鍛造操作機(jī)大車行走液壓控制系統(tǒng)仿真研究

郭加寧，鄧子龍，韋麗娃

（遼寧石油化工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 撫順113001）

0 引言

鍛造操作機(jī)是輔助鍛造作業(yè)的重要設(shè)備，具備瞬時響應(yīng)速度快、定位精度高、工作穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)和緩沖性能良好等優(yōu)點(diǎn)。由于液壓傳動具有瞬時響應(yīng)速度快、可實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速、輸出功率大易于實(shí)現(xiàn)自動化和過載保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，所以操作機(jī)一般采用液壓傳動［1］。鍛造操作機(jī)主要任務(wù)是夾持鍛件輔助壓機(jī)進(jìn)行鍛造，而操作機(jī)大車行走系統(tǒng)用于完成軸向進(jìn)給。決定鍛件質(zhì)量的主要因素是操作機(jī)大車行走系統(tǒng)的定位精度。以20MN鍛造操作機(jī)大車行走液壓控制系統(tǒng)為研究對象，利用AMESim軟件進(jìn)行建模仿真［2］，分析了空載和額定負(fù)載時操作機(jī)大車行走液壓系統(tǒng)的動態(tài)特性，為操作機(jī)大車行走液壓控制系統(tǒng)的改造提供理論基礎(chǔ)。

1 操作機(jī)大車行走液壓系統(tǒng)工作原理

20MN鍛造液壓機(jī)的操作機(jī)是全液壓操作機(jī)。操作機(jī)大車行走機(jī)構(gòu)主要由傳動鏈軌、鏈輪、傳動鏈和變速機(jī)構(gòu)等組成，采用機(jī)械傳動液壓驅(qū)動的方式。液壓馬達(dá)的主要功能是完成操作機(jī)大車的運(yùn)動和定位，同時緩沖大車啟停引起的液壓沖擊［3］。

操作機(jī)大車行走液壓系統(tǒng)的原理圖如圖1所示。前后兩組鏈輪組成操作機(jī)車體行走部分，位于車體后部的是主動輪鏈輪，采用1組雙液壓馬達(dá)分別在大車兩側(cè)同步驅(qū)動，左右2個對稱的電液比例控制系統(tǒng)分別控制液壓馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)方向、速度和角度來滿足操作機(jī)大車行走的工藝要求［4］。2個閥控馬達(dá)系統(tǒng)由同一油源供油，因此系統(tǒng)中油液的流量和壓力基本相同。電液比例方向閥通過不同的得電情況控制大車2個馬達(dá)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，通過減速器將液壓馬達(dá)輸出的轉(zhuǎn)矩傳遞到驅(qū)動大車行走的鏈輪上，鏈輪在軌道上運(yùn)動，將圓周運(yùn)動轉(zhuǎn)化為操作機(jī)的直線運(yùn)動［5］。

圖1 操作機(jī)大車行走液壓系統(tǒng)原理

2 操作機(jī)大車行走液壓系統(tǒng)建模仿真

AMESim／Sketch模式下，選擇所需元件建立系統(tǒng)的仿真模型。系統(tǒng)仿真模型的每個元件都有一個與之對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，AMESim為每個元件庫都提供了若干個子模型。子模型太復(fù)雜會增加系統(tǒng)的求解難度，而子模型太簡單又會導(dǎo)致系統(tǒng)分析結(jié)果失真，不能真實(shí)的反映系統(tǒng)的動態(tài)特性，因此根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的工作原理以及分析內(nèi)容搭建操作機(jī)大車行走系統(tǒng)仿真模型［6］。通常操作機(jī)大車行走系統(tǒng)是由檢測元件、液壓控制元件和工控機(jī)組成的閉環(huán)位置控制系統(tǒng)。通過對系統(tǒng)進(jìn)行簡化后，得到操作機(jī)大車行走系統(tǒng)的仿真模型如圖2所示。操作機(jī)大車行走系統(tǒng)主要由液壓馬達(dá)、電液比例閥、減速箱、齒輪齒條、位移傳感器和負(fù)載等組成。外負(fù)載的位置傳感器檢測并反饋位置信號，與工控機(jī)給定位置信號進(jìn)行比較，大車行走系統(tǒng)的位置控制通過PID控制器來實(shí)現(xiàn)。

圖2 操作機(jī)大車行走系統(tǒng)仿真模型

在AMESim／Parameter參數(shù)模式下，設(shè)置操作機(jī)大車行走系統(tǒng)仿真模型的主要參數(shù)如表1所示。

表1 大車行走系統(tǒng)仿真模型的參數(shù)設(shè)置表

3 仿真結(jié)果與分析

實(shí)際生產(chǎn)過程中，要求操作機(jī)和鍛造主機(jī)能實(shí)現(xiàn)聯(lián)動送進(jìn)操作和自動控制。在主機(jī)完成一個鍛造行程后，操作機(jī)在主機(jī)的指令下完成下一次鍛造的軸向送進(jìn)操作。只有鍛造操作機(jī)在自動鍛造和聯(lián)動鍛造的過程中具有較高的位置控制精度，才能保證鍛件的尺寸精度，操作機(jī)的軸向自動送進(jìn)誤差的范圍為10%［7］。

系統(tǒng)的基本模式是常鍛操作模式，設(shè)定大車行走系統(tǒng)的單位階躍信號值為0.05，即要求操作機(jī)大車行走0.05m，設(shè)定仿真時間為2.5s，采樣周期為0.01s。在空載和額定負(fù)載工況下，運(yùn)行仿真系統(tǒng)分別得到系統(tǒng)的動態(tài)特性曲線如圖3所示。

圖3 操作機(jī)大車行走0.05m時系統(tǒng)的動態(tài)特性曲線

通過圖3可以得出 ，系統(tǒng)在兩種工況下的最大的超調(diào)量都控制在10%范圍內(nèi)。在空載工況下，系統(tǒng)需要大約0.6s的上升時間，系統(tǒng)的穩(wěn)定時間接近1.6s；在額定負(fù)載工況下，系統(tǒng)需要大約0.7s的上升時間，系統(tǒng)的穩(wěn)定時間接近2.2s，明顯多于空載時所需的時間。這是由于額定負(fù)載時，系統(tǒng)具有較大的慣性，系統(tǒng)的啟動加速度比較小，導(dǎo)致操作機(jī)大車行走系統(tǒng)瞬時響應(yīng)速度下降。通過調(diào)節(jié)PID控制器的控制參數(shù)，可以迅速提高系統(tǒng)的瞬時響應(yīng)速度，同時系統(tǒng)的超調(diào)量隨之增大。對于操作機(jī)大車行走液壓系統(tǒng)來說，電液比例方向閥頻繁換向，在換向過程中液壓系統(tǒng)內(nèi)部會產(chǎn)生較大的沖擊，較大的沖擊會損壞關(guān)鍵液壓元件，從而影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。綜合以上分析操作機(jī)大車行走系統(tǒng)在空載和額定負(fù)載的工況下，系統(tǒng)需要1.6～2.2s達(dá)到穩(wěn)定，滿足鍛造次數(shù)為20次／min的使用要求。

4 結(jié)束語

通過對20MN鍛造操作機(jī)大車行走系統(tǒng)分別在空載和額定負(fù)載工況下瞬態(tài)響應(yīng)的研究分析，得出操作機(jī)大車行走系統(tǒng)在空載和額定負(fù)載工況下進(jìn)給0.05m時，系統(tǒng)需要1.6～2.2s達(dá)到穩(wěn)定，滿足10mm的鍛造要求。

［1］ 周斌，李閣強(qiáng)，江兵，等.20t鍛造操作機(jī)大車行走液壓控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.液壓與氣動，2014（6）：92-93.

［2］ 付永領(lǐng)，祁小野.AMESim建模與仿真［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

［3］ 傅新，徐明，王偉，等.鍛造操作機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計與仿真［J］.機(jī)械工程學(xué)報，2010（11）：49-53.

［4］ 陳柏金，徐明昊，張紅穎.液壓鍛造操作機(jī)大車行走機(jī)構(gòu)的位置控制系統(tǒng)［J］.華中科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2011，39（8）：6-8.

［5］ 劉杰.基于虛擬樣機(jī)的鍛造操作機(jī)閥控馬達(dá)系統(tǒng)仿真研究［D］.秦皇島：燕山大學(xué)，2010.

［6］ 翟富剛，孔祥東，姚靜，等.鍛造操作機(jī)夾鉗回轉(zhuǎn)系統(tǒng)動態(tài)特性仿真研究［J］.液壓與氣動，2010（3）：61-63.

［7］ 孔祥東，劉杰，翟富剛，等.基于AMESim的鍛造操作機(jī)大車行走液壓控制系統(tǒng)仿真研究［J］.機(jī)床與液壓，2010（13）：128-129.