液压冲床油缸泄漏研究与仿真.pdf

室题虚拟制造嵇仿真技术 T o p ic s V ir tu a t Ma n u f a c t u r e a n d S imu l a t io n T e c h n o lo g y 液压冲床油缸泄漏研究与仿真 李 硕 胡军科 南现伟 周友中 中南大学机 电工程学院， 湖南 长沙 4 1 0 0 7 5 摘要 为解决液压冲床工作中辅助液压缸泄漏问题 ， 对其液压系统回路进行 了分析 ， 得出了辅助液压缸泄 漏是 由于电磁 换 向阀换 向时 间设置不 合理 ， 致使 液压缸 中压力 过高所 造成 的结论。通 过运用 A ME S i m 仿真软件对液压系统回路进行仿真 ， 验证了结论的正确性， 并在此基础上提供 了合理的换 向时间， 为实际问题的解决提供 了理论依据。 关键词 液压 冲床液压缸 泄漏A ME S i m 仿 真 中图分 类号 T H1 3 7 文献标识 码 A Si mu l a t i o n a n d S t u d y o f Hy d r a u l i c P u n c h i n g Ma c h i n e’ S Hy d r 0 一 c y I i n d e r L e a k a g e L I S h u o ，HU J u n k e ，NA N X i a n w e i ，Z HOU Yo u z h o n g C o l l e g e 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 7 5 ，C H N Abs t r a c t To s o l v e t h e p r o b l e m o f h y dr a u l i c p u nc h i n g ma c h i n e’ S h y d r o -c y l i n d e r l e a k a g e，t he h y d r a u l i c p u n c h i n g ma c h i n e’ S h y d r a u l i c c i r c u i t wa s a n a l y s e d，a n d t h e n h a v i ng t h e c o n c l u s i o n t h a t hi g h p r e s s u r e r e s u l t i n l e a ka g e o f t h e a s s i s t a n t h y d r o c y l i n de r ．The n t h e s i mu l a t i o n o f t h e h y d r a u l i c s y s t e m i s a c hi e v e d u s i n g t he AMES i m． T he s i mu l a t i o n p r o v e d t h e v a l i d i t y o f t h e c o n c l u s i o n a n d a s o l u t i o n i s br o ug h t f o r wa r d， t ha t p r o v i d e a f o u n d a t i o n f o r t h e l e a k a g e p r o b l e m s o l v e ． Ke y wo r dsHy d r a u l i c P u n c h i n g Ma c h i n e；Hy dr o c y l i n d e r Le a k a g e；AMES i m Si mu l a t i o n 液压冲床是用来进行板料冲孑 L 、 成形及拉深成形 等工序的。由于液压冲床在压力 、 行程 以及速度等参 数 的调节及过载保护方面都 比较简单 、 易行且可靠， 所 以在 冲压 成形 加 工 中 ， 液 压 冲 床得 到 了较 大 的发 展 。文中所研究 的液压冲床用于对汽车轮毂进行 冲孔 ， 在使用过程中存在着辅助液压缸 与主液压缸活 塞杆连接处出现泄漏的问题。目的是要通过对液压回 路进行分析 ， 找出泄漏产生的原 因， 并在此基础上应用 仿真软件对液压系统 回路进行仿真 ， 在理论上 ， 对液压 缸的泄漏问题提出解决方案。 A ME S i m仿真软件 是法 国 I MA G I N E公 司于 1 9 9 5 年推出的专门用于液压／ 机械系统的建模 、 仿真及动力 学分析的优秀软件。它为用户提供了一个 系统工程设 计的完整平台， 可以建立复杂 的多学科领域系统的数 学模型 ， 并在此基础上进行仿真计算 和深入 的分析 。 在液压机械的仿真研究方面 ， A ME S i m软件有着很强 的针对性和优越性 ， 它可以大大地缩短产品的开发周 期 ， 降低产品的开发 成本 ， 提高产 品的竞争力 。所 以本文采用 A M E S i m仿真软件对液压冲床部分液压系 统回路进行分析和仿真研究。 技术 、 后处理 、 加工刀具及加工工艺等多方面知识 。多 轴仿真技术在生产实践中有很强的经济性和实用性 ， 有很好的应用前景。V e r i c u t 是 一种 基于机床 的几何 仿真 ， 无法根据刀具及加工材料对加工过程 中的切削 力 、 温度 、 热流 、 残余应力 、 变形及切屑进行分析， 随着 仿真技术及有限元 F E M 技术的不断发展 ， 切削过程 的微观仿真技术也会越来越成熟。 参考文 献 [ 1 ] 李云龙 ， 营岩． 数控机床加工f ， J 真系统 VE R I C U T M] ．西安 西安交 通 大 学 出 版 l ， 2 0 0 5 ． [ 2 ] 安杰 ， 邹昱章 U G后处理技术 [ M] ． 北京 清华大学出版社 ， 2 0 0 3 ． [ 3 ] 李朝光， 谢龙汉． U G N X 5多轴J 1] - l 应用实例 [ M] ． 北京 清华大学 出 版社 ， 2 0 0 7 ． [ 4 ] 王庆林 ， 李莉敏 ， 韦纪祥． U G C A M应用案例集 N X版 [ M] ． 北京 清华大学出版社 ， 2 0 0 3 ． 作者 徐 刚， 男， 1 9 8 0年生， 工程师， 硕士 ， 研 究方 向为数 字化 产品 的开发 与制 造 。 编辑孙德茂 收 稿日 期 2 0 1 0 1 0 2 3 文章编号 1 1 0 2 1 0 如果您想发表对本文的看法， 请将文章编号填入读者意见调查表中的相应位置。 1 液压 系统 回路分 析 液压冲床的部分液压系统回路如图 1所示 。系统 工作时 ， 电磁换 向阀 9电磁铁先得电 ， 泵输出的液压油 经单 向阀 3 ， 通过减压 阀4 设定压力为 5 MP a 和电磁 换 向阀9进人辅助液压缸 1 5， 推动辅助油缸朝着夹紧 轮毂的方向运动。在辅助油缸夹 紧轮毂后 ， 电磁换 向 阀5电磁铁 4 D T和 比例换 向阀 1 0的 电磁铁 1 D T得 电， 控制油经电磁换 向阀 4打开液控单 向阀 7 ， 使得液 压油通过 比例换 向阀 l O左位进入主液压缸 1 4的无杆 腔 ， 主液压缸在高压液压油的作用下完成对轮毂冲孔 的工作 。此时 ， 控制电磁换 向阀 9的失电时问 ， 辅助液 压缸中的高压油一部分经 电磁换向阀9， 通过溢流阀 8 溢流 回油箱。设定溢流 阀的溢流压力为 1 0 MP a ， 保证 辅助液压缸对工件的夹持力。主液压缸有杆腔中的液 压油通过单 向节流阀 1 1和 比例换 向阀 1 0流回油箱。 溢流阀 6的作用是控制主油路上的压力不高于设定压 力 2 8 MP a 。 通过对液压系统 回路分析知， 在主液压缸活塞杆 伸出完成对轮毂冲孑 L 的过程 中， 必然导致辅助液压缸 中的压力升高， 这就要求要很好 地控制电磁换向阀 9 的换 向时 间。换 向时间过 早 ， 辅助液压缸 中的压力过 低 ， 导致液压缸对轮毂的夹 持力不够 ， 容易造成主液压 缸冲孔偏斜 的事故发生 ； 换 向时间过晚， 辅助液压缸 中 的压力迅速 升高。当辅助 液压缸 中的压力过高 ， 辅助 液压缸与主液压缸活塞杆 连接处 由于液压缸压差 升 高 出现 泄漏 就 无 法避 免。 因此， 要避免辅助液压缸由 于压力过 高而导致 的泄漏 就必须合理地安排 电磁换 向阀 9的换 向时间。 在计算 液压缸压差 作 用下 的泄 漏 量之 前 ， 先 假 定 液体不可压缩 ， 质 量力 忽略不计 ， 粘度不变。油液 在隙缝 中的流动受粘性 力 1 一 液压泵； 2 一电动机； 3 -单向阀； 4 一减压阀； 5 一二位四通电磁换 向阀 6 一溢流阀 ；7 一液控单 向阀； 8一溢流阀 ；9一电磁换 向阀； 1 O 一比例换向阀； 1 1 一单向节流阀 1 2一截 止阀； l 3一压力表； 1 4 一主液压缸 ；1 5 ． 辅 助液压缸 。 图1 液压冲床部分液压 系统原 理图 的控制， 通常为层流流动 ， 其流动速度沿隙缝断面的分 布规律为 等 ； ‘u l1年 幂 删 主题虚拟制造和仿真技术 T o p ic s Vir t u a l Ma n u f a c t u r e a n d S i m u la t io n T e c h n o lo g y 一 h 1 “ U 隙缝泄漏量为 Q 一2_ 垒 _ ／ x 坐 d x J r o 一 一 2 式 中 为动力粘度 ； h为两板之 间的问隙高度 ， 此 处 即为活塞杆 与套筒之 间的间隙量 ； z为间隙中一 点相 对底板位置高度 ； b为两板宽度 ， 此处即为液压缸 中的 活塞杆周长 。 由此得 d p ／ d x一1 2 t ．t Q ／ b h 常数 ， 即在隙缝 中， 沿套筒方 向的压力梯度是 一常数 。如果沿套筒 的长度 内压力 由 P 降至 P ， 则 d p ／ d x P 一 P， ／ L 一 P 一 P ／ L ～ △ 尸 ／ ， 代人式 2 得 Q b h A P ／ 1 L 3 式中 为套筒长度 。 由式 3 知， 油缸 的泄漏量 Q与 油缸套筒两端 的 压差 △ P成正比。 2 液压 系统 的建模仿真 利用 A ME S i m软件进行液压 系统仿真需要完成 4 个模式 ， 即草图模式 S k e t c h Mo d e 、 子模 型模式 S u b mo d e l Mo d e 、 参数模 式 P a r a me t e r Mo d e 、 运 行模 式 R u n M o d e [ 4 3 。 图2 液 压冲床 油缸子模型 图3 液压冲床部分液压系统A ME S i m 仿真模型 主题虚拟铷造韧仿真技术 T o p ic s V i r t u a l Ma n u f a c t u r e a n d S i m u l a t i o n T e c h n o l o g y 首先在草图模式下建立液压冲床的系统模型， 在 搭建系统过程中， 由于主液压缸和辅助液压缸在标准 元件库中找不出与之相匹配的模型， 故需利用 H C D元 件库构建此元件 ， 构建出的模型如 图 2所示 ] 。其它 液压元件则可直接从标准元件库中进行选择。最后构 建出如图 3所示的系统模型。 其次 ， 在子模型模式下 ， 为搭建好的系统元件选择 理想模型。在此系统子模 型模式下， 对各元件子模型 都选择系统提供的优先子模型 P r e mi n e r S u b m o d e 1 。 接着在参数模式下对 系统各元件参数进行设置。 元件参数设置合理与否直接关系到最后仿真结果的正 确与否， 所以参数的设置是 4个模式中尤为重要的一 步。在参数设置过程中， 对于那些对系统仿真影响较 小的参数 ， 可通过估算或暂不考虑来 实现相应的仿真 结果 ， 对直接影响系统性能的参数则需要通过查找相 应资料来获得准确 的数据 。利用 H C D库设计的液压 缸模型参数根据其结构原理 图上尺寸设置为 主液压 缸活塞直径为 2 0 0 mn l ， 活塞杆直径为 1 4 0 m l l 3 ， 行程为 3 2 0 In m； 辅 助液压缸直径 为 2 0 0 m m， 活塞 杆直径为 1 4 0 m m， 行程为 1 2 5 m it t 。比例换 向阀和电磁换 向阀 参数设置见表 1 、 表 2 ， 其他主要元件参数设置见表 3 。 最后在运行模式下对构建的系统进行仿真。对本 系统进行仿真的目的是要通过对液压系统原理图中电 表 1 比例换 向阀主要设置参数 参数名称 参数值 阀 口 P到阀 口A的额定流量 3 2 5 L ／ m i n 阀 口 P到阀 口A相应 的压降 1 M P a 阀 臼 B到阀口 T的额定流量 3 2 5 L ／ mi n 阀 口 B到阀[ J T相应的压降 1 M P a 阀 口P到阀 口 B的额定流量 3 2 5 L ／ mi n 阀 口 P到阀 口 B的相应压降 l M P a 阀 口 A到阀 r 】 T的额定流量 3 2 5 L ／ mi n 阀口 A到阀 门T相应的压降 1 MP a 阀额定电流 2 4 mA 阀固有频率 5 0 Hz 表 2 二位 四通电磁 换向阀的主要设置参数 参数名称 参数值 阀口 P到阀 口 A的额定 流量 1 2 O I ／IT Il n 阀口 P到阀 13 A相应的压降 O ． 8 5 MP a 阀口 B到阀口 T的额定流量 1 2 0 I ／ m i n 阀L l B到阀口 T相应 的压降 0 ． 7 8 MP a 阀口 P到 阀r __I B的额定流量 1 2 O L ／ m i n 阀口 P到 阀口 B的相应压降 O ． 8 5 M P a 阀口 A到阀 口T的额定流量 l 2 0 L ／ m i n 阀几 A到阀 | 1 T相应的压降 0 ． 7 5 M P a 阀额定电流 4 0 i ll A 阀固有频率 5 0 H z 表 3 其他主要元件的仿真设置参数 参数名称 参数值 电动机转速／ r ／ mi n 1 5 0 o 泵额定排量／ m k ／ r 1 9 0 高压溢流 阀设定压力／ M P a 2 8 减压阀设定压力／ MP a 5 控制增益 5 0 液控单 向阀额定流量／ L ／ rai n 3 5 0 单向节流 阀额定流量／ L ／ m i n 3 o 0 磁换向阀 9换向时间的控制来仿真出辅助液压缸中的 压力值。在运行模式下 ， 设置仿真时问为 8 S ， 通信间 隔为 0 ． 1 S， 设置电磁换向阀 9的控制信号 ， 对辅助液 压缸通过其行程所需时间进行仿真 ， 仿真结果见图 4 。 当辅助液压缸位移达 0 ． 1 2 5 m时， 所需时间为 2 S 。 O 14 O． 12 O． 1O O． O8 O． O6 O 04 O．O2 O． OO 一 -}．_ ／ i | ’ 一 } { 0 ． 0 1 ． 0 2 O 3 ． 0 4．0 5． 0 6． 0 7． 0 8． O 时间／ s 图4 辅 助液压缸位移 曲线 设置电磁换向阀 5和 比例换向阀 1 0的控制信号 。 由辅助液压缸通过其行程所需 的时间设定在第 3 s 电 磁换向阀 5和比例换 向阀 1 0得电， 主液压缸开始对工 件进行冲孔。图 5～ 8是通过设定电磁换 向阀 9不同 的失电时间得到辅助液压缸压力的结果。 由图 5～ 8可知 ， 电磁换向阀 9失 电时问越晚， 辅 助液压缸中的压力值越大， 在第 6 S 换向时 ， 辅助液压 缸中的压力可达到 2 2 MP a左右 图 8 。而换向阀在 第3 s 换 向时 ， 压力值有一个 瞬间降低 图5 ， 造成这 图5 第3 s 失电时辅助液压缸压力曲线 2 0 1 I鲍 E 2 ≮ ； 二 一 现象的原因是因为在仿真时考虑了辅助液压缸和管 路的容积效应。当辅助液压缸夹持工件压力过低时容 易造成主液压缸冲孔偏斜 ， 故辅助液压缸 中压力也不 能太低 ， 要保持在一个合理范围内。综上考虑 ， 当电磁 换向阀 9在第 4 S 失 电时 ， 辅助液压缸 中的压力最 为 合理 图 6 ， 能有效避免泄漏的发生。 3 结语 通 过对液压冲床建模 与仿真结果表明 辅助液压 12 1 0 乏8 0 6 0 出 40 2 0 O 2 O 5 兰 奋 据 曼 5 0 0 0 ． 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5． 0 6． 0 7 0 8 0 9 ． 0 时间／ s 图6 第4 s 失 电时辅 助液压缸压 力 曲线 0． 0 1 ． 0 2． 0 3．0 4 0 5 0 6 0 7．0 8． 0 9． 0 时间／ s 图7 第5 s 失电时辅助液压缸压力曲线 25 2O 出 看 1 0 蜓 5O O 主题虚拟制造轫仿真技术 T o p ic s V ir t u a l M a n u f a c t u r e a n d S i m u la t io n T e c h n o lo g y 0 0 1 ． 0 2． 0 3． 0 4 ． 0 5 0 6．0 7 0 8．0 时间／ s 图8 第 6 s 失 电时辅助液 压缸压力 曲线 缸的泄漏确实与电磁换向阀9换向时问设置的不当而 造成压力过高有关。同时通过仿真为电磁换 向阀确定 了一个合理换向时问， 为实际工作 中解决辅助液压缸 泄漏提供了很好的理论指导。 参 考文 献 1 ] 孙风 勤， 阎亚林 ． 冲压与塑压成形设备 【 M] ． 北京 高等教 育出版社 ， 2 0 0 6． [ 2 ] f 1f 永领， 祁晓野． A M E S i m系统建模和仿真一从入门到精通[ M] ． 北 京 北京航 航天大学 出版社 ， 2 0 0 6 ． [ 3 ] 何大钧 ， 王孝培． 液版泄漏控制 [ M] ． 重 庆 科学技 术文献 出版社重 庆分社 ， 1 9 8 9 ． 4 ] 刘化平 ， 杨 j E ， 雷金十 t ． 基于 A ME S i m的工程 车辆液压悬 架系统仿真 [ J ] ． 华北水利水电学 院学 报 ， 2 0 0 8 ， 2 9 1 ． 5 ] 章宏 甲， 黄谊 ， 王积 伟． 液 压与气 压传 动 [ M] ． 北 京 机械 工业 出版 礼 ， 2 0 0 0 ． 第一作者 李硕 ， 男， 1 9 8 5年生， 硕士研 究生 ， 主要 研 究方 向为液 压传 动与控 制 。 编 辑谭 弘颖 收稿 日期 2 0 1 0 1 0 2 2 文章编号 1 1 0 2 1 1 如果您想发表对本文的看法， 请将文章编号填入读者意见调查表中的相应位置。 书 讯 实用机床设计手册隋秀凛 ， 高安邦主编 邮购 价 1 7 8 ． O 0元 本 手册 以简明实用为原则 ， 对机床设计 的内容进 行 了全面系统 的介绍 。全书共 分 6篇 3 8章 ， 主要 介绍机 床设计 的基本要 求 、 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