基于AMESim的組合式油壓機(jī)沖盂系統(tǒng)仿真研究

李永宏，王任全，曹紹銀，靳華棟

（北京京誠瑞信長材工程技術(shù)有限公司，北京100176）

0 引言

組合式高速油壓機(jī)是特種筒形件精細(xì)化生產(chǎn)線的主要組成部分，集熱沖壓成形工藝技術(shù)、機(jī)電液集成控制技術(shù)、基礎(chǔ)元器件技術(shù)于一體的沖壓拉伸設(shè)備，在航空航天和國防工業(yè)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，是保證國防安全的重大裝備之一[1-2]。液壓驅(qū)動系統(tǒng)為組合式油壓機(jī)提供動力，生產(chǎn)特種筒形件的壓型、沖盂、拔伸三個成型工序，其中，沖盂工序液壓控制回路最為復(fù)雜，因此，對油壓機(jī)沖盂回路開展仿真研究，是油壓機(jī)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)和產(chǎn)品優(yōu)化的重要一環(huán)。

針對液壓機(jī)液壓驅(qū)動系統(tǒng)的性能控制優(yōu)化問題，學(xué)者進(jìn)行了大量卓有成效的研究工作。姚靜[2]針對鍛造油壓機(jī)快速性和精確性的要求，開展了鍛造油壓機(jī)工作特性影響因素和鍛造油壓機(jī)控制特性專題研究。仿真模型在實(shí)驗(yàn)室得到驗(yàn)證，為比例流量閥的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考；徐琬婷等[3]將自適應(yīng)模糊PID控制方法應(yīng)用到快鍛造油壓機(jī)位置控制中，仿真結(jié)果表明，自適應(yīng)模糊PID算法具備更好的控制簡便性、可靠性與參數(shù)適應(yīng)性。劉春慶[4]針對水壓機(jī)電液比例控制系統(tǒng)的動態(tài)特性提高問題開展研究，在主分配器閥芯位置控制環(huán)路中引入MRAC控制器，半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了算法的有效性；姚靜等[5]針對某高速油壓機(jī)減速控制性能開展仿真研究，提出一種通過協(xié)調(diào)匹配供油泵數(shù)量與流量閥的開口度完成油壓機(jī)減速控制的方案，仿真結(jié)果表明油壓機(jī)振動降低，運(yùn)行平穩(wěn)。宋曉美等[6]利用FluidSIM軟件對實(shí)際壓機(jī)液壓系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析，對壓力機(jī)的振動和噪聲抑制問題具有一定的參考意義。

本文以某企業(yè)組合式油壓機(jī)液壓沖盂回路為研究對象，介紹系統(tǒng)的組成和工作原理，采用AMESim軟件搭建二通插裝閥的數(shù)學(xué)仿真模型，進(jìn)而建立組合式油壓機(jī)的系統(tǒng)仿真模型，針對沖盂工序下組合式油壓機(jī)的輸出負(fù)載力和驅(qū)動液壓缸壓力情況進(jìn)行了仿真分析，拓展插裝閥類液壓系統(tǒng)分析思路，為組合式油壓機(jī)指標(biāo)優(yōu)化和驅(qū)動缸壓力柔性控制提供參考。

1 組合式油壓機(jī)沖盂回路組成

組合式油壓機(jī)沖盂系統(tǒng)主要由無桿腔進(jìn)液閥、無桿腔排液閥、無桿腔比例調(diào)壓閥、有桿腔進(jìn)液閥、有桿腔排液閥和對模閥等組成，如圖1所示[5]。為提高油壓機(jī)工作效率，沖盂系統(tǒng)工進(jìn)流量超過4 000 L/min，所以液壓機(jī)橫梁進(jìn)、排液回路選用液壓插裝閥，以便實(shí)現(xiàn)較高的液壓機(jī)空程快降、工進(jìn)和回程速度。組合式油壓機(jī)沖盂回路完成壓型、點(diǎn)窩和沖盂3個工藝環(huán)節(jié)，其中每個環(huán)節(jié)均包含空程、慢速下降、工進(jìn)、卸壓和回程等具體環(huán)節(jié)。

圖1 沖盂回路液壓原理

以沖盂環(huán)節(jié)為例，在空程快下時(shí)，油壓機(jī)流量超過20 000 L/min，此時(shí)的流量主要由沖液油箱經(jīng)充液閥沖液，壓機(jī)速度通過有桿腔比例流量閥來調(diào)節(jié)。當(dāng)沖孔沖頭接近窩底時(shí)，充液閥關(guān)閉，無桿腔進(jìn)液閥開啟，有桿腔比例流量閥開度減小，壓機(jī)動梁慢速下降。當(dāng)橫梁接觸工件后，加壓并完成沖孔工序，然后短時(shí)保壓，使工件變形充分。保壓結(jié)束后，壓機(jī)動梁快速回程，無桿腔油液通過充液閥排回沖液油箱，沖盂工藝過程結(jié)束。

2 沖盂系統(tǒng)模型建立

為滿足組合式高速油壓機(jī)橫梁快速移動產(chǎn)生的大流量需求，沖盂系統(tǒng)應(yīng)用二通插裝閥完成驅(qū)動回路的流量和壓力控制，下面利用AMESim仿真軟件就回路中的插裝閥分別進(jìn)行建模分析。

2.1 方向控制功能插裝閥仿真建模

根據(jù)沖盂系統(tǒng)的液壓原理圖，利用AMESim仿真軟件，對圖1中的1、3、4、7號插裝閥進(jìn)行建模。以有桿腔進(jìn)液閥為例，閥芯型號為Rexroth的LC63A20E7X/V，控制蓋板和先導(dǎo)閥的型號分別為LFA63GWA-7X/A20P25V和4WE10D3X/，建立仿真模型如圖2所示，主要仿真參數(shù)如表1所示。

圖2 二通方向插裝閥AMESim仿真模型

表1 二通方向插裝閥主要元件設(shè)定參數(shù)

通過仿真得到插裝閥的“流量—壓差”特性曲線，仿真曲線與插裝閥對應(yīng)的樣本實(shí)測曲線對比如圖3所示，可見流量特性曲線與插裝閥樣本實(shí)測結(jié)果基本吻合，仿真模型準(zhǔn)確有效。

圖3 流量—壓差特性曲線對比

2.2 壓力控制功能插裝閥仿真模型

比例調(diào)壓閥選用Rexroth公司LC80DB20E6X/V，建立其仿真模型如圖4所示，主要參數(shù)設(shè)置如表2所示。通過仿真得到插裝閥的調(diào)壓性能曲線，如圖5所示?？梢钥闯觯ㄟ^調(diào)節(jié)比例溢流閥（圖4中序號5）的壓力可以相應(yīng)控制壓力插裝閥的入口壓力。同時(shí)，曲線清晰表明，調(diào)定壓力與仿真壓力穩(wěn)態(tài)值之間有約1.2 MPa的偏差，這主要是由管路、節(jié)流孔等的液阻造成的。

圖4 二通壓力插裝閥AMESim仿真模型

表2 二通壓力插裝閥主要元件設(shè)定參數(shù)

圖5 二通壓力插裝閥調(diào)壓性能曲線

2.3 二通比例流量插裝閥仿真模型

沖盂系統(tǒng)工作時(shí)，有慢速下降、工進(jìn)、快速回程等多種工況，為滿足上述工況對系統(tǒng)流量的需求差異，系統(tǒng)選用二通比例流量閥實(shí)現(xiàn)流量控制。二通比例流量插裝閥建模如圖6所示，模型參數(shù)設(shè)置如表3所示。

圖6 二通方向插裝閥AMESim仿真模型

表3 二通比例流量插裝閥主要元件設(shè)定參數(shù)

3 沖盂系統(tǒng)仿真分析

沖盂系統(tǒng)仿真模型如圖7所示，系統(tǒng)采用8臺定量泵提供高壓油源，為提高油壓機(jī)橫梁快下速度，采用上置補(bǔ)油箱實(shí)現(xiàn)液壓缸上腔快速補(bǔ)液，模型中采用大排量液壓泵模擬補(bǔ)油箱。

沖盂過程中油壓機(jī)負(fù)載力和上腔液壓缸壓力分別如圖8～9所示，可見，在油壓機(jī)工進(jìn)行程230 mm范圍內(nèi)，油壓機(jī)輸出動力平穩(wěn)，峰值輸出負(fù)載力約9.5 MN，達(dá)到油壓機(jī)設(shè)計(jì)指標(biāo)值12.5 MN的76%。油壓機(jī)驅(qū)動液壓缸上腔壓力在保壓階段達(dá)到峰值19.3 MPa，整個沖盂過程中，液壓缸壓力變化波動較小，約為1.5 MPa，占比系統(tǒng)峰值壓力約8%，滿足系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)要求。

圖7 組合式油壓機(jī)沖盂系統(tǒng)仿真模型

圖8 沖盂工序油壓機(jī)負(fù)載力輸出圖

圖9 沖盂工序油壓機(jī)上腔壓力曲線

4 結(jié)束語

（1）利用AMESim仿真軟件，可以快捷搭建二通方向插裝閥、二通流量插裝閥和二通比例流量插裝閥的數(shù)字仿真模型。通過設(shè)置虛擬測試油源，仿真得到二通插裝閥對應(yīng)的“流量—壓差”特性曲線，與對應(yīng)的樣本實(shí)測曲線對比，可以驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性；

（2）從沖盂系統(tǒng)仿真結(jié)果可以看出，在組合式油壓機(jī)沖盂工序過程中，油壓機(jī)峰值輸出負(fù)載力約9.5 MN，占比設(shè)計(jì)指標(biāo)值的76%；驅(qū)動缸缸壓力波動1.5 MPa，波動值不超過峰值壓力的8%，輸出負(fù)載力和液壓缸壓力波動量均滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。