陶瓷压砖机液压顶出系统建模与仿真.pdf

2 0 1 1 年 7月 第 3 9卷 第 1 3 期 机床与液压 MACHI NE T0OL ＆ HYDRAUL I CS J u I ． 2 0l l Vo 1 ． 3 9 NO ．1 3 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 1 3 ． 0 2 9 陶瓷压砖机液压顶出系统建模与仿真 谢恺，杜群贵，陈宇，黄晓东 华南理工大学机械与汽车工程学院，广东广州 5 1 0 6 4 0 摘要以陶瓷压砖机液压系统中顶出系统为研究对象，阐述液压顶出系统的基本构成和工作原理，建立其数学模型并 进行计算 ； 采用液压仿真软件 A M E S i m建立其仿真分析模型并进行仿真，将 A M E S i m仿真结果和根据数学模型运算的结果 进行分析比较 ，两种结果一致，说明A ME S i m仿真结果准确，为进一步利用 A M E S i m进行陶瓷压砖机研究提供了理论依据。 关键词压砖机；顶出系统；建模与仿真 中图分类号T H1 3 7 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 1 3 0 9 6 4 Mo d e l i n g a n d S i mu l a t i o n f o r t h e E j e c t i o n Mo d u l e o f Hy d r a u l i c S y s t e m i n T i l e - p r e s s x I E K a i ，D U Q u n g u i ．C H E N Y u ．HU A N G X i a o d o n g S c h o o 1 o f Me c h a n i e a l Au t o mo t i v e En g i n e e r i n g ．S o u t h C h i n a Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ，G u a n g z h o u G u a n g d o n g 5 1 0 6 4 0 ，C h i n a Ab s t r a c t T a k i n g t h e e j e c t i o n m o d u l e i n h y d r a u l i c s y s t e m o f t i l e p r e s s a s s t u d y o b j e c t ，i t s b a s i c s t r u c t u r e a n d w o r k i n g p r i n c i p l e we r e d e s c r i b e d ． T h e ma t h e ma t i c a l mo d e l w a s e s t a b l i s h e d a n d c a l c u l a t e d ． T h e s i mu l a t i o n mo d e l o f t h e s y s t e m wa s b u i l t a n d s i mu l a t e d b y AME S i m． C o mp e d t h e c o mp u t a t i o n al r e s u h f r o m AME S i m wi t h t h e r e s u l t f r o m ma t h e ma t i c mo d e l ，t h e t wo k i n d s o f r e s u l t a r e s a me，w h i c h i l l u s t r a t e s t h e s i mu l a t i o n r e s u l t i s a c c u r a t e ．I t p r o v i d e s t h e o r e t i c al b a s i s f o r f u r t h e r r e s e a r c h o f t i l e p r e s s b y AME S i m． Ke y w o r d s P r e s s ；E j e c t i o n m o d u l e ；Mo d e l i n g a n d s i m u l a t i o n 陶瓷压砖机 文 中简称压砖机用于将陶瓷粉 料压制成形状规则的砖坯，是集机 、电、液于一体的 高技术、高精度的现代化陶瓷机械设备。随着我国陶 瓷工业的不断发展，对压砖机性能提 出了更高的要 求⋯。 液压系统是压砖机的核心部分，其稳定性、可靠 性和精确性影响着压砖机的稳定运行及工作速率与压 砖机液压系统的动态性能 ，很大程度上决定了砖坯的 成型质量，因此有必要对压砖机液压系统进行分析研 究。而液压系统中的顶出系统，由二通插装阀、比例 阀、不对称缸、管道等液压元件组成。以顶出系统为 对象进行建模与仿真 ，对于整个液压系统的建模仿 真 ，既具有普遍意义 ，又具有指导意义。 通过建立陶瓷压砖机液压系统中的顶出系统的数 学模型并求解，再采用计算机液压仿真软件 A ME S i m，根据压砖机的液压原理图，建立 了仿真分析模 型，并进行仿真，然后将 A M E S i m仿真结果和数学建 模求解的结果进行比较 ，对比求证 A M E S i m软件能否 如实反映压砖机顶出系统的物理特性 ，为进一步分析 该顶出系统的动态工作特性提供理论基础。 1 顶 出系统基本构成与工作原理 顶 出系统的液压原理图如图 1 所示 ，液压油从 泵 站输出后，经过过滤系统等辅助系统进入顶出系统。 顶出系统的主要液压元件包含 二通插装阀 V 1和 V 2 、电磁换向阀 阀 1 、阀2 、阀3 、阀4 ，地坑式 单缸顶出装置。具体工作原理如下。 1 模具的锁紧与松开 模具的锁紧与松开 由电磁换向阀4控制锁模缸， 使下模芯托板与顶杆组达到锁紧与松开状态。电磁换 向阀 4处 于失 电状 态时 ，系统压 力 油进 入锁 模缸 上 腔 ，下 腔处 于排油状态 ，模具锁 紧 当 电磁换 向阀 4 得电时，锁模缸下腔进压力油，锁模缸上腔处于排油 状态，模具松开。 2 下模芯的升降运动 下模芯的升降运动包含 顶坯 即下模 芯 的顶 出 、填料 下 模芯 的一次下 降 、墩料 下模 芯 的 二次下降及清扫模芯 下模芯的越位顶出四种 运动状态。前三种运动为顶模装置的工作状态，第四 种运动仅在清扫模具时出现。 收稿I／ t 期2 0 1 0 0 6 2 1 基金项目2 0 0 8年粤港关键领域重点突破项目 2 0 0 8 A 0 1 1 6 0 0 0 0 1 作者简介谢恺 1 9 8 5 一 ，男 ，硕士研究生，研究方向为液压传动控制。电话 1 8 9 2 4 0 2 1 7 5 9，Ema i l t s e 7 h o i y a ho o． c o m．c n。 第 1 3期 谢恺 等陶瓷压砖机液压顶出系统建模与仿真 9 7 图 1 压砖机顶出系统原理图 顶坯 下模芯的顶出 。电磁换向阀 2的电磁铁 失电，所对应的插装阀 v 2 关闭；电磁换 向阀 1的电 磁铁得电，对应的插装阀 V 1打开；压力油经插装阀 V 1 进入顶 模装 置 A缸 的上腔 ，A缸 上升 ，A缸下 腔 的压力油经电磁换向阀2排回油箱。同时，电磁换向 阀3的电磁铁得电，压力油经电磁换向阀 3 ，通过单 向节流阀进入 B缸，使 B缸套上升，下模芯处于顶 坯工作状态。 填料 下模芯的一次下降 。电磁换 向阀2的电 磁铁得电，插装阀2开启 ；电磁换向阀 1的电磁铁失 电 ，插装 阀 V 1 关闭 ；压力 油经 电磁换 向 阀 2进入 顶 出缸 A缸的下腔 ，A缸上腔油液经插装阀 V 2排 回油 箱 ，顶模缸实现一次下降。空出的空间即为填料空 间。 墩料 下模芯的二次下降 。填料完毕，活动横 梁开始下降，换向阀 3的电磁铁失电，B缸中的压力 油经单向节流阀排 回油箱。 2数学建模 2 ． 1 电磁换 向 阀 该系统采用的电磁换向阀流量方程为 广 q C v A ／ △ p 1 V P 其中q 为进入阀口的流量 ； c 为阀口的流量系数； A 为 阀口的流通 面积 ； P为液压油 的密度 ； △ p为阀口间压力差。 2 ． 2 插装阀 插装阀结构简单 ，阀芯动作灵敏，密封性好。功 能比较单一 ，主要实现通或断，与普通液压控制阀组 合使用 ，实现对系统油液方 向、压力和流量的控制。 在文 中 ，如 图 2所 示 ，液压 油 从 A 口流 进 ，B口流 出。C为先导控制 口。 图 2插装 阀原理图 主 阀 口流量连续性方程 g c A √ 吾 卸 C d rd Ax sin a cp 一 p 2 ⋯ K o p A A d x 3 主阀芯受力平衡方程 p 一p 一 c m d x 。 mgK yp B 4 先导流量方程 d x_g c 5 先导节流 口流量方程 q c A √ △ p c 子 d 2 √ ／ 2 6 其中q 为进入主阀口的流量； C 为主阀 口的流量系数 ； A 为阀E l 的流通面积； 为阀芯开口位移量； 为阀芯半锥角 ； P 为主阀口压力； 为压力泄漏系数 ； E为液体有效容积弹性模数； 为主阀进 E l 受控腔容积； 9 8 机床与液压 第 3 9卷 m为阀芯质量 ； 口为液体黏性阻尼系数 ； k 为主阀弹簧刚度； k 为主阀口液动力刚度 ； d 为阻尼孔直径 。 2 ． 3管道流量方程 q c aA √ △ p C a 孑 d √ p - 一 P 2 7 2 ． 4不对 称液压 缸 文 中研究 的顶 出系统执行元件包含顶 出缸 A 、 墩料缸 B 和锁模缸 ，如图 3所示，采用的是不对 称缸 ，顶出时 ，液压油从 1 流入 ，从 2流出。以顶出 缸为例子，其流量连续性方程如下。 图 3 执行兀件原理 图 无杆腔流量连续 性方程 q l 。 一 P 2 一 C A 鲁 8 有杆腔流量连续性方程 Ci e p 一C o o p - q z 百v 2 d p 9 活塞 的受力方程 F A p - 一 P 2 一 警 F 1 0 其中C 为内泄漏系数 ； C 为外泄漏系数 ； m 为活塞质量 ； Y 为活塞位移 ； F为作用在活塞上的外负载力，这里指顶出部 分 的总重力 。 根据压砖机工作原理 ，联立以上式 1 一 1 0 ， 可计算出系统的相关值 ，文中计算出了顶出缸的顶出 位移随时间的变化曲线和顶出缸无杠腔压力随时间的 变化曲线。 3 A ME S i m仿真 在搭建系统供油子系统时，采用变量泵加溢流阀 来实现，忽略了冷却子系统和过滤子系统等辅助元 件 。对电机 、变量泵 、蓄能器 、电磁阀和溢流 阀等 基 本元件，直接调用软件中液压软件库里的既有模型。 而二通插装阀和顶出缸，则另外建立模型。 根据液压元件的工作机理，作者采用基本元件 设计库 H C D H y d r a u l i c C o m p o n e n t D e s i g n ，按 照实 物阀的物理结构 ，建立 了标准液 压库 中没有 的模 型。图4为按照原理图应用 H C D库建立的插装阀仿 真模型图。 图 4 插装 阀 HC D模 型 顶出缸，仅用 H C D库里面的元件难以把意思表 达完整 ，有两种方案可采用 1 采用了反馈，如 图 5所示 ，其中 2为检测器 ，检测墩料缸 的位移 ，然 后输入到条件函数 1 中，再由条件函数判断，输出位 移控制信号到顶出缸 ，从而达到墩料 的目的； 2 把顶出系统根据功能进一步细分为顶坯、填料和墩料 3个部分。如果是研究系统操作等控制方面，则建议 采用方案一，文中侧重研究系统的各个状态，故实验 时采用方案二 。 图 5 顶出缸仿真模型 在各元件库调用相应的元件模型，搭建成完整的 压砖机液压试验台顶出功能系统的仿真模型，如图6 所示。 图 6 顶出部分仿真模型 4 参数设定 根据相关资料，输入仿真模型系统参数，见表 第 1 3期 谢恺 等陶瓷压砖机液压顶出系统建模与仿真 9 9 1 。进人 A M E S i m仿真模式。为了方便分析实验结果 ， 特设定填料时 间为 4 S ，墩料时间 4 S ，见表 2 。 表 1 模型中主要元件的结构参数 时序／ s ’ Y V 1 Y V 2 5 结果与分析 设定数据采集时间步长 0 ． 0 0 1 s ，运行 A M E S i m 仿真模型，获得该系统模型的相关运行数据。为了能 得到准确的A M E S i m的仿真结果，作者将 A ME S i m的 仿真结果和底层数学建模求解结果一并列出，如图 7 示。 0 ． 0 7 O ． 0 6 0 ． 0 5 g 0 ． 0 4 0 ． 0 3 0 ． O 2 0 ． O 1 t | s I I s a 仿真结果 b 数学模型计算 图7 顶出缸位移曲线 可知系统运行开始后 ，A缸的位移从 0增加到 0 ． 0 6 m，这是 顶出缸 A缸 被顶出到工作位置 ； 当 t 4 s 时，位移由0 ． 0 6 m下降到 0 。当 t 8 S 时， 又顶出，循环工作 。能清楚看出A M E S i m仿真结果 实现了顶出缸的工作要求，达到了研究的预期效果。 同时由图7 a 、 b 对 比得知A ME S i m仿真结果与 用数学模型运算的基本一致，说明了A M E S i m模型准 确。在阀门开闭之后，图 b 没有震荡波动 ，则是 由于对数学模型进行计算时为了简便 ，忽略了部分泄 漏系数、液动力系数、液体压缩系数等参数。 图 8是顶 出缸无杆 腔的压力 曲线 图。可 以看 出 在顶出过程中，压力很小，接近为零。这是由于在顶 出工作时，无杆腔通过打开着的换 向阀 2连接着油 缸 ，无杠腔的压力约等于油缸的压力，而油缸的压力 接近于0 ；在 t 4 S时无杠 腔压力骤 然上升为 l 5 MP a ，并且持续保持不变，一直到 t 8 s 。出现这种 现象则是因为 A缸回落时，液压油进入了无杆腔 ， 无杠腔 的压力接 近于系统压 力。 1 2 至 0 2 4 6 8 1 0 t ／ s f a AME S i m仿真 结果 l 5 l 0 宣 5 0 0 2 4 6 8 1 0 t ／ s b 数学模型运算结果 图8 无杠腔压力曲线 经对 比研究 可得 1 A M E S i m仿真结果和根据数学模型计算的结 果呈现了较好的一致性，定性地表明该仿真模型与实 际压砖机具有较好的相似性，能较好地表现压砖机的 物理特性。 2 利用 A M E S i m建立液压 系统仿真模型 ，有 建模简便、结果明了的优势 ，将在很大程度上提高工 程技术人员的工作效率。 6结论 作者建立了陶瓷压砖机液压系统中的顶 出系统 的数学模型，并运用液压仿真软件 A ME S i m对系统 进行动态仿真 ，得到了顶 出缸的位移曲线、有杆腔 压力 曲线。相比较根据数学模型计算的结果 ，两者 的结果趋势一致 ，说明 A ME S i m仿真结果正确，能 在陶瓷压砖机液压系统 的研究 中起积极作用，为进 一 步深入建立压砖机完整模型，提供了思路和理论 指 导 。 参考文献 【 1 】张柏清． 全 自 动液压压砖机[ M] ． 南昌 江西科学技术出 版社 ， 2 0 0 0 4 6 4 8 ． 【 2 】 卢长耿 ， 李金良 液压控制系统分析与设计[ I 江 ] ． 北京 煤炭工业出版社， 1 9 9 1 1 1 01 1 3 ． 【 3 】王庆国， 苏东海． 二通插装阀控制技术[ M] ． 北京 机械 工业出版社 ， 2 0 0 1 7 7 8 0 ． 【 4 】韦峰山， 温怡彰． Y P 3 5 0 0型液压自 动压砖机的设计特点 [ J ] ． 陶瓷， 2 0 0 7 1 2 3 0 3 3 ． 【 5 】 罗艳蕾， 张莉， 周秩军． 插装式二通方向控制阀动态特性 仿真模型的建立[ J ] ． 贵州工业大学学报 自然科学版， 2 0 0 4 2 3 9 4 2 ． 0 0 0 0 O O 0 0 0 ％ 窖 ∞ 叽∞ 仉 O O O 0 O 0 0 0 0 昌 诗