巨型模锻液压机同步控制性能影响因素研究.pdf

25 0 机 械 设 计 与 制 造 Ma c h i n e r y De s i g nMa n u f a c t u r e 第 3期 2 0 1 2年 3月 文章编号 1 0 01 3 9 9 7 2 0 1 2 0 3 一 -0 2 5 0 0 3 巨型模锻液压机 同步控制性能影响因素研究 术 刘忠伟 卫 邓英剑 ’ 湖南工业大学 机械工程学院， 株洲 4 1 2 0 0 7 中南大学 机电学院， 长沙 4 1 0 0 8 3 Re s e a r c h o f i n f l u e n t f a c t o r s o f s y n c h r o n o u s c o n t r o l p e r f o r ma n c e o f g i a n t f o r g i n g h y d r a u l i c p r e s s L I U Z h o n g - w e i ．- ． D E N G Y i n g - j i a n S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， Hu n a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， Z h u z h o u 4 1 2 0 0 7 ， C h i n a 2 S c h o o l o f Me c h a n i c a l a n d E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ， C e n t r a l S o u t h U n i v e r s i t y ， C h a n g s h a 4 1 0 0 8 3 ， C h i n a ； 【 摘要】 同步控制系 统是巨 型模锻液压机上的关 键部分， 其同 步控制性能的好坏将直接决定产 }品的质量。对活动横梁与导向立柱之间的配合间隙以及同步控制系统提供的工作压力与回油背压的压 l差对同步控制性能的影响进行了分析。结果表明 将立柱与侧梁的间隙控制在 0 ．5 ra m到 1 ．0 ra m之间可 }以满足锻件的精度要求； 工作压力与回油背压的压力差越大， 同步控制系统的动静态性能越好。为巨 型 { ；模锻液压机同步控制系统的设计提供了参考。 j ； 关键词 巨型液压机； 同步控制系统； 控制性能； 影响因素 { l 【 A b s t r a c t 】 T h e s y n c h r o n o u s c o n t r o l s y s t e m t h e e s s e n t i a l d e v i c e g ia n t r g i n g h y d r a u l i c p r e s s ，； ；w h i c h s y n c h r o n i z a t io n c o n t r o l p e r厂 0 r m n n c q u al i ty s g o o d o r b a d w i l l c r e c t l y d e t e r m in e t h e q u al i t y of t e{ ；p r o d u c t,．h a n a l y z e s f u e n t f act o r s th e g a p b e t w e e n t h e m o v i n g b e a m and p il l a r s ； t h e p r e s s u r e d if f e r -{ }e ， C e b e t w e e n the w o r k p r e s s u r e a n d r e t u r n o L f b a c k p r e s s u r e ． The r e s u h s s h o w t h at the g ap b e t w e e n￡ 胁 2 movi n g b e am and p i l l a r s i s c o n t r o l l e d w h h i n 0 ． 5 ra m t o 1 ． 0 m m． w h i c h p r e c i s i o n f o r g i n g s c a n m e e t th e r e 一{ l q u i r e m e n t s ； t h e g r e at e r th e p r e s s u r e d if f e r e n c e b e t w e e n w o r k i n g p r e s s u r e a n d r e t u r n o i l b ack p r e s s u r e ， t h e 2 f }b e t t e r th e d y n ami c a l ld s t at ic p e rf o r m anc e of t h e s y n c h r o n iz at i o n c o n t r o l s y s t e m is ，w h i c h p r o v i d e s r上 r 一 l e n c e f o r d e s ig n i n g th e s y n c h r o n o u s c o n t r o l s y s t e m of t h e g i ant _厂 0 n g h y d r a u l ic p r e s s ． { ； K e y w o r d s T h e g i a n t h y d r a u l i c p r e s s ； S y n c h r o n i z a t i o n c o n t r o l s y s t e m ； C o n t r o l p e r f o r m a n c e ； I n -{ ； flu e nt f a c t o r s 、 t mm、 m r t t、 “ - 、 ‘ ， i 、m ， t、 - } “ t M t t i、 。 ． 中图分类号 T H1 6 ， T G 3 1 5 ． 4 ， T H1 6 5 ． 2 文献标识码 A 1 盲 行 解决措施。 巨 型 模 锻 液 压 机 在 国 防 和 航 空 工 业 的 大 型 模 锻 件 生 产 中 有 2活动横梁与立柱之间的间隙影响 着举足轻重的作用。 由于液压系统的非线性、 时变性， 多缸运动交 在巨型模锻液压机中， 活动横梁与导向立柱之间的配合间 叉耦合影响； 加】 零件的非对称性产生的锻造偏心距， 以及活动 隙设定是一个困扰没计人员的问题。 合理的间隙设定对于保证锻 横梁和框架不可能具有绝对刚度， 发生弹性形变， 力流传递发生 件的精度， 维护液压机的正常运行以及延长液 机的使用寿命有 畸变等影响， 导致活动横梁在运行过程中发生倾斜， 影响工件的 着至关重要的意义。 加工精度。 问隙的设定主要涉及到两方面的问题日 冈此， 在巨型模锻液压机上都设有同步控制系统， 这也是区 I 为了提高锻件的精度， 需要抑制活动横梁的偏转 ， 即维 别自由锻液压机的重要标志之一 。 同步控制系统的作用在于防 持立柱较高的导向精度。冈此间隙量要小。 止活动横梁在承受偏心力矩时发生倾斜， 使其水平度仍保持在较 2 为了延长压力机的使用寿命 ， 应该减小立柱与活动横梁 高精度范围内， 以保证模锻件所需的尺寸精度， 也利于改善液压 之间的接触面压。因此， 立柱与活动横梁之间的间隙量要大。 机机架的受力状态， 延长液压机的使用寿命『I】 。 在一定的范围内， 若间隙大则有利于减小面压， 但是活动横 文献 从电液控制元件和液压缸机构的泄漏、 死区、 饱和等 梁的转角增大， 导向精度降低； 若间隙偏小则有利于减小活动横 非线性 ，以及各通道的相互耦合对同步误差的影响进行了分析， 梁的偏转角， 但是接触面压将增大。根据上述间隙设定的基本原 为了更好地提高巨型液压机同步控制性能， 现从以下儿个方面对 则， 结合某巨型模锻液压机进行多种间隙设定方案的 维接触分 巨型模锻液压机同步控制性能的影响因素进行研究， 并提} 【 J 相应 析。 接触方案， 如表 i 所示。 其巾内侧间隙指立柱接近液爪机ll卜 心 ★来稿 日 期 2 0 1 1 - 0 5 2 4 ★基金项日 湖南省科技厅资助项目 2 0 1 1 F J 13 0 0 6 ， 高等学校科技创新工程重大项目培育资金项 目 0 7 0 7 0 4 6 第3 期 刘忠伟等 巨型模锻液压机同步控制性能影响因素研究 2 5 1 一 侧的间隙汐 侧间隙指立柱远离液压机中心一侧的间隙， 如图 1 所示 。 表 1间隙设定方案 图 1活动横梁与立柱间隙分布 2 。 1分析模型 建立分析模型， 如图2所示。 整个活动横梁和立柱系统在整 机 中进行分析。立柱的端部固定 ， 按照额定载荷施加分布于主缸 位置， 工件按照中心位置沿纵向进行不同偏心矩进行偏置。按照 表 1 设定的间隙值， 对每个不同的偏心距进行计算。因为液压机 在空行程过程中只需要平衡摩擦力和重力下行和上行， 因此分析 中只考虑液压机工作行程。 图 2分析模型图 2 ． 2计算结果 计算结果， 如表 2 表 7 、 图3 ～ 图5 所示。 表 2两侧等间隙占与偏转角度 占间隙 偏转角度 r a d mm偏心距 1 0 0 mm 偏心距 1 5 0 mm 偏心距 2 0 0 mm 偏心距 3 0 0m m 表 3两侧等间隙6 与导向立柱峰值接触应力 偏载侧非偏载侧偏载侧非偏载侧偏载侧非偏载侧偏载侧非偏载侧 0 ．5 7 4 1 0 8 1 2 4 1 4 8 l 3 5 1 6 3 1 6 2 1 8 7 1 ．0 6 5 1 O H0 l 1 9 l 3 6 1 0 9 l 5 7 ． 9 l 5 9 ．8 2 0 2 ． 9 1 ．5 5 5 9 5 1 1 2 1 4 8 1 O 8 1 6 3 l 7 3 2 2 2 ． 9 】 o 0 l 5 0 2 0 0 2 5 0 偏心距离 191 1 11 1 图 3均匀间隙与偏转角关系 表 4外侧 间隙 与偏转角度 表 5外侧 间隙 与导 向立柱峰值接触应力 偏载侧非偏载侧偏载侧非偏载侧偏载侧非偏载侧偏载侧非偏载侧 1 ．O 1 2 7 l 6 3 1 2 5 1 3 9 1 3 0 ． 2 2 22 ． 9 1 46 1 8 6 2 ．0 61 8 4 8 6 1 1 8 l 2l 1 5 3 1 8 O 2l 4 3 ．0 6 4 8 6 8 7 1 2 7 1 3 O l 5l 1 7 7 2 0 7 趸 一 诖 鲢 啦 堪 l O 0 1 5 O 2 o 0 2 5 0 偏 心距 离 mm 图4外侧间隙与偏转角关系 8 6 4 2 0 8 6 4 2 O 8 6 4 2 0 啷 啷 眦 毗 ㈣ 2 5 2 机械 设计 与 制造 No ． 3 Ma r ． 2 01 2 表 6内侧间隙6 与偏转角度 O ／ 6 间隙 a偏转角度 r a d ra m 偏心距 1 0 0 m m 偏心距 1 5 0 m m偏 C , I／ I 2 0 0 m m 偏心距 3 0 0 m m 表 7 内侧间隙 与导向立柱峰值接触应力 偏载侧非偏载侧偏载侧非偏载侧偏载侧非偏载侧偏载侧非偏载侧 1 ．0 1 6 7 l 8 5 l 3 2 1 8 5 1 9 5 1 6 3 1 7 4 1 7 7 2 ． 0 9 0 1 l 6 8 7 ． 5 l 3 5 1 1 6 1 8 2 1 7 O 2 3 5 3 ．0 l 0 7 1 6 O 9 4 1 52 l 1 0 1 6 9 1 9 0 2 4 7 辩 逞 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 偏心距离 mm 图5内 侧间隙与偏转角关系 2 ． 3计算结果分析 1 如图3 、 表2 、 表 3 所示。 立柱两侧等间隙情况下， 随着偏 心距离的增大， 活动横梁偏转角度都逐渐的增大， 偏心距离增大 2 0 0 ％， 偏转角度平均增大 1 7 o ％。 从接触应力峰值考虑， 小间隙情 况下的峰值接触应力比大间隙情况下的接触应力值的应力要偏 低。主要原因是立柱和侧梁之间属于赫兹接触， 小间隙情况下的 接触面积比大间隙情况下的接触面积略大。 2 11 图4 、 表 4 、 表 5所示。在立柱内侧紧贴横梁的情况下， 尽管随着的偏心力矩的增大，活动横梁偏转角度都逐渐的增大； 但是相对于立柱两侧等间隙的情况偏转角度都有减小 ， 其主要原 因是立柱内侧与横梁接触面积增加的缘故。 3 如图 5 、 表6 、 和表 7 所示。在立柱外侧紧贴横梁的情况 下，转角相对于偏心力矩的趋势与立柱内侧紧贴横梁的趋势相 同。在间隙为 2 ． 0 ra m的情况下， 立柱紧贴横梁内侧比紧贴横梁外 侧下的偏转角度略小。从接触的峰值应力上， 内侧紧贴立柱的状 况总体上较外侧紧贴立柱的状况好。 综合考虑，在现实的丁况下，将立柱与侧梁的间隙控制在 0 ． 5 ram到 1 ．0 m m之间可以满足锻件的精度要求。 3同步控制系统工作压力和回油背压的 影 Ⅱ 向 在实验过程中，发现同步控制系统提供的工作压力大小以 及回油背压的设定对系统的纠偏效果有一定的影响。下面借助 Ma t l a b 对其影响情况进行仿真分析I6 1 。 如图6如示， 当设定工作压力为 2 2 0 b a r ， 回油背压为 6 0 b a r 时， 得到图中的曲线 1 ； 当工作压力为 2 2 0 b a r ， 回油背压为 9 0 b a r 时， 得到图中的曲线 2 ； 2 2 作压力为2 5 0 b a r ， 回油背压为 6 0 b a r 时， 得到图中的曲线 3 ； 工作压力为 2 5 0 b a r ， 回油背压为 9 0 b a r 时， 得 到图中的曲线4 。可以看出， _ T 二 作压力与回油背压的压力差越大， 同步控制系统的动静态性能越好。 在纠偏过程中， 回油腔的压力会逐渐减小， 一般会减小到比 初始设置的回油腔压力小 2 0 b a r 左右， 为使系统的回油腔压力不 会产生负压，回油背压压力必须设定一个最小值，可以设定为 2 5 b a r 。 实际系统纠偏所需要的高低压腔压力差并不大， 而南于工 作压力的升高， 对泵阀以及管道的要求会更加严格， 所以可以设 定同步控制系统的最高工作压力为 2 5 0 b a r 。 图6工作压力和回油背压的大小对同步控制性能的影响 1 ．工作压力为 2 2 0 b a r ， 回油背压为 6 0 b a r 2 ．工作压力为 2 2 0 b a r ， 回油背压为 9 0 b a r 3 ． 工作压力为 2 5 0 b a r ， 回油背压为 6 0 b a r ； 4 ． 工作压力为 2 5 0 b a r ， 回油背压为 9 0 b a r 4结论 1 活动横梁与导向立柱之间的配合间隙的设定对同步控 制性能有一定影响 立柱两侧等间隙情况下， 随着偏心距离的增 大， 活动横梁偏转角度都逐渐的增大， 偏心距离增大 2 0 0 ％， 偏转 角度平均增大 1 7 0 ％； 在立柱内侧紧贴横梁的情况下 ， 相对于立柱 两侧等间隙的情况偏转角度都有减小； 在立柱外侧紧贴横梁的情 况下， 转角相对于偏心力矩的趋势与立柱内侧紧贴横梁的趋势相 同。 2 同步控制系统提供的工作压力大小以及回油背压 工作压 力与回油背压的压力差越大， 同步控制系统的动静态性能越好。 参考文献 [ 1 ] 俞新陆． 液压机的设计与应用 [ M] E 京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 6 ． [ 2 ]中国机械工程学会塑性工程学会． 锻压手册[ M] 一E 京 机械工业出版 社 ， 2 0 0 7 ． [ 3 ] 刘忠伟．液压同步控制系统及其在巨型液斥机上的应用[ J J_ 液压气动 与密封 ， 2 0 0 7 ， 2 7 1 7 1 0 ． [ 4 ] 刘忠伟， 刘少军， 黄明辉． 巨型模锻液压机同步控制系统控制性能影响 因素研究L J ] ．锻压技术， 2 0 1 0 5 6 4 6 8 ． [ 5 ] 吴生富． 1 5 0 M N锻造液压机本体组合结构研究[ D ] ． 秦皇岛 燕山大学， 20 0 6 ． [ 6 ] 宋志安．基于 M A T L A B的液压伺服控制系统分析与设计[ M] 一 E 京 国 防工业出版社 ， 2 0 1 0 ． 8 6 4 2 O 8 6 4 2 0 8 6 4 2 ㈣瞄㈣耋 薹 } ㈨