基于AMESim的快鍛壓機泄壓特性仿真分析

張友亮，田麗紅，楊 吉吉，石志鵬

（1.蘭州理工大學 能源與動力工程學院，甘肅 蘭州 730050；2.濟南鑄造鍛壓機械研究所有限公司，山東 濟南 250306）

0 引言

快鍛壓機液壓系統(tǒng)具有高壓大流量、大運動慣量、強時變負載、換向頻繁等特點。壓機壓制動作結(jié)束后，若主缸泄壓速度過快，勢必會引發(fā)回程振動現(xiàn)象[1]；若泄壓速度過慢，則嚴重制約鍛造頻次的提高。因此，必須合理控制主缸的泄壓速度。

據(jù)不完全統(tǒng)計，國內(nèi)正在使用的鍛造壓機液壓系統(tǒng)中，兩級先導插裝閥和比例插裝閥占據(jù)市場主要份額。此外，德國Wepukoa公司和Pahnke公司聯(lián)合設計、開發(fā)了正弦泵控系統(tǒng)，其主控元件為雙向比例變量高壓徑向柱塞泵，通過泵自身輸出流量方向的改變來實現(xiàn)鍛造壓機活動橫梁的換向運動，從而使得系統(tǒng)壓力沖擊有效減小，具有較高的工件鍛造精度和鍛造頻次[2]。但該系統(tǒng)前期投入成本較大，制造周期較長，在國內(nèi)還未獲得廣泛應用。

實際中鍛造壓機液壓系統(tǒng)設計、制造、調(diào)試周期長，應用系統(tǒng)仿真技術能有效克服這些問題，已逐步成為系統(tǒng)動態(tài)設計、性能評估的有力工具。

1 AMESim簡介

AMESim軟件是由法國IMAGINE公司于1995年推出的基于鍵合圖的建模仿真平臺，具有機械庫、液壓庫等模型庫和豐富的軟件接口，用戶可以基于圖形化的物理建模方式進行聯(lián)合仿真分析。此外，用戶還可以針對庫中現(xiàn)有模型進行定制、封裝，進而開發(fā)出企業(yè)產(chǎn)品的元件模型[3]。

2 仿真模型的建立

插裝式比例節(jié)流閥采用先導控制、座閥主級、插裝式連接，具有通流能力大、控制性能高等特點，廣泛應用于快鍛、注塑、軋鋼等行業(yè)。該型快鍛壓機液壓系統(tǒng)采用比例節(jié)流閥泄壓，某型插裝式比例節(jié)流閥控制原理框圖如圖1所示。

圖1 比例節(jié)流閥控制原理框圖

圖2為某型比例節(jié)流閥閥芯局部結(jié)構(gòu)圖，主閥芯采用錐閥式結(jié)構(gòu)，帶有滑閥式尾部，且其上均布有四個三角形節(jié)流槽口，用于小開口范圍內(nèi)的精細節(jié)流，從而可以有效避免主閥芯因快速開啟或關閉過程中引起的液壓沖擊。

圖2 比例節(jié)流閥閥芯局部結(jié)構(gòu)圖

為精確描述插裝式比例節(jié)流閥閥口過流面積，根據(jù)實際尺寸分別建立了節(jié)流閥的三維模型和不同開口條件下的流場仿真模型，基于CFD技術在壓力入口、壓力出口條件下，獲得該型比例節(jié)流閥的閥口過流面積-閥口開度變化曲線如圖3所示。

回路仿真模型中，不考慮各液壓元件間的泄露。所建立的快鍛壓機在主缸單獨動作時的泄壓回路仿真模型如圖4所示。

圖3 閥口過流面積-閥口開度特性曲線

圖4 快鍛壓機主缸泄壓回路模型

圖中，壓力油源在1s內(nèi)保持25MPa不變，1s后迅速變?yōu)?。插裝式比例節(jié)流閥在0-9V控制信號條件下的主閥芯位移階躍響應特性曲線如圖5所示?？梢姡鏖y芯位移階躍響應時間約為24ms，與樣本給定值一致[4]，從而驗證了所建立的插裝式比例節(jié)流閥仿真模型的正確性。

圖5 主閥芯位移階躍響應特性曲線

3 仿真結(jié)果及分析

分別給定比例節(jié)流閥控制信號為階躍信號、正弦信號、斜坡信號，仿真所得到的不同控制信號、不同幅值條件下的快鍛壓機主缸泄壓特性曲線如圖6所示。圖中，P為階躍信號，S為正弦信號，R為斜坡信號。

圖6 不同信號、幅值下的泄壓特性曲線

可以看出，不同控制信號、不同幅值條件下的泄壓特性差異較大：同種信號不同幅值條件下，信號幅值越小，曲線變化越平緩，反之變化越急劇。原因在于，信號幅值較小時，所對應的主閥芯開口度較小，閥口過流面積較小，通流阻力較大，從而壓力變化較為平緩。當信號幅值較大時，主閥口具有較大的過流面積，從而壓力變化較為劇烈。

還可以看出，相同幅值、不同信號類型條件下的泄壓特性差異也較大：階躍信號下的壓力變化曲線均比較急劇，正弦信號與斜坡信號下的壓力曲線均比較平緩，且正弦信號下的壓力變化比斜坡信號下的壓力變化迅速。

在保證泄壓平穩(wěn)的條件下，為盡量縮短泄壓時間，提高鍛造頻次，有文獻研究采用正弦信號和階躍信號共同來完成泄壓[5]：控制信號先為正弦信號，待壓力降至某一值時，控制信號切換為階躍信號。

太原科技大學黃忠華教授所研究的泄壓回路中，約定快速泄壓的臨界安全界限為5MPa，認為當液流流速v≤4.5m/s，沖擊壓力△P≤5MPa時，系統(tǒng)可安全泄壓[6]。宋擁政教授在快速卸放回路中的研究認為，快速泄壓與慢速泄壓的臨界壓力一般為8MPa[7]。

在圖4所示的仿真模型基礎上，通過設置主缸壓力傳感器，來實現(xiàn)正弦信號與階躍信號的切換。所建立的采用正弦信號和階躍信號條件下的泄壓回路仿真模型如圖7所示。

分別設定臨界壓力值為 5MPa、6MPa、7MPa、8MPa、9MPa、10MPa，仿真得到不同臨界壓力條件下的主缸泄壓特性曲線如圖8所示。

4 結(jié)論

圖7 正弦+階躍信號的泄壓回路仿真模型

圖8 不同臨界壓力下的泄壓特性曲線

本文基于AMESim建立了插裝式比例節(jié)流閥和主缸泄壓回路的仿真模型，進行不同控制信號、不同幅值及不同臨界壓力條件下的泄壓特性仿真分析，得出以下結(jié)論：

（1）比例節(jié)流閥在正弦信號下具有較好的泄壓特性，泄壓時間：斜坡信號＞正弦信號＞階躍信號。

（2）比例節(jié)流閥在正弦信號和階躍信號作用下能提高泄壓快速性。

本研究對于實際比例閥的調(diào)試、控制信號的選擇，以及基于AMESim進行液壓系統(tǒng)動態(tài)設計、性能評估具有重要意義。

[1] ZHANG Lijie,BIAN Bin,LI Yukun.Co-simulation Research on the Control System of 65MN Free Forging Hydraulic Press.Oct.2012 Hydromechatronics Engineering.2012,40(19):43-47.

[2] Pahnke,Hans Joachim.Forging machines with hydraulic drive development operating results. Metallurgical Plant and Technology,1998,11(6):77-82.

[3] 李華聰，李 吉.機械/液壓系統(tǒng)建模仿真軟件AMESim.計算機仿真，2006，23（ 12）：294-297.

[4]ATOS電子-液壓產(chǎn)品樣本.ATOS Company，2007.

[5] 向 云.10MN高強度鋼板熱成形液壓機及液壓系統(tǒng)的研究[D].秦皇島：燕山大學，2014：45-66.

[6] 黃忠華，安高成，劉志奇.快速泄壓回路動態(tài)特性分析[J].太原科技大學學報，2013，（ 6）：445-450.

[7] 宋擁政.快速二通插裝閥組的工作原理和特性.鍛壓機械，1991，26（ 4） ：26-29.

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[9] 劉緒儒，等.基于AMESim船舶風翼回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)仿真分析[J].液壓氣動與密封，2013，（ 4）.