玻璃切割机液压系统设计及系统性能仿真分析.pdf

2 0 1 4年 6月 第 4 3卷 第 6期 机械设计与制造工程 Ma c h i n e D e s i g n a n d Ma n u f a c t u r i n g En g i n e e r i n g J u n ． 2 0 1 4 Vo 1 ． 43 No ． 6 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 2 0 9 5 5 0 9 X ． 2 0 1 4 ． 0 6 ． 0 0 4 玻璃 切割机液压 系统设计及 系统性能仿真分析 王立杰 ， 陈 飞 ， 王 伟 ， 邬逵清 1 ． 南京林业大学 机械电子工程学院， 江苏 南京2 1 0 0 3 7 2 ． 江阴长龄液压机具厂， 江苏 江阴2 1 4 4 2 2 摘要 为 了优化 系统参数 ， 防止玻璃切割机在使用过程 中发生运动部件爬行、 运动速度不稳 定的 现 象． 首先根据使 用要求拟定 了液压传动 系统原理 图， 确定 了系统主要参数及 液压缸 的结构 ， 然 后利用液压 系统原理建立了数学模型， 并以此为基础利 用 A M E S I M仿真软件建立 了仿真模 型， 通 过仿真得到 了系统工作各阶段压力变化 曲线、 速度 变化曲线。仿真结果表明， 玻璃切割机液压 系 统工作各阶段 压力、 速度响应迅速 ， 工进开始时速度 波动幅度较大， 但很快趋于稳定， 与实际运行 结果 吻合 ， 满足 机床使 用性 能要 求 。 关键词 玻璃切割机 ； 液压传动 系统； 数学模型； A ME S I M仿真 ； 性能 中图分类号 T H1 3 7 文献标识码 B 文章编号 2 0 9 5 5 0 9 X 2 0 1 4 0 6一 o 0 l 8 0 4 玻璃切割机主要应用于光学仪器生产中， 它加 工的主要对象是硬度较高的脆性光学玻璃材料 ， 用 于将大块的光学玻璃材料锯切成一定形状和尺寸 的光学零件毛坯。玻璃切割机 的进给运动采用液 压传动， 因为液压传动不仅传动平稳， 也便于与电 气控制 、 微机控制等新技术相结合 ， 实现玻璃切割 机的 自动化⋯ 。切割机在使用过程 中常发生系统 爬行 、 运动不稳定的现象 ， 本文将利用 AM E S I M 软 件对切割机液压传动系统进行仿真分析 ， 以便优化 系统参数 ， 使系统能更好地满足使用要求 。 1 液压 系统的设计要求 金刚石锯片上下移动 ， 其完成的动作循环为快 下一慢下一快退 ； 工作台左 右移 动， 其完成的动作 循环为快进一稍退一工进一快退。 锯片直径为 3 0 0 ra m， 切割玻 璃的体积 长 宽 高 为 3 0 0 ram2 5 0 ra m1 5 0 ram， 锯 片轴转速 为 2 0 0 r ／ mi n ， 工作台最大行程为 3 0 0 m m， 锯片轴最 大行程为 2 0 0 m m， 设备 的最大负载为 2 5 0 0 N， 锯片 和工作台快进 、 快退速度为 3 01 0 。 。 m ／ s ， 工 进速 度可调 ， 调节范围为 5 ． 7～1 8 0 0 m r n ／ m i n 。 2 液压传动 系统组成及工作原理 根据设计要求拟定 的液压系统原理如图 1 所 示 ， 液压泵 3经粗滤油器从油箱 吸油 ， 液压油经精 滤油器 6进入系统 ， 当电磁铁 5 D T得 电， 液压油经 三位 四通电磁换 向阀 l 0左位 、 单 向阀 l 3 、 二位 四 通电磁换 向阀 1 6右位 ， 进入工作台液压缸 1 7的右 l 一粗滤油器 ； 2 一节流 阀 ； 3 一液压 泵 ； 4 一溢 流 阀 ； 5 一节 流 阀； 6 一 精滤油器 ； 7 一 压力 表 开 关 ； 8 ， 1 O 一 电磁 换 向 阀 ； 9 一压 力 表 ； 1 1 ， l 4 一调速阀 ； 1 2， l 3 一单 向阀； 1 5， 1 6 一 二位四通电磁换 向阀； 1 7 一工 作台液压缸； l 8 一锯片液压缸； 1 9 一金刚石锯片； 2 O 一工作台 图 1 液压 系统原理 图 收稿 日期 2 o 1 40 31 7 作者简介 王立杰 1 9 6 _4 一， 女 ， 四川资 阳人 ， 南京林业大学副教授 ， 主要研究方向为液压传 动及控制 。 1 8 2 0 1 4年第 6期 王立杰 玻璃切割机液压系统设计及系统性能仿真分析 腔 ， 活塞杆带动工作台快进， 同时液压缸左腔的油 液经换向阀 1 6右位 、 换向阀 l 0左位、 节流 阀 5 ， 流 回油箱。 工作 台快进结束 时 4 D T得 电， 液压油经换 向 阀 8右位 、 单向阀 1 2 、 换 向阀 1 5左位 ， 进人锯片液 压缸上腔， 使锯片快速下降， 同时液压缸下腔的油 液经换向阀 l 5左位 、 换 向阀 8右位 、 节 流阀 2 ， 流 回油箱。 锯片液压缸快速下降结束时， 1 D T 、 3 D T得 电， 液压油经换向阀 8左位 、 换 向阀 1 5右位 ， 进入锯 片 液压缸的上腔 ； 同时液压缸的下腔的油液经换向阀 l 5右位 、 调速阀 1 1 、 换 向阀 8左位 、 节流阀 2 ， 流回 油箱。由于锯片液压缸下腔的回油路上有调速 阀 1 1的节流作用， 使锯片慢速下降进行玻璃切割。 锯片液压缸慢速下降结束时， 1 D T 、 3 D T失 电， 换向阀 8 切换到中间位置 ， 锯片处于停止状态。与 此同时 ， 2 D T、 5 D T得 电， 液压油经换向阀 l 0左位 、 单向阀 1 3 、 换 向阀 l 6左位 ， 进入工作 台液压缸左 腔 ； 液压缸右腔的液压油经换向阀 1 6左位、 换向阀 l 0左位 、 节流阀 5， 流回油箱 ， 使工作台快退让刀。 让刀结束时 ， 6 D T、 2 D T得 电， 液压油经换 向阀 1 O右位、 换向阀 1 6左位 ， 进入工作台液压缸右腔 ； 液压缸左腔的油液经换 向阀 1 6左位 、 调 速阀 l 4 、 换向阀 l 0右位 、 节流阀 5 ， 流 回油箱 。由于 回油路 上有调速阀 1 4的节流作用， 工作 台慢速 向左运 动 切 割玻 璃 。 当工作台慢速进给终止， 6 D T失电， 换 向阀 1 O 切换至中间位置 ， 工作台处于停止状态。1 D T 、 4 D T 得电 ， 液压油经换 向阀 8右位 、 单 向阀 l 2 、 换 向阀 l 5右位 ， 进人锯片液压缸下腔， 使锯片快速上升 ， 锯片液压缸上腔油液经换 向阀 l 5右位 、 换 向阀 8 右位 、 节流阀 2 ， 流回油箱。当锯片快速退 回终止 ， 1 D T 、 4 D T失电， 换向阀 8处于中间位置 ， 锯片液压 缸下腔保持一定的油压 ， 此时锯片处于最高位置。 电磁铁 2 D T、 5 D T得 电， 使工作 台快速向右退 回。当快速退回终止 ， 2 D T、 5 D T失 电， 至此机床液 压系统 自动完成一个循环。 3 液压缸的主要参数及结构 3 ． 1 液压缸主要参数的确定 根据分析 ， 设备的最大负载为 2 5 0 0 N， 其 中包 括切削负载 、 摩擦负载 ， 按机床类初选液压缸的工 作压力 P 2 ． 0 MP a ， 计算活塞直径 D4F 盯 p l一 2 [ 一 ．P 1 d ／ D] 式 中 F为液压系统的最大负载； P 为液压缸工作 压力 ； P 为液压缸 回油压力 ； D为活塞直径 ； d为活 塞杆直径。 按工作压力选取 d ／ D 0 ． 4 5 ， 由于采用 回油 节流调速 ， 回油腔有背压 ， 取 P 0 ． 6 MP a ，则 D 4 x 2 5 0 0 5 3 ． 3 9 mm 叮 T L zu 6 八1一u 4 5 X 1 y u d 0． 45 D 0． 4 5 X 53 ． 3 9 2 4 ． 0 3mm 参照国家标准取活塞直径 D 5 0 m m， 活塞杆 直径 d2 2 mm， 这里尽管选取的活塞直径小于计 算值 ， 考虑系统压力本 身不高 ， 活塞直径缩小对压 力影响不大 ， 同时活塞直径缩小还可以减小液压缸 体积 ， 降低制造成本。根据选定 的活塞直径 、 活塞 杆直 径 ， 计 算 得 液 压 缸 最 大 工 作 压 力 P 2． 1 7 9MPa 。 3 ． 2液压 缸 结构 的确定 锯片液压缸与工作台液压缸结构相同， 均采用 双杆式活塞缸 ， 采用缸体固定式安装方式 。考虑排 气要求设置排气阀 1 3 ， 活塞与活塞杆采用分体式 ， 通过圆锥销 l 0连接 ， 简单可靠 ， 避免了螺纹连接所 导致的轴向尺寸过大 。由于系统压力较低 ， 活塞与 缸体问采用 O形密封 圈密封。液压缸 的具体结构 如图 2所示 。 4 液压 系统主要元件选择 液压缸在 整个 工作循 环 中最 大工作 压 力 为 2 ． 1 7 9 MP a ， 由于进 油路上 无调速 阀 、 管路 比较简 单、 流速不大 ， 取压力损失为 0 ． 3 MP a 3 J ， 所 以液压 泵的工作压力 P 应为 2 ． 4 7 9 MP a 。根据使用要求 ， 快进速度设为 3 0 X 1 0一m ／ s ， 故液压缸快进所需 流 量 q 为2 ． 8 5 L ／ m i n 。为满足快进要求 ， 泵提供的流 量 g p11 ． 1 x 2 ． 8 5 3 ． 1 3 5 L ／ mi n 。 根据液压泵的工作压力 和通过各 阀的实际流 量选用液压元件 ， 液压元件的具体型号及生产厂家 见表 1 5 液压 系统数学模型 根据玻璃切割机液压传动系统原理 图， 得到液 压传动系统简化原理， 如图 3所示 ， 据此建立系统 动态数学模型 ， 分析研究影 响系统动态 品质 的因 素。 液压缸受力平衡方程 -p 2 A _ m c F1 】 9 2 0 1 4年第 4 3卷 机械设计与制造工程 I ∥ ‘L 。 。 4 1 一活塞杆 ； 2 一压盖 ； 3 一螺钉 ； 4 一垫 片； 5 一V形密封 圈； 6 一螺钉 ； 7 0形密封圈 ； 8 一端盖 ； 9 一 活塞； 1 O 一 圆锥销 ； 1 l 一 缸体 ； l 2 一管接头 ； l 3 一排气 阀 图 2液压缸 的结构图 表 1 液压元件选 型表 图 3 液压 系统 简化原理 图 式中 P ， P 分别为液压缸进油腔 、 回油腔压 力； A为活塞的有效面积 ； F 为工作载荷 ； m为活塞 及运动部件质量 ； c 为粘性摩擦阻尼系数； 为运动 速度。 回路的流量方程 ． V 、Q A v r 1 U F l A cpt 式 中 V 为回路高压腔总容积； E 为液压油的有效 体积弹性系数 ； A 为液压缸的泄漏系数 ； 4 为活塞 运动所需流量。 通过调速阀的流量 QIQ 2K a △ p 2 。 ． 2 0 ． 式中 K为与节流阀节流口 形状和液体粘性等有关 的系数 ； △ p 为节流阀的进出口压力差 ； 口为节流阀 开 口过流面积。 由于 △ p 2P ， 所 以 Q 。Q 2K a p 。 6 液压系统性能仿真分析 6 ． 1 液压 系统仿真模型建立及参数设置 为了探讨系统工作各阶段压力 、 速度 、 流量 变 化 ， 根 据 液 压 系统 原 理 ， 在 A M E S i m 草 图模 式 S k e t c h m o d e 下 ， 运用液压元件设计库和机械库 ， 构建液压传动系统的仿真模型_5 J ， 如图4所示。 以工作台液压缸的运动为例， 不计液压泵、 液压缸 泄漏损失， 根据计算结果设置仿真参数 J ， 见表2 。 6 ． 2液压 系统仿真结果及分析 将系统快进 、 稍退让刀、 无切削负载工进 、 有切 削负载工进 、 快退时间都设置为 0 ． 5 s ， 液压系统压 力 、 速度仿真结果如图 5所示。 由图 5 a 可知 ， 液压缸快 进时压力 0 ． 1 4 s后 达到稳定 ， 有切削负载工进时压力 0 ． 1 0 s 后达到稳 定 ， 快退时压力 0 ． 1 4 s 后 达到稳定 。由图 5 b 可 知， 液压缸快进 时速 度0 ． 1 0 s 后 达到稳定 ， 有切削 一 2 0 1 4年第 6期 王立杰 玻璃切割机液压系统设计及系统性能仿真分析 ④ 图4液压传动 系统的仿真模型 表2 系统主要元件仿真参数设置 参数 数值 液压泵排量／ mL r 液压泵转速／ r mi n 溢流阀压力／b a r 液压缸 活塞直径／ mm 液压缸活塞杆直径／ mm 液压缸外力 F／ N 运动部件质量 m／ k g 可调节流 阀流量／ L m i n 可调节流阀压力降／b a r 固定调节流阀流量／ L m i n 固定调节流阀压力降／b ar 负载工进时速度 0 ． 1 4 s后达到稳定 ， 快退 时速度 0 ． 1 2 s 后达到稳定 。 7 结束语 本文不仅根据玻璃切割机 的使用要求 ， 从满足 负载、 速度要求的角度 ， 对液压传动 系统进行 了设 计 。 而且利用 A ME S i m软件对 系统进行 了仿真分 析 ， 仿真结果表明， 玻璃切割机液压 系统工作各阶 段压力 、 速度响应迅速 ， 调整时间短， 工进开始时速 度波动幅度较大 ， 但很快趋于稳定 ， 与实际运行结 O ∞ 0 0 ． 0 2 0 ∞ 一 0 ． O 2 -0 D ‘ -0 ∞ - 0 ∞ l ～珊t _ 2 “ ， w a t p o r t 2 ． r 】 ＼ 0． ～ I l o 。 o t l _ ． f ，} 。 0 2 a 液压缸工作压力变化 曲线 l } I 啦1 吨 坤 c l t y [． ， | 1 l r l l 一 } } ’ r ’ O S l O l S X T i a e 【 l 】 b 液压缸运动速度变化曲线 图 5 系统仿真结果 2 S 果吻合 ， 该液压系统性能满足使用要求 。研究结果 还为玻璃加工设备 的研发提供了参考 。 参考文献 [ 1 ] 李晨 ， 王莉 ， 罗学科． 数控玻璃切割机原片初 始位 姿确定方法 研究 [ J ] ， 机床与液压 ， 2 0 1 1 ， 3 9 1 2 0 2 2 ． [ 2 ] 左健 民． 液压与气压传动 [ M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 3 ． [ 3 ] 章宏甲 ， 黄宜 ． 液压传动 [ M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 1 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o m c r a wl i n g a n d a v o i d s p e e d i n s t a bi l i t y d u rin g u s a g e，i t d e s i g n s a p r i n c i p l e d i a g r a m o f the hy d r a u l i c t r a n s mi s s i o n s y s t e m ，b u i l d s the s y s t e m ma i n p a r a me t e r s a n d h y d r a u l i c c y l i n d e r s t r u c t u r e s ．Ac c o r d i n g t o t h e p ri n c i p l e of h y d r a u l i c s y s t e m，i t e ∈ t a b l i ．,s h e s t h ,e ma t h e ma t i c a l【 mo d e 1 ．o b t a i n s t h e s i mu l a t i o n mo d e I t h r o u g h a p p l i c a t i o n s o f AME S I M s o f t wa r e ．T h e s i m u l a t i o n d e c r i b e s the e a c h s t a g e o f w o r k p r e s s u r e a n d v e l o c i t y v a ri a t i o n c u r v e s ．T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e gla s s c u t t i n g ma c h i n e h y d r a u l i c s y s t e m i s r e s p o n s i v e w i t h the p r e s s u r e a n d v elo c it y i n e a c h s t a g e o f wo r k ．Th i s i s i n a g r e e me n t wi th a c t u a l o p e r a t i o n r e s u l t s．a n d me e t s the r e q u i r e me n t s of ma c h i n e t o o ]l p e r f o r ma nc e ． Ke y wo r d s Gl a s s C u t t i n g Ma c h i n e ；Hy d r a u l i c T r a n s mi s s i o n S y s t e m；Ma the ma t i c a l Mo d e l ；A ME S I M S i mu l a t i o n；P e r f o mma c e 21 摹 i 箱 ∞ s O 舸 如 瑚 姗 。 一 如 姗 。