基于AMESIM的飛鋸機(jī)隨動(dòng)系統(tǒng)研究

皇宇州，樊志新，趙東陽(yáng)

（大連交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，大連 116028）

0 引言

連續(xù)擠壓生產(chǎn)線飛鋸機(jī)基本是個(gè)空白，一直為廠家所關(guān)心和急于解決?；谶@點(diǎn)對(duì)連續(xù)擠壓生產(chǎn)線飛鋸機(jī)進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)。目前市場(chǎng)上大量應(yīng)用的在線定尺飛鋸機(jī)主要有氣動(dòng)式飛鋸機(jī)，液動(dòng)式飛鋸機(jī)，電腦鋸等幾種形式。電腦鋸存在著一定的缺陷, 例如：1）價(jià)格偏高。2）微機(jī)抗干擾性能差，使得控制設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜。3）調(diào)試以及維修保養(yǎng)困難，需專門人員維護(hù)，一旦發(fā)生故障很難立即排除。液動(dòng)和氣動(dòng)飛鋸機(jī)也具有一定的缺陷，噪音大，利用率低，無(wú)功損耗大，工作速度不穩(wěn)定，零部件損壞的概率大等?？紤]到上述問題，設(shè)計(jì)連續(xù)擠壓生產(chǎn)線的飛鋸機(jī)要滿足具有成本低、壽命長(zhǎng)、工作可靠、使用維修方便等優(yōu)勢(shì)，其定尺精度也足以滿足要求，滿足市場(chǎng)需求。

1 飛鋸機(jī)總體工作原理

圖1 飛鋸機(jī)設(shè)計(jì)方案示意圖

連續(xù)擠壓飛鋸機(jī)設(shè)計(jì)借鑒以往的設(shè)計(jì)思想，濃縮了一種新的方案。傳統(tǒng)的飛鋸機(jī)啟動(dòng)主要靠靠動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，連續(xù)擠壓生產(chǎn)線飛鋸機(jī)設(shè)計(jì)主要是隨動(dòng)驅(qū)動(dòng)，即前進(jìn)的銅排通過緩沖缸帶動(dòng)小車前進(jìn),而不是通過液壓馬達(dá)或者電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)。該方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以滿足連續(xù)擠壓生產(chǎn)線的需求。

飛鋸設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

連續(xù)擠壓飛鋸機(jī)工作方式是，銅排源源不斷地從前道工序送來(lái)，飛鋸必須在工件連續(xù)運(yùn)動(dòng)過程中完成對(duì)工件的切割，飛鋸的這種特殊要求決定了它必須在切割完一根銅排后立即回到初始位置。當(dāng)經(jīng)過鋸片的銅排長(zhǎng)度恰為設(shè)定的定尺長(zhǎng)度時(shí)，夾緊裝置啟動(dòng)，銅排通過緩沖缸帶動(dòng)小車啟動(dòng)，直到與銅排同步，飛鋸小車上的刀具切斷銅排，之后，小車快速返回初始位置，飛鋸就是這樣周而復(fù)始地完成連續(xù)工件的定長(zhǎng)切割任務(wù)的。

飛鋸機(jī)的整個(gè)工作流程如圖2所示。

圖2 飛鋸機(jī)工作流程框圖

2 飛鋸機(jī)緩沖缸

為了實(shí)現(xiàn)銅排通過緩沖缸帶動(dòng)小車前進(jìn)，就必須對(duì)緩沖缸進(jìn)行分析。目前液壓缸[3]活塞的緩沖的方法基本上有兩種：一種是液壓缸外部控制，也就是在控制液壓缸的回路上裝上節(jié)流閥或其它形式的流量控制裝置進(jìn)行緩沖，一般結(jié)構(gòu)較復(fù)雜;另一種是液壓缸內(nèi)部控制，是在液壓缸內(nèi)部設(shè)計(jì)一定的緩沖裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)緩沖，而不需要另加元件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工和使用方便，因而得到廣泛的應(yīng)用。這個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是缸內(nèi)緩沖的方法，缸內(nèi)緩沖裝置一般利用與活塞相連的緩沖柱塞，和與缸體相連的緩沖孔之間的間隙，油流過時(shí)產(chǎn)生阻力，達(dá)到緩沖目的，故稱之為節(jié)流緩沖。在工作中，利用了節(jié)流阻尼的作用，當(dāng)緩沖塞插入排油孔口中后，使活塞與油缸端蓋之間形成封閉空間，封閉空間中油只能從節(jié)流小孔或柱塞和排油孔之間的節(jié)流環(huán)隙中流出，從而在封閉空間造成高壓，迫使活塞減速制動(dòng)而實(shí)現(xiàn)緩沖緩沖柱塞與緩沖孔之間的間隙不同的結(jié)構(gòu)可以形成兩種形式的節(jié)流方式，銳緣節(jié)流和縫隙節(jié)流。根據(jù)緩沖過程中，過流面是否改變可分為固定節(jié)流緩沖和漸變節(jié)流緩沖。對(duì)于不同的緩沖缸緩沖效果不同，下面進(jìn)行了模擬分析，說(shuō)明緩沖效果。

3 基于AMESim的飛鋸機(jī)隨動(dòng)系統(tǒng)

3.1 模型的建立

根據(jù)改進(jìn)過的飛鋸機(jī)隨動(dòng)系統(tǒng)工作原理，以及緩沖缸的實(shí)際結(jié)構(gòu)組成，利用AMESim軟件建立飛鋸機(jī)隨動(dòng)系統(tǒng)的仿真模型如圖3所示，該模型基于AMESim[4]的機(jī)械庫(kù)、液壓庫(kù)、HCD（Hydraulic Component Design）等建立。

圖3 飛鋸機(jī)隨動(dòng)系統(tǒng)仿真模型

為了提高軟件仿真的計(jì)算效率，在不影響系統(tǒng)特性的基礎(chǔ)上，對(duì)模型進(jìn)行了必要的簡(jiǎn)化。根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的作用關(guān)系，輸入信號(hào)采用階躍信號(hào)，緩沖油缸利用HCD庫(kù)建立，小車?yán)脵C(jī)械庫(kù)質(zhì)量塊替代。

起升系統(tǒng)AMESim模型主要參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 飛鋸機(jī)隨動(dòng)系統(tǒng)模型主要參數(shù)設(shè)置

3.2 仿真分析

根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，隨動(dòng)小車工作性能的優(yōu)劣，主要取決于緩沖油缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)情況，尤其以緩沖油缸中緩沖節(jié)流口截面形狀及大小有關(guān)系。

實(shí)際系統(tǒng)中，由于銅排帶動(dòng)小車運(yùn)動(dòng)，故采用階躍信號(hào)作為輸入信號(hào)，可以很好的反映系統(tǒng)的性能。圖4為不同緩沖節(jié)流孔的小車速度隨動(dòng)情況，根據(jù)圖可以看出，節(jié)流孔值設(shè)置過小，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間快，但整體結(jié)構(gòu)剛度大，沖擊明顯，節(jié)流孔值設(shè)置過大，整體上小車與銅排的速度過渡平穩(wěn)，但是響應(yīng)時(shí)間過長(zhǎng)。其次，通過對(duì)三種節(jié)流孔的隨動(dòng)小車速度曲線與輸入速度曲線的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)隨動(dòng)小車的速度最終能與銅排運(yùn)行同步，以實(shí)現(xiàn)同步鋸切。

圖4 不同節(jié)流孔緩沖油缸的鋸切小車隨動(dòng)曲線

圖5 緩沖端在不同節(jié)流孔下的壓力沖擊

鋸車對(duì)緩沖油缸的沖擊全靠節(jié)流孔節(jié)流損耗，在沖擊的過程中，緩沖端的沖擊壓力將對(duì)油缸的密封性能、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度產(chǎn)生很大的影響。圖5反映了不同節(jié)流孔的緩沖缸在同一階躍輸入下的壓力沖擊曲線，由曲線可知，節(jié)流孔的大小對(duì)壓力沖擊影響至關(guān)重要，1.5mm節(jié)流孔的壓力沖擊為5.2Mpa，設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)壓力為6Mpa，可見適當(dāng)?shù)倪x取節(jié)流孔的大小，可以合理的控制壓力沖擊。

緩沖油缸[5]的截面形狀對(duì)緩沖效果影響也比較大，而且其節(jié)流截面開度大小與緩沖距離有關(guān)系，故仿真時(shí)需對(duì)仿真模型進(jìn)行修改，此處作以說(shuō)明。 將不同變化率的節(jié)流孔曲線方程代人f(x)，進(jìn)行仿真。結(jié)果如圖6所示，仿真表明，初始段具有較大的響應(yīng)時(shí)間，可以減小鋸車與銅排沖擊，后期具有較大的加速剛度，減小了總體的過渡時(shí)間。

4 結(jié)論

通過對(duì)新設(shè)計(jì)的鋸車隨動(dòng)系統(tǒng)的仿真分析，采用緩沖油缸的方式可以實(shí)現(xiàn)鋸車與銅排同步運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì)要求。同時(shí)對(duì)緩沖油缸設(shè)計(jì)過程中的重要參數(shù)進(jìn)行仿真分析，在全面考慮緩沖油缸加工工藝、沖擊壓力、緩沖性能等因素，最終決定采用變截面的節(jié)流孔緩沖形式，并以其中的圓錐形變節(jié)流孔作為緩沖設(shè)計(jì)的首選方案，其具有加工較方便，初期壓力沖擊不高，后期加速時(shí)速度剛度大的優(yōu)點(diǎn)。為下一步擠壓生產(chǎn)線飛鋸機(jī)的實(shí)現(xiàn)，提供重要依據(jù)。

圖6 變流孔的緩沖速度曲線

[1] 宋正和,熊月善.在線機(jī)械定尺飛鋸可行性探討[J].管,2003(6):41-42.

[2] 倪振亞,姚燕順,李林杰,魏雪冬,章鳳翎.新型PS76-80飛鋸機(jī),2000(7):40-43.

[3] 于亞非.緩沖器阻尼孔形式與緩沖特性[J].液壓與氣動(dòng),1997(2):49-511.

[4] 付永領(lǐng),祁曉野.AMESim系統(tǒng)建模和仿真[M].北京:北京航天航空大學(xué)出版社,2006,1.

[5] 高殿榮,趙永凱,吳曉明.高壓液壓緩沖裝置設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,1994(2):23-251.