鍛造操作機提升俯仰系統(tǒng)平降下滑問題的分析

冀宏，陸海嬌，何琪功，趙曉峰

(1.蘭州理工大學能源與動力工程學院，甘肅蘭州730050;2.蘭州蘭石重工有限公司，甘肅蘭州730050)

鍛造操作機是實現(xiàn)鍛造自動化的重要設備之一，它的主要任務是在鍛造過程中夾持和操縱鍛件，配合鍛造機進行鍛造工作，操作機具備行走、夾鉗開閉、旋轉(zhuǎn)、提升、平移和緩沖等多種功能，上述功能主要由液壓驅(qū)動方式來實現(xiàn)。提升俯仰系統(tǒng)是操作機的主要液壓系統(tǒng)之一［1］。

鍛造操作機的靈巧性是保證鍛件質(zhì)量的重要指標，而大型操作機的大負載、大慣量和沖擊載荷對傳動系統(tǒng)的準確平穩(wěn)定位帶來一定困難。本文作者針對鍛造操作機提升俯仰系統(tǒng)平升缸平降動作停止時下滑問題進行仿真與分析，最終找到原因，并提出改進方法。

1 提升俯仰液壓系統(tǒng)工作原理

提升俯仰系統(tǒng)的兩個前提升缸實現(xiàn)提升，稱為平升平降機構，兩個后提升缸實現(xiàn)俯仰，稱為傾斜機構。圖1為提升俯仰液壓系統(tǒng)原理圖，溢流閥2調(diào)定工作壓力，電液換向閥3、14在左位時，液控單向閥4、13正向?qū)?，油缸上?電液換向閥在右位時，液控單向閥反向?qū)?，油缸下?電液換向閥在中位時，液控單向閥鎖緊回路。單向調(diào)速閥5、12調(diào)節(jié)油缸下降速度，溢流閥6、11起安全閥作用，防止系統(tǒng)過載。若截止閥10打開，蓄能器9在油缸下降時充液，減輕液壓沖擊，油缸上升時排液，加快油缸上升速度。

該系統(tǒng)在實際工作中出現(xiàn)如下問題:換向閥14從右位換至中位時，平升缸8平降動作不能即時停止，而是繼續(xù)下滑一段距離 (約10 mm)后停止。

圖1 提升俯仰液壓系統(tǒng)原理圖

2 液壓系統(tǒng)仿真模型的建立

2.1 液控單向閥結構分析與建模

液壓回路中，液壓泵、溢流閥、換向閥、調(diào)速閥、液壓缸、油箱等元件可以從AMESim液壓元件庫中直接選取。而此系統(tǒng)選用的液控單向閥是Atos的AGRL-32，在該軟件中找不到直接模型，為了保證仿真的精度和可靠性，需要利用AMESim的HCD庫和Mechanical庫，根據(jù)元件的實際結構和工作原理自行搭建。液控單向閥的結構見圖2。

圖2 液控單向閥結構圖和圖形符號

該閥是帶有卸荷小閥芯的液控單向閥，且為內(nèi)泄式 (即Y口與A口相通)。錐閥式主閥芯5上開有1個傾斜小孔和4個徑向小孔，傾斜小孔由錐閥式卸荷小閥芯1封閉。當控制口X沒有通入控制壓力油時，它具有普通單向閥的功能，即油液從A口流向B口，為液控單向閥的正向流動;當控制口X中通入控制壓力油時，控制壓力油將活塞9向左頂起，活塞通過頂桿7首先將卸荷小閥芯向左頂起，使主閥芯彈簧腔高壓油瞬時釋壓，然后，主閥芯被頂桿頂開，實現(xiàn)油液從B口到A口的反向流動。

依據(jù)液控單向閥的工作原理，建立液控單向閥AMESim仿真模型，如圖3所示。主閥芯2是小閥芯4的閥套，頂桿8與活塞9視為剛性連接。閥芯位移0～10 mm，活塞位移0～12 mm，位移向左為負。頂桿端面與小閥芯有2 mm間隙，與主閥芯有4 mm間隙。通過位移傳感器7將頂桿位移信號采集并輸入到力函數(shù)5、6中，編輯分段函數(shù)f(x)。F5(x)、F6(x)分別用于表達頂桿與小閥芯、主閥芯之間的間隙。力函數(shù)描述如下:

式中:x為頂桿位移，mm;px為控制壓力，MPa;Ax為活塞面積，mm2。

圖3 液控單向閥AMESim仿真模型

2.2 平降回路系統(tǒng)建模

系統(tǒng)建模時，進行了以下兩方面的簡化。

(1)該系統(tǒng)左右對稱，換向閥、液控單向閥、調(diào)速閥、溢流閥選型相同。傾斜缸運動正常，平升缸下滑，故只對平升平降回路建模。

(2)出現(xiàn)下滑現(xiàn)象時，蓄能器關閉，故在系統(tǒng)建模中可將蓄能器省略。

進入AMESim環(huán)境，在Sketch模式下利用已建成的液控單向閥模型，結合液壓、機械、控制庫中的元件構建如圖4所示平升平降回路仿真模型。

圖4 平升平降回路AMESim仿真模型

2.3 參數(shù)設定

根據(jù)實際工況，確定系統(tǒng)仿真模型參數(shù)，見表1。仿真模型中包含液控單向閥內(nèi)部及與之相連的各液容模塊，液容參數(shù)由液控單向閥結構及連接管道尺寸計算確定，與液控單向閥連接的管道的動態(tài)效應予以忽略［2］。

表1 模型中主要元件結構參數(shù)

選擇電液換向閥的換向信號作為系統(tǒng)動態(tài)過程的輸入信號，換向時間為0.08 s。為了方便分析仿真結果，特設定換向過程如圖5所示。仿真時間25 s，步長0.001 s，運行AMESim仿真模型，獲得各相關數(shù)據(jù)。

圖5 換向閥換向過程

3 仿真結果分析

3.1 活塞復位彈簧剛度對油缸位移的影響

改變活塞復位彈簧的預緊力對油缸下滑現(xiàn)象無明顯影響，故改變其彈簧剛度。圖6為活塞復位彈簧取不同剛度時油缸位移曲線，此時預緊力取10 N，彈簧剛度分別取2、4、10 N/mm。

圖6 不同彈簧剛度時油缸位移曲線

由圖6(a)知，在20.32 s換向閥換至中位時，油缸位移沒有即時停止，存在明顯下滑現(xiàn)象，且彈簧剛度越小，油缸停止越滯后。由圖6(b)知，當彈簧剛度為2 N/mm時，油缸0.5 s下滑9 mm;當彈簧剛度為4 N/mm時，油缸0.2 s下滑4 mm;當彈簧剛度為10 N/mm時，油缸0.1 s下滑1 mm。

3.2 閥芯的瞬態(tài)運動特性

油缸下降、停止動作由液控單向閥反向開啟和關閉過程來實現(xiàn)。液控單向閥關閉時主要靠彈簧力復位［3］。當閥芯或活塞復位彈簧預緊力一定，彈簧剛度偏小時，則彈簧力偏小，閥芯或活塞復位加速度小，致使閥口不能即時關閉，使油缸繼續(xù)下滑，直到錐閥完全關閉油缸才能停止。圖7為活塞復位彈簧剛度為2 N/mm時閥芯和活塞位移曲線，以此說明閥芯的瞬態(tài)運動特性。

圖7 活塞彈簧剛度取2 N/mm時的閥芯瞬態(tài)運動特性曲線

(1)液控單向閥正向啟閉

當t=0.08 s時，單向閥開啟，圖7(a)中小閥芯和主閥芯位移曲線重合，說明兩閥芯位移同步，原因是主閥芯充當小閥芯的閥套，當主閥芯被高壓油頂起時帶動小閥芯后移。此時活塞位移為0。

當t=5.16 s時，單向閥關閉，圖7(a)中小閥芯與主閥芯位移曲線無滯后，均能立即復位，此時閥芯靠彈簧力復位，說明閥芯復位彈簧的彈簧剛度滿足要求，閥芯關閉即時可靠。此時活塞位移為0。

(2)液控單向閥反向啟閉

當t=10.16 s時，單向閥應開啟，圖7(b)中小閥芯10.172 s打開，主閥芯10.176 s打開。由于頂桿與兩閥芯之間存在間隙，當活塞左移時，頂桿位移在－2 mm時觸碰小閥芯，小閥芯先打開;位移在－4 mm時觸碰主閥芯，主閥芯后打開。

當t=20.32 s時，單向閥應關閉，圖7(c)中主閥芯20.533 s關閉，小閥芯20.844 s關閉，活塞復位緩慢，活塞位移在20.9 s后趨于停止，且沒有回到初始位置。由此可見，控制活塞復位彈簧剛度偏小，使其復位緩慢，且不能回到原位，給閥芯復位造成一定阻力，致使閥芯緩慢閉合。閥芯的滯留時間近似等于油缸下滑時間，正是由于閥芯不能即時關閉導致油缸下滑。

4 增大活塞復位彈簧剛度改進下滑現(xiàn)象

液控單向閥其他參數(shù)不變，增大活塞復位彈簧的剛度，即增大其復位力，取彈簧剛度為15 N/mm，油缸位移曲線見圖8。

圖8 活塞彈簧剛度取15 N/mm時油缸位移曲線

由圖8(a)知，油缸位移在20.32 s后即時停止，無明顯下滑現(xiàn)象。由圖8(b)知，20.37 s油缸停止，0.05 s下滑0.5 mm，由此可見，增大液控單向閥內(nèi)活塞復位彈簧的剛度能有效改善油缸下滑現(xiàn)象。

圖9為活塞復位彈簧剛度為15 N/mm時閥芯瞬態(tài)運動特性。

(1)液控單向閥正向啟閉

當t=0.08 s和t=5.16 s時，圖9(a)中主閥芯和小閥芯的位移曲線重合，且位移無滯后，說明閥芯正向啟閉特性良好。此時活塞位移為0。

(2)液控單向閥反向啟閉

當t=10.16 s時，圖9(b)中小閥芯10.172 s打開，主閥芯10.178 s打開，與圖7(b)相比，此時主閥芯開啟時間慢了0.002 s，這是由于增大活塞的彈簧剛度對活塞左移增加了阻力。

圖9 活塞彈簧剛度取15 N/mm時的閥芯瞬態(tài)運動特性曲線

當t=20.32 s時，圖9(c)中主閥芯20.35 s關閉，小閥芯20.37 s關閉了，活塞20.4 s復位。與圖7(c)相比，閥芯和活塞的復位時間大力縮短。主閥芯的位移曲線呈兩段式變化，第一段位移斜率較大，是由于受到兩個閥芯復位彈簧的并聯(lián)作用，速度較快;第二段位移斜率變小，此時主閥芯復位只受到其自身復位彈簧的作用，速度變慢。

由此可見，增大液控單向閥中活塞復位彈簧剛度，可使活塞復位加快，從而使閥芯即時復位，可靠關閉，改善油缸下滑現(xiàn)象。

5 結論

通過對操作機提升俯仰液壓系統(tǒng)及液控單向閥進行AMESim建模與仿真，揭示了油缸下滑原因并提出改進方法。平升缸下滑問題是由于換向閥回至中位時，液控單向閥未即時關閉所致。內(nèi)部原因是液控單向閥內(nèi)的控制活塞復位彈簧剛度小，使得活塞復位緩慢，給閥芯復位造成一定阻力，使閥芯關閉滯后。因此，通過增大液控單向閥控制活塞復位彈簧剛度，使活塞能迅速復位，閥芯即時關閉。此方法能有效地改善油缸下滑現(xiàn)象。

【1】傅新，徐明，王偉，等．鍛造操作機液壓系統(tǒng)設計［J］．機械工程學報，2010，46(11):49 －54．

【2】冀宏，梁宏喜，胡啟輝．基于AMESim的螺紋插裝式平衡閥動態(tài)特性的分析［J］．液壓與氣動，2011(10):80－83．

【3】王文深，張紀梁．平衡回路中液控單向閥反向開啟控制壓力的計算及分析{J}．機床與液壓，2003(8):63－64．

【4】GE Hao，GAO Feng．Type Design for Heavy-payload Forging Manipulators［J］．Chinese Journal of Mechanical Engineering，2011，24(6):1 －9．