基于联合仿真的液压式冲压机液压系统改进.pdf

2013 年第 3 卷 第 5期 29 - 1 - 基 于 联 合 仿 真 的 液 压 式 冲 压 机 液 压 系 统 改 进 # 王勇，恽炅明，张腾* 基金项目：科技支撑计划项目：支撑区域和地方支柱产业的制造业信息化综合应用示范(2012KJZC0789)； 安徽省科技厅创新平台建设项目：高端装备制造和新能源汽车技术新服务平台（11Z0201025） 作者简介：王勇（1969-），男，合肥工业大学机械与汽车工程学院副教授、博士，研究向为字化设计、 结构拓扑优化技术 （合肥工业大学机械与汽车工程学院，合肥 230009） 摘要：基于一种液压式冲压机液压系统的工作原理， 分析了由于其液压系统回路及元器件所 导致的工作频率偏低的具体原因，并在此基础上， 对冲压机的液压系统提出两种改进方案并 分析了各自特点。应用 AMESim 与 Matlab/Simulink 联合仿真技术，对冲压机的原液压系统 与改进方案进行了仿真和比对分析。仿真结果表明：改进后液压系统工作频率有所增高，且 液压冲击现象有效减小。 关键词：液压式冲压机；工作频率；方案改进；联合仿真 Improvement and Simulation Analysis of the Hydraulic System for Hydraulic Press WANGYong, YUN Jiongming, ZHANG Teng (School of Mechanical and Automotive Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009) Abstract:Based on the working principle of a hydraulic system of hydraulic press, the specific reasons for the low frequency caused by circuit and components of the hydraulic system were analyzed. On this foundation, two improvement schemes of the hydraulic system were proposed and the characteristics were analyzed. The original hydraulic system and improvement scheme were simulation analyzed, based on the technology of AMESim-Matlab/Simulink co-simulation. The simulation results show that the work frequency of improved hydraulic system is increased, and the phenomenon of hydraulic shock reduces effectively. Keywords:Hydraulic press; Work frequency; Improvement scheme; Co-simulation 0引言 由于冲压机的高效率、低成本等特点，其广泛应用与汽车工业、各种机械产品等生产部 门。同时，与传统的机械式压力机相比，液压式压力机具有结构简单、传动平稳、冲压频率 高等特点，其应用范围更为广泛1。 目前，国外所使用的冲压设备基本都是液压式冲压机，且其技术相对比较成熟，自动化 程度较高，冲压频率较国内冲压机高出很多23。而在国内，则是机械式压力机的技术发展 比较完善，液压式冲压机与国外先进水平有很大差距， 这主要体现在冲压机液压系统及系统 的控制部分。因此，液压系统是液压式冲压机的关键。 国内外对于各类液压系统的仿真分析已经由只使用某一种分析软件如 AMESim 进行分 析发展为应用两种软件进行联合仿真，如 AMESim 与 Matlab/Simulink 联合仿真，AMESim 与 Adams 联合仿真。 西北工业大学的陈宏亮、李华聪将 AMESim 与 Matlab/Simulink 联合仿 真方法应用于电液伺服系统中，对其减振措施进行仿真分析，取得不错的效果4；美国的 30 2013 年第 3 卷 第 5 期 - 2 - Alfred Lynn 应用联合仿真对混合动力车模型及其液压系统进行仿真分析，用于改善燃油经 济性5；西南科技大学的江玲玲、张俊俊对 AMESim 与 Matlab/Simulink 联合仿真进行了研 究，并将其用于电液位置伺服系统，也有很好的效果6。 本文通过介绍国内现有的一种液压式冲压机的液压系统的工作原理， 分析其冲压效率偏 低的原因，提出改进方案；并通过 AMESim与 Simulink 联合仿真方法，对原液压系统与改 进后液压系统进行仿真分析，验证改进效果。 1原液压系统的原理及缺点 液压式冲压机的液压系统需要实现以下工作循环： 快进-工进-回程-停止。 其原液压原理 图如图 1 所示。 3-电磁换向阀 4-液控单向阀 5-先导式顺序阀 6-液控单向阀 7-增速油缸 8-溢流阀 9-压力表 10-安全阀 图 1原液压系统原理图 Fig.1Schematic of the original hydraulic system 其工作原理： 回程：电磁换向阀 3 左位工作，进油路：液压泵-电磁换向阀 3 左位-液 控单向阀 6（同时打开液控单向阀 4）-快速油缸 7 下腔；回油路：快速油缸 7-电磁换向阀 3-油箱（快速油缸 7-液控单向阀 4-油箱）； 快进：电磁换向阀 3 右位工作，进油路：液压 泵-电磁换向阀 3 右位-快速油缸 7 柱塞缸（同时打开液控单向阀 6）； 工进：当柱塞缸下 降到指定位置时，系统压力增高， 打开顺序阀 5， 进入快速油缸上腔；同时由于柱塞缸下降， 快速油缸 7 上腔真空，通过液控单向阀 4 从油箱吸油，两油路合流进入快速油缸上腔，实现 快速工进。 电磁换向阀 3 中位工作，M 型便于直接卸荷，快速油缸停止。 该液压系统的主要缺点： （1）液压系统中流量偏低是低工作效率的主要原因。 （2）液压系统中使用顺序阀来实现增速油缸由快速工进转换成慢速工进，这也一定程 度上影响了工作效率。 由顺序阀的工作原理可知， 只有当中心柱塞的工作压力大于顺序阀的 调定压力时，顺序阀才能开启。这就导致其快速回路很多功耗用于克服顺序阀的阻力，使得 顺序阀出油口压力小于进油口压力； 并且油液流经顺序阀后压力突然减小， 产生较大的噪声， 同时油温升高。 （3）此外，由于该系统中缺少吸收冲击的蓄能器，振动及液压冲击较为明显。 2013 年第 3 卷 第 5期 31 - 3- 2液压系统的改进 2.1方案一 针对以上问题，可从以下几方面改进系统： （1）将蓄能器加入到原液压系统中；并使用双泵供油，以增大流量； （2）电磁换向阀电磁铁湿式改为干式；直流改为交流或是直流和微型继电器组合，以 提高换向速度； （3）将先导式顺序阀改为二通阀或将先导式顺序阀与液控单向阀改为二位三通阀7。 改进后的液压原理图如图 2 所示。 3-液压泵 4-安全阀 5-溢流阀 6-蓄能器 7-电磁换向阀 8-液控单向阀 9-二通阀 10-液控单向阀 11-增速油缸 12-压力继电器 13-压力继电器 图 2方案一液压原理图 Fig.2Hydraulic system schematic of the first scheme 其工作原理：快进：电磁换向阀 7右位工作，进油路：主油泵 3（同时副油泵向蓄能 器 6 供油）-电磁换向阀 7右位-快速油缸 11 柱塞缸（同时打开液控单向阀 8）；工进：当 柱塞缸下降到指定位置时，系统压力增高，压力继电器 12 发出信号，使 3YA 通电，二通阀 右位工作。同时由于柱塞缸下降，快速油缸 11 上腔真空，通过液控单向阀 10 从油箱吸油， 三油路合流进入快速油缸上腔，实现快速工进；回程：当工进完成后，快速油缸上腔油压 持续升高，压力继电器 13 发出信号，使 1YA 通电，电磁换向阀 7 左位工作，主油泵通过液 控单向阀 8 向快速油缸下腔供油，同时打开液控单向阀 10，快速油缸上腔通过单向阀 10 泄 油。停止：电磁换向阀 7 中位工作时，M 型便于直接卸荷，快速油缸停止。 此方案的优点有： （1）系统中加入了蓄能器，它作为辅助动力源，可以短时提高系统流量；同时可以吸 收冲击。 （2）系统中采用双泵供油快速回路，可以提高系统流量，进而提高冲压机的工作效率。 （3）使用干式电磁铁活塞直流和微型继电器的组合，因其吸合快，释放时间短，可以 提高换向速度。 （4）二通阀具有流量大、响应快的特点，可以有效的解决噪声大，温升高的问题，可 以提高工作频率8。 32 2013 年第 3 卷 第 5 期 - 4 - 2.2方案二 改进后的液压原理图如图 3所示。 3-高压大流量泵 4-低压小流量泵 5-液动换向阀 6-蓄能器 7-二通阀 8-溢流阀 9-比例伺服阀 10-二通插装阀 11-单向阀 12-增速油缸 13-压力继电器 图 3方案二液压原理图 Fig.3Hydraulic system schematic of the second scheme 工作原理如下：快进：比例伺服阀 9 右位工作,来自低压泵 4 的液压油经液动换向阀 5 和高压泵 3 排出的液压油一起经比例伺服阀 9,进入快速油缸柱塞缸,缸下腔的油经阀 5 和比 例阀 9 进入液压缸上腔,组成差动回路, 柱塞缸快速向下运动；同时快速油缸上腔形成真空， 通过单向阀 11 从油箱吸油。工进：当冲头遇到工件受阻时,系统压力升高, 达到液动阀 5 的设定压力时,阀 5 右位接通,小流量泵 4 卸载,差动连接被切断（同时继电器 13 发出信号， 使 YA 通电,二通插装阀 10 右位工作）， 由高压大流量泵 3 经阀 9 向液压缸的上腔供油,活塞 向下运动, 冲压工件。回程：冲头到达下位极限,接近开关 SQ 发信号, 使比例阀的输入电 压信号为负,左位工作,同时负载消失,系统压力降低,阀 5 左位接通, 泵 3和泵4 同时向液压缸 下腔供油,上腔的油经阀 9 回油箱,活塞快速向上运动,完成了一个工作循环。停止：该系统 压力由溢流阀 8 来调定，在缸停止动作时，泵 3、泵 4 通过二通阀 7 卸荷。 此改进方案采用比例伺服方向阀，利用其响应频率高的特点，实现快速换向，从而实现 系统的高频快速冲压。 以上针对原有系统的缺陷给出了两种改进方案。 为了验证以上基于理论的分析与改进后 系统的效果及合理性， 以下对原液压系统及改进方案进行仿真分析。 由于方案一是在原系统 基础上做了改进，而方案二是从另一个角度重新设计了系统，为了便于对比，在此仅对方案 一进行仿真分析。 由于仅使用 AMESim 软件对液压系统进行分析不能有效的反应出其控制部分的效果。 本文在使用 AMESim的基础上结合 Matlab 的 Simulink 模块， 对液压系统进行两个软件的联 合仿真。 3液压系统的联合仿真 3.1联合仿真的介绍及设置 AMESim-Simulink 联合仿真是结合了专业液压仿真分析软件 AMESim 及具有强大 处理能力分析软件 Matlab 中的 Simulink 模块，通过两个软件接口，建立联合仿真平台，对 2013 年第 3 卷 第 5期 33 - 5 - 液压系统的机械液压部分与控制部分建模分析， 充分利用了两种软件在建模仿真与数据处理 的优势4。具体则是将 AMESim 模型生成一个 S 函数，添加入 Simulink 模型中，从而实现 两个软件的联合仿真5。 联合仿真设置如下6： 将 VC+中的vcvar32.bat文件从 Microsoft Visual C+ 目录拷贝至 AMESim 目录 下。设置环境变量：设置 AMESim 环境变量;变量名为 AME，值为其安装路径；设置 Matlab 环境变量;变量名 MATLAB，值为 Matlab 安装路径；确认在系统变量 PATH 中包含系统安 装目录 C:windowsSystem32。在 Matlab 的目录列表里加上 AMESim 与 Matlab 接口文件所 在目录 AMESimmatlabamesim。在 AMESim 中选择 VC 作为编译器。在 MATLAB命令窗 口中输入 Mex- setup，选择 VC 作为编译器。 3.2联合仿真的应用及结果分析 3.2.1原液压系统的建模仿真 在 AMESim 中建立系统模型，如图 4 所示。 图 4原液压系统 AMESim 模型 Fig. 4AMESim model of the original hydraulic system Simulink系统模型如图 5 所示。 图 5原液压系统 Simulink 模型 Fig.5Simulink model of the original hydraulic system 设定系统参：泵排量 170ml/r，转速 1440r/min；发动机转速 1440r/min；三位四通阀 各通路流量为 100L/min，压降为 0.1MPa，阀门额定电流 40MA；位移传感器增益为 1。系 34 2013 年第 3 卷 第 5 期 - 6 - 统输入为常数信号，运行仿真，得到液压缸进口压力曲线及液压缸活塞位移曲线，如图 7、 8 所示。 3.2.2改进方案一的建模仿真 在 AMESim 中建立系统模型，如图 6 所示。 图 6改进后的 AMESim 模型 Fig. 6AMESim model of the improved hydraulic system Simulink 模型与图 5相同。 系统参数设置： 将主泵排量改为 200ml/r， 辅泵排量为 170ml/r， 蓄能器体积 1L，充气压力为 30bar，其他与原液压系统设置相同。液压缸进口压力曲线及液 压缸位移曲线如图 9、10 所示。 图 7液压缸进油口压力曲线图 8液压缸活塞位移曲线 Fig. 7Pressure curve of the oil inletFig. 8Displacement curve of the piston 图 9液压缸进油口压力曲线图 10液压缸活塞位移曲线 Fig. 9The improved pressure curve of oil inletFig. 10The improved displacement curve of piston （1）由图 7、8 可知，该液压系统完成快进-工进-回程一个工作循环需要 0.6s。由 图 7 可知， 液压缸进口压力在前 0.4s， 即快进时波动极为明显； 0.4s 后达到最大压力 200bar， 即 20MPa；随后压力开始下降，表示当进油口压力达到 20MPa 时工进结束。由图 8 可知， 前 0.4s 快进时位移量与时间成正比；0.4s 时液压缸最大位移量为 0.1m，后保持 0.05s，表示 工进时加压阶段；0.6s 回程结束时，位移量达到-0.01m，是由于 Simulink 模型中 if 模块中的 设置：当输出 x 小于 0 时，表示完成一个工作循环，输入信号为-4，开始新一轮工作循环。 x 小于 0 在图 8 中表现为位移量等于-0.01。 （2）由图 9,10 可知：改进后液压系统完成一个工作循环需要 0.45s，同原液压系统 的 0.6s 相比，工作频率加快了 25%。通过图 9 与图 7 对比可知，改进后液压系统中的液 2013 年第 3 卷 第 5期 35 - 7 - 压冲击明显减小。 4结论 （1）采用双泵供油或蓄能器辅助供油等增加液压系统中工作流量的方法可以很好的提 高工作速度，解决工作频率偏低的问题。 （2）蓄能器能够有效的解决液压系统中液压冲击的问题，减小振动。 （3） 本文实现了 AMESim与 Simulink 的联合仿真， 分别对液压系统及其控制部分建模 仿真分析。结果表明联合仿真对液压系统的改进起着指导及验证的作用。 致谢 本文工作得到科技部科技支撑计划项目 “支撑区域和地方支柱产业的制造业信息化综合 应用示范 (2012KJZC0789) ”、安徽省科技厅创新平台建设项目“高端装备制造和新能源汽 车技术新服务平台（11Z0201025）”资助，特此感谢。 参考文献 (References) 1 藏贻娟，赵国霞，徐瑞霞，刘延俊. 高速冲床液压系统设计J. 液压与气动，2008（4）：43-45. 2 Renn, JC; Tsai, C. 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