压回路动态特性的影响规律。研究结果为大型快锻液压机卸压回路优化设计提供了依据。 关键词快锻液压机；卸压回路；动态特性 中图分类号T H 1 3 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 4 0 6 4 2 Re s e a r c h o n Dy n a mi c Ch a r a c t e r i s t i c s o f De pr e s s ur i z e d Ci r c u i t i n La r g e Fa s t Fo r g i ng Hy d r a u l i c Pr e s s W_A NG L i w e i ．Z HANG Yi g o n g ．G A0 D i a n r o n g 1 ． T e c h n o l o g y C e n t e r o f T a i y u a n H e a v y M a c h i n e r y G r o u p C o ． L t d ，T a i y u a n S h a n x i 0 3 0 0 2 4 ，C h i n a ； 2 ． C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，Y a n s h a n U n i v e r s i t y ，Q i n h u a n g d a o H e b e i 0 6 6 0 0 4 ，C h i n a A b s t r a c t O n t h e b a s i s o f e a c h c o m p o n e n t m a t h e ma t i c s m o d e l t h a t w a s b u i l t b y u s i n g j o i n t c h a m b e r m e t h o d ，c o n s i d e ri n g l o n g p i p e e ff e c t ， t h e d y n a mi c mo d e l o f l o n g d e p r e s s u ri z e d p i p e wa s b u i l t b a s e d o n c h a r a c t e r i s t i c i mp e d a n c e a n d mo d a l a p p r o x i ma t i o n T h e i n flu e n c e l a w s o f ma i n p ara me t e r s ，i n c l u d i n g e ff e c t i v e v o l u me mo d u l u s ，c y l i n d e r p r e s s u r e，d e p r e s s u r i z e d p i p e l e n h a n d d i a me t e r ， o n d y n a mi c c h a r a c t e ri s t i c s o f d e p r e s s u r i z e d c i r c u i t we r e o b t a i n e d b y n u me ric a l s i mu l a t i o n ．T h i s r e s e a r e h p r o v i d e s b a s e f o r o p t i ma l d e - s i g n o f d e p r e s s u r i z e d c i r c u i t i n l a r g e f a s t f o r g i n g h y d r a u l i c p r e s s ． Ke y wo r d s F a s t for s i n g h y d r a u l i c p r e s s ； De p r e s s u r i z e d c i r c u i t ；Dy n a mi c c h a r a c t e ris t i c 大型快锻液压机工作压力高 、流量大 、锻造频次 高，因此其卸压具有特殊性，即工作缸内积蓄的大量 能量需要在 短时 间内释 放 ，极易产 生液 压 冲击 和振 动 。为实现液压机快速 、平稳卸压 ，作者对卸压回路 动态特性及主要参数影 响规律进行了研究 。 1 卸压回路物理模型 快 锻 液压 机 卸 压 回路 由工作缸、高频 响比例 阀、卸 压 管 道 及充 液 罐 组 成 ，高频 响比例阀直接安放 于 工作缸底部。卸压 回 路原理图如图 1 所示 。 卸压 时 ，高 频 响 比例 阀按 预 定卸 压 曲线 开 启 ，工 作缸 内 积 蓄 的 高压 油液 经 高 频 响 比 例 阀、卸 压 管 道 流 人 充液 罐。选 用 高 频 响 图 1 卸压回路原理图 比例阀是为了获得最佳卸压特性 。 2 卸压回路数学模型 基于节点法建立卸压回路各元件数学模型。对工 作缸、比例阀、卸压管道及充液罐建立流量平衡方 程 ，表达各元件压力与进出流量关 系。 2 ． 1 工作 缸 Q一 t 式 中Q 为工作缸卸压 流量 ； 为工作缸容积 ； P 为工作缸压力 ； 为有效体积 弹性模 量 管道机械柔 度 。 2 ． 2比 例 阀 Qn Q n√ 式 中Q 为比例 阀标准流量 ； 包 括油 液 、缸体 及 2 3 收稿 日期 2 0 1 0 0 31 9 作者简介王 丽薇 1 9 8 O 一 ，女 ，工学博 士 ，工程 师 ，研究 方 向为锻 压设备 及工 艺 、液压系统仿真与应用。Em a i l wa n g l i we i 8 0 y a h o o ．c o m． c n。 第 4期 王丽薇 等 大 型快锻液 压机 卸压 回路动态特性研究 6 5 AU为 比例 阀输入 电压 ； 为 比例 阀流量增益 ； P ． 为 比例阀阀前压力 ； P 为 比例阀阀后压力 ； △ p 为比例 阀标 准压差 ，△ p 0 ． 5 MP a 。 2 ． 3 卸 压管道 大型快锻液 压机 结 构特 点决 定其 具 有 长卸 压 管 道。已有研究结果 表明 长管道 动态特性对所 在液压 回路 、系统会产生重要影 响。采用特征 阻抗法 可以建 立精确反 映管道分 布参数 系统特 点的管 道动态模 型。 应用特征阻抗法得到卸压管道压力 一流量关 系式 P 2 Zc Q1 c o t h FZ c Q 2 c s c h F 4 P 3 Zc Ql c s c h FZc Q 2 c o t h F 5 式 中P ， 为管道入 口压力 ； P 为管道出 口压力 ； Q。 为管道入 口流量 ； Q 为管 道出 口流量 ； 为管道特征 阻抗 ； 厂为传播算子 。 应用模 态法对管道动 态模 型中的双曲函数 进行近 似 ，得到部分展开式 c s ， [ 上so 薹 _ 善 。_ 一 4 o “ 2 一1 0 1 ∞2 s 0 s 0 J c 。 th ， 了1 【 s 寺 N _ 0 2 k‰ 80 ] 一l 十 0占 十 其 中 模态 系数 0 3 6 7 订，1 ≤i ≤2 N；校正 因子 ，l ≤ _ ， ≤2 Ⅳ。自然数 Ⅳ值的确定取决于仿 2 Ⅳ 1 真精度 ，仿真精 度越高 ，Ⅳ值越大。 2 ． 4充液 罐 卸压 时 ，充 液罐 内气体 在很 短时 间 内完 成压 缩 ， 来 不及 与外界进 行热交换 ，可 近似为绝热过 程。充液 罐压力与气体体 积关 系式 ， I ， 、K p 。 r_J 8 式 中P ， 为充液罐充人 油液后 气体压力 ； P 。 为充液罐充入 油液前 气体压力 ； 为充液罐充人油液前气体体积 ； △ 为充 液罐充入 油液体 积 ； 为多变指数 ，K1 ． 4。 3卸压回路仿真 基于卸压 回路各元件数学模型 ，利用仿真软件建 立卸压 回路仿真模型 ，如 图 2所不 ，并分 析了有 效体 积弹性模量 、工作缸卸压压力 、卸压管道长度 、内径 等对卸压 回路动态特性的影响规律 。 叫 三 I L L 秘 图 2 卸压 回路仿真模型 保持卸压 回路其他元件参数不变 ，仅改变有效体 积弹性模 量 ，即 分 别 为 7 0 0 、1 0 0 0 、1 4 0 0 M P a ， 仿真结果见图 3 、4 。可以看 出 ，在卸 压压力 P ． 为 3 0 M P a时 ，随有效体积 弹性模量增大 ，卸压时间 明显缩 短 ，从 1 ． 0 6 S 降至 0 ． 7 0 s ；卸压管道 内压力峰值则也 明显 降低 ，且 为 1 0 0 0 MP a 时 ，压力脉动较弱 。 目 至 图3 不同有效体积弹性模 图4 不同有效体积弹性模 量下工作缸压力响应 量下管道压力响应 仅改变工 作 缸压 力 ，即卸 压压 力 P ． 分别 为 l 0 、 2 0 、3 0 M P a 时 ，仿真 结果见 图 5 、6 。可 以看 出 ，随 卸压压力增 大 ，卸 压 时 间明显 增加 ，从 0 ． 7 8 s 增 至 1 ． 0 6 s ；卸压 管道内压力峰值则 明显增 加 ，压力脉 动 变化不大 。 0． 0 0 ． 5 1 ． 0 1． 5 2． 0 2． 5 3． 0 时 间， s 0 0． 5 1． 0 1 ． 5 2． 0 2． 5 3． 0 时 间／ s 图 5 不同卸压压力下 图 6 不 同卸压压力下 工作 缸压力响应 管道压力响应 对卸压管道长度改变时的卸压 回路进行仿真 ，卸 压管道长度 分 别 为 5 、l 5 、2 5 m。仿 真 结果 表 明 ， 当卸压管道长度在上述范围内变化时 ，卸压 时间几乎 不变 ，因此 ，仅 给出卸 压管道 内压力 响应 ，如 图 7所 示 。可以看出 ，随卸 压 管 道 长度 增 加 ，压 力 峰值 降 低 ，而压力脉动增强 ，频率 降低 。 同理 ，卸压管道 内径 D在 3 0 0 、4 0 0 、5 0 0 m m范 下 转第 6 9页 第 4期 冯 消冰 等 风机叶片模具液压 翻转机构 的设计 6 9 线性 工作区有差异 ，使得在某一开度时流过 比例换 向 阀的流量不相等 ，从而导致液压缸运动 的不 同步 ； 2 油缸 承 受负 载不 同 ，翻 转模 的质 量 很难 保 证平均分 配在两组 油缸上 ，因此 两组油缸承受 的负载 大小也不 同 ，承载 大的油缸较 承载小的油缸运行慢 ； 3 油缸 的制 造精 度有 误差 ，导 致油 缸运 动 副 摩擦力 也不 同 ；另 外 ，安 装 时运 动 副 的配 合 间隙 不 同 ，使得运动副摩擦力也不相等 。摩擦 力大的油缸运 行相对慢 ； 4 液压 系统安 装 时油管 长度 和 弯头 数 目的不 同也会造成液压缸沿程阻力不相等 ；此外 ，长 时间运 行也会使得油缸的工作特性发生变化 ，这些 因素也会 导致各个分组 中的油缸行进时不 同步 。 用 P L C作为 整个 控 制 系统 的 核心 ，信 号 由 P L C 给定，电控器将其输入电压转换为比例阀的控制电流 控制阀的流量 ，从 而控制油缸的工作速度 ，通过油缸 上位移传感器测出油缸的 即时位移 ，反映 了两缸伸 出 长度的不一致，将其作为反馈输入，经放大，作为系 统负反馈 叠加至系统输入端 ，从而 即时修正位移 ，确 保 两组油缸的同步运行。 用数 字计算 机代替模 拟计 算机调节器组成计算机 控 制系统 ，不仅 可以用 软件实 现 P I D控制算法 ，而且 可 以利用计算机 的逻辑功 能使 P I D的控制更 加灵 活 。 P I D控制是将 系统误差 的 比例 P 、积 分 I 和 微 分 D通过线性组合构成控制量 ，对被 控对象进 行 控制 的。由于它具有算法简单 、鲁棒 性好 和可靠性高 等优点 ，被广泛应用于工业过程控制 。该液压翻转 系 统控制过程 只采 取 了 P I 环节 ，P环 节 的作 用是 成 比 例地反映控制信号的偏差 ，偏差一旦产生 ，控制器立 即产 生作用 ，减小偏差 。积 分环 节 I 主要 用于消除静 差 ，提高系统的无 差度。 5结论 此翻转 机构 已经 在 实际 叶片 制造 过 程 中成 功应 用 ，设计达 到了对模具 开 、合模 翻转 的要求 ，证 明此 设计是合理 、有效 和安全 的。它 的成功应用 ，对类似 设计具有较强 的指导作用 。 大 型风机 叶片模具包含多个部组件 ，涉及 了多 门 学科 ，各有 其 独特 的优 点 。追 求 降低模 具 的生产 成 本 、减轻模具 的质量 、减小模具 的施工难度 、提高模 具 的开 、合模 翻转稳定性是大型风机 叶片模具工艺研 究和技术创新 的最终 目的。 参考文献 【 1 】徐海涵， 吕云嵩， 杨谋存 ， 等． F D型平衡阀在风电叶片模 具液压翻转机构上的应用[ J ] ． 液压与气动 ， 2 0 0 9 8 555 7． 【 2 】颜海银， 乐韵斐． 风电叶片模具变幅翻转机构运动学分 析[ J ] ． 机 电一体化 ， 2 0 0 7 ， 1 3 6 4 4 4 7 ． 【 3 】黎启柏． 液压元件手册 [ M] ． 北京 冶金工业出版社， 2 00 0． 【 4 】许平勇， 卫国爱 ， 潘玉龙 ， 等． 液压翻转举升机构及油缸 支点的设计[ J ] ． 机械设计与制造， 2 0 0 5 1 1 4 5 4 7 ． 【 5 】兰伟， 曾良才 ， 朱瑾． 液压翻转机构系统改进及同步控制 [ J ] ． 液压 与气 动 ， 2 0 0 9 4 7 7 7 9 ． 上接第 6 5页 围内变化时 ，卸压时间也几乎不变 ，但 随卸压管道 内 径增加 ，压力峰值减小 ，压力 脉动减 弱 ，具体 如图 8 所示 。 图 7 不 同管道长度下 管道压力响应 ∞ 茎 R 图 8 不同管道 内径下 管道压力响应 4结论 作者 在建立 大型快锻 液压机 卸压 回路数 学模 型 、 仿 真模 型基础上 ，对卸压 回路动 态特 性进行 了研 究 ， 并 得出如 下结论 1 有效 体积 弹性 模量 增 加 、工 作缸 卸压 压 力 降低会使卸压时间明显缩短，并能够降低卸压管道内 压 力峰值 ； 2 卸压 管道长 度增 加 能够 降低管 道 内压力 峰 值 ，但会使压力脉动增强 ，频率 降低 ； 3 卸压 管道 内径增 加会 在一 定程 度上 降低 管 道 内压力峰值 ，减弱压力脉动 。 总之 ，必须通过合 理 匹配卸压 回路各 元件 参数 ， 使压力峰值 、压力脉动控制在合理范 围内，才能够满 足大型快锻液压机卸压要求 。 参 考文 献 【 1 】刘少辉， 林少芬， 陈清林， 等． 液压系统压力波动与冲击 的动态仿真试验 研究 [ J ] ． 机 床 与液压 ， 2 0 0 9 ， 3 7 1 1 l 9 51 98 ． 【 2 】魏树国， 赵升吨， 张立军， 等． 直驱泵控式液压机液压系 统的动态特性仿 真及优化 [ J ] ． 西安交通大学学报， 2 0 0 9， 4 3 7 7 98 2 ． 【 3 】李 南 ， 高永梅 ， 吴小伟 ， 等． 液压 机卸压 冲击 的研 究 [ J ] ． 新 技术新工艺 ， 2 0 0 9 4 1 51 6 ． 【 4 】陈柏金， 黄树槐 ， 魏运华， 等． 锻造液压机高压卸载系统 改进研 究[ J ] ． 液 压与气动 ， 2 0 0 8 1 5 7 5 9 ． 【 5 】何世友， 马骁 ， 钟蜀津． 液压机卸压 回路的研究[ J ] ． 天 津理工学院学报 ， 2 0 0 0 ， 1 6 1 9 49 6 ． 2鲫 如 0 0 0 0 0 0 0 0 0 日 窆 、 R