折彎?rùn)C(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)及動(dòng)態(tài)特性分析

李秋生

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折彎?rùn)C(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)及動(dòng)態(tài)特性分析

李秋生

【摘要】折彎?rùn)C(jī)是一種廣泛應(yīng)用的彎曲機(jī)械，在鈑金加工中發(fā)揮著不可替代的作用。折彎?rùn)C(jī)液壓系統(tǒng)性能直接影響其工作狀態(tài)。本文對(duì)折彎?rùn)C(jī)工作運(yùn)行狀態(tài)及負(fù)載情況進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)折彎?rùn)C(jī)液壓系統(tǒng)。通過(guò)設(shè)計(jì)折彎?rùn)C(jī)液壓系統(tǒng)參數(shù)，建立適當(dāng)?shù)囊簤候?qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)模型，并由此建立數(shù)學(xué)模型。在數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上對(duì)液壓伺服系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性分析。結(jié)果表明，通過(guò)對(duì)液壓伺服系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)，改善了折彎?rùn)C(jī)的性能，提高了鋁卷翻轉(zhuǎn)的可靠性，可為大流量液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

【關(guān)鍵詞】折彎?rùn)C(jī)；液壓驅(qū)動(dòng)；伺服系統(tǒng)；動(dòng)態(tài)特性分析

0 引言

折彎?rùn)C(jī)是一種廣泛應(yīng)用的彎曲機(jī)械，板料折彎成形因其模具的通用性好、工藝簡(jiǎn)單、工藝范圍廣，所以在鈑金加工中得到了非常廣泛的應(yīng)用[1]。液壓折彎?rùn)C(jī)機(jī)身寬度尺寸非常大，采用機(jī)械傳動(dòng)方式傳遞運(yùn)動(dòng)效率比較低，所以一般采用液壓方式傳遞運(yùn)動(dòng)，為了防止機(jī)身在工作過(guò)程中產(chǎn)生扭曲變形及保證板材折彎效果，一般采用在機(jī)身兩端安置兩個(gè)液壓缸，同步驅(qū)動(dòng)機(jī)身運(yùn)動(dòng)，機(jī)身結(jié)構(gòu)如圖1所示。折彎?rùn)C(jī)的液壓同步系統(tǒng)用以保持兩個(gè)液壓缸精確地同步運(yùn)動(dòng)或者其中一個(gè)液壓缸能夠同步精確跟隨另一個(gè)液壓缸的運(yùn)動(dòng)，從而保證液壓折彎?rùn)C(jī)工作狀態(tài)時(shí)滑塊及凸模的下表面與工作臺(tái)及凹模的上表面平行。

圖1 折彎?rùn)C(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)圖

1 折彎?rùn)C(jī)工作過(guò)程

折彎?rùn)C(jī)的液壓同步系統(tǒng)是折彎?rùn)C(jī)的核心系統(tǒng)、核心技術(shù)，折彎精度的保證是通過(guò)折彎?rùn)C(jī)液壓同步系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)液壓缸的精確同步運(yùn)動(dòng)保證的。為了提高生產(chǎn)效率和壓彎質(zhì)量，折彎?rùn)C(jī)的橫梁連同安裝在它下端面的上壓模在各個(gè)行程應(yīng)以不同的速度運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)的一般規(guī)律如圖2所示[2]。折彎?rùn)C(jī)液壓同步系統(tǒng)主要運(yùn)行狀態(tài)：下壓快進(jìn)、下壓工進(jìn)、液壓系統(tǒng)保壓、液壓系統(tǒng)卸荷和快速回程等。

圖2 折彎?rùn)C(jī)主滑塊運(yùn)動(dòng)的位移——時(shí)間規(guī)律曲線(xiàn)

折彎?rùn)C(jī)液壓系統(tǒng)采用安裝與機(jī)身的兩個(gè)液壓缸驅(qū)動(dòng),為防止折彎?rùn)C(jī)機(jī)身橫梁扭曲變形及保證工件折彎過(guò)程中的穩(wěn)定性及精度, 需設(shè)計(jì)折彎?rùn)C(jī)液壓同步回路及避免意外事故發(fā)生的鎖緊裝置。折彎?rùn)C(jī)運(yùn)行過(guò)程中橫梁所承受的反作用力較大及本身質(zhì)量的慣性力較大，如果突然停止工作或者工作臺(tái)上升運(yùn)動(dòng)，將對(duì)液壓系統(tǒng)產(chǎn)生很大的沖擊。為了減少或消除沖擊，應(yīng)在液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上采取一些辦法實(shí)現(xiàn)緩沖。

在本文所設(shè)計(jì)的液壓驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)中，兩個(gè)液壓缸的同步運(yùn)動(dòng)通過(guò)伺服閥的跟蹤功能實(shí)現(xiàn)，位移傳感器3與位移傳感器5檢測(cè)兩個(gè)液壓缸的位置運(yùn)動(dòng)，通過(guò)伺服放大器進(jìn)行誤差信號(hào)比較，比較后的誤差信號(hào)反饋給電液伺服閥1，電液伺服閥1根據(jù)反饋的誤差信號(hào)控制伺服閥閥口開(kāi)度，使得輸出的液壓油流量與換向閥2相同，從而控制兩個(gè)液壓缸的同步運(yùn)動(dòng)。換向閥2和伺服閥1的中位機(jī)能為O型，可起到一定的鎖緊作用，液壓系統(tǒng)緩沖功能的實(shí)現(xiàn)通過(guò)節(jié)流閥7實(shí)現(xiàn)。綜上所述, 液壓驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)如圖3所示：

注：1:電液伺服閥 2:換向閥 3，4:位移傳感器 5，6:液壓缸 7:節(jié)流閥 8:溢流閥 9:液壓泵 10:伺服放大大器圖3 折彎?rùn)C(jī)液壓系統(tǒng)

3 液壓系統(tǒng)參數(shù)的確定

3.1 液壓缸的初始?jí)毫?/p>

根據(jù)折彎?rùn)C(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及折彎?rùn)C(jī)機(jī)設(shè)計(jì)的基本要求，選取液壓系統(tǒng)液壓泵供油壓力ps=30Mpa.

3.2 液壓缸的各項(xiàng)參數(shù)

（1）液壓缸參數(shù)。

折彎?rùn)C(jī)在工作過(guò)程中，液壓缸承受的最大負(fù)載力為FL=160KN。

伺服閥的負(fù)載壓力pl為：

伺服閥承受的負(fù)載力為：

液壓缸的有效面積為：

（2）折彎?rùn)C(jī)液壓缸的結(jié)構(gòu)原理圖如圖4所示：

圖4 折彎?rùn)C(jī)液壓缸結(jié)構(gòu)原理圖

此液壓缸的作用面積相同A1=A2，比雙出桿液壓缸所占工作空間小，所構(gòu)成的液壓系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生變化時(shí)，往復(fù)運(yùn)動(dòng)的差異不大，速度特性對(duì)稱(chēng)，符合對(duì)稱(chēng)型液壓缸的運(yùn)動(dòng)特性。

3.3 確定伺服閥規(guī)格

伺服閥的負(fù)載流量按最大速度速度確定：

式中：

AP——液壓缸的有效面積；

vmax——液壓缸的最大速度。

此時(shí)伺服閥壓降為：

考慮到泄露等因素，將負(fù)載流量qL放大20%，取qL=32L/min。根據(jù)qL和pv，由伺服閥—流量關(guān)系曲線(xiàn)查得qn=40L/min的伺服閥可以滿(mǎn)足要求。由產(chǎn)品樣本選定QDY6型電液伺服閥。

4 動(dòng)態(tài)分析

4.1 各組成元件的傳遞函數(shù)及系統(tǒng)框圖

動(dòng)態(tài)分析時(shí)，需首先建立系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，它不僅可以表征系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，而且可以用來(lái)研究系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)或參數(shù)變化時(shí)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。

（1）伺服放大器和位置傳感器的增益藝術(shù)分別為kd和kf。

（2）液壓伺服閥的傳遞函數(shù)為：

（3）鑒于對(duì)稱(chēng)缸特性，所設(shè)計(jì)液壓缸的傳遞函數(shù)為：

由對(duì)稱(chēng)缸特性，可計(jì)算出液壓缸總控制容積為：

式中：

s——液壓缸的有效行程。

取液體有效體積彈性模量βe=1000MPa，則液壓固有頻率：

伺服閥的零位流量壓力系數(shù)：

液壓阻尼比：

液壓阻尼比計(jì)算值很小，可取0.2。

動(dòng)態(tài)柔度系數(shù)：

則液壓缸和負(fù)載的傳遞函數(shù)為：

（4）根據(jù)前述各部分傳遞函數(shù)可確定系統(tǒng)系統(tǒng)框圖如圖5所示：

圖5 液壓伺服系統(tǒng)系統(tǒng)方框圖

根據(jù)該系統(tǒng)框圖可確定系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：

由經(jīng)驗(yàn)可知，系統(tǒng)開(kāi)環(huán)增益：

4.2 頻域響應(yīng)分析

要使所設(shè)計(jì)的折彎?rùn)C(jī)液壓系統(tǒng)能夠穩(wěn)定可靠地工作，必須留有穩(wěn)定裕度。圖6是折彎?rùn)C(jī)液壓系統(tǒng)的頻率響應(yīng)曲線(xiàn)，由折彎?rùn)C(jī)液壓系統(tǒng)頻率特性響應(yīng)可以看出：相角穩(wěn)定裕度γ=87°，很大的穩(wěn)定裕度，滿(mǎn)足穩(wěn)定性要求；系統(tǒng)開(kāi)環(huán)穿越頻率：

對(duì)于阻尼比較小的Ⅰ型液壓伺服系統(tǒng)，可以認(rèn)為閉環(huán)頻寬f-3dB近似等于fc。由此可見(jiàn)，響應(yīng)速度滿(mǎn)足其系統(tǒng)要求。

圖6 折彎?rùn)C(jī)液壓系統(tǒng)頻域響應(yīng)曲線(xiàn)

4.3 時(shí)域響應(yīng)分析

階躍信號(hào)輸入表示折彎?rùn)C(jī)液壓系統(tǒng)最嚴(yán)峻的工作狀態(tài)。如果折彎?rùn)C(jī)液壓系統(tǒng)在階躍函數(shù)信號(hào)作用下能夠滿(mǎn)足工作要求，那么表示所設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足工作要求。圖7是折彎?rùn)C(jī)液壓系統(tǒng)對(duì)階躍函數(shù)的響應(yīng)狀態(tài)，由圖7可以看出：系統(tǒng)上升過(guò)程中雖有微小振蕩，但總體運(yùn)行平穩(wěn)。過(guò)渡過(guò)程時(shí)間tp<1s，能夠滿(mǎn)足同步跟蹤要求。

圖7 折彎?rùn)C(jī)液壓系統(tǒng)對(duì)階躍函數(shù)的響應(yīng)

4.4 誤差分析

通過(guò)對(duì)折彎?rùn)C(jī)液壓系統(tǒng)的誤差essr、穩(wěn)態(tài)誤差essn以及液壓伺服閥工作過(guò)程中非線(xiàn)性因素引起的位置誤差ef進(jìn)行仿真分析，得系統(tǒng)誤差為：

誤差比較小，完全滿(mǎn)足控制系統(tǒng)精確性要求。

5 結(jié)論

通過(guò)合理設(shè)計(jì)折彎?rùn)C(jī)液壓系統(tǒng)，降低了折彎?rùn)C(jī)運(yùn)行過(guò)程中的沖擊、振動(dòng)現(xiàn)象；使折彎?rùn)C(jī)運(yùn)行平穩(wěn),提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性。

參考文獻(xiàn)

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