直驱式打击液压阀及其液压系统特性分析.pdf

2 0 1 5年 2月 第 4 3卷 第 3期 机床与液压 MACHI NE T0OL HYDRAULI CS F e b ． 2 01 5 Vo 1 ． 4 3 No ． 3 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 5 ． 0 3 ． 0 3 3 直驱式打击液压阀及其液压 系统特性分析 赵升吨，朱牧之 ，李省 ，李雪 西安交通大学机械工程学院，陕西西安 7 1 0 0 4 9 摘要 打击液压阀控制着数控全液压模锻锤 的主要动作 ，其动态性能 的好坏也就 直接影 响着模 锻锤 的工作 性能 。通过 用 S i m u l a t i o n X软件来仿真分析数控全液压模锻锤的液压系统，得到模锻锤的工作性能曲线和相关参数，与实际情况进行比 对，进而得出打击液压阀的工作参数，为打击液压阀的结构设计和优化打下了基础。 关键词数控全液压模锻锤；液压系统；动态性能 中图分类号 T G 3 1 5 ． 3 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 5 3 1 2 6 3 Ana l y s i s o n Ch a r a c t e r i s t i c s o f Di r e c t ． dr i v e Bl o w Va l v e a n d i t s Hy dr a u l i c Sy s t e m ZHA0 S h e n g d u n， ZHU Mu z hi 。 LI S h e n g， LI Xu e Me e h n i c a l E n g i n e e r i n g C o l l e g e ， X i ’ a n J i a o t o n g U n i v e r s i t y ， X i ’ a n S h a a n x i 7 1 0 0 4 9 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e ma i n a c t i o n o f C NC f u l l y h y d r a u l i c d i e f o r g i n g h a mme r i s c o n t r o l l e d b y b l o w h y d r a u l i c v a l v e s ，w h i c h a l s o d i r e c t l y a f f e c t t h e p e rfo r ma nc e of f o r g i n g h a mme r wi t h i t s dy na mi c pe r f o r ma n c e ．The h y dr a u l i c s ys t e m o f CNC f u l l y h y d r a u l i c d i e f o r g i n g h a mme r w a s s i mu l a t e d a n d a n a l y z e d b y u s i n g t h e s o f t wa r e S i mu l a t i o n X，a n d p e rfo rm a n c e c u r v e s a n d t h e r e l a t e d p a r a me t e r s we r e o b t a i n e d a n d c o mp a r e d wi t h t h e a c t u a l s i t u a t i o n．As t he r e s u l t ，t he o pe r a t i ng pa r a me t e r s o f b l o w h y d r a u l i c v alv e a r e o b t a i n e d，wh i c h l a y t h e f o u nd a t i o n f o r i t s s t r u c t u r e d e s i g n a n d o p t i mi z a t i o n ． Ke y wor dsCNC Fu l l hy d r a u l i c f o r g i ng h a mme r ；Hy dr a u l i c s y s t e r m ；Dy na mi c pe rfo r ma n c e 0前 言 打击液压 阀是数控全液压模锻锤 的核心部件 ，控 制着模锻锤 的打击 和提锤 等主要 动作 。数控全液压模 锻锤可以实现打击能量的数字化控制 ，打击频率快、 振 动小。在 目前经 济高速发展 ，产业结构转型升级 的 背景 下 。锻 造业 对数 控 全液 压模 锻锤 的需 求 越来 越 大。 目前 的打击液 压阀是 液控 阀 ，需要有一套单独 的 系统对其进行控制 ，成本 高 、稳定性差 ，不能实现对 阀芯的精确控制。其 中，全液压模锻锤共有提锤 、 打击 、悬 锤 、慢 降 、慢 升 、停 锤 5个 动作 ．其 中提 锤 、打击 、慢升 过程 由打 击液 压 阀进行 控 制 。提 锤 和打击 动作是模 锻锤 的 主要动 作 ，实现 了对 工件 的 连续锻 打 。现有 的打击 液压 阀是 通 过控 制油 路控 制 打击液 压 阀两 端的腔来 触 发其 动 作 ，液 压 系统结 构 较为复 杂 。而且 由于 控制 阀的增 多 ，增 加 了发 生故 障 的几 率 文 中以某公 司所生 产 的数控 全 液压 模 锻锤 为 背 景，利用 S i m u l a t i o n X对其进行仿真 ，获得系统工作 的主要参数 ，从而可 以根据系统参数并参照实际生产 中对打击液压 阀的相关要求 ，对打击液压 阀的主要结 构及 关 键 零 部 件 进 行 更 好 的设 计 计 算 。 因此 ，在 S i m u l a t i o n X软件环境下建立 了数控全液压模锻锤 的液 压系统模型来对其进行仿真分析 ，得到了打击过程和 提锤 过程 的锤 头位移 、速度 、加速度 曲线 ，以及打击 上 上 ／ ＼ | T T 压 阀 的工 作 参 数 。从 而 指导 直 驱 式 打 击 液 压 阀 主阀体部 分 的设 计工 作。 图 1为 打 击 液 压 阀 的 液 压机能示意图 。 ／ ＼ 回油 口T 供 油 口P 图 1 直驱式打击液压 阀机能示 意图 1 数控 全 液压模 锻锤 液压 系统 某公司生产 的全 液 压模 锻锤 液 压 系统 如 图 2所 示 ，采用 了油泵 一 蓄能器控 制 ，共有 提锤 、打击 、悬 锤 、慢降、慢升、停锤 5个 动作。油缸下 腔通 2 0 MP a 的工作油 压 ，由打击 液压 阀对油 缸上 腔进 行 单 独控制 。 其 主要打击过程原理如下 启动 电机和油泵 。卸 收稿 日期 2 0 1 3 - 1 1 - 0 8 基金项 目国家重 大科技专项 2 0 1 1 Z X 0 4 0 1 6 ． 0 8 1 作者简介 赵升吨 1 9 6 2 一 ，男 ，教授 、博士研 究生 导师 ，研究方 向为数字式交流伺 服及直线 电动机驱 动的机械设备 ，复 杂机电液系统 的计算机控制 。E m a i l s d z h a o m a i l ． x j t u ． e d u ． o n ． 第 3期 赵 升吨 等 直驱式打击液压 阀及其液压 系统特性分析 1 2 7 荷阀得 电，高压油 进入 回路 、蓄 能器 和主油 缸下 腔 。 当打击液压阀的控制阀通电，高压油进入打击液压阀 上腔 ，由于其下腔常通蓄能器 。所 以打击 液压 阀两端 有同样的压力 。但是上下两个控制腔存 在面积差 ．控 制油推动打 击液 压 阀阀 芯 向下 运 动 ，使 A P腔接 通 ． 这样 油泵 、油缸下腔 、蓄能器 中的液压油进入 油缸上 腔 ，构成差动 回路使活塞加速 向下运动 ，实现 快速打 击 。打击液压阀的通 电时 间由数控 系统控制 ．当预设 时间结束 ，打击液压 阀的控制 阀失 电 ．锤头在 油缸下 腔 的常压作 用下 ，以恒定加速度减速 。控制 了最终速 度 ，从 而实现锻锤能量控制 。 1 一 锤 头2 一 主油 缸3 一 节流 阀4 一 慢升 慢 降 阀5 一 单 向阀 6 一补液箱7 一溢流阀8 一打击液压阀9 一控制阀 1 0 一卸荷 阀 I l 一主油泵1 2 一 电机1 ， 一插装阀1 4 一提馕阀1 一蓄能器 图 2 数控全液压模锻锤液压系统原理图 2 液压系统特性仿真分析 打击液压 阀控 制 着数 控全 液 压模 锻 锤 的 主要 动 作 ，其动态性能 的好坏也就直接影 响着 模锻锤 的工作 性能 。在评价液压系统能否正常工作 和各项性 能指标 时 ，除了要求 液压系统能按功能要求实现特定 的动作 循环 和静态性 能外 ，还要求系统必须具有 良好的动态 特性 。液压 系统中经常出现的响应慢 、动作延迟及振 动、液压冲击 、噪声和运动失调等现象，都是由于液 压 系统 中液压元 件动 态特性不 良所 致。通过用 S i m u ． 1 a t i o n X软件来仿 真 分析 数 控全 液压 模 锻锤 的液 压 系 统 ，得 到模锻锤 的工作性 能曲线和相关 参数 ，与实际 情况进行 比对 ．进而得 出打击液压 阀的工作参数 。可 以为接下来 的设计 和优化 打下基 础 。 2 ． 1 基 于 S i m u l a t i o n X建立 系统仿真模型 根据现有 的数控全液压模锻锤 液压原 理图 ．在理 解其 电磁铁动作顺序 和功能特点 的基础上 ，利用 系统 建模与仿真软件 S i m u l a t i o n X，完成全液压模锻锤液压 系统 的数值模拟分析 。根据仿真结果 ，与模锻锤 的实 际工作情况进行 比对 ，进一步确定 打击液压 阀的工作 参数 ，供 阀的设计使用 。 图 3所 示 为 S i m u l a t i o n X软 件 中建立 的数 控 全液 压模锻锤液压系统仿真模型 。由于并不是所有 的阀在 该软件 的液压库 中都能够找 到完全符合 的元件来直接 进行建模 ，所 以在搭建系统仿真模型时 ，要寻找功能 相 同的 阀来代替或者通过多个 阀的组合来实现所需要 的功能。打击液压阀在系统中是二位四通阀，每一个 工作位置实现一条油路 的通断 ，所 以选用两个二位二 通电磁阀来代替，这两个二位二通阀由同一信号源控 制 ，由于其 机能是相 反 的，所 以可 以实 现互斥 动作 ， 即实现一个 油路通时 ，另外一个油路关断 的作用 ，与 实际使用情 况相同。 图 3 数控全液压模锻锤液压系统仿真模型 2 ． 2 液压 系统特性仿 真分析结果 经分析可知 ，打击液压阀仅在提锤过程、打击过 程和慢升过程有 流量通 过 ，而打击过程与提锤过程是 联系在一起 的 ，打击完后迅速 提锤 ．打击液压阀的通 流量 比较大 ，更具有研究意义 ，现对打击过程和提锤 过程分别加以分析。 2 ． 2 ． 1 打击过程 仿真的初始 条件 为 工 作压 力 2 0 M P a ，液压 缸 1 2 8 机床与液压 第 4 3 卷 行程 8 3 5 m m，锤头质量 5 4 0 0 k g ，油 液密度 8 7 0 k e ／ m 。打击过程的仿真结果如图 4 、5 所示 。 暑 昌 涣 时间， a 打击过程锤头位移 曲线 6 5 e 4 ● 邑3 越 2 1 0 ／ 0． 0 0． 1 0． 2 0． 3 0． 4 0． 5 时间， s b 打击过程锤头速度 曲线 时间， s c 打击过程锤头加速度 曲线 图 4 数 控全 液压模锻锤打击过程锤头动态特性 曲线 ； 霎 袭 ／ 0 ． 0 0． 1 0． 2 0． 3 0． 4 0． 5 时 间， s 图 5 打击过程 打击液压阀 P A 口流量曲线 分析仿真结 果可知 ，0 S 时锤 头在起 始位置 ，打 击液压阀 P口和 A 口在 0 S 时相 通 ，形成差 动 回路 ， 在运动初期 的短暂时刻 内。锤头加速度先减小 ．随后 接近于恒定 ．0 ． 3 S 时锤 头 到达 油缸 的最 大行 程 8 3 5 m m，此时锤头速度 5 ． 4 m ／ s 。流经打击液压阀的流量 与液压缸活塞运动速度有关 ，二者 曲线形状相似 ，接 近于正 比关 系 ，流量 随着 液 压缸 位移 的增 大逐 渐 上 升 ，在行程末端达到最大 ，为 3 6 6 0 L ／ m i n 。 2 ． 2 ． 2 提锤过 程 规定打击过程锤头 的运动方 向为正方 向 ，提锤过 程锤头 的运动方 向为负方 向 ，提锤过程仿真 的初始条 件为 油 缸 下 腔 压 力 2 0 MP a ，锤 头 初 始 位 置 8 3 5 m m，锤头质量 5 4 0 0 k g ，油液密度 8 7 0 k g ／ m 。提锤 过程 的仿 真结果 如图 6 、7所示 。 分析仿 真结 果 可知 ，0 S时锤 头在 最 大位 移 8 3 5 m m处 ．打击液压 阀 B 口和 T口在 0 S 时相 通 ，油缸 活 塞初期 以变加 速度加 速上 行 ．活塞 速度不 断升高 ， 流经打击 液压阀的流量也随之升高 。 在 0 ． 2 S 左右到 达节 流 阀的调定值 ，此 后油液 以 恒 定流量 9 7 0 L ／ m i n流动 ，油缸 活 塞 速度 也 不再 变 化 ，加速度为 0 ，此 时锤 头 速度 大小 为 1 ． 4 m ／ s 。最 后 ，在 0 ． 6 3 S 时 ，油缸 活 塞到 达缸底 ，提锤 过 程结 束 。 8O0 600 暑 蒋4 0 0 趟 2 0 0 0． 0 0． 2 0 ． 4 0 ． 6 0． 8 1． 0 时 问， s a 提锤过程锤头位移曲线 邑 越 喇 舞 e 垂 硝 f 时 间， s b 提锤过程锤头速度曲线 时 间， s c 提锤过程锤头加速度 曲线 图 6 数控全液压模锻锤提锤过程锤头动态特性曲线 ， 皇 车 i 媲 图 7 提锤过程打击液压 阀 B ． T口流量 曲线 3结论 与数控全 液压 模锻 锤 的实 际运 行参 数 比较 后 发 现 ，打击过程和提锤过程 的锤头速度 、加速度 、动 作 时间等参数 的仿真值与实测值 十分接近 ．所 以打击液 压 阀工作 时的流量仿真值具有很好 的参考价值 ．该仿 真结果 为后续 的设计打下 了基础 。 参考文献 [ 1 ]张河新 ， 李艳军， 王卫东． 数控全液压模锻锤的能量控制 与仿真[ J ] ． 锻压技术 ， 2 0 1 1 6 7 3 7 6 ． [ 2 ]胡 少刚 ， 周垄敏 ， 褚辉 生． 面向液压 系统 动态特性 的数字 仿真技术研究[ J ] ． 现代机械， 2 0 0 8 1 3 0 3 2 ． [ 3 ]德国I T I 公司． 多学科工程高级建模仿真[ M] ． 2 0 1 0 ． [ 4 ]WA N G C B， Q U A N L ． S t u d y o n S i m u l a t i o n a n d E x p e ri m e n t o f Hy d r a u l i c E x c a v a t o r ’ S Wo r k De v i c e B a s e d o n S i mu l a t i o n x[ c] ／ ／ 2 0 1 1 I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n E l e c t ri c I n f o r m a t i o n a n d C o n t r o l En g i n e e r i n g， 2 0 1 1 1 7 4 2 1 7 4 5 ． [ 5 ]C HE N G Y J ， WA N G S H， X U X Y， e t a 1 ． M u l t i d o m a i n M o d e l i n g o f J e t P i p e E l e c t r o h y d r a u l i c S e r v o V a l v e [ J ] ． A p p l i e d Me c h a n i c s a n d Ma t e r i a l s ， 2 01 2， 23 3 1 723． 0 O J J 厂 一 ～