快锻液压机新型电液比例控制系统研究.pdf

2 0 1 1 年 3月 第 3 9卷 第 5期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I CS M a r ． 2 01 1 Vo 1 ． 3 9 No ． 5 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 5 ． 0 1 6 快锻液压机新型电液比例控制系统研究 赵静一，曹文熬，王彪 燕山大学河北省重型机械流体动力传输与控制重点实验 室，河北秦皇岛 0 6 6 0 0 4 摘要电液比例控制系统在快锻液压机中的应用 日益广泛。提出采用三通插装阀的新型电液比例控制系统的方案，建 立其数学模型和仿真模型并与单独设置高压卸荷阀的控制系统进行对比。结果表明系统用三通比例插装阀控制，无需单 独设置高压卸荷阀，控制性能更好，并用蓄能器作辅助动力源，起到节约制造成本和节能的效果。 关键词快锻液压机 ；电液比例控制 ；比例插装阀 中图分类号 T H1 3 7 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 5一o 4 7 3 S t u dy o n Ne w El e c t r o - h y dr a u l i c Pr o p o r t i o n a l Co n t r o l S y s t e m o f F a s t Fo r g i n g Hy dr a u l i c Pr e s s z HAO J i n g y i ， C AO We n a o，WANG Bi a o P r o v i n e i a l K e y L a b 6 r a t o r y o f He a v y Ma e h i n e r y F l u i d P o w e r T r a n s mi s s i o n a n d C o n t r o l ， 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 He b e i 0 6 6 0 0 4，C h i n a Ab s t r a c t El e c t r o h y d r a u l i c p r o p o r t i o n a l c o n t r o l s y s t e m w a s wi d e l y u s e d i n f a s t f o r g i n g h y dr a u l i c p r e s s ．T h e n e w e l e c t r o h y d r a u l i c p r o po r t i o n al c o n t rol s y s t e m b y u s i n g t h r e e wa y c a r t r i d g e v alv e wa s p r e s e n t e d，a n d i t s ma t h e ma t i c al mo d e l an d s i mu l a t i o n mo d e l w e r e b u i l t ．T h e n e w c o n t r o l s y s t e m w a s c o mp a r e d wi t h c o n t r o l s y s t e m mo u n t o f h i g h p r e s s u r e u n l o a d i n g v alv e s e p ara t e l y ． T h e r e s u l t s s h o w t h a t c o n t r o l p e r f o r ma n c e i s e v e n b e t t e r f o r s y s t e m c o n t rol l e d b y t h r e e - wa y c a r t r i d g e v a l v e ，wi t h o u t mo u n t o f h i g h p r e s s u r e u n l o a d i n g v a l v e s e p ara t e l y，a n d ma n u f a c t u r i n g c o s t a n d e n e r g y are s a v e d b y u s i n g a c c u mu l a t o r a s a u x i l i a r y po we r s o u r c e ． Ke y wo r d sF a s t f o r g i n g h y dra u l i c p r e s s ；El e c t r o h y d r a u l i c p r o p o r t i o n al c o n tr o l ； P r o po rt i o n al c a r t r i d g e v a l v e 锻造 液压 机 系统 的 流量 大 、惯 性 大 ，易 产生 振 动 、冲击 ，最理想 的锻造轨迹 曲线是正弦 曲线 。找到 一 种锻造精度高 、快速性好 、制造成本低的控制方案 是人们一直追求的 目标 。传统的快锻液压机是用多级 插装阀控制，虽然制造成本低，但多级插装阀控制实 质上是开关量控制，响应速度慢 ，易产生冲击。近年 来产生了一种控制性能非常优越的正弦泵控制系统， 快速性好 ，锻造精度很高 ，但成本太高 ，一台正弦泵 就在百万 元 以上 。随着 大通 径 比例插 装 阀 的研 制成 功 ，改变 了快锻液压机 的状况 ，电液 比例控制系统在 锻压机上应用 日益广泛 。现在应用较广泛 的电液 比例 控制系统是将主缸进油流量控制 阀与高压卸荷阀分 开 ，卸荷阀是用二通的 比例插装 阀，使得工进过程和 卸荷过程之间过渡的连续性、快速性受到影响，且冲 击较大，增加了调试系统的困难。为了处理好工进过 程与卸荷 过程 的过渡 ，作者 提出采用 三通的插装阀控 制系统 ，实质是 调节两个 节流 口的开度 ，使 锻造 轨迹 接 近于正 弦曲线 。 1 比例插装阀 以力士乐 生 产 的通 径 在 6 3以上 的 比例 插 装 阀 WR C阀为例，对 比二通插装阀和三通插装 阀的 区别 。 比例 二通插 装阀机能符号及其示意图如图 1 所 示 。三通 的如图 2所示 。 图 1 二通比例插装阀机能简化符号 l l 3 ， YI A‘ 图2 三通比例插装阀机能简化符号 比例插装阀的通径可达 1 5 0以上，最大工作压力 可达 4 2 M P a ，响应时间一般在几十毫秒 ，最大流量 可达 5 0 0 0 o L ／ mi n 。 由机能符号可 以看 出 ，一个三通 的插装 阀具有两 个二通插装 阀的功能 。三通插装 阀用于锻 压机 ，P口 供油时，T口并非完全关闭，而是有一很小的开度， 这样当工作行程完时，T口将开到最大 ，迅速卸荷并 排油，而 P口关到很小，直到下一周期开始。相当于 收稿 日期 2 0 1 0 0 4 2 7 作者简介赵静一 1 9 5 7 一 ，男，博士，教授 ，主要研究方向为电液控制系统。电话 1 3 6 0 3 3 5 8 2 7 0 ，Em a i l z j y 8 0 5 2 0 4 9 y a h o o ． e o m．c n。 4 8 机床与液压 第 3 9卷 连续地调节两个节流 口的开度来切换 工况 间的转换 ， 工况转换时间短 ，且 冲击小 。所以从性 能上讲 ，三通 插装 阀用于锻造液压 机上 ，系统的快速性 和稳定性较 好。 2系统简化模型 新型快锻液压 压机 电液 控制 系统 模 型如 图 3所 刁 o l 一 供 油 泵2 一 插 装 阀3 一 电 磁 溢 流 阀4 一 三 通 比 例 插 装 阀 5 、9 一蓄 能器6 、7 一 比例 插 装 阀8 一安 全阀1 0 、1 2 一 回程 柱塞 缸l 1 一 工 作柱 塞缸 图 3 快锻液压机新型电液 比例控制 系统简化模型 工作行 程 。阀 4的 P 口开度 很 大 ，T 口开 度很 小 ，油液进 入 工作 柱塞 缸 1 1 ，推 动 活 动横 梁 下行 。 回程缸中的油进入蓄能器 9 。 高压卸荷 。工作行程结束时 ，阀4的 T口开度很 大 ，P口开度很小 ，高压油进入油箱卸荷。 回程 。随着工作缸的卸荷 ，蓄能器 9中的油液释 放 ，进入 回程柱塞缸。推动活动横梁 回程 。供油泵提 供的油液进入蓄能器 5储存起来 ，在工作行程时与泵 一 起提供给工作缸。 比例阀 6 在 回程缸 回程流量不足 时向其 补油 ，比 例阀7用于回程缸的放油。安全阀 8 还起着支撑作用。 此系统用蓄能器提供 回程时的油液 ，无需再用泵 供油给 回程缸。蓄能器 5能瞬时提供高压油 ，使得 系 统建压时间短 ，并减少 了供油泵的数量 ，起到 了节能 的效果 ，提 高了快速性 。 蓄能器是实现快锻液压机节能的关键元件 ，既作 压下行程的辅助动力源 ，又作 回程 的辅助能源 。在快 锻液压机组控制系统中，通常选皮囊式蓄能器和活塞 式蓄能器 ，它们在工作性能上 区别不大 ，皮囊式 蓄能 器成 本低 ，所 以常被选用 ，但皮囊 由于工作时间过长 而产生破 坏碎 片 ，可 能随油 液进 入到 液压 系统 管路 中。活塞式蓄能器成本高但没有上述的问题。 3 数学模型 对上述快锻液压机新 型电液 比例控制系统进行数 学建模 ，有 助于进一步认识和分析 。 3 ． 1 电液 比例插 装 阀 此系统 可看作是阀控液压缸 系统 ，当液压执行器 的 固有频率低于 5 0 H z 时 ，主级插装阀芯和先导 电液 比例阀输入 电流的关系可用一 阶环节表示为 X Kv x I o 1 -_ O vx 式 中 为 比例阀阀芯位移 ； 为输入 电流 ； 为增益 ； 为固有频率 。 比例 阀的线性化流量方程为 Q LK q X 一K c P L 式 中Q 为通过比例 阀口的流量 ； 为 比例阀的流量增益系数 ； 为比例 阀的流量 一 压力 系数 ； P ．为负载压力。 3 ． 2液 压 缸 流人工作柱塞缸的流量 Q 为 ． Q l A I s X p C ． p P L P L 从 回程柱塞缸流出的流量 Q ， 为 Q z A 2 s X p C c p P L 一 P L 式 中 ． 为工作柱塞缸有效工作面积 ； A 为 回程柱塞缸的有效工作面积 ； 。为柱塞位移； c 为柱塞缸外泄漏 系数 ； 为有效体积弹性模量 ； ．为工作柱塞缸的容积 ； 为 回程柱塞缸的容积 。 3 ． 3执行机 构 柱塞缸、活动横梁等构成了执行机构。执行机构 存在着摩擦等非线性因素，但采用线性化方法分析系 统的动态性 能时 ，需将这些 非线性负载忽略。 执行机构 的动力学方程 为 A l P 1 一A 2 P 2 GB p s X pF Lm t s p 式中G为机架的等效重力； 。为负载黏性阻尼系数 ； ．为任意外负载力； m 为机架的等效 质量 。 3 ． 4 蓄能器 蓄能器在快锻液 压机 中作辅助动力源 ，其数学模 型 为 ． △ p 瑚 ， P 式 中P x o 为气腔部分某确定工作点压力 ； 第 5期 赵静一 等快锻液压机新型电液比例控制系统研究 4 9 为气腔部分某确定工作点体积； P 为气腔任意工作状态点的压力； 。为气腔任意工作状态点的体积。 对于 回程缸 ，其 回程 所需 油液 全 由蓄 能器提供 ， 回程缸与蓄 能器 组成 封 闭油 腔 。忽 略管 道 特性 的影 响 ，则回程 缸流量 的变化 就是 蓄能器 内流量 的变化 ， 回程缸 的压力变化就是蓄 能器 的压力变化 。 Q _ A 2 鲁 p2 px l 4仿真研究 针对 上述 的系统模 型 ，可用 A ME S i m软件对其进 行仿真研究 ，利用此软件建立的仿真模型就像液压系 统模型，形象直观 ，无需通过繁琐的数学模型推导传 递函数。以 1 0 0 0 t 的快锻液压机为例设置仿真参数 工作柱塞缸径 7 2 0 m m，回程柱塞缸两个 ，缸径为 2 6 0 m m，泵 的出口压力 2 6 M P a ，工作 行程 3 0 m m，压 下 量为 5 IT I I T I ，工 作 频率 9 0 7／ m i n ，回程 力 为 2 MN 。 一 个周期 中阀的总 响应时 间大致 在 0 ． 2 S ，可 以算得 所需各参数。蓄能器的各参数参照皮囊式活塞蓄能器 的经验公式 。 通过建立应用较为广泛、单独设置高压卸荷阀的 控制系统 如图 4 和用三通 比例插装 阀控制 的新 型 电液 比例控制系统 如 图 5 模型进行仿真对 比。 图4 单独设置卸荷阀的快锻液压系统仿真模型 l。 一’ 一’一 一 一 一⋯一’一’ 一 图5 三通插装阀的新型快锻液压系统仿真模型 建立仿真系统模型时，在不影响仿真结果的前提 下 ，可进行一些简化处理 ，锻压机的一个工作柱塞缸 和两个 回程柱塞缸 可简化 为一个 单出杆双作用非对称 活塞缸 ，并且可在仿真软件 中设置双作用活塞缸 的两 腔活塞 的有效作用面积不 同。这样简化处理并不影响 仿真结果。 由于在 A ME S i m的标准元件库中没有对应的三通 比例插装阀，但是三通比例插装阀本质上是对两个节 流 口的调节 ，且 阀的参数 可以由用户任 意设定 ，所 以 可用标准元件库 中的三位 四通 比例阀来代替 三通 比例 插装 阀。 对于锻造液压机 电液 比例系统都采用 闭环位置控 制，所以在仿真模型中需加入位移传感器和 P I D调节 器。 仿真结果对比。在 同样的仿真参数下，图6中， 虚线为单独设置二通比例插装阀卸荷系统工作柱塞缸 流量曲线，实线为三通比例插装阀系统的工作柱塞缸 流量 曲线 。从两种系统 的工作柱塞缸 的流量 曲线可 以 看 出，三通阀的流量 曲线 更接 近正 弦曲线 。图 7中， 实线为三通阀控制系统的活动横梁位移曲线，即锻造 轨迹曲线；虚线为二通阀系统的锻造轨迹曲线，可以 看 出三通 阀系统的轨迹 更接近正弦 曲线 。图 8 表示 两 种 系统 的回程缸 压力变 化 曲线 ，虽然压 力都 在波 动 ， 但对 比之下三通 阀控系统 比二通 阀控 系统波 动要小 。 总之 ，从仿真结果看 ，三通 比例插装 阀控系统 比单独 设置卸荷 阀的系统性能要优越 。 卜一三 通 阀2 一 二 通 阀 3 主。 ． 壤 一3． 时间／ s 图6 两种系统的工作 柱塞缸油 口的 流量动态变化 霸 时 间／ s 图7 两种系统的活动 横梁运动 曲线 0 ． 0 0 ． 5 1 ． 0 1 ． 5 2 ． 0 2 ． 5 时 间， s 图 8 两种 系统 回程缸压 力曲线 5结论 作者对快锻锻压机新 型电液 比例控制系统进行 了 下转第 5 2页 5 2 机床与液压 第 3 9卷 元。将理想 的摇摆 曲线 和实 际摇 摆 的位 置值 进行 比 较，计算位置偏差 P ，位置偏差 P 和偏差变化率 通过模糊化后得到输入模糊量 △ P和 ，再将其作为 模糊控 制器 的 二维 输 入 ，经 过 查表 和 P ＆ 符 号 判 断 ，输 出模糊控制量 。 图中 k P 和 k 分别 为位 置偏 差和 速度 的量化 因 子 ，△ P 、 和 分 别 为位 置偏 差 P 、微分 速度 和输 出速度量 的控制曲线集 ，所以该控制是一种 比 例 、积分 、微分 P I D 控制方式 。这种 控制可 以较 好的消 除稳态静差 ，其控制模型算法为 r I P o k l ≥P o ～ U { [ △ P 1 一 ] 卢 ∑ ≥ 0 t △ 尸 1 一 其他隋况 1 3 ． 2 控 制策略 实施 按照 图 3控制原理 和 控制模型公式 1 ，首先 在工控机上通过用户人机 界面 ，设定各 轴摇摆 曲线 周 期 、幅 值 、摇 摆 时 间，解算软件解算其最大 速 度 、加 速 度 、循 环 次 数 。然后通 过安装在各轴 端 的旋转变压器实时测 出 台体实际摇摆角度值 ，经 R ／ D转换卡将角度旋变量 转换为角度数 字量 传送给 工控 机 ，作 为 位 置反 馈 ； 通过模糊控 制器计 算得 出 当时需要输 出的速 度控制 图4 系统软件流程图 量 ，经 D ／ A转换 ，传送给伺服控制器驱动 电机运转 。 其控制流程 图如 图 4所示 。 3 ． 3测试 效果 通过在该摇摆 台放置 3 0 0 k g 被试验设备 ， 进行 测试，给定周期为 1 0 s，三轴幅值均为 l 5 。 ，按照正 旋波曲线运行，其 中纵摇轴运行跟踪 曲线如图 5所 示 。 图 5 纵摇正旋 曲线跟踪效果图 可以看出，实际测试曲线与给定运行曲线相比主 要在时间上有滞后 ，通 过测试其滞后 时间在 0 ． 1 s 左 右 ，其运动幅值 、运动周期与给定曲线相 比较误差很 小 ，因此用于摇摆测试 的试验平台时间滞后不影响测 试 效果 。 另外 ，通过 极 限参数 测 试 ，摇摆 台三轴 运动 周 期 、运动 幅值可调 ，横摇和纵摇最小周期均可 以达到 4 s ，且其运动幅值最大可以达到 3 0 。 ，艏摇幅度可 以到达 1 0 0 。 ，摇摆 速度在 1 。 ／ s ～ 6 。 ／ s 可调 ，且三轴 倾斜位置控制精度可以达到 l O ” ，满足指标要求。 4 结束语 该摇摆 台已交付 用户 3年多 ，实 际运 行 结果表 示 该系统功能完 善、运 行稳定 ，达 到 了设 计指 标 ， 已圆满地完成多种型号仿真实验的任务 。 参考文献 【 1 】李学忠， 黄守训， 林其生， 等． 船用摇摆试验台建模和控 制系统设计[ J ] ． 电气传动， 2 0 0 6 ， 3 6 1 1 1 1 1 5 ． 【 2 】汪木兰， 邵群涛， 左健民． 数控机床用模糊型位置控制器 的研究 与实现[ J ] ． 制造业 自动化 ， 2 0 0 7 ， 2 9 7 3 1 3 5 ． 【 3 】 李发海， 等． 电机与拖动基础[ M] ． 北京 清华大学出版 社 ， 1 9 9 4 ． 上接第 4 9页 阐述，建立了其数学模型、仿真模型，并通过仿真研 究对 比其性能 。通过仿真结果对 比可看出大通径三通 比例插装 阀系统性能 比单 独设置高压卸荷阀的系统更 优越 。但具体在锻造液压机 上应用 时需要反 复调试 ， 控制好三通比例插装阀的节流口开度。 参考文献 【 1 】陈柏金． 锻造液压机组液压控制系统研究[ D] ． 武汉 华 中理工大学 ， 2 0 0 0 ． 【 2 】孔祥东， 李楠， 姚静， 等． 2 2 MN快锻液压机快锻控制特 性研究[ J ] ． 液压与气动， 2 0 0 8 1 0 3 7 3 9 ． 【 3 】权凌霄， 孔祥乐， 高英杰， 等． 不考虑进口特性的蓄能器 吸收吸收冲击理论及试验[ J ] ． 机械工程学报， 2 0 0 7 ， 4 3 9 2 8 3 2 ． 【 4 】 权晋花． 基于蓄能器的旧式水压机改造[ J ] ． 装备， 2 0 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