快锻液压机电液比例控制系统的研究

快锻液压机电液比例控制系统的研究

由于液压机系统的高流量和高惯性，振动和衰减容易发生。理想的弯曲曲线为正矩阵曲线。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东北部,t口接收剂为党和国以力士乐生产的通径在63以上的比例插装阀(WRC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。比例插装阀的通径可达150以上,最大工作压力可达42MPa,响应时间一般在几十毫秒,最大流量可达50000L/min。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系统正常工作缸系统新型快锻液压压机电液控制系统模型如图3所示。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11,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电液比例插装阀的数学模型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50Hz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:式中:XIω比例阀的线性化流量方程为:式中:QK3.2液压室流入工作柱塞缸的流量Q从回程柱塞缸流出的流量Q式中:AAC3.3非线性负载的忽略柱塞缸、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:式中:G为机架的等效重力;Bm3.4回流缸工作原理蓄能器在快锻液压机中作辅助动力源,其数学模型式中:p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。4新型电液比例控制系统的仿真分析针对上述的系统模型,可用AMESim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1000t的快锻液压机为例设置仿真参数:工作柱塞缸径720mm,回程柱塞缸两个,缸径为260mm,泵的出口压力26MPa,工作行程30mm,压下量为5mm,工作频率90次/min,回程力为2MN。一个周期中阀的总响应时间大致在0.2s,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。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AMESim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PID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。5仿真结果及分析作者对快锻锻压机新型电液比例控制系统进行了阐述,建