沖壓機(jī)床液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

沖壓機(jī)床液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),沖壓,機(jī)床,液壓,控制系統(tǒng),設(shè)計(jì) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第II頁(yè) 共Ⅱ頁(yè) 目 錄 1 緒論 1 1．1 研究背景及意義 1 1．2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 1 1.2.1 液壓控制技術(shù)的發(fā)展情況 1 1.2.2 液壓系統(tǒng)仿真技術(shù)的發(fā)展 2 1．3 論文主要研究?jī)?nèi)容 3 1．4 論文的組織結(jié)構(gòu) 3 2 沖壓機(jī)床液壓控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 5 2．1 液壓機(jī)的工作原理及特點(diǎn) 5 2.1.1 液壓機(jī)的工作原理 5 2.1.2 液壓機(jī)的主要結(jié)構(gòu)形式 6 2.1.3 液壓機(jī)基本參數(shù) 6 2.1.4 液壓機(jī)的特點(diǎn) 7 2．2 液壓控制系統(tǒng)的功能和組成 7 2．3 3150KN四柱式通用液壓機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其分析 8 2.3.1 液壓機(jī)的液壓系統(tǒng)功能需求分析 8 2.3.2 液壓機(jī)的系統(tǒng)圖及系統(tǒng)工作原理分析 9 2.3.3 系統(tǒng)控制基本回路 12 3 3150KN四柱式液壓機(jī)液壓系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì) 16 3．1 液壓缸的尺寸 16 3.1.1 工作缸的尺寸 16 3.1.2 頂出缸的尺寸 17 3．2 計(jì)算液壓系統(tǒng)工作的流量 17 3．3 選擇液壓泵的規(guī)格 18 3．4 確定控制閥的尺寸 19 4 基于AMESim的液壓控制系統(tǒng)建模與仿真分析 21 4．1 建模仿真軟件AMESim簡(jiǎn)介 21 4．2 基于AMESim液壓系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)步驟 21 4．3 基于AMESim的3150KN液壓機(jī)液壓控制系統(tǒng)的建模與仿真 24 4.3.1 系統(tǒng)建模 24 4.3.2 仿真結(jié)果分析 26 4.3.3 液壓控制系統(tǒng)的改進(jìn) 28 結(jié)束語(yǔ) 32 致謝 34 參考文獻(xiàn) 35 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第36頁(yè) 共36頁(yè) 1 緒論 1．1 研究背景及意義 隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，對(duì)液壓傳動(dòng)與控制系統(tǒng)的性能和控制精度等提出了更高的要求，而運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行分析具有重要的意義。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)不僅可以預(yù)測(cè)系統(tǒng)性能，減少設(shè)計(jì)時(shí)間，還可以對(duì)所涉及的系統(tǒng)進(jìn)行整體分析和評(píng)估，從而達(dá)到優(yōu)化系統(tǒng)，縮短設(shè)計(jì)周期和提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的目的[1]。 液壓系統(tǒng)是以電機(jī)提供動(dòng)力基礎(chǔ)，使用液壓泵將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為壓力，推動(dòng)液壓油。通過控制各種閥門改變液壓油的流向，從而推動(dòng)液壓缸做出不同行程、不同方向的動(dòng)作。完成各種設(shè)備不同的動(dòng)作需要。 液壓控制系統(tǒng)可以在運(yùn)行過程中實(shí)現(xiàn)大范圍的無級(jí)調(diào)速，在同等輸出功率下，液壓傳動(dòng)裝置的體積小、重量輕、運(yùn)動(dòng)慣量小、動(dòng)態(tài)性能好。采用液壓傳動(dòng)可實(shí)現(xiàn)無間隙傳動(dòng)，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)工作循環(huán)和自動(dòng)過載保護(hù)。由于一般采用油作為傳動(dòng)介質(zhì)，因此液壓元件有自我潤(rùn)滑作用，有較長(zhǎng)的使用壽命。液壓元件都是標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的產(chǎn)品，便于設(shè)計(jì)、制造和推廣應(yīng)用。 本課題針對(duì)3150KN四柱式液壓機(jī)，首先設(shè)計(jì)液壓機(jī)的液壓控制系統(tǒng)，進(jìn)而基于AMESim軟件進(jìn)行了沖壓機(jī)床液壓控制系統(tǒng)數(shù)字建模，并完成動(dòng)態(tài)仿真實(shí)驗(yàn)，幫助企業(yè)降低成本實(shí)現(xiàn)沖壓機(jī)床液壓系統(tǒng)優(yōu)化的目的[2]。 1．2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 1.2.1 液壓控制技術(shù)的發(fā)展情況 當(dāng)前，液壓技術(shù)在實(shí)現(xiàn)高壓，高速，大功率，高效率，低噪聲，經(jīng)久耐用，高度集成化等各項(xiàng)要求方面都取得了重大的發(fā)展，在完善比例控制，伺服控制，數(shù)字控制等技術(shù)上也有許多新成就。下面的表格簡(jiǎn)潔的介紹了國(guó)內(nèi)外液壓技術(shù)發(fā)展動(dòng)向[3]。 表1.1 國(guó)內(nèi)外液壓技術(shù)發(fā)展的動(dòng)向 國(guó)內(nèi) 國(guó)外 發(fā)展內(nèi)容 小型化、集成化、多樣化 機(jī)電一體化集成元件和系統(tǒng) 高壓、高速、高精度、高可靠性 智能化自動(dòng)控制元件和系統(tǒng) 高效、節(jié)能、環(huán)保 高精度數(shù)字控制元件和系統(tǒng) 機(jī)電一體化 水介質(zhì)液壓元件和系統(tǒng) 1.2.2 液壓系統(tǒng)仿真技術(shù)的發(fā)展 從20 世紀(jì)70 年代初開始，國(guó)外開始進(jìn)行液壓系統(tǒng)和元件的計(jì)算機(jī)數(shù)字仿真研究，我國(guó)也從20 世紀(jì)70年代末80 年代初開始進(jìn)行液壓系統(tǒng)與元件的仿真研究。經(jīng)過幾十年的研究開發(fā)，液壓仿真軟件包的性能實(shí)現(xiàn)了從原先的精度低，速度慢發(fā)展到精度高，速度快；從只能處理單輸入、單輸出的線性系統(tǒng)發(fā)展到能處理多輸入、多輸出的非線性系統(tǒng)；從復(fù)雜的編程和輸入發(fā)展到交互友好的圖形用戶界面等都有極大的提升。特別是近幾年，國(guó)外尤其在歐洲液壓仿真技術(shù)得到了飛速發(fā)展，各款老牌的液壓仿真軟件紛紛推出了面目一新的版本。如英國(guó)的Bathfp ，瑞典的Hopsan ，德國(guó)的DSH + 等。另外一些擅長(zhǎng)液壓仿真的綜合系統(tǒng)仿真軟件在商業(yè)上也獲得了很大的成功，具代表性的有法國(guó)的AMESIM，波音公司的Eay5。 作為一種多學(xué)科領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)建模仿真解決方案，AMESim（Advanced Modeling Environment for Simulation of engineering systems）提供了一個(gè)系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)的完整平臺(tái)，使用戶得以建立復(fù)雜的多學(xué)科領(lǐng)域系統(tǒng)的模型，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真計(jì)算和深入的分析。用戶可以在AMESim平臺(tái)上研究任何元件或系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，如在燃油噴射、制動(dòng)系統(tǒng)、動(dòng)力傳動(dòng)、機(jī)電系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)中的應(yīng)用。工程設(shè)計(jì)師完全可以應(yīng)用集成的一整套AMESim應(yīng)用庫(kù)來設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)，所有這些來自不同物理領(lǐng)域的模型都是經(jīng)過嚴(yán)格測(cè)試和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的，AMESim可讓工程師迅速達(dá)到建模仿真的最終目標(biāo)，使用戶從繁瑣和高度專業(yè)的數(shù)學(xué)建模中解放出來，從而專注于物理系統(tǒng)本身的設(shè)計(jì)[4]。 AMESim正處于不斷的快速發(fā)展中，AMESim軟件目前在中國(guó)銷售的主要產(chǎn)品模塊有：4個(gè)操作平臺(tái)、1個(gè)三維動(dòng)畫前后處理工具、28個(gè)應(yīng)用模型庫(kù)（共有3,500個(gè)模型）、5個(gè)接口工具、1個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)工具包以及10個(gè)實(shí)時(shí)仿真代碼生成功能?，F(xiàn)有的應(yīng)用模型庫(kù)有：機(jī)械庫(kù)、信號(hào)控制庫(kù)、液壓庫(kù)（包括管道模型）、液壓元件設(shè)計(jì)庫(kù)、液阻庫(kù)、注油庫(kù) （如潤(rùn)滑系統(tǒng)）、氣動(dòng)庫(kù) （包括管道模型）、氣動(dòng)元件設(shè)計(jì)庫(kù)、熱庫(kù)、熱液壓庫(kù)、熱液壓元件設(shè)計(jì)庫(kù)、熱氣動(dòng)庫(kù)、冷卻系統(tǒng)庫(kù)、二相流庫(kù)、空氣調(diào)節(jié)庫(kù)、電磁庫(kù)、電機(jī)及驅(qū)動(dòng)庫(kù)、IFP整車性能庫(kù)/駕駛庫(kù)、IFP發(fā)動(dòng)機(jī)庫(kù)、IFP排放庫(kù)、IFP C3D三維燃燒計(jì)算功能、平面機(jī)構(gòu)庫(kù)、動(dòng)力傳動(dòng)庫(kù)、車輛動(dòng)力學(xué)庫(kù)、換熱器布置工具庫(kù)、混合氣體庫(kù)、濕空氣庫(kù)。作為在設(shè)計(jì)過程中的一個(gè)主要工具，AMESim還具有與其它軟件包豐富的接口，例如Simulink、Adams、LabVIEW、Simpac、Flux2D、RTLab、dSPACE、iSIGHT等等[5]。 當(dāng)前液壓系統(tǒng)仿真技術(shù)中存在的主要問題有： （1） 系統(tǒng)建模不易； （2） 系統(tǒng)仿真的精度和可靠性不高； （3） 仿真模型庫(kù)不完善； （4） 仿真軟件的通用性不好； （5） 液壓系統(tǒng)仿真技術(shù)對(duì)用戶要求太高。 因此，目前液壓系統(tǒng)仿真技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是： （1） 深入研究先進(jìn)的建模方法； （2） 大力發(fā)展分布交互式仿真技術(shù)； （3） 進(jìn)行面向?qū)ο蠓抡婕夹g(shù)的研究； （4） 開展人機(jī)和諧仿真環(huán)境的研究； （5） 在液壓系統(tǒng)仿真技術(shù)中引入數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)。 1．3 論文主要研究?jī)?nèi)容 本課題針對(duì)企業(yè)需求，首先結(jié)合國(guó)內(nèi)外液壓控制技術(shù)的運(yùn)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)，設(shè)計(jì)一套適用于工業(yè)生產(chǎn)的沖壓機(jī)床液壓控制系統(tǒng)，并基于AMESim軟件進(jìn)行沖壓機(jī)床液壓控制系統(tǒng)數(shù)字建模，并完成動(dòng)態(tài)仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)沖壓機(jī)床液壓系統(tǒng)優(yōu)化的目的。 本論文主要研究?jī)?nèi)容如下： （1）研究目前國(guó)內(nèi)外沖壓機(jī)床液壓傳動(dòng)與控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，尤其是液壓機(jī)的功能、組成、工作原理及特點(diǎn)。 （2）對(duì)3150KN四柱式通用液壓機(jī)的液壓控制系統(tǒng)進(jìn)行性能需求分析，并進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)、動(dòng)作順序及回路組成分析。 （3）根據(jù)工作參數(shù)要求對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，對(duì)主要元件如液壓缸、泵和控制閥進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算及選型。 （4）借助液壓/機(jī)械建模仿真軟件AMESim對(duì)所設(shè)計(jì)的液壓機(jī)液壓控制系統(tǒng)初步方案進(jìn)行建模與動(dòng)態(tài)特性仿真分析。 （5）根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)系統(tǒng)初步方案進(jìn)行改進(jìn)，并對(duì)改進(jìn)后的系統(tǒng)再進(jìn)行建模和仿真性能分析。 1．4 論文的組織結(jié)構(gòu) 本文第一章緒論，詳述了液壓系統(tǒng)及仿真手段目前的研究現(xiàn)狀與趨勢(shì)，概述了本論文的研究?jī)?nèi)容及其意義。 本文第二章中，對(duì)沖壓機(jī)床進(jìn)行了研究，重點(diǎn)分析了液壓機(jī)的液壓控制系統(tǒng)，并由此做出對(duì)3150KN四柱式液壓機(jī)的液壓控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)。 本文第三章對(duì)所設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)進(jìn)行液壓元件的選擇計(jì)算，確定其具體參數(shù)。 本文第四章首先對(duì)機(jī)械/液壓建模仿真軟件AMESim進(jìn)行了研究，然后基于AMESim對(duì)所設(shè)計(jì)的3150KN四柱式液壓機(jī)的液壓控制系統(tǒng)進(jìn)行建模與動(dòng)態(tài)仿真，分析了仿真結(jié)果，并發(fā)現(xiàn)了初步設(shè)計(jì)方案中存在的壓力沖擊過大和回程速度慢的問題，對(duì)此提出了為系統(tǒng)加裝釋壓回路和改變工作缸活塞桿直徑兩個(gè)改進(jìn)方案，并給出了改進(jìn)后的仿真結(jié)果。 2 沖壓機(jī)床液壓控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 2．1 液壓機(jī)的工作原理及特點(diǎn) 2.1.1 液壓機(jī)的工作原理 液壓機(jī)的工作原理如圖2.1所示。兩個(gè)充滿工作液體的具有柱塞或活塞的容腔由管道相連接。當(dāng)小柱塞上作用的力為時(shí)，根據(jù)帕斯卡原理：在密閉的容器中，液體壓力在各個(gè)方向上是相等的，則壓力將傳遞到容腔的每一點(diǎn)。因此，在大柱塞2上將產(chǎn)生向上的作用力，迫使制件3變形，且。，分別為小柱塞1和大柱塞2的工作面積[6]。 圖2.1 液壓機(jī)工作原理圖 液壓機(jī)的本體結(jié)構(gòu)及工作原理可用圖2.2來表明。 1-充液罐 2-上粱 3-主缸及活塞 4-活動(dòng)橫梁 5-立柱 6-下梁 7-頂出缸 圖2.2 液壓機(jī)本體機(jī)構(gòu)圖 滑塊在工作主缸的驅(qū)動(dòng)下，以立柱為導(dǎo)向，在上下橫梁之間往復(fù)運(yùn)動(dòng)?；瑝K下端面固定有上模具，而下模具則固定與下橫梁上的工作臺(tái)上。當(dāng)高壓液體進(jìn)入主缸的上腔，推動(dòng)滑塊向下運(yùn)動(dòng)，使工件在上下模具之間產(chǎn)生塑性變形。當(dāng)主缸下腔進(jìn)油時(shí)則推動(dòng)滑塊往上運(yùn)動(dòng)，同時(shí)下橫梁內(nèi)的頂出缸頂出工件[7]。 2.1.2 液壓機(jī)的主要結(jié)構(gòu)形式 按照結(jié)構(gòu)形式分類，液壓機(jī)主要包括單柱液壓機(jī)、四柱液壓機(jī)、框架液壓機(jī)及其他結(jié)構(gòu)的液壓機(jī)。 液壓機(jī)有單動(dòng)、雙動(dòng)、三動(dòng)三種基本的動(dòng)作方式。在單動(dòng)方式中，壓頭（或滑板）作為移動(dòng)部件單向移動(dòng)完成壓制過程。這種工作方式?jīng)]有壓邊裝置。單動(dòng)壓力機(jī)主要用于薄型工件成型中，適用于卷材和帶型材料。雙動(dòng)型壓力機(jī)有兩個(gè)移動(dòng)部件：滑板（或沖頭）和模板。其工作過程是，沖頭（或滑板）自上而下拉伸沖料，模板充作固定壓板。在壓制成型后，模板能實(shí)現(xiàn)打料頂出功能?？筛鶕?jù)材料和工件的特征參數(shù)來調(diào)整模板的壓力。三動(dòng)型壓力機(jī)中，深拉伸滑塊和壓邊滑塊自上而下移動(dòng)，由模板實(shí)現(xiàn)打料動(dòng)作。但是，模板也可以充作壓邊塊來實(shí)現(xiàn)專門的成型操作。這種壓力機(jī)也可以做雙動(dòng)機(jī)用。由于內(nèi)滑板和壓邊塊相關(guān)連，因此，成型壓力和壓邊力合成整個(gè)系統(tǒng)的總負(fù)載[8]。 2.1.3 液壓機(jī)基本參數(shù) 液壓機(jī)的技術(shù)參數(shù)是根據(jù)它的工藝用途和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)確定的，它反映了液壓機(jī)的工作能力和特點(diǎn)，是設(shè)計(jì)液壓機(jī)的重要依據(jù)[9]。 液壓機(jī)的基本參數(shù)有以下內(nèi)容: （1）公稱壓力（公稱噸位）及其分級(jí) 公稱壓力是指液壓機(jī)名義上能產(chǎn)生的最大力量，在數(shù)值上等于工作液體壓力和工作柱塞總工作面積的乘積。它反映了液壓機(jī)的主要工作能力。 （2）最大凈空距（開口高度）H 最大凈空距H是指活動(dòng)橫梁停止在上限位置時(shí)，從工作臺(tái)上表面到活動(dòng)橫梁下表面的距離，凈空距反映了液壓機(jī)高度方向上工作空間的大小。 （3）最大行程S 最大行程S指活動(dòng)橫梁能夠移動(dòng)的最大距離。 （4）工作臺(tái)尺寸（長(zhǎng)×寬） 工作臺(tái)尺寸指工作臺(tái)面上可以利用的有效尺寸，如圖8-9中的B與T。 （5）回程力 回程力由活塞缸下腔工作面積或單獨(dú)設(shè)置的回程缸來實(shí)現(xiàn)。 （6）活動(dòng)橫梁運(yùn)動(dòng)速度（滑塊速度） 可分為工作行程速度、空行程速度及回程速度。工作行程速度由工藝要求來確定?？招谐趟俣燃盎爻趟俣瓤梢愿咭恍?，以提高生產(chǎn)率。 （7）允許最大偏心距 允許最大偏心距是指工件變形阻力接近公稱壓力時(shí)，所能允許的最大偏心值。 （8）頂出器公稱壓力及行程 有些液壓機(jī)下橫梁裝有頂出器。其壓力和行程可按工藝要求確定。 2.1.4 液壓機(jī)的特點(diǎn) 液壓機(jī)與其他機(jī)械壓力機(jī)相比具有以下特點(diǎn)[10]： 一是動(dòng)力傳動(dòng)為“柔性"傳動(dòng)，不象機(jī)械加工設(shè)備一樣動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)復(fù)雜，這種驅(qū)動(dòng)原理避免了機(jī)器過載的情況；二是液壓機(jī)的拉伸過程中只有單一的直線驅(qū)動(dòng)力，沒有“成角的"驅(qū)動(dòng)力，這使加工系統(tǒng)有較長(zhǎng)的生命期和高的工件成品率；三是液壓裝置易于實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)；四是在同等體積下，液壓裝置能比電氣裝置產(chǎn)生出更大的動(dòng)力；五是液壓裝置能在大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速；六是液壓裝置工作比較平穩(wěn)。 由于液壓機(jī)具有許多優(yōu)點(diǎn)，所以它在工業(yè)生產(chǎn)中尤其在鍛造、沖壓生產(chǎn)中的應(yīng)用已有悠久歷史，對(duì)于大件鍛造、大件拉深工藝，更顯其優(yōu)越性。 2．2 液壓控制系統(tǒng)的功能和組成 歸納起來，液壓控制系統(tǒng)一般應(yīng)滿足以下要求[12]： （1） 能源裝置——把機(jī)械能轉(zhuǎn)換成油液液壓能的裝置。最常見的形式是液壓泵，它給液壓系統(tǒng)提供壓力油。 （2） 執(zhí)行元件——把油液的液壓能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的元件。有作直線運(yùn)動(dòng)的液壓缸，或作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的液壓馬達(dá)。 （3） 控制調(diào)節(jié)元件——對(duì)系統(tǒng)中油液壓力，流量或油液流動(dòng)方向進(jìn)行控制或調(diào)節(jié)的元件。這些元件的不同組合形成了不同功能的液壓系統(tǒng)。 （4） 輔助元件——上述三部分以外的其他元件，例如油箱，過濾器，油管等。他們對(duì)保證系統(tǒng)正常工作有重要作用。 （5）其他的一些完成邏輯功能的邏輯元件等。 液壓控制系統(tǒng)的典型組成如圖2.3所示。 圖2.3 液壓控制系統(tǒng)的典型組成 2．3 3150KN四柱式通用液壓機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其分析 2.3.1 液壓機(jī)的液壓系統(tǒng)功能需求分析 四柱液壓機(jī)用途廣泛，除了用于板料的沖裁、拉伸、彎曲、翻邊等沖壓工藝外，還可用于冷擠、校正、壓裝、粉末制品、磨料制品、塑料制品和絕緣材料的壓制成形。其外觀如圖2.4所示。 圖2.4 四柱式萬能液壓機(jī)外觀圖 其本體機(jī)構(gòu)為一般的典型三梁四柱式，設(shè)有頂出缸及充液系統(tǒng)。它由上橫梁、活動(dòng)橫梁、下橫梁及四根立柱組成，上橫梁的中間孔安裝工作缸，下橫梁的中間孔安裝頂出缸，活動(dòng)橫梁靠四個(gè)角上的孔套裝在四立柱上，上方與工作缸的活塞相連接，由其帶動(dòng)活動(dòng)橫梁上下運(yùn)動(dòng)。 液壓系統(tǒng)由能源轉(zhuǎn)換裝置（泵和油泵）、能量調(diào)節(jié)裝置（各種閥）以及能量輸送裝置（油箱、充液筒、管路）等組成。借助電氣系統(tǒng)的控制，驅(qū)動(dòng)活動(dòng)橫梁及頂出缸活塞運(yùn)動(dòng)，完成各種工藝動(dòng)作循環(huán)。 本機(jī)器具有調(diào)整、手動(dòng)和半自動(dòng)三種方式可供選擇。依靠活動(dòng)橫梁和頂出缸活塞的配合動(dòng)作完成各種制件的壓制。 根據(jù)《機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》JB/T 9957.2-1999，現(xiàn)設(shè)3150KN液壓機(jī)基本參數(shù)為： 公稱力： 頂出力： 液體最大工作壓力： 滑塊行程： 頂出行程： 開口高度： 滑塊行程速度：快速下行 慢速下行 工作 回程 頂缸頂出及退回速度 工作臺(tái)面有效尺寸左右×前后：基型 變型或 2.3.2 液壓機(jī)的系統(tǒng)圖及系統(tǒng)工作原理分析 液壓機(jī)的液壓控制系統(tǒng)原理圖如圖 2.5所示。 上滑塊由主缸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)加壓，下滑塊由下缸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)頂出。 系統(tǒng)有兩個(gè)泵，主泵為恒功率變量泵，最高工作壓力由溢流閥8的遠(yuǎn)程調(diào)壓閥9調(diào)定。輔助泵2是低壓小流量定量泵，用于供應(yīng)液動(dòng)閥的控制油。 1-控制泵組 2-主電機(jī) 3-液壓泵 4、10-電液換向閥 5、7、8-溢流閥 6-節(jié)流閥 9-遠(yuǎn)程調(diào)壓閥 11、15-電磁換向閥 12-液控單向閥 13-支承閥 14-充液閥 16-單向閥 17-壓力繼電器 圖 2.5 3150KN滑閥式一般用途液壓機(jī)液壓控制系統(tǒng)圖 各個(gè)行程的動(dòng)作如下： （1）啟動(dòng) 液壓泵電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，全部換向閥的電磁鐵處于斷電狀態(tài)，泵輸出的油經(jīng)三位四通電液換向閥10（中位）及閥4（中位）流回油箱，泵空載啟動(dòng)。 （2）活動(dòng)橫梁空程快速下降 電磁鐵1YA及5YA通電，閥10及閥11換至右位，控制油經(jīng)電磁換向閥11（右位），打開液控單向閥12，主工作腔下腔油經(jīng)閥12、閥10（右位）及閥4（中位）排回郵箱，動(dòng)梁在重力作用下快速下降，此時(shí)主工作缸上腔形成負(fù)壓，上部油箱的低壓油經(jīng)充液閥14向主缸上腔充液，同時(shí)泵輸出的油也經(jīng)閥10及單向閥15進(jìn)入主缸上腔。 進(jìn)油路：泵3—閥10右位—閥15—主缸上腔 回油路：主缸下腔—閥12—閥10右位—閥4中位—油箱 （3）活動(dòng)橫梁慢速下降及工作加壓 活動(dòng)橫梁下降至一定位置，觸動(dòng)行程開關(guān)2s，使5YA斷電，閥11復(fù)位，液控單向閥12關(guān)閉，主缸下腔油須經(jīng)支承閥13排回油箱，活動(dòng)橫梁不再靠重力作用下降，必須依靠泵輸出的壓力油對(duì)活塞加壓，才能使活動(dòng)橫梁下降，活動(dòng)橫梁下降速度減慢，此時(shí)，活動(dòng)橫梁的速度取決于泵的供油量，改變泵的流量即可調(diào)節(jié)活動(dòng)橫梁的運(yùn)動(dòng)速度。在工作加壓過程中，主工作缸內(nèi)油壓取決于工件的變形阻力。 進(jìn)油路：泵3—閥10右位—閥15—主缸上腔 回油路：主缸下腔—閥13—閥10右位—閥4中位—油箱 （4）保壓 電磁鐵6YA通電，閥15接通油箱；1YA斷電，利用單向閥15及充液閥14之錐面，對(duì)主缸上腔油密封，依靠油液及機(jī)架的彈性進(jìn)行保壓。 若主缸上腔油壓降低，低到一定值時(shí)，壓力繼電器16發(fā)出訊號(hào)，使電磁鐵1YA通電，泵向主缸上腔供油，使油壓升高，保持保壓壓力。而當(dāng)油壓超過一定值時(shí)，壓力繼電器16又發(fā)訊號(hào)，使1YA斷電，液壓泵停止向主缸上腔供油，油壓不再升高。 （5）快速回程 電磁鐵6YA斷，2YA通電，閥10換至左位，壓力油經(jīng)閥10（左位）使充液閥14開啟，主缸上腔油經(jīng)閥14排回油箱，壓力油經(jīng)閥12進(jìn)入主缸下腔，推動(dòng)活塞上行，活動(dòng)橫梁快速回程。 進(jìn)油路：泵3—閥10左位—閥12—主缸下腔 回油路：主缸上腔—閥14—油箱 （6）浮動(dòng)壓邊 當(dāng)需要利用頂出缸為板料拉伸進(jìn)行壓邊時(shí)，可先令電磁鐵3YA通電，閥4換至左位，壓力油經(jīng)閥10（中位）及閥4（左位）進(jìn)入頂出缸下腔。頂出缸上腔油經(jīng)閥4（左位）排回油箱，頂出活塞上行，當(dāng)壓靠壓邊圈后，令3YA斷電。 坯料進(jìn)行反拉伸時(shí)，頂出缸活塞在動(dòng)梁壓力作用下，隨動(dòng)梁一起下降。頂出缸下腔油經(jīng)節(jié)流閥6及溢流閥5排回油箱，由于節(jié)流閥6存在一定節(jié)流阻力，因而產(chǎn)生一定油壓，相應(yīng)使頂出缸活塞上產(chǎn)生一定的壓邊力。調(diào)節(jié)溢流閥5即可改變此浮動(dòng)壓邊力。 （7）頂出器頂出及退回 電磁鐵3YA通電，閥4換至左位，頂出缸活塞上行，頂出。 進(jìn)油路：泵3—閥10中位—閥4左位—頂缸下腔 回油路：頂缸上腔—閥4左位—油箱 而電磁鐵4YA通電，閥4換至右位，則頂出缸活塞下行，退回。 進(jìn)油路：泵3—閥10中位—閥4右位—頂缸上腔 回油路：頂缸下腔—閥4左位—油箱 （8）停止 全部電磁鐵處于斷電狀態(tài)，閥4和閥10處于中位，液壓泵3輸出的油經(jīng)閥10（中位）及閥4（中位）排回油箱，泵卸荷。液控單向閥12將主工作缸下腔封閉，支承活動(dòng)橫梁懸空，停止不動(dòng)。 其他 溢流閥8及遠(yuǎn)程調(diào)壓閥9作為系統(tǒng)安全調(diào)壓用，溢流閥7則作為頂出缸下腔安全限壓用[14]。 表2.1為電磁鐵動(dòng)作順序表。 表2.1 3150KN液壓機(jī)電磁鐵動(dòng)作順序表（滑閥式） 液壓缸 動(dòng)作名稱 1YA 2YA 3YA 4YA 5YA 6YA 工作缸 快速下行 ＋ ＋ 慢速下行 ＋ 保壓 ＋ 快速回程 ＋ 頂出缸 頂出 ＋ 退回 ＋ 2.3.3 系統(tǒng)控制基本回路 任何復(fù)雜的液壓系統(tǒng)總是由一些基本回路所組成的。所謂基本回路，就是在系統(tǒng)中采用某些液壓元件為實(shí)現(xiàn)某種動(dòng)作或性能要求而組成的典型油路。常見的基本回路按其在系統(tǒng)中的功能可分為：壓力控制基本回路、方向控制基本回路、速度流量控制基本回路、多執(zhí)行元件工作控制回路以及其它回路。 下面主要分析本系統(tǒng)中的一些基本控制回路。 （1）壓力控制基本回路 壓力控制基本回路是用壓力控制閥來控制或調(diào)節(jié)整個(gè)液壓系統(tǒng)或某一部分的油液壓力，以獲得執(zhí)行元件所需要的力或轉(zhuǎn)矩，或保持受力狀態(tài)、防止系統(tǒng)過載、防止系統(tǒng)液壓沖擊以及減少系統(tǒng)能量損耗的回路。下面主要介紹調(diào)壓、卸荷、保壓等回路。 （a）調(diào)壓回路 調(diào)壓回路的功能是使液壓系統(tǒng)整體或某一部分的壓力保持恒定或不超過某個(gè)數(shù)值。 如圖2.6所示：在泵3的出口處設(shè)置并聯(lián)的溢流閥8和遠(yuǎn)程調(diào)壓閥9，使泵的出口壓力基本維持恒定。 圖2.6 調(diào)壓回路 （b）卸荷回路 卸荷回路的功能是使液壓泵在接近零壓的情況下運(yùn)轉(zhuǎn)，這樣可以避免頻繁啟動(dòng)電機(jī)，減少功率損失和系統(tǒng)發(fā)熱，延長(zhǎng)泵和電機(jī)的使用壽命。本系統(tǒng)中串聯(lián)油路泵通過兩個(gè)換向閥中位卸壓，如圖2.7所示。 圖2.7 卸荷回路 （c）保壓回路 有些機(jī)械要求具有保壓的功能，即在工作循環(huán)的某一階段內(nèi)保持規(guī)定的壓力。保壓回路應(yīng)滿足保壓時(shí)間、壓力穩(wěn)定、工作可靠及節(jié)能等多方面的要求。 在本系統(tǒng)采用單向閥16保壓。 （2）速度流量基本控制 在液壓系統(tǒng)中，執(zhí)行元件的速度是由供給執(zhí)行元件的液流量來控制的。因此，對(duì)液流量的控制實(shí)質(zhì)上就是對(duì)執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)速度的控制。其控制方式有閥控及泵控兩種，前者是通過改變節(jié)流元件的通流面積，后者則是通過改變液壓泵或液壓馬達(dá)的排量。速度控制回路包括調(diào)速回路、快速運(yùn)動(dòng)回路、速度換接回路等。速度控制回路往往是液壓系統(tǒng)中的核心部分，它的工作性能優(yōu)劣對(duì)系統(tǒng)起著決定性的作用。 （a）調(diào)速回路 調(diào)速回路有節(jié)流調(diào)速回路、容積調(diào)速回路和容積節(jié)流調(diào)節(jié)回路，本系統(tǒng)采用的是容積調(diào)速回路。 通過改變泵或馬達(dá)的排量來進(jìn)行調(diào)速的方法成為容積調(diào)速，這種調(diào)速回路由變量泵與定量執(zhí)行元件、變量泵與變量液壓馬達(dá)以及定量泵與變量液壓馬達(dá)等幾種組合形式。其主要優(yōu)點(diǎn)是：沒有溢流損失和截留損失，因而效率高，發(fā)熱少。但變量泵或變量液壓馬達(dá)的結(jié)構(gòu)較定量泵或定量液壓馬達(dá)復(fù)雜，因此容積調(diào)速回路的成本較節(jié)流調(diào)速回路的成本稍高。 如圖2.8所示為變量泵-缸容積調(diào)速回路，回路中液壓缸的活塞速度靠變量泵的排量來調(diào)節(jié)。 圖2.8 變量泵-缸調(diào)速回路 （b）快速運(yùn)動(dòng)回路 快速運(yùn)動(dòng)回路是在不增加液壓泵流量的情況下，加快執(zhí)行元件的空載運(yùn)行速度，以提高系統(tǒng)的工作效率和充分利用功率。本系統(tǒng)中利用上滑塊自重加速、充液閥14 補(bǔ)油的快速運(yùn)動(dòng)回路，功率利用合理。 （c）速度換接回路 速度換接回路的功能是使執(zhí)行元件在一個(gè)工作循環(huán)中，從一個(gè)運(yùn)動(dòng)速度變換到另一種運(yùn)動(dòng)速度。常用的回路有用行程閥的快慢速換接回路、用兩種調(diào)速閥的速度換接回路和二次進(jìn)給回路等。 （3）方向控制回路 方向控制基本回路是控制執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)方向的回路。通常情況下采用二位或三位換向閥可使執(zhí)行元件換向。三位換向閥除了使執(zhí)行元件正反兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)外，不同的中位滑閥機(jī)能還可以使系統(tǒng)獲得不同的性能。 本系統(tǒng)中主缸由中位機(jī)能為M型的電液換向閥10實(shí)現(xiàn)換位；下缸的換向閥是中位機(jī)能為K型的電液換向閥4。 3 3150KN四柱式液壓機(jī)液壓系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì) 3150KN四柱式液壓機(jī)的液壓系統(tǒng)方案初步確定后，要進(jìn)行必要計(jì)算，以最后確定液壓系統(tǒng)各部分的尺寸，其中主要包括油缸尺寸和液壓泵規(guī)格的確定和各個(gè)閥的選型，為下面的系統(tǒng)建模與仿真分析做好準(zhǔn)備。 3．1 液壓缸的尺寸 3.1.1 工作缸的尺寸 （1）根據(jù)液壓缸的作用力和液體的工作壓力先計(jì)算工作缸的作用面積。 工作缸工作腔的作用面積： 式中 ——工作缸的工作力， ——液體的工作壓力， （2）計(jì)算活塞和活塞桿的直徑。 活塞直徑： 設(shè)工作缸回程力 工作缸活塞桿腔的作用面積： 則活塞桿的直徑： 根據(jù)GB/T 2348-1993《液壓缸缸內(nèi)徑和活塞桿直徑系列》取， 則活塞腔、活塞桿腔實(shí)際面積： 3.1.2 頂出缸的尺寸 （1）頂出缸工作腔的作用面積： 式中 ——頂出缸的工作壓力， （2）計(jì)算活塞和活塞桿的直徑。 活塞直徑： 設(shè)工作缸回程力 工作缸活塞桿腔的作用面積： 則活塞桿的直徑： 根據(jù)GB/T 2348-1993《液壓缸缸內(nèi)徑和活塞桿直徑系列》取， 則活塞腔、活塞桿腔實(shí)際面積： 3．2 計(jì)算液壓系統(tǒng)工作的流量 按液壓缸的作用面積和液壓缸的運(yùn)動(dòng)速度計(jì)算液壓系統(tǒng)工作時(shí)的流量。在沖壓機(jī)械中，滑塊的運(yùn)動(dòng)在一次工作循環(huán)內(nèi)一般分成幾個(gè)不同階段：快速下行行程、工作行程和快速回程。由于它們的運(yùn)動(dòng)速度不同，所以各階段的流量也不相同。 快速下行行程： 工作缸工作腔 工作缸回程腔 慢速下行： 工作缸工作腔 工作缸回程腔 工作行程： 工作缸工作腔 工作缸回程腔 快速回程 工作缸工作腔 工作缸回程腔 式中 ——快速下行速度， ——慢速下行速度， ——工作行程速度， ——快速回程的速度， 主要用來決定變量泵的最大流量或低壓大流量增速泵的流量，以及計(jì)算充液系統(tǒng)的尺寸。主要用來確定回程腔回路的尺寸和驗(yàn)算快速下行行程的速度。主要用來決定高壓泵的流量。主要用來確定工作腔排油卸荷閥的尺寸或工作腔回路的尺寸，和驗(yàn)算快速回程的速度。值也可用來確定變量泵的最大流量。 頂出回路頂出行程及退回行程速度相同，即此兩次行程系統(tǒng)流量相同： 頂缸工作腔 頂缸回程腔 、主要用來確定頂出缸工作時(shí)變量泵應(yīng)輸出的流量。 3．3 選擇液壓泵的規(guī)格 首先確定液壓泵的最大工作壓力和最大的流量，據(jù)此便可以參照泵的產(chǎn)品樣本來選取規(guī)格大小相當(dāng)?shù)囊簤罕谩? 液壓泵的工作壓力與液壓缸的工作壓力并不完全相同，當(dāng)滑塊運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于液體流經(jīng)管道和元件時(shí)產(chǎn)生壓力損失，所以液壓泵的工作壓力較油缸的工作壓力為高。但當(dāng)油缸到達(dá)行程終點(diǎn)不動(dòng)時(shí)，由于沒有液體的流動(dòng)，這時(shí)這兩個(gè)工作壓力又相等。因此對(duì)于大多數(shù)僅在工作行程最后才需要最大壓力的工藝來講，例如壓制、成形、校準(zhǔn)等工作，液壓泵的最大工作壓力可取等于油缸的最大工作壓力，。式中，為液壓泵的最大工作壓力；為液壓缸的最大工作壓力。 液壓泵的最大流量應(yīng)略大于液壓缸需要的最大流量，考慮到系統(tǒng)的泄露和液壓泵磨損后容積效率的下降，可?。? 式中 ——液壓泵的最大流量 ——液壓缸對(duì)液壓泵要求的最大流量，由于快速下行時(shí)液壓缸有充液系統(tǒng)補(bǔ)油，因此取 查《液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)元器件選型手冊(cè)》P129表1.77，選取250YCY14-1B型壓力補(bǔ)償變量柱塞泵，技術(shù)規(guī)格為： 壓力：最高 排量：最大 最高轉(zhuǎn)速： 驅(qū)動(dòng)功率： 3．4 確定控制閥的尺寸 控制閥的尺寸按照它所通過的最大流量和最大工作壓力來選取，它們應(yīng)與產(chǎn)品樣本上表明的閥的公稱壓力和公稱流量相近。必要時(shí)，最大流量允許超過公稱流量，但是不宜過大。因?yàn)殚y內(nèi)流速太高時(shí)，除引起壓力損失和發(fā)熱增加，以及噪音加大外，還可能會(huì)影響某些閥的工作性能，例如換向閥的操作力將增加，反之，如流量過小則閥的外形和重量增大，液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不緊湊，成本高。 根據(jù)計(jì)算結(jié)果，一些主要閥元件的型號(hào)初步選擇如下： 三位四通電液換向閥4：4WF16F50/AG24 溢流閥5: DG-02-B-22 節(jié)流閥6:MG10G1.2 溢流閥7:DBDA10G10/31.5 先導(dǎo)溢流閥8：BG-10-32 遠(yuǎn)程調(diào)壓閥9：DG-01-22 四位三通電液換向閥10：4WEH16G50/AG24 二位三通電磁換向閥11：4WE6D60/AG24Z4 液控單向閥12：CPT-10-50-50 支撐閥13：FBF3D10B 電磁換向閥15：3WE10A30/AG24Z4 單向閥16：S20A00 4 基于AMESim的液壓控制系統(tǒng)建模與仿真分析 4．1 建模仿真軟件AMESim簡(jiǎn)介 作為一種多學(xué)科領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)建模仿真解決方案，AMESim（Advanced Modeling Environment for Simulation of engineering systems）提供了一個(gè)系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)的完整平臺(tái)，使用戶得以建立復(fù)雜的多學(xué)科領(lǐng)域系統(tǒng)的模型，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真計(jì)算和深入的分析。工程設(shè)計(jì)師完全可以應(yīng)用集成的一整套AMESim應(yīng)用庫(kù)來設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)，所有這些來自不同物理領(lǐng)域的模型都是經(jīng)過嚴(yán)格測(cè)試和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的，AMESim可讓工程師迅速達(dá)到建模仿真的最終目標(biāo)，使用戶從繁瑣和高度專業(yè)的數(shù)學(xué)建模中解放出來，從而專注于物理系統(tǒng)本身的設(shè)計(jì)。 該軟件具有的特點(diǎn)： （1） 多學(xué)科的建模仿真平臺(tái) （2） 圖形化物理建模方式 （3） 魯棒性極強(qiáng)的智能求解器 （4） 建模簡(jiǎn)便 （5） 強(qiáng)大的二次開發(fā)能力 （6） 擁有多種建模方式 （7） 分析工具齊全 （8） 靈活的接口技術(shù) （9） 具有開放性 由于AMESim具有這些優(yōu)點(diǎn)，因此本次設(shè)計(jì)選用AMESim作為仿真分析工具。 4．2 基于AMESim液壓系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)步驟 利用AMESim對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真一般包括以下四個(gè)步驟：草圖模式、子模型模式、參數(shù)模式和運(yùn)行模式[16]。 （1） 草圖模式（Sketch mode） 如圖4.1所示，點(diǎn)擊右邊模型庫(kù)，從不同的模型庫(kù)中選取現(xiàn)存的圖形模塊來建立系統(tǒng)：AMESim共提供了15個(gè)模型庫(kù)，400多個(gè)元件，在搭建系統(tǒng)圖時(shí)，首先應(yīng)仔細(xì)考慮個(gè)部件的功能，并將系統(tǒng)的實(shí)際模型按功能分成各個(gè)部分，再用模型庫(kù)中的實(shí)際元件加以表示。 圖4.1 AMESim草圖模式界面 （2）子模型模式（Submodels mode） 草圖模式完成后，點(diǎn)擊圖3.1工具欄中的第五個(gè)圖標(biāo)即進(jìn)入子模型模式，在此模式中根據(jù)實(shí)際需要為每個(gè)元件選擇一個(gè)數(shù)學(xué)子模型（給定合適的建模假設(shè)），如果所搭建的系統(tǒng)不合理，不能按照AMESim的要求組成一個(gè)正常的循環(huán)，就不能進(jìn)入子模型模式。通常情況下，如沒有特殊要求可點(diǎn)擊如圖4.2所示工具欄中最后一個(gè)圖標(biāo)，AMESim即為系統(tǒng)元件選擇默認(rèn)的最簡(jiǎn)子模型。 圖4.2 AMESim界面部分工具欄 （3）參數(shù)模式（Parameters mode） 點(diǎn)擊如圖4.2所示第三個(gè)圖標(biāo)，進(jìn)入?yún)?shù)模式，直接點(diǎn)擊想要設(shè)置參數(shù)的元件圖標(biāo)，即出現(xiàn)如圖4.3所示的參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，為每個(gè)元件的子模型設(shè)定所需要特定的參數(shù)；在此模式下，AMESim可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行編譯，編譯器產(chǎn)生包含系統(tǒng)參數(shù)的可執(zhí)行元件，使我們可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真。 圖4.3 AMESim參數(shù)設(shè)置對(duì)話框 （4）運(yùn)行模式（Run mode） 點(diǎn)擊如圖4.4所示的第一個(gè)圖標(biāo)（Run mode），即出現(xiàn)添加文字（Add text）。運(yùn)行參數(shù)（Run parameters），開始運(yùn)行（Start run）。停止運(yùn)行(Stop run)模式。 圖4.4 AMESim 運(yùn)行模式部分工具欄 對(duì)于一般的仿真，用戶只需在如圖3.5所示的運(yùn)行參數(shù)對(duì)話框中設(shè)定仿真開始，結(jié)束時(shí)間，通信間隔，最大時(shí)間步長(zhǎng)以及誤差限制即可進(jìn)行仿真并分析仿真結(jié)果。而不必關(guān)心其背后的復(fù)雜運(yùn)算。 圖4.5 AMESim 運(yùn)行參數(shù)設(shè)置對(duì)話框 4．3 基于AMESim的3150KN液壓機(jī)液壓控制系統(tǒng)的建模與仿真 4.3.1 系統(tǒng)建模 依據(jù)如圖2.5所示的液壓機(jī)的液壓控制系統(tǒng)原理圖。在AMESim中工作缸、頂出缸的建模如圖4.4、4.5所示。 圖4.4 液壓系統(tǒng)工作缸回路AMESim模型 圖4.5 液壓系統(tǒng)頂出缸回路AMESim模型 為了簡(jiǎn)化模型，方便仿真運(yùn)行，現(xiàn)將液壓系統(tǒng)做一些改動(dòng)：工作回路與頂出回路拆分成兩獨(dú)立系統(tǒng)；遠(yuǎn)程調(diào)壓閥9與溢流閥8一起用一個(gè)溢流閥代替；溢流閥5、節(jié)流閥6和溢流閥7也用一個(gè)溢流閥代替。由于在此環(huán)境下的仿真屬于理想環(huán)境，液壓油泄露、密封性等因素可以不予考慮，系統(tǒng)保壓階段壓力不會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，所以在建模時(shí)壓力繼電器17可以省略。又因?yàn)锳MESim軟件自身的液壓元件庫(kù)目前還不夠完善，許多液壓元件元件庫(kù)中沒有，所以有的元件只能用具備同功能的其它元件或系統(tǒng)來替代：由充液閥14與油箱組成的充液系統(tǒng)就用了一個(gè)獨(dú)立的補(bǔ)油回路來代替；電液換向閥也全部由電磁換向閥代替；外加載荷則由一個(gè)液壓缸與節(jié)流閥、油箱組成的系統(tǒng)代替；其它元件的參數(shù)均按照計(jì)算結(jié)果進(jìn)行設(shè)置。 4.3.2 仿真結(jié)果分析 　　工作缸一個(gè)工作循環(huán)的運(yùn)行設(shè)定如表4-1所示。 表4.1 工作缸一個(gè)工作循環(huán)運(yùn)動(dòng)時(shí)間、行程 空載 快下 慢下 工作 保壓 快回 時(shí)間s 2 4 4 10 2 10 行程mm 0 600 100 100 0 800 頂出缸一個(gè)工作循環(huán)運(yùn)動(dòng)設(shè)定如表4.2所示。 表4.2 頂出缸一個(gè)工作循環(huán)運(yùn)動(dòng)時(shí)間、行程 空載 頂出 保持 退回 時(shí)間s 2 6 2 6 行程mm 0 300 0 300 仿真結(jié)果如圖4.6至4.17所示。 圖4.6 工作缸活塞位移曲線 圖4.7 工作缸活塞速度曲線 圖4.8 工作缸工作腔壓力曲線 圖4.9 工作缸活塞桿受力曲線 圖4.10 工作缸工作腔流量曲線 圖4.11 工作缸活塞桿腔流量曲線 圖4.12 頂出缸活塞位移曲線 圖4.13 頂出缸活塞速度曲線 圖4.14 頂出缸工作腔壓力曲線 圖4.15 頂出缸活塞桿受力曲線 圖4.16 頂出缸工作腔流量曲線 圖4.17 頂出缸活塞桿腔流量曲線 由圖4.6工作缸活塞的位移曲線可以看出，它達(dá)到了空載運(yùn)行、快速下行、慢速下行、工作運(yùn)行、保壓和快速回程的要求；其速度可以從圖4.7看出，前2s空載運(yùn)行速度為0mm/s，2～6s速度為10m/s，6～10s速度為25.04mm/s，10～20s速度為15m/s，20～22s速度為0mm/s，22～32s速度為10m/s，與系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本吻合；由圖4.8工作缸工作腔壓力曲線可以看出，在規(guī)定的工作時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)達(dá)到了25.20MPa的工作壓力，并保壓了2s；由圖4.9工作缸活塞桿受力曲線可以看出，液壓缸在規(guī)定的工作時(shí)間范圍內(nèi)輸出壓力也達(dá)到了3156.68KN；由圖4.10、圖4.11工作缸工作腔和活塞桿腔的流量曲線可以看到，系統(tǒng)的流量與設(shè)計(jì)相符。 由圖4.12頂出缸活塞的位移曲線可以看出，它也達(dá)到了空載運(yùn)行、頂出、保持和快速回程的要求；由圖4.13頂出缸活塞的速度曲線可以看出，頂出速度為49.09mm/s，退回速度為49.96mm/s，基本與設(shè)計(jì)吻合；由圖4.14頂出缸工作工作腔工作壓力曲線可以看出，系統(tǒng)達(dá)到了25.70MPa的工作壓力；由圖4.15頂出缸活塞桿受力曲線可以看出，頂出缸輸出壓力在規(guī)定的工作時(shí)間內(nèi)達(dá)到了638.77KN；由圖4.16、圖4.17頂出缸工作腔和活塞桿腔的流量曲線可以看到，頂缸回路的系統(tǒng)流量與設(shè)計(jì)相符。 從仿真結(jié)果可以看出，系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本達(dá)到了工作要求。但其中也存在著不少不合理處。 （1）如圖4.8工作缸工作腔壓力曲線所示，在系統(tǒng)保壓結(jié)束后快速回程時(shí)，工作腔的壓力由25MPa驟降至0，此時(shí)系統(tǒng)必然將產(chǎn)生很大的振動(dòng)。 （2）圖4.6工作缸活塞位移曲線可以看出，工作缸的回程速度有些慢。 這些問題有待改進(jìn)。 4.3.3 液壓控制系統(tǒng)的改進(jìn) 由圖4.10工作缸工作腔壓力曲線可以看出，在系統(tǒng)保壓結(jié)束后快速回程時(shí)，工作腔壓力有一個(gè)差值很大的驟降。由于系統(tǒng)在保壓過程中，由于液壓油壓縮性和機(jī)械部分產(chǎn)生彈性變形，因而儲(chǔ)存了相當(dāng)?shù)哪芰浚藭r(shí)的立即換向，會(huì)瞬間產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)和巨大的“炮鳴”聲響，造成機(jī)器和管路的振動(dòng)，影響液壓機(jī)正常工作。 由以上分析可知，要解決液壓機(jī)回程時(shí)的巨大響聲和振動(dòng)，就要使主缸上腔有控制地卸壓，待其上腔壓力降至較低時(shí)再轉(zhuǎn)入回程。 為此可以在系統(tǒng)中加裝一個(gè)釋壓回路，在系統(tǒng)保壓和換向之間采取釋壓措施，由此來消除系統(tǒng)振動(dòng)和“炮鳴”。圖4.18為用溢流閥釋壓的回路。 當(dāng)換向閥處于圖示位置時(shí)，溢流閥2的遠(yuǎn)程控制口通過節(jié)流閥3和單向閥4回油箱。調(diào)節(jié)節(jié)流閥的開口大小就可以改變溢流閥的開啟速度，也即調(diào)節(jié)缸上腔高壓油的釋壓速度。溢流閥2的調(diào)節(jié)壓力應(yīng)大于系統(tǒng)中調(diào)節(jié)溢流閥9的壓力，因此溢流閥2也其安全閥的作用。 改進(jìn)后的系統(tǒng)原理圖如圖4.19所示。虛線框內(nèi)部分是加入的釋壓回路。 電磁鐵7YA只在卸壓回程時(shí)通電，其余時(shí)間保持?jǐn)嚯?。在保壓結(jié)束后，回程前電磁鐵7YA先通電，工作缸上腔高壓油液的壓縮能量通過溢流閥18逐漸釋放，不會(huì)產(chǎn)生“炮鳴”聲。 1-三位四通換向閥 2-溢流閥 3-節(jié)流閥 4-單向閥 圖4.18 釋壓回路 如圖4.19所示為加裝釋壓回路的系統(tǒng)工作缸回路AMESim模型。 釋壓回路可簡(jiǎn)化為一個(gè)先導(dǎo)溢流閥和一個(gè)信號(hào)源的組合。虛線框內(nèi)部分是加入的釋壓回路。 對(duì)改進(jìn)后的系統(tǒng)進(jìn)行仿真運(yùn)行，設(shè)定釋壓時(shí)間4s，將工作缸壓力由25MPa降到5MPa。加裝釋壓回路后系統(tǒng)工作缸工作腔壓力曲線與改進(jìn)前的工作缸工作腔壓力曲線比較如圖4.20所示。 由圖中可以很明顯看出，改進(jìn)后的系統(tǒng)在保壓結(jié)束后的4s內(nèi)，工作缸的工作腔壓力平緩的逐漸降低至5MPa，沒有了高壓驟降，系統(tǒng)不會(huì)產(chǎn)生“炮鳴”。 圖4.19 加裝釋壓回路的系統(tǒng)AMESim模型圖 a b a-改進(jìn)前的系統(tǒng)工作缸工作腔壓力曲線 b-改進(jìn)后的系統(tǒng)工作缸工作腔壓力曲線 圖4.20 改進(jìn)前后工作缸工作腔壓力曲線比較 由于加裝了釋壓回路，一個(gè)工作循環(huán)時(shí)間增加了4s。為了不降低生產(chǎn)效率，可以通過提高滑塊的回程速度來縮短工作循環(huán)時(shí)間。 提高滑塊的回程速度，可以在不增加泵流量的前提下通過加粗活塞桿直徑而得到。此方法對(duì)原液壓機(jī)系統(tǒng)其它參數(shù)沒有影響，改造方便可行。 原工作缸的缸徑為400mm，活塞桿直徑為320mm，為了提高回程速度，活塞桿直徑必須大于320mm而且小于400mm。按照GB2348-1993液壓缸內(nèi)徑及活塞桿外徑系列標(biāo)準(zhǔn)，選取活塞桿直徑為360mm。已知原系統(tǒng)采用的250YCY14-1B型壓力補(bǔ)償變量柱塞泵回程時(shí)排量，電機(jī)轉(zhuǎn)速，泵的容積效率，所以泵的實(shí)際輸出流量： 于是改造后的回程速度： 改造后的回程時(shí)間： 加裝釋壓回路及提高回程速度后系統(tǒng)工作循環(huán)時(shí)間： 完成這處改進(jìn)后進(jìn)行仿真，得出的工作缸活塞速度曲線與改進(jìn)之前對(duì)比如圖4.21所示。 a b a-改進(jìn)前工作缸活塞速度曲線 b-改進(jìn)后工作缸活塞速度曲線 圖4.21 改進(jìn)前后工作缸活塞速度對(duì)比 從圖4.21中可以看出，改進(jìn)后的系統(tǒng)回程速度得到了大幅提升，系統(tǒng)工作循環(huán)時(shí)間也縮短了很多，達(dá)到了提高生產(chǎn)效率的目的。 結(jié)束語(yǔ) 在現(xiàn)代工業(yè)中，沖壓技術(shù)不斷向自動(dòng)化與精密化方向發(fā)展，對(duì)沖壓機(jī)床的液壓控制系統(tǒng)性能與精度也提出了更高要求，傳統(tǒng)的液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法已不能適應(yīng)現(xiàn)代產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和性能要求。利用計(jì)算機(jī)建模與仿真，進(jìn)行實(shí)際物理系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性分析，研究實(shí)際系統(tǒng)的各種工作狀態(tài)，可以降低工程造價(jià)，減少設(shè)計(jì)時(shí)間，從而達(dá)到優(yōu)化系統(tǒng)、縮短研究周期和提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的目的。 本文主要完成了以下一些工作： （1）沖壓機(jī)床液壓系統(tǒng)技術(shù)及液壓系統(tǒng)計(jì)算機(jī)建模仿真技術(shù)背景的闡述。 （2）3150KN四柱式液壓機(jī)液壓控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)。 本文對(duì)液壓機(jī)的工作原理及特點(diǎn)進(jìn)行了闡述，并結(jié)合液壓控制技術(shù)，對(duì)液壓機(jī)液壓控制系統(tǒng)進(jìn)行了功能分析。針對(duì)了3150KN四柱式液壓機(jī)的性能需求，設(shè)計(jì)了液壓機(jī)的液壓控制系統(tǒng)，并對(duì)此系統(tǒng)的工作原理與各控制基本回路進(jìn)行了分析闡述。 （3）3150KN四柱式液壓機(jī)液壓系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)。 對(duì)系統(tǒng)中各主要元件進(jìn)行了選型計(jì)算，為系統(tǒng)的仿真做好準(zhǔn)備。 （4）基于AMESim的液壓控制系統(tǒng)建模與仿真分析。 基于AMESim對(duì)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行了建模與動(dòng)態(tài)仿真，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)了初步設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中存在的換向壓力沖擊大和回程速度慢兩個(gè)問題。針對(duì)這些問題進(jìn)行了分析改進(jìn)，提出了加裝釋壓回路和改變工作缸活塞桿直徑的兩個(gè)改進(jìn)方案。再對(duì)改進(jìn)后的系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，確定系統(tǒng)基本正確。 從仿真結(jié)果來看，系統(tǒng)還存在一些振動(dòng)，有些仿真結(jié)果與預(yù)設(shè)存在誤差。這是有許多原因造成的，主要原因有以下幾個(gè)方面。 （1）系統(tǒng)本身的原因。震蕩主要發(fā)生在電磁閥換向、系統(tǒng)保壓以及系統(tǒng)卸荷時(shí)，因?yàn)樵谶@些時(shí)期很容易產(chǎn)生壓力沖擊，系統(tǒng)震蕩只能盡量減小，難以完全消除。 （2）為了便于建模仿真，將模型做了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化。 （3）由于參數(shù)不全，一些軟參數(shù)難以確定，只有使用軟件系統(tǒng)的默認(rèn)值，如液壓油的特性，液壓缸的粘性阻尼系數(shù)，管壁的粗糙度、管徑、厚度等，它們對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能都有較大的影響。 （4）系統(tǒng)比較大，影響因素較多，某個(gè)參數(shù)的改變就可能影響其它其它元件的性能，進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)仿真結(jié)果造成影響。各個(gè)參數(shù)的影響是相互的，及其復(fù)雜的。因此，應(yīng)對(duì)大系統(tǒng)的原理及參數(shù)作進(jìn)一步深入的研究，使仿真精度更高。 在本文的研究過程中，由于本人的工程經(jīng)驗(yàn)和理論知識(shí)不足，所以還應(yīng)在以下幾個(gè)方面做進(jìn)一步的改進(jìn)和完善： （1）對(duì)液壓機(jī)的液壓系統(tǒng)進(jìn)行更深入的研究，從而設(shè)計(jì)出功能更為強(qiáng)大，性能更加穩(wěn)定的液壓機(jī)液壓控制系統(tǒng)。 （2）對(duì)仿真軟件AMESim中各元件的模型進(jìn)行深入地研究，以便更加準(zhǔn)確地搭建所需要仿真的系統(tǒng)模型，在保證準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上進(jìn)行簡(jiǎn)化。 （3）如有條件，可以做一些相關(guān)試驗(yàn)，得到更多的實(shí)際的數(shù)值和曲線，即可對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行更加深入的研究。 致 謝 本論文是在張老師的悉心指導(dǎo)和嚴(yán)格要求下完成的。在這期間老師給我提供了不少參考資料，從論文的研究方法到論文的最終定稿，都得到了張老師的耐心指導(dǎo)和無私幫助。張老師廣博的學(xué)識(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神和一絲不茍的工作作風(fēng)使我受益匪淺，在此，我向張老師表示衷心的感謝和深深的敬意。 在論文的寫作過程中，也得到了許多同學(xué)的熱心幫助，在此致以誠(chéng)摯的謝意。特別要感謝我的同學(xué)們和我的朋友，在我的課題研究作過程中提出了許多寶貴意見。 感謝所有關(guān)心、支持、幫助過我的良師益友。 最后，向在百忙中抽出時(shí)間對(duì)本文進(jìn)行評(píng)審并提出寶貴意見的各位專家表示衷心的感謝。 參 考 文 獻(xiàn) [1] 郭成，儲(chǔ)家佑. 現(xiàn)代沖壓技術(shù)手冊(cè)[M]. 北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005. 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