一種聯(lián)動(dòng)式液壓機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真

姚玲峰,曹選平

(成都紡織高等專科學(xué)校機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 611731)

一種聯(lián)動(dòng)式液壓機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真

姚玲峰,曹選平

(成都紡織高等?？茖W(xué)校機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 611731)

設(shè)計(jì)了一種由3液壓缸組成的聯(lián)動(dòng)式液壓機(jī)的液壓系統(tǒng)，對(duì)3液壓缸的聯(lián)動(dòng)過(guò)程及液壓回路的工作原理做了闡述，基于FluidSIM軟件設(shè)計(jì)了該液壓機(jī)的控制系統(tǒng)并對(duì)其液壓回路進(jìn)行仿真，結(jié)果顯示：回路輸出運(yùn)動(dòng)的位移與設(shè)計(jì)值相符，運(yùn)行速度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，且運(yùn)行平穩(wěn)。

液壓機(jī) 液壓系統(tǒng) 控制系統(tǒng) FluidSIM 仿真

0 前言

液壓壓力機(jī)是工件壓縮成型和壓注成型的主要設(shè)備，主要適用于可塑性材料的壓制工藝過(guò)程，如在汽車、家電行業(yè)中金屬覆蓋件的沖壓、翻邊、彎曲及拉伸等工藝，也可用于模壓成型及粉末制品的壓制成型[1-2]。本人參與了某企業(yè)的一種聯(lián)動(dòng)式小型100KN液壓機(jī)的開發(fā)工作，該液壓機(jī)主要應(yīng)用于磁性粉末材料的壓制。在設(shè)計(jì)過(guò)程中筆者充分利用了FluidSIM軟件的仿真分析功能，使開發(fā)周期大為縮短，開發(fā)效率顯著提高，較好的完成了設(shè)計(jì)任務(wù)。

1 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 液壓機(jī)設(shè)計(jì)要求

該液壓機(jī)為四柱式壓力機(jī)，但其結(jié)構(gòu)上與傳統(tǒng)四柱式壓力機(jī)有所不同，整個(gè)壓力機(jī)由3個(gè)液壓缸組成，3個(gè)液壓缸連續(xù)動(dòng)作完成工作任務(wù)。上液壓缸帶動(dòng)上壓頭向下運(yùn)動(dòng)，壓制盛于壓槽內(nèi)的磁性粉末，成型后由下缸頂頭頂出至頂頭與工作臺(tái)平齊位置，再通過(guò)側(cè)面液壓缸活塞推桿將成型件推至另一側(cè)的平臺(tái)上，然后由人工取走。液壓機(jī)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

(1)運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量：350kg；磁性粉末預(yù)壓錠料質(zhì)量：m=80kg；

(2)工作時(shí)系統(tǒng)最大壓力：20MPa

(3)上壓頭最大行程：700mm；下壓頭最大行程：200mm；

(4)工作負(fù)載：Ft=100 × 103× 9.8=9.8×105N；

(5)摩擦負(fù)載靜摩擦阻力：

Ffs= 0.2 × 350 × 9.8=686N

動(dòng)摩擦阻力：

Ffd= 0.1 × 350× 9.8 = 343N；

(7)背壓負(fù)載：液壓缸回油背壓，一般為0.3MPa-0.5MPa，此處取為0.3MPa,取液壓缸回油腔有效工作面積0.02m2。則單個(gè)液壓缸背壓負(fù)載為(此處假定各液壓缸有效工作面積相同)：

Fb=0.3×106×0.02=6000N

取機(jī)械效率為ηm=0.9，工件在工作臺(tái)上被側(cè)向推出的動(dòng)摩擦系數(shù)為0.2，由上得出液壓機(jī)液壓系統(tǒng)各工作階段的負(fù)載值見下頁(yè)表1：

表1 液壓系統(tǒng)各工作階段負(fù)載值

其功能示意圖如圖1所示：

圖1 液壓機(jī)功能示意圖

在圖1中，上壓頭在向下的空行程過(guò)程中要求快速下移，至壓槽上平面后開始加壓工作，壓制到規(guī)定位置后保壓一定時(shí)間，后快速退回；下液壓缸驅(qū)動(dòng)下頂頭頂出成型件至頂頭與工作面平齊；側(cè)液壓缸開始工作，驅(qū)動(dòng)推桿推動(dòng)成型件至另一側(cè)面，完成一個(gè)工作周期。圖2為液壓機(jī)在一個(gè)周期內(nèi)的動(dòng)作圖。

圖2 液壓機(jī)動(dòng)作圖

1.2 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)及功能實(shí)現(xiàn)

基于以上要求，設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 液壓機(jī)液壓系統(tǒng)圖

上液壓缸工作流程

(1)快速下行時(shí)，按下起動(dòng)按鈕SB1，電磁鐵1YA通電，這時(shí)液壓缸13上腔供油油路為：變量泵2→過(guò)濾器4→換向閥7左位→液壓缸13上腔；液壓缸13下腔的回油油路為：液壓缸13下腔→換向閥左位→液壓缸上腔。從液壓回路我們可以看出，此快速回路為一差動(dòng)連接回路。

(2)慢速加壓時(shí)，電磁鐵1YA、3YA得電，此時(shí)進(jìn)油油路不變，回油油路發(fā)生變化，由：液壓缸13下腔→換向閥10右位→調(diào)速閥8→換向閥7左位→油箱1。

(3)當(dāng)上缸對(duì)工件加壓到一定程度后，進(jìn)行保壓定型，保壓時(shí)間由延時(shí)閉合繼電器KT1(下頁(yè)圖4中所示)決定。這時(shí)換向閥7工作在中位。本換向閥為三位四通M型換向閥，這時(shí)我們充分利用了此換向閥的中位機(jī)能，液壓缸活塞閉鎖不動(dòng)，液壓泵卸荷，節(jié)約了能源。

(4)當(dāng)保壓時(shí)間到時(shí)，電磁鐵2YA、3YA得電，上液壓缸13下腔進(jìn)油，其上壓頭快速退回，供油油路為：變量泵2→換向閥7右位→單向閥9及調(diào)速閥8→換向閥10右位→液壓缸13下腔；液壓缸13上腔的回油路為：液壓缸13上腔→換向閥7右位→油箱1。

下液壓缸工作流程

(1)當(dāng)上液壓缸13的上壓頭快速退回的同時(shí)，下液壓缸25的下頂頭開始向上頂出，這時(shí)電磁鐵2YA、4YA得電，整個(gè)油路為：變量泵2→換向閥7右位→換向閥24左位→液壓缸25下腔；液壓缸25上腔→換向閥24左位→換向閥7右位→油箱1。

(2)當(dāng)下頂頭到達(dá)一定的位置后停止，以等待側(cè)推桿將工件推向另一側(cè)面，這時(shí)電磁鐵2YA得電，4YA失電，換向閥處于中位，液壓缸動(dòng)作停止。下頂頭的停止時(shí)間由延時(shí)閉合繼電器KT2(圖4中所示)決定。

(3)當(dāng)壓制成型件被推出后，下頂頭開始退回，這時(shí)電磁鐵2YA、5YA得電，整個(gè)油路為：變量泵2→換向閥7右位→換向閥24右位→液壓缸25上腔；液壓缸25下腔→換向閥24右位→換向閥7右位→油箱1。

側(cè)液壓缸工作流程

(1)當(dāng)下頂頭開始向上頂出壓制成型件的同時(shí)，側(cè)推桿開始快速推出，這時(shí)電磁鐵2YA、6YA得電，供油油路為：變量泵2→換向閥7右位→換向閥23左位→換向閥19左位→側(cè)液壓缸29左腔；回油油路為；側(cè)液壓缸29右腔→換向閥23左位→換向閥7右位→油箱1。

(2)當(dāng)推桿推出到即將接觸壓制成型件時(shí)，這時(shí)推桿放慢推出速度，并使推力增大，這時(shí)電磁鐵7YA開始得電，供油油路為：變量泵1→換向閥7右位→換向閥23左位→調(diào)速閥20→側(cè)液壓缸29左腔；回油油路不變。此時(shí)下液壓缸25處于停止?fàn)顟B(tài)。

(3)當(dāng)壓制件被從側(cè)面推出后，推桿開始退回，這時(shí)電磁鐵2YA、8YA得電，7YA失電，供油油路為：變量泵2→換向閥7右位→換向閥23右位→側(cè)液壓缸29右腔；回油油路為：側(cè)液壓缸29左腔→換向閥19左位→換向閥23右位→換向閥7右位→油箱1。

表2 電磁鐵動(dòng)作順序圖

2 液壓系統(tǒng)部分重要元件計(jì)算及選擇

2.1 液壓缸基本尺寸計(jì)算

(1)上液壓缸工作壓力、內(nèi)徑、活塞桿直徑的確定

由表1可知，上液壓缸在工進(jìn)加壓時(shí)負(fù)載最大，為1092125.5N，此時(shí)工作壓力為20MPa，為防止上壓頭因自重下滑，取背壓為1MP；選取d/D=0.7，液壓缸的機(jī)械效率為0.9，液壓缸受力如圖4所示，

圖4 液壓缸腔室示意圖

根據(jù)活塞受力平衡原理得：A1·P1=F/η+A2·P2

故A1=(F/η)/(P1-0.49·P2)=0.0608m2

圓整后取D=280mm；d=195mm，則液壓缸的實(shí)際有效面積：

(2)下液壓缸工作壓力、內(nèi)徑、活塞桿直徑的確定

下液壓缸工作負(fù)載與上液壓缸相比要小很多，取下液壓缸的工作壓力P=10MPa, 由表1知下液壓缸最大工作負(fù)載為F=Ffd+Fb+mg=7127N。選取d/D=0.7，取液壓缸的機(jī)械效率為0.9，同樣的計(jì)算方法可計(jì)算并圓整下液壓缸的缸筒直徑為165mm：，活塞桿直徑為115mm。

(3)側(cè)液壓缸工作壓力、內(nèi)徑、活塞桿直徑的確定

側(cè)液壓缸工作負(fù)載較小，取下液壓缸的工作壓力P=5MPa, 由表1知側(cè)液壓缸最大工作負(fù)載為F=Ffd+Fb+mgf=6189.8N。選取d/D=0.7，取液壓缸的機(jī)械效率為0.9，同樣的計(jì)算方法可計(jì)算出側(cè)液壓缸的缸筒直徑為160mm，活塞桿直徑為112mm。

2.2 液壓泵的選取

本液壓系統(tǒng)采用軸向柱塞泵。根據(jù)以上討論的系統(tǒng)壓力等參數(shù)，泵型號(hào)選擇為：63YCY14-1B，其排量為63mL/r，額定壓力為32MPa，額定轉(zhuǎn)速為1500r/min，驅(qū)動(dòng)功率為59.2kN，容積效率達(dá)92%。

2.3 閥類元件及輔助元件的選擇

根據(jù)液壓系統(tǒng)的工作壓力和通過(guò)閥的最大流量來(lái)選取控制閥，閥類元件及其它輔助元件見表3所示。

表3 閥類元件及輔助元件選型表

3 基于FluidSIM的液壓機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真

FluidSIM是目前較為流行的典型液壓、氣動(dòng)控制仿真軟件，其采用類似畫圖軟件似的圖形操作界面，拖拉圖標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，面向?qū)ο笤O(shè)置參數(shù)，其將CAD功能與仿真功能緊密結(jié)合在一起，可設(shè)計(jì)和液壓氣動(dòng)回路相配套的電氣控制回路，并且可對(duì)基于元件物理模型的回路圖進(jìn)行實(shí)際仿真，其包括FluidSIM-P和FluidSIM-H兩部分[4]。

3.1 基于FluidSIM的液壓機(jī)控制系統(tǒng)搭建

(1)搭接液壓回路運(yùn)行F1uid1SIM-H，進(jìn)入軟件主界而。從主界而左側(cè)“元件庫(kù)”窗口中調(diào)用所需的液壓元件：液壓源、油箱、雙作用缸和標(biāo)尺、單向閥、二位二通電磁換向閥、二位三通電磁換向閥、三位四通電磁換向閥、過(guò)濾器、調(diào)速閥、壓力表、可調(diào)壓力開關(guān)等。并設(shè)置液壓源工作壓力、流量、活塞面積、最大行程、輸出力等參數(shù)，在標(biāo)尺上設(shè)置行程開關(guān)A1、A2、A3、B1、B2、C1的位置，設(shè)置電磁鐵的標(biāo)簽1YA～8YA，并設(shè)置壓力開關(guān)N1～N3，調(diào)整好壓力開關(guān)的調(diào)整壓力。搭接好的液壓回路如圖3所示。

(2)搭接繼電接觸器控制回路同樣從主界面左側(cè)“元件庫(kù)”窗口中調(diào)用所需的電氣元件：按鈕轉(zhuǎn)換開關(guān)、按鈕開關(guān)(常開)、繼電器線圈、電磁線圈、延時(shí)閉合繼電器、常開觸點(diǎn)、常閉觸點(diǎn)、電源等，并給電氣元件設(shè)置對(duì)應(yīng)的標(biāo)簽，通過(guò)標(biāo)簽建立和實(shí)現(xiàn)電磁閥與其電磁線圈的聯(lián)系、標(biāo)尺(這里的作用是行程開關(guān))與其觸點(diǎn)的聯(lián)系、繼電器線圈與其觸點(diǎn)的聯(lián)系[4]。搭接好的繼電接觸器控制回路如圖5所示。

圖5 電氣控制圖

3.2 液壓回路仿真結(jié)果分析

在仿真之前添加一個(gè)狀態(tài)圖，并在狀態(tài)圖上建立各液壓缸的狀態(tài)項(xiàng)，這樣可以在仿真過(guò)程中觀察各液壓缸的位置變化及動(dòng)作順序。參數(shù)設(shè)定好之后，點(diǎn)擊啟動(dòng)按鈕就可以開始仿真，這時(shí)按下SB1按鈕開關(guān)，系統(tǒng)進(jìn)行仿真并得到仿真結(jié)果，圖6為各液壓缸動(dòng)作變化及順序圖。

仿真結(jié)果分析：從仿真過(guò)程中可直接動(dòng)態(tài)觀察到各電磁換向閥的換向動(dòng)作，各液壓缸動(dòng)作順序，各液壓缸進(jìn)出口油壓的變化情況，也可從圖6分析各液壓缸隨時(shí)間變化的位移得出各液壓缸動(dòng)作順序：上液壓缸的上壓頭快下——上壓頭慢速加壓——上壓頭保壓延時(shí)——上壓頭快速退回、下液壓缸的下頂頭頂出、側(cè)液壓缸的推桿快速推出——下頂頭停留、側(cè)推桿加壓慢推出——下液壓缸下頂頭退回、側(cè)液壓缸側(cè)推桿退回。結(jié)果符合設(shè)計(jì)動(dòng)作要求，與圖2液壓機(jī)動(dòng)作順序圖一致。通過(guò)改變延時(shí)閉合繼電器KT1的延時(shí)時(shí)間，可以觀察到上液壓缸的停止保壓時(shí)間及狀態(tài)的變化；通過(guò)改變調(diào)速閥20的公稱流量參數(shù)，可觀察到側(cè)液壓缸側(cè)向推出力大小變化和推出速度的變化。從仿真圖中也可看出，上液壓缸退回時(shí)速度由慢變快，分析其中原因在于：速度由慢變快的瞬間正是下液壓缸由頂出轉(zhuǎn)為停止的瞬間，即原先進(jìn)入下液壓缸中的油液停止向下液壓缸供油，轉(zhuǎn)而流向上液壓缸的供油油路，從而使進(jìn)入上液壓缸的油液流量增大，速度提高。

圖6 液壓缸動(dòng)作變化及順序圖

4 結(jié)語(yǔ)

(1)針對(duì)企業(yè)生產(chǎn)需要設(shè)計(jì)了一種聯(lián)動(dòng)式液壓系統(tǒng)，設(shè)計(jì)中充分考慮了三個(gè)液壓缸動(dòng)作的聯(lián)動(dòng)性、協(xié)調(diào)性，設(shè)計(jì)出了控制此液壓系統(tǒng)的控制電路；

(2)采用FluidSIM仿真軟件對(duì)液壓缸輸出位移、輸出速度進(jìn)行仿真定性分析。仿真結(jié)果表明：回路輸出運(yùn)動(dòng)的位移與設(shè)計(jì)值相符，運(yùn)行速度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，且運(yùn)行平穩(wěn)。

(3)采用仿真軟件提高了設(shè)計(jì)效率，在設(shè)計(jì)過(guò)程中及時(shí)發(fā)現(xiàn)了設(shè)計(jì)缺陷，有效降低了成本。

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2016-09-30

姚玲峰(1979-)，男，碩士，副教授，研究方向：機(jī)電液一體化技術(shù)的教學(xué)與研究。

TH137

A

1008-5580(2017)03-0213-05