花键滚轧机液压系统仿真与优化.pdf

Hv d r a ul i c s Pn e u ma t i c s＆ S e a l s ／ No． 6．201 0 花键滚轧机液压系统仿真与优化 王素燕 刘志奇 武宗才 单亚男 太 原科 技大 学 ， 机 电工程 学 院 ， 山西太原0 3 0 0 2 4 摘要 通过对花键滚轧机液压系统工作原理 的分析 ， 达到研究数控滚压机的动态特性的 目的 ， 考虑负载特性 ， 利用仿真软件 A ME S i m 建立了相应的液压模型并进行了动态仿 真。结果表明 ， 对由液压泵 、 液压缸 、 比例伺服阀组 成的比例伺服 阀控缸位 置伺 服系统而言 ， 通 过引入 P I D控制 ， 并进行参数优化 ， 可使得由液压缸驱动的负载位移得到精确控制 ， 能很好地使加工 的花键达 到要求； 使用 A ME S i m软 件的参数优化功能 。 可以减少参数调试的时间 ， 所得到的最优参数能极大的提 高负载的运动精度。 关键词 花键滚轧机； 液压系统； A ME S i m； 动态仿真； 优化 中图分类号 T G 3 0 1 文献标识码 A 文章编号 l o o 8 - o 8 1 3 2 o l o o 6 0 0 3 5 - - 0 4 The S i mu l a t i o n a nd Opt i mi z a t i o n Hy d r a u l i c S y s t e m o f Co l d R o l l i n g S p h n e WANG S u - y a n L I U Z h i q i WU Z o n g - c a i S HAN Y a - n a n 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 o n i c E n g i n e e r i n g， T a i y u a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， T a i y u a n 0 3 0 0 2 4 ， C h i n a Ab s t r a c t B y a n a l y s i s w o r k i n g p ri n c i p l e h y d r a u l i c s y s t e m o f t h e s p l i n e r o l l i n g ma c h i n e ， t h e s e r v o _ h y d r a u l i c p r o p o r t i o n al c o n t r o l s y s t e m o f t h e s p l i n e r o l l i n g ma c h i n e w a s mo d e l e d a n d d y n a mi c s i mu l a t e d b y me a n s o f t h e s o f t wa r e AME S i m， c o n s i d e r t h e l o a d c h a r a c t e r i s t i c ， i n o r d e r t o s t u d y CNC rol l i n g ma c h i n e d y n a mi c c h ara c t e r i s t i c ． T h e r e s u l t s h o ws t h a t f o r v a l v e - c o n t r o l l e d c y l i n d e r p o s i t i o n s e r v o s y s t e m s ，b y i n t r o d u c i n g P I D a n d p ara me t e r o p t i m i z a t i o n ．S o t h e r e q u i r e m e n t o f t h e s p l i n e c a n b e m e t d u ri n g w o r k i n g ．T h e a d j u s t i n g t i m e o f t h e s y s t e m p a r a me t e r s i s s h o rt e n e d b y me a n s o f t h e o p t i mi z a t i o n f u n c t i o n i n AME S i m， a n d t h e p o s i t i o n a c c u r a c y o f l o a d i s i mp r o v e d g r e a t l y b y u s i n g t h e o b t a i n e d o p t i mi z e d p a r a me t e r s ． Ke y W o r ds s p l i n e rol l i ng ma c hi n e； h y d r a ul i c s y s t e m； AMES i m； dy n a mi c s i mu l a t i o n ； o pt i mi z a t i o n 0 引言 1 基 于 AME S i m的花键滚 压机液压 系统 花键冷滚压是一种先进的花键加工工艺， 它是利 仿真模 型建立 用 常 温 拿 材 具 有 一 定 塑 的 冀 点 ， ．用 一 对 形 1 ．1 花 键 滚 轧 机 液 压 系 统 原 理 模 具 连 续 旋 转 并 径 向 进 给 ，对 ．工 坯 料 进 滚 压 ， 使 譬 国 产 Z 2 8 K J 一 2 0 型 数 控 滚 压 机 为 原 型 ， 其 滑 台 驱 材 料 竺 ， ． 花 动 采 用 高 精 度 比 例 伺 服 阀 控 制 液 压 缸 ， 液 系 统 工 作 法Ⅲ 。花键冷滚压机滑台进给运动由液压系统提供动 厦硼加图 1昕示 力． 要滚压出高精度的花键 ． 除了要求液压系统必须完 一’⋯ ⋯ ⋯～。 u ，． 一l 1 ． ． 成规定的动作循环和满足静态特性外 ，还要求液压系 统必须 具有 良好 的动态 特性 。 花键冷滚压成形工艺要求机床在滚压花键过程 中， 两滚压轮的中心距按恒定速度进给或保持不变。由于成 形过程中金属变形抗力变化范围较大， 驱动滚压机滑台 的液压系统在工作过程 中运动速度和位置精度 等都不 易保证， 对其液压系统的动态特性有较高的要求。 本文利用 A ME S i m仿 真软件 对花键冷滚压机床液压 系统建立了仿真模型，经实验辨识了系统的主要工作参 数， 对液压系统的工作过程进行动态仿真并加以优化。 基金项 目 国家 自然科学基金资助项 目 5 0 6 7 5 1 4 5 ， 山西省科技 攻关项 目 2 0 0 6 0 3 1 1 4 7 收稿 日期 2 0 1 0 - 0 1 2 7 作者简介 王素燕 1 9 8 2 ～ ， 女 ， 太原科技大学硕 士研究生 ， 研 究方向 机电 系统控制及自动化 。 l 一吸油滤油器2 一 柱塞泵3 一 电动机4 一 压 力管路滤油器 5 - 直通单向阀6 一 减压阀7 一 溢流阀8 一 直通单向阀 9 一比例伺服阀 1 O 一 液压缸 1 1 - 光栅尺 图 l 花键滚轧机的液压系统 图 3 5 液 压 气 动 与 密 封／ 2 0 1 0年 第 6期 其核心组成部分为电液 比例伺服阀、液压缸和光 栅位移传感器。输入信号由数控装置产生 ， 经过电子环 节处理后 ， 传递给 比例伺服阀控制驱动板 ， 由比例伺服 阀控制液压油的流动方 向和大小从而控制液压缸的位 移 。液压缸推动滑台 ， 从而带动滚压模具压 向工件 ， 随 主轴旋转范成出齿形。光栅位移传感器实时采集液压 缸 的位移数据 ， 并将其反馈给电子环节部分 ， 实现液压 缸位移的闭环负反馈控制。 1 ． 2液 压 系统 仿真 模型 的建立 1 在 A ME S i m环境下 ， 利用 S k e t c h模式并调用系 统提供的液压库 、机械库和信号库建立如图 2所示 的 液压系统仿真模型图[2 1 。 图 2花 键滚 轧 机 液 压 系 统 仿 真 模 型 图 2 1 主要元件参数设置【 3 】 。 1 液压缸 缸筒内径是 1 6 0 m m， 行程是 1 0 0 m m， 由 于是 单 杆液 压 缸 。 左 腔 活塞 杆 直径 设 为 0 ， 右腔 活 塞杆 直径设 为 8 0 m m。 2 1 比例伺服阀 型号 a t o s 0 8 1 l 4 0 4 0 4 3 。 3 1 液压 泵排量 是 1 5 L ／ mi n 。 4 溢 流阀 型 号 MR F 一 0 3 P K 2 3 0根据 系统 最高 压 力设 定 为 1 0 MP a 。 5 1 减压阀 型号 MP R 一 0 3 P - K 2 3 0 。 6 1 电动机设定其转速是 1 5 0 0 r ／ mi n ， 功率为 4 k W。 2 负载特性分析 根据该花键滚轧机负载的特性 ，考虑系统的连接 刚度、 负载刚度 以及液压油压缩性形成 的弹簧刚度 ， 可 以把该系统看作一个多 自由度液压动力机构。根据变 形能不变原理和动能不变原理 ，系统负载可以折算到 上， 如图 3所示 的负载模型[4 1 。 札 图 3等 效 负 载模 型 _负载干扰力矩折算到活塞处的等效干扰力 。 _～负载惯量折算到活塞处的等效质量 ； _ 负载 连接 刚度 ； K 液压缸缸筒与台架之间的连接刚度； Q 。 、 Q 厂流入和流出液压缸两腔的流量； 。- 一 液压缸缸筒位移 ； A。广一 液压缸的有效面积； 尬_一 负载质量； 活塞质量 。 根据等效负载模型， 可以列出如下的基本方程圈 1 伺服阀的流量方程为 Q L K 一 K 4 9 L 式中 p 。 _液压缸的负载流量； K 伺服阀的流量增益； 伺服阀阀芯位移 K。 一流量一 压 力系数 ； p 一 _液压缸 的负 载压力 p 印 - - p 2 液压缸的流量连续性方程为 Q X o 嚣sp L 式中 A厂伺服阀两腔的总容积 ； 一 等效体积 弹性模 量 ； C 广伺服阀总的泄漏系数。 3 液压缸和负载的力平衡方程 A rP L K L c - _ L 4 负载的力平衡方程为 。 - X L ML s F L 5 液压缸缸筒的力平衡方程 A K c 3 仿真研究 仿 真 中油 液密度 为 8 5 0 k g ／ m ，动力 黏度为 5 ． 1 1 0 Z P a s ， 温度为 4 0 C； 液压缸缸筒 内径是 1 6 0 m m， 长度 是 1 0 0 mm，活塞杆直径是 8 0 m m；质量元件 M质量是 1 0 0 kg 。 3 ． 1确定 比例增益 值 花键冷滚压加工过程 中， 滑台运动可分三个阶段 ， 快速接近工件 ； 保持 中心距 ； 快速退 回。经实验辨识 ， Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s＆ S e a l s ／ NO ． 6 ． 2 01 0 0 ～ I s 为 快进 ，行 程 约 5 ． 3 ra m； l ～ 3 s 时液 压缸 原 位保持 ， 精整滚压 3 s 后液压缸退 回。 利用 A ME S i m软件 中的批处理功能来分析比例增 益对 位移 、速度 的影 响 。分别 设 置系 统 比例增 益 K 为 1 0 0 、 1 6 0 、 2 0 0 、 2 5 0 ， 设置采样时间为 0 ． 0 0 1 S 。 图 4所示为液压缸位移 曲线 ， 由图可以看 出， 系统 的位移换接不平稳 。 有冲击 。由于负载特性 的影响 ， 系 统的响应速度慢 ， 0 ～ l s 液压缸快速进给 ， 1 ． 5 s 时系统达 到指定位置 ， 比设定值滞后 0 ． 5 s ， 因精滚压时间为 2 s ， 0 ． 5 s 的滞后时间影响加工精度 ， 不能满足系统要求。由 图 5可以看出随着 比例增益 的增大液压缸的响应速度 变快 ， 但是 当比例增益增大到 2 5 0 ， 系统的振荡现象加 剧， 导致系统的稳定性很差。所 以单纯地提高系统的比 例增益也许可 以满足系统所要求的响应速度 ，但会使 整个 系统不 稳定 。 墨 l 量 喜 { 昙 喜 罢 蛊 1 ． 0 0 图 4液压缸位移 曲线 3 - 2 基于 A ME Si m 系统 的参数 优化 为了使加工 的花键更能满足要求 ，在系统中引入 校正装置。在工程实际中 P I D 比例一 积分一 微分 控制 ， 应用最为广泛。通过调节 P I D的参数， 可实现在系统稳 定的前提下 ． 兼顾系统 的带载能力和抗干扰能力 。 本文借助 AME S i m中的优化功能中的遗传算法对 液压位置伺服系统的 P I D参数进行优化。 首先确定参数范围，运用 A ME s i m的批处理功能 分别对 P I D的 3个参数进行批处理 ，观察参数变化对 液压缸速度 、 位移的影响 ， 批处理参数范围为比例参数 Kp 5 0 ， 1 0 0 ， 1 6 0 ， 2 0 0 ， 3 0 0 ， 5 0 0 ， 积分参数 K 0 ． 0 1 ， 0 ． 5 ， 1 ， 1 0 ， 2 0 ， 1 0 0 ， 微分参数 K d 0 ， 0 ． 0 1 ， 0 ． 0 5 ， 0 ． 1 ， 0 ． 5 ， 0 ． 6 。通 过批处理仿 真结果分析最终确定参 数范 围为 K p 0 ～ 3 0 0 ， K i 0 ～ 1 0 0 ， Kd 0 0 ． 6 。 利用 D e s i g n E x p l o r a t i o n对系统进行 讹 的步骤如] 1 根据优化 目标 ， 确定输入输出变量。本文中， 优 化 的目标是使液压缸所驱动的负载位移得到精确的控 制 。在本系统 中， P I D 3个参数作为输入变量来调试 系 统 。液压缸的位移和速度作为输出量。 2 定义输入输 出变量。在 E x p o r t s e t u p模块中 ， 在 I n p u t P a r a me t e r s中将 P I D的参数作为输人变量 ， 在 C o m p o u n d O u t p u t P a r a m e t e r s中输入 液 压 缸 的 位移 及 速度作为输出变量。 3 优化参数 ， 寻找最优解 。在运行模式 下打开 D e s i g n E x p l o r a t i o n模块 ， 创建优化过程。【 7 J 选取 3个输 入变量作为优化参 数 ，并分别定 义其 上下 限。选 择 G e n e t i c a l g o r i t h ms 作 为优 化方 法 ， 设 定种 群大小 为 3 0 。 复制概率 0 ． 8 ， 变异概率 0 ． 0 3 ， 经过 4 8 6代进化后得 到 优 化后 的 P I D参 数如 下所示 Th e b e s t s 0 l u t i n n f o u nd i s 图 5液压缸速度 曲线 图 7 优 化后液压缸速度曲线 3 7 液 压 气 动 与 密 封／ 2 0 1 0年 第 6期 T Y 1 6 5 A液力变矩器轴承的改进 林 义 何 芳 张锡杰 谈 健 f 中国船舶重工集团公司第七一一研究所上海2 0 0 0 5 1 摘要 文章对 T Y 1 6 5 A液力变矩器两次轴承的改进分别进行了论 述 ， 分析了 7 2 0 9轴承的工作工况 、 损坏特 点和原因， 在该轴承的配 置方式 、 内部结构和安装方 法等多方面实行 了改进措施 。 对 6 3 1 1 C 4轴承的损坏进行现场调查和轴承支承结构分析 ， 找出两次轴承损坏 的内在联系 ， 用更能承受轴向冲击的 Q J F 3 1 1轴承代替 6 3 1 1 C 4轴承 ， 经二年多的时间验证 ， 两次轴承改进是有效 和成功的。 关键词 液力变矩器； 轴承； 轴向冲击 中图分类号 T H1 3 7 ． 3 3 2 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 l 0 1 0 6 0 0 3 8 0 3 Th e I m p r o v e m e nt o f t he Be a r i n g s i n th e TY1 6 5 A To r q u e Co n v e r t e r L ／ N Y i H E F a n g Z H A N G Xi qi e T AN m S h a n g h a i Ma r i n e D i e s e l E n g i n e R e s e a r c h I n s t i t u t e ， S h a n g h a i 2 0 0 0 5 1 C h i n a Ab s t r a c t T h e r e a r e p r o p o s e d i n t h e p a p e r t h e d i s c u s s i o n o n t h e s e c o n d i mp r o v e me n t o f t h e b e a r i n g s i n t h e Ⅳ l 6 5 A t o r q u e c o n v e r t e r , t h e a n a l y s i s o f the c o n d i t i o n f e a t u r e s o f d a ma g e i n b e a r i n g 7 2 0 9 a n d the i r r e a s o n s a n d the i mp r o v e me n t o f t h e b e a r i n g s ’ e q u i p me n t ， i n t e r - s tr u c t u r e a n d t h e i n s t a l l a t i o n ．T h e o n s i t e r e s e a r c h a n d the a n a l y s i s o f c o n s t r u c t i o n are p r o v i d e d t o the d a ma g e d b e a r i n g 6 3 1 1 C 4 i n a b i d t o fi n d t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n the two d a m a g e s a n d r e p l a c e i t w i t h b e a ri n g Q J F 3 1 1 w h i c h c a n e n d u re m o re a x i a l i mp a c t ．T h e s e c o n d i mp r o v e me n t i s p r o v e d t o b e e f f i c i e n t a n d s u c c e s s f u l b y mo r e t h a n two y e a r s ’ O e x p e r i me n t s ． Ke y W o r d s t o r q u e c o n v e rt e r ； b e a r i n g ； ax i a l i mp a c t O 引言 T Y1 6 5 A液力 变 矩 器是 T Y1 6 5液力 变 矩器 的改 型 产品。根据使用中出现的轴承故障情况 。 通过调查 、 分 析和研究 ，对原 T Y1 6 5液力变矩器内部结构中的轴承 进行了两次重要的改进工作。 收稿 日期 2 0 0 9 0 7 2 0 作者简介 林义 1 9 5 4 一 ， 男 ， 高级工程 师 ， 毕业于上海工程技术大学 ， 现 主要从事液力变矩器的设计与开发 。 1 7 2 0 9轴承 的改进 T Y 1 6 5 A液力变矩器上 的 7 2 0 9 A C ／ D F轴承是 以面 对面配置成对安装 的角接触球轴承 。轴承的内环安装 在输出轴上 ， 外环安装在罩轮上 ， 如 图 1所示。这对轴 承的一个重要作用是轴向定位 ，保证液力变矩器的泵 轮 、 涡轮和导轮之间的轴向安装间隙 ， 使液力变矩器在 工作时三轮不发生碰撞和摩擦 。在装机使用 1 0 0多台 中， 出现几例 7 2 0 9 A C ／ D F轴承损坏情况。 4结 论 采用 A ME S i m软件 。对花键滚轧机 的比例伺服阀 控缸位置伺服系统进行 了仿真， 结论如下 1 由液压泵 、 液压缸、 比例伺服阀组成的比例伺服 阀控缸位置伺服系统 ，其位移 由于负载特性 的影响很 难得到精确控制。 2 随着 比例增益的增大。 系统响应速度变快 ， 但增 加到一定值 ， 系统不稳定。所以 ， 单纯地提高系统的比 例增益也许可以满足系统所要求的响应速度 ，但是会 使 整个 系统不 稳定 ， 这种方 法不 可取 。 3 通过引入 P I D控制器 ，使用 A ME S i m软件的参 数优化功能 ， 可 以减少参数的调试的时间 ， 所得到的最 优参数能极大的提高负载的运动精度 。 ● 一一 参 考 文 献 【 1 】 葛便京 ， 杨有亮 ， 冯春英． 渐开线花键轴冷滚轧 轮的设计【 J 】 ． 工 具技术 ， 1 9 9 8 ， 3 2 1 2 2 4 - 2 6 ． 【 2 】 付永领 ， 祁 晓野． A ME S i m 系统建模 和仿 真 从 入 门到精通 【 M1 ． 北京 北京航空航天大学出版社 ， 2 0 0 6 ． 【 3 】 C h e n g G u an， S h u a n g x i a P a n A d a p t i v e s l i d i n g m o d e c o n t r o l o f e l e c t r o- h y d r a u l i c s y s t e m wi th n o n l i n e a r u n k n o w n p a r a me t e r s ． E n g i n e e ri n g P r a c t i c e 1 6 2 0 0 8 1 2 7 51 2 8 4 ． 『 4 1 谈宏华， 张业建． 多自由度电液伺服系统动态特性研究叨． 液 压气动与密封 ， 2 0 0 5 3 2 8 - 3 1 ． 【 5 】 王春行． 液压伺服控制系统【 M】 ． 北京 机械工业 出版社， 1 9 8 7 ． 『 6 16 夏琴 香， 李小龙 ， 周思聪． 基于电液控制的皮 带轮旋压机床主 轴位置精度的仿真与优化『 J 】 ． 机床与液压， 2 0 0 8 ， 3 6 1 2 1 5 8 - 1 61 ． 『 7 1 马长 ， 黄先祥 ， 郝琳． 基于 A ME S i m的电液伺服系统仿真与优 化研究[ J ] ． 液压气动与密封 ， 2 0 0 6 1 3 2 - 3 4 ．