（机械电子工程专业论文）50000kn整体式汽车大梁液压机液压控制系统的分析研究.pdf

全文摘要 汽车大梁液压机是汽车加工中的重要设备。本论文以5 0 0 0 0 k n 整体式汽车 j _ 一_ 。_ - _ 一 大梁液压机为研究对象，重点研究了它的、仲塾堡挂和乏篁回生塑垩两个子系统。 在论文中不仅阐述了两个系统的工作原理、工作特点，而且提出几种方案对比分 析，对最终采用的方案进行了比较详细的分析论证，最后还对该设备进行了测试 实验。 厂 第一章先简要介绍了液压机的工作原理及特点，然后对汽车大梁及其液压机 加工的特点、目前的技术水平给予了介绍，并给出了本论文所研究的液压机的技 术要求，及本论文的主要研究内容。 第二章首先确定了5 0 0 0 0 k n 汽车大梁液压机中动力机构的主体结构和主要 的参数，然后给出了冲裁缓冲和多缸同步两个系统的液压原理图，并对其工作原 理及特点给予了解释说明。 第三章着重分析研究了冲裁缓冲系统。讲述了冲裁的原理，缓冲的重要性。 然后针对5 0 0 0 0 k n 汽车大梁液压机的缓冲系统，分别从静态和动态两个方面进 行了分析计算。通过分析计算确定了各个要素对冲裁缓冲效果的影响，找出了改 善缓冲系统性能的途径。 第四章着重分析研究了多缸同步调平系统。首先对单个液压缸的运动进行了 分析，找出了影响运动的一些因素：然后对汽车大梁液压机调平的几种方案进行 了对比分析。最后，对5 0 0 0 0 k n 汽车大梁液压机同步调平系统的静态和动态特 性分别进行了计算、分析。 第五章介绍了对5 0 0 0 0 k n 汽车大梁液压机所作的测试试验，这些试验数据 证明了前面章节中计算分析的正确性。 第六章对本课题所做的工作做出了归纳总结以厂 、 a b s t r a c t 硼1 eh y d r a u l i cp r e s sf o rs i d er a i l so f a u t o m o t i v ef r a m e ( h f s r a f ) i so n eo f t h ek e ye q u i p m e n tf o ra u t o m o t i v ei n d u s t r i e s t 1 1 i st h e s i s u s i n go n e5 0 0 0 0 k n h p s r a fa sa ne x a m p l e ，r e s e a r c h e di t sh y d r a u l i cd a m p i n ga n dh y d r a u l i c p a r a l l e l i s ms y s t e m s n l i sp a p e rn o to n l yi n t r o d u c e di t st h e o r y , f e a t u r e s ，b u t g a v e s e v e r a ls c h e m e s t h es c h e m e sw e r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d n e s c h e m e st h a tw e r ea d o p t e di nt h e5 0 0 0 0 k nh p s r a fw e r ed i s c u s s e dd e e p l y a n d e x p e r i m e n t s w e r em a d et od e m o n s t r a t et h e i rr i g h m e s s i nt h ef i r s t c h a p t e r , t h et h e o r ya n df e a t u r eo f n o r m a lh y d r a u l i cp r e s sw e r e i n t r o d u c e d t h e nt h ef e a t u r e so fh p 研认fa n di t sc u r r e n tt e c h n i c a ls i t u a t i o n w e r es u m m a r i z e d i nt h ee n d , t h et e c h n i c a l r e q u i r e m e n to ft h e5 0 0 0 0 k n h p s r a fa n dt h em a i nc o n t e n t so f t h i sp a p e rw e r e p r e s e n t e d i nt h ec h a p t e r2 ，t h ep o w e rm e c h a n i s ma n dm a i ns t r u c t u r eo ft h e5 0 0 0 0 k n h p s r a fw e r ed e s i g n e df i r s t t h e nt h es c h e m e so f h y d r a u l i cd a m p i n ga n d p a r a l l e l i s mc o n t r o ls y s t e m sw e r eg i v e n a n d t h e i rt h e o r i e sa n dc h a r a c t e r i s t i c s w e r e e x p l a i n e d t h ec h a p t e r3f o c u s e do nt h eh y d r a u l i cd a m p i n g s y s t e m f i r s t , i t st h e o r ya n d i m p o r t a n c ew e r ee x p a t i a t e d t h e nt h es t a t i ca n dd y n a m i cp e r f o r m a n c eo f t h e 5 0 0 0 0 k nh p s 】认fw a sc a l c u l a t e da n da n a l y z e d s o m eo ft h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h ep e r f o r m a n c ea n ds o m ef a c t o r so ft h eh y d r a u l i cd 锄d h gs v s t e m w a sf o u n do u ta c c o r d i n gt ot h ec a l c u l a t i o na n da n a l y s i s t h e nc e r t a i nw a y st o i m p r o v e t h ep e r f o r m a n c eo f t h ed a m p i n gs y s t e mw e r e p o i n t e d o u t 1 1 1 e c h a p t e r4f o c u s e d 0 1 1 m u l t i - c y l i n d e rp a r a l l e l i s m c o n t r o l s y s t e m n l e t r a n s m i s s i o no f s i n 西ec y l i n d e rw a s 删y z e da n ds o m ef a c t o r sw h i c ha f f e c t e d t h e p e r f o r m a n c e w e r e p o i n t e d o u ta tf i r s t n l e ns e v e r a ls c h e r u e so f m u l t i - c y l i n d e rp a r a l l e l i s ms y s t e mw e r ec o m p a r e da n da n a l y z e d i nt h el a s tt h e s t a t i ca n d d y n a m i cp e r f o r m a n c eo f t h e5 0 0 0 0 k nh p s r a f w a sc a l c u l a t e da n d a n a l y z e d m l e c h a p t e r 5p r e s e n t e dt h ed a t ao f t h e e x p e r i m e n t s o nt h e5 0 0 0 0 k n 研s r a f 砀ed a t as h o w e dt h e r i m l e s s o f t h ec a l c u l a t i o na n dt h ea n a l y s i si nt h ef o r m e r c h a p t e r s t h e c h a p t e r 6s u m m e d u pt h et o t a lw o r ko f t h i st h e s i s k e yw o r d s ：s i d e - m i l so fa u t o m o t i v ef r a m e ，h y d r a u l i cp r e s s ，h y d r a u l i c d a m p i n g ，h y d r a u l i c p a r a l l e l i s mc o n t r o l ；浚赫 逢 1 致谢 怒幻黝互召 本论文是在导师魏建华副教授的悉心指导下完成的。在硕士阶段的学 习生活中，魏老师给我提供了良好的工作条件和许多锻炼机会，并在生活 上给予我无微不至的关怀。导师的渊博学识、严谨踏实和实事求是的工作 精神、锐意进取百折不挠的生活态度给我留下了深刻的印象。在硕士学业 即将完成之际，谨向魏老师表示最衷心的感谢和深深的敬意。 在浙江大学机械电子工程研究所两年半的学习生活中，吴根茂教授、 邱敏秀研究员也自始自终给予了我亲切的关怀、认真的指导和无私的帮 助，在此对两位老师也表达我诚挚的谢意。 在学习以及此论文的完成过程中，管成、邵安岑、尤新荣等硕士生都 给予了很多帮助，在此表示感谢。 另外尤其要感谢的是上海锻压机床厂的叶明总工程师及其他工程师 和工人师傅。叶明总工程师毫无保留地对我进行了指导，并给我提供了参 与工程现场的机会。 2 0 0 2 年1 月于浙江大学 1 1 1 原理及特点 第一章绪论 1 1 液压机概述 液压机是制品成型生产中应用最广的设备之一。自1 9 世纪问世以来发展 很快，已成为工业生产中必不可少的设备之。由于液压机在工作中的广泛适 应性，使其在国民经济各部门获得了广泛的应用。如板材成型；管、线、型材 挤压；粉末冶金、塑料及橡胶制品成型；胶合板压制、打包；人造金刚石、耐 火砖压制和炭极压制成型；轮轴压装、校直等等。各种类型液压机的迅速发 展，有力地促进了各种工业的发展和进步。 作为一种通用的无削成型加工设备，液压机的工作原理是利用液体的压力 传递能量以完成各种压力加工的。液压机一般由本体( 主机) 、操纵系统及泵 站三大部分组成。 液压机本体为液压机的执行机构。泵站为动力源，供给液压机各执行机构 及控制机构以高压工作液体。操纵系统属于控制机构，它通过控制工作液体的 流向、及液流的压力和流量大小来使各个执行机构按照工艺要求完成应有的动 作。 充滩油糟及充渣阀 工作主缸 上横鬃 滑块 下横曩 礓出油缸 i n i l i ：液压机结构原理融 液压机的本体结构及工作原理可用图卜卜1 来说明 j ，：“， 塑坚盔堂亟主堂鱼鲨塞 滑块在工作主缸的驱动下，以立柱为导向，在上下横梁之间往复运动。滑 块下端面固定有上模具，而下模具则固定于下横梁上的工作台上。当高压液体 进入主缸的上腔，推动滑块向下运动，使工件在上下模具之间产生塑性变形。 当主缸下腔进油时则推动滑块往上运动，同时下横梁内的顶出缸顶出工件。 典型液压机的工作循环为： l 滑块停止卜_ 叫顶出缸顶出卜一叫顶出缸回程r _ 叫结束l l ，- _ j l-一 可以看出液压机有以下工作特点：一是动力传动为“柔性”传动，不象机 械加工设备一样动力传动系统复杂，这种驱动原理避免了机器过载的情况；二 是液压机的拉压过程中只有单一的直线驱动力，没有“成角的”驱动力，这使 加工系统有较长的生命期和高的工件成品率。 液压机有单动、双动、三动三种基本的动作方式。在单动方式中，压头( 或 滑块) 作为移动部件单向移动完成压制过程。这种工作方式没有压边装置。单动 压力机主要用于薄型工件成型中，适用于卷据和带型据料。双动型压力机有两 个移动部件：滑板( 或冲头) 和模板。其工作过程是，冲头( 或滑板) 白上而下拉 伸冲料，模板充作固定压板。在压制成型后，模板能实现打料顶出功能。可根 据材料和工件的特征参数来调整模板的压力。三动型压力机中，深拉伸滑块和 压边滑块自上而下移动，由模板实现打料动作。但是，模板也可以充作压边块 来实现专门的成型操作。这种压力机也可以做双动机用。由于内滑板和压边块 相关联，因此，成型压力和压边力合成整个系统的总负载。按照机架结构形式 液压机可分为梁柱式、组合框架型、整体框架式、单臂式等。按照功能用途液 压机可分为手动液压机、锻造液压祝、冲压液压机、一般用途液压机、校正、 压装液压机、层压液压机、挤压液压机、压制液压机、打包压块液压机、专用 液压机十组类型。 八十年代以来，随着微电子技术、液压技术等的发展和普及应用，液压机 有了更进一步的发展。目前，液压机的最大标称压力已达7 5 0 m n ，用于金属的 模锻成型。众多机型已采用c n c 或工业p c 机来进行控制，使产品的加工质量 和生产率有了极大的提高。随着人们生活水平的提高，金属压制和拉伸制品的 需求逐年提高，同时，对产品品种的需求也越来越多，另一方面产品的生产批 量日益缩小。为与中、小批量生产相适应，需要能够快速调整的加工设备，这 使液压机成为理想的成型工艺设备。特别是当液压机系统实现具有对压力、行 程速度单独调整功能后，不仅能够实现对复杂工件以及不对称工件的加工，而 且，实现了极低的废品率。这种加工方式还适合于长行程、难成型以及高强度 2 塑婆盔堂塑主堂焦煎銮 的材料。可变的动力组合、短的加工时间、根据工件长度的简易的压力行程调 整，这与机械加工系统相比，有其优越性。 1 1 2 液压机基本参数 基本参数是液压机的基本技术数据，是根据液压机的工艺用途及结构类型 来确定的，它反映了液压机的工作能力及特点，也基本上定下了液压机的轮廓 尺寸及本体总重。另外，基本参数也是用户选购时的主要数据。 液压机的基本参数有以下内容： 1 、公称压力：指液压机名义上能产生的最大力量，它反映了液压机的主要 工作能力。 2 、最大净空距：指活动横粱停在上限位时，从工作台上表面到活动横梁下 表面的距离，它反映了液压机在高度方向上工作空间的大小。 3 、最大行程：指活动横梁能够移动的最大距离，应根据工件成型过程中所 要求的最大工作行程来确定，它直接影响工作缸和回程缸及其柱塞的长度及整 个机架的高度。 4 、工作台尺寸：指工作台面上可以利用的有效尺寸，它取决于模具的平面 尺寸及工艺过程的安排。 5 、回程力：滑块返程时所需要的驱动力。 6 、活动横梁运动速度：分为工作行程速度、空行程速度及回程速度。 7 、允许最大偏心距：指工件变形阻力接近公称压力时所能允许的最大偏心 值。 8 、顶出器公称压力及行程： 1 1 3 国内外液压机现状 液压机的整机结构已经比较成熟，国内外液压机的发展主要体现在控制系 统方面。微电子技术的飞速发展，为改进液压机的性能、提高稳定性、加工效 率等方面提供了可能。相比来讲，国内机型虽种类齐全，但技术含量相对较 低，缺乏技术含量高的高档机型，这与机电液一体化，中小批量柔性生产的发 展趋势不相适应。 在国内外液压机产品中，按照控制系统，液压机可分为三种类型：一种是 以继电器为主控元件的传统型液压机；一种是采用可编程控制器控制的液压 巍r 、 3 堑婆态堂塑主堂鱼堡塞 机：第三种是应用高级微处理器( 或工业控制计算机) 的高性能液压机。三种类 型功能各有差异，应用范围也不尽相同。但总的发展趋势是高速化、智能化。 ( 1 ) 继电器控制方式是延续了几十年的传统控制方式，其电路结构简单，技 术要求不高，成本较低，相应控制功能简单，适应性不强。其适用于单机工 作、加工产品精度要求不高的大批量生产( 如餐具、厨具产品等) ，其也可组成 简单的生产线，但由于电路的限制，稳定性、柔性差。现在，国内许多液压机 厂家是以这种机型为主，使用对象多为小型加工厂，或加工精度要求不高的民 用产品。国外众多厂家只是保留了对这种机型的生产能力，而主要面向以下两 种技术含量高的机型组织生产。 ( 2 ) 可编程控制器是在继电器控制和计算机控制发展的基础上开发出来的， 并逐渐发展成以微处理器为核心，把自动化技术，计算机技术，通讯技术溶为 一体的新型工业自动控制装置。目前已被广泛的应用于各种生产机械以及自动 化生产过程中。随着技术的不断发展，可编程序控制器的功能更加丰富。早期 的可编程序控制器在功能上只能进行简单的逻辑控制。后来一些厂家开始采用 微电子处理器作为可编程序控制器的中央处理单元( c p u ) ，从而扩大了控制器 的功能，使其不仅可以进行逻辑控制，而且还可以对模拟量进行控制。因此， 可编程控制器控制方式是介于继电器方式和工业控制机控制方式之间的一种控 制方式。可编程控制器有较高的稳定性和灵活性，但在功能方面与工业控制机 相比有一定差异。现在，国内有些厂家采用可编程控制器控制方式，如天津锻 压机械厂有近6 0 的产品装有p l c 。通过采用p l c 控制，使系统的控制性能和 可靠性大大提高。国外厂家如丹麦的s t e n h q j 公司采用了s i e m e n s 的可编程控 制器，实现对压力和位移的控制。 ( 3 ) 工业控制机控制方式是在计算机控制技术成熟发展的基础上采用的一种 高技术含量的控制方式。这种控制方式以工业控制机或单片机作为主控单元， 通过外围接1 ：3 器件( 如a d ，d a 板等) 或直接应用数字阀实现对液压系统的控 制，同时利用各种传感器组成闭环回路式的控制系统，达到精确控制的目的。 这种控制方式的主要特点如下： 具有友好的人机交互性，操作简单。如：b r o w nb o g g s 公司的产品， 可通过数字面板显示输入压力、快进和回程速度、压制速度及保压、停机时间 参数，极大减轻了劳动强度。 控制精度高。数字控制的行程长度及工作行程与传统的机械式的行程开 关控制相比，精度有极大的提高。一般控制精度可达到0 0 5 m m 。 易于实现高速化，提高生产效率。如美国的f e r r a 公司通过采用电子微 处理控制方式，工作循环比以前快6 0 。 4 堑坚盔堂亟主堂垡堡塞 可顺利实现对工作参数( 压力、速度、行程等) 的单独调整a 通过对控制 参数的单独控制，调整被加工材料的流动，能进行复杂工件、不对称工件的加 工。 预存工作模式，可对不同工件的工艺过程、工艺参数预先存储和熏复调 用，缩短调整时间。这与柔性加工要求相适应。 对高速下的换向冲击可利用软件来消除，以降低噪声，提高系统的稳定 性。 在安全方面，可利用软件进行故障预诊断，并自动修复故障和显示错 误。如s t e n h q f 的机型和b r o w nb o g g s 公司都有此项功能。 易实现生产线的集散控制，组成柔性生产线及与上位机进行通讯和实现 调度控制。 现在，国外众多液压机生产厂家生产这种高性能的工业控制机控制方式的 液压机产品，如美国m u l t i p r e s s ，丹麦s t e n s q j 及加拿大的b r o w nb o g g s 等公司。正是因为采用这种先进的控制方式，使整机的控制性能，生产效率都 有很大提高。而与国外发展情况相比，国内极少有采用工业控制机控制方式的 产品，成熟的产品是采用可编程控制器( p l c ) 的控制方式。 作为液压机两大组成部分的主机和液压系统，由于技术发展趋于成熟，国 内外机型无较大差距。主要差别在于加工工艺和安装方面。良好的工艺使机器 在过滤、冷却及防止冲击和振动方面，有较明显改善。 在液压系统结构设计方面，国内外液压机都趋向于集成化、封闭式设计。 插装阀、叠加阀和复合化元件及系统在液压系统中得到较广泛的应用。国外已 开始广泛采用封闭式循环油路设计。这种油路设计有效地防止泄油和污染，更 重要的是防止灰尘、污物、空气、化学物质侵人系统，延长了机器的使用寿 命。由于加工工艺等方面的原因，国内采用封闭式循环油路设计的系统还不多 见。在安全性方面，国外某些采用微处理器控制的高性能液压机利用软件进行 故障的检测和维护，如b r o w nb o g g s 产品可实现负载检测、自动模具保护以及 错误诊断等功能。 1 1 4 发展趋势 ( 1 ) 高速、高效、低能耗。提高液压机的工作效率，降低生产成本。 ( 2 ) 机电液一体化。充分合理利用机械和电子方面的先进技术促进整个液压 系统的完善。 5 浙江大学硕士学位论文 ( 3 ) 自动化、智能化。 微电子技术的高速发展为液压机的自动化和智能化提供了充分的条件。自 动化不仅仅体现在加工，而且还应能够实现对系统的自动诊断和调整，具有故 障预处理的功能。 ( 4 ) 液压元件集成化，标准化。 集成的液压系统减少了管路连接，有效地防止泄漏和污染。标准化的元件 为机器的维修带来方便。 ( 5 ) 液压机的宜人化。 随着液压机的高速化和自动化，限制噪声和震动、防止环境污染、消除人 身事故、保证液压机安全可靠地进行自动化生产就显得非常重要了。 6 1 2 汽车大梁及其液压机 1 2 1 汽车大梁及其加工方法 车架是汽车中承受车身及汽车有效载荷的基础构件。发动机、变速器总 成，转向器及操纵踏板都固定于其上，而它通过悬架装置坐落在车轮上。 车架常见的形式有：纵梁式车架、平台式车架、脊梁式车架等。其中纵梁 式车架以两根贯穿汽车前后的纵梁为主体，其间以几个横梁相连，形成一个框 架。此种车架主要适用于载重货车中。 车架纵梁是汽车上最长的零件，长为1 0 m 左右，板厚5 一l o m m ，宽度尺寸 多在2 0 0 - - 2 5 0 m m ，材质以1 6 m n l 用得最多。断面有z 形、槽形，有单层和双 层，还有的外加支撑板。沿纵向有等截面和不等截面之分，承受重负荷的部分 往往还要铆接一层至两层加强梁，各个零件用冲压方法加工。 图1 2 1 ：汽车大粱的截面彤状 汽车纵梁承受汽车总质量，承受并传递作用在汽车车轮上的力和转矩，是 汽车的主要承载结构件。因此纵梁的制造质量是影响整车质量的关键因素之 一。同时由于其结构尺寸大，孔位多，成形要求较严等特点，其制造工艺又直 接制约着整车成本。 在汽车纵梁的加工成型中，重要的两个工序为：压弯和打孔。这两个工序 的加工主要在液压机上完成。 车架的冲压工艺有如下特点： 1 、车架冲压件长、大、厚，一般都需要大型压力机或专用机械进行加工。 2 、结构并不复杂，但对总体形状及尺寸的要求较严格。 3 、车架冲压件形状直方较多，冲压工序以落料、冲孔( 钻孔) 、弯曲为主。 4 、车架零部件多用厚钢板加工，材质较好，如1 6 m n l 、0 9 s i v l 、b 5 1 0 l 等汽车 用材料。 综上所述，汽车大梁是汽车中非常重要的部件，它性能的好坏直接决定着 汽车的性能。而在汽车大梁的加工中，液压机扮演着关键的角色。 汽车工业的发展对高新机械设备的国产化提出了要求，现在国家已经把汽 车工业列为国家的支柱产业，将要投资上千亿元加以重点发展。汽车工业的大 7 塑坚盔堂亟堂焦迨窒 发展，必然会给重型锻压及冲压机械行业带来最好的机遇，但对行业也提出了 更新更高的要求。 1 2 2 汽车大梁压力机的发展及现状 在我国汽车生产的初期，压制汽车大梁所用的压力机主要靠从国外进口， 而且以机械压力机为主。例如：在最初阶段，第一汽车制造厂压制解放牌汽车 大梁所用的是苏联制造的3 0 0 0 0 k n 的机械式压力机；第二汽车制造厂压制东风 牌汽车大梁所用的是意大利制造的3 5 0 0 0 k n 的机械压力机及我国第一重型机器 厂制造的3 0 0 0 0 k n 机械压力机。这种机械液压力机机构庞大、传动复杂、大件 加工困难，运输安装不便。另外，同吨位机械压力机的价格是液压机的3 5 倍，大吨位、大台面其差价更大。 在8 0 年代，国内外研制生产了许多不同压力的组合式纵梁液压机，它是由 几台较小压力的液压机并联组合而成。它既可以满足所压制汽车大梁在压力和 长度上的要求，又极大地降低了加工、安装运输难度，降低了加工成本。 例如在1 9 8 7 年，徐州锻压设备制造厂设计加工的一台x z d l d 3 0 0 0 型 3 0 0 0 0 k n 联动汽车大梁液压机。此液压机是由六台结构完全一样的y x 3 2 5 0 0 四柱液压机并列作为主机，组成3 0 0 0 0 k n 联动液压机的主体。 该机的主要技术参数如下： 序号技术参数 单位数值 l公称力 k n3 0 0 0 0 2油液最大工作压力 m p a2 5 3滑块最大行程m m9 0 0 4顶出活塞最大行程m m3 5 0 5 滑块距工作台面最大距离 1 5 0 0 6顶出活塞距工作台面最大距离m m4 3 0 7快速下行m m s6 5 滑块速度工作时最大m m s4 回程时最大m m s 3 0 8同步精度( 距下死点3 0 0 m m 时测定)6 9工作台有 前后 i 4 0 0 效面积左右m m9 9 0 0 1 0 工作台距地面高度 m m5 0 0 1 1 电机总功率k y 1 8 3 左右1 0 0 0 0 1 2 主机轮廓尺寸前后m m2 0 0 0 地面上高m m5 2 0 0 左右m m1 0 0 0 0 13机器占地面积 前后m m8 2 0 0 地面上高m m5 2 2 0 1 4机器总重 吨2 0 0 8 在当时，此液压机的性能指标是比较先进的，但在目前的技术条件下，这 台液压机的性能是远远不够的。比如，它只能进行压制成型，不能对板料进行 冲裁；使用六台小吨位的液压机并联组成，使它的调平精度不可能达到很高， 工件的加工精度也不会很高；滑块的上行和下行速度低，即工作效率低下。 为了提高汽车大梁的加工精度，提高生产效率，汽车大梁加工的液压机必 然要采用整体式液压机。例如杭州汽车厂花费数千万元，从德国s m g 引进 5 0 0 0 0 k n 整体式汽车大梁液压机；东风汽车公司重型车大梁的加工改变了加工 工艺，先在打孔机上打孔，然后在折弯机上对板料进行折弯变形，从而得到所 需的汽车大粱。 随着国内经济、技术水平的提高，及中国加入w t 0 ，汽车行业要迎接国外 汽车生产厂商的挑战，必需降低成本，提高产品的性价比。这样必然对汽车加 工生产设备的国产化提出要求。 1 2 3 汽车大梁液压机研制中的难点 1 冲裁缓冲系统 根据前面的分析可知，汽车大梁液压机属于高压大流量型的大吨位液压 机，其冲裁缓冲系统需要承担的冲裁力也将是数千吨。 设计冲裁缓冲系统，首先要确定其结构形式，即缓冲缸个数及结构；而在 完成此工作中，还必须考虑到实际系统的总体结构，要使缓冲系统能顺利地装 配到主机中。 此外，要保证缓冲系统稳定高效地发挥效用，就必须考虑到缓冲过程的动 态响应。要确定出缓冲系统中各个要素对缓冲效果的影响及其大小，比如滑块 质量及缓冲前速度，缓冲起始点高低的影响等等。要使缓冲系统经济高效，还 必须考虑缓冲缸最佳的有效面积，缓冲缸最佳的容积，缓冲缸油液压力的建立 方式等等。 由于冲裁缓冲系统是液压机中的个关键系统。而影响它的因素又很多。 所以如何确定相关参数，设计出经济高效的缓冲系统是汽车大梁液压机中的一 个难点。 9 2 多缸同步调平系统 汽车大梁液压机属重型液压机，其压制力必然由多个液压缸提供。 而用于汽车大梁的板料长达1 0 余米，由于材质不均和模具等问题，在其加 工过程中难免会产生一定的弯矩作用在液压机的滑块上。 考虑以上两个因素，要保证液压机的正常运行及所加工工件的精度，必须 采取一定的措施使滑块在弯矩的作用下不致产生太大的倾斜。 由于汽车大梁液压机的吨位很大，产生的弯矩也必然很大。如何设计出合 理的调平系统结构和液压油路及一定的控制算法，使滑块的水平度保持在误差 允许的范围内，这是汽车大梁液压机研制中的另一个难点。 1 3 本课题主要研究内容 大功率的压力机一般都不是成批生产的。所以，总是要求在压力机的设计 加工之前就完成动特性的计算及驱动调节器的设计和布局，以便对是否能取得 期望的精度和足够的传动静动态特性做出判断，本文就主要是为了完成这样的 工作。本文首先对大功率液压机液压系统从理论上进行了总结分析，然后结合 具体的实例，主要运用仿真手段对此液压机中的缓冲、调平系统进行了较深入 的研究。 1 3 1 研究对象及其工程要求 本课题研究的具体对象是一个5 0 0 0 吨整体式液压机。它是上海锻压机床厂 为第一汽车厂车身分厂设计制造的整体式汽车纵梁压力机，该机的主要设计指 1 0 塑堑盔堂亟主堂焦堡銮 标如下： 序号技术参数单位数值 l公称压力 k n5 0 0 0 0 2最大冲裁力 k n4 0 0 0 0 3回程力k n1 0 0 0 0 4最大开口高度m m1 6 0 0 5滑块最大行程m m9 0 0 快速下行m m s2 0 0 6滑块行程速 工作时最大m m s 8 度回程时最大m m s1 5 0 7滑块底面尺前后m m1 8 0 0 寸左右m ml3 0 0 0 数量个8 8液压垫 公称力 k n1 0 0 0 0 最大行程 m m2 6 0 结构形式右侧开活动工作台，留两头接口 9 工作台驱动形式电机或液压马达 移出速度m m i n6 左右m m1 3 0 0 0 1 0 工作台面尺前后m m1 8 0 0 寸 台面距地面高 m m不超过6 5 0 结构形式液压打料 1l打料 总最大打料力 k n3 0 0 0 行程 m m1 2 0 打料缸数量个1 8 数量个4 0 1 2 模具夹紧装夹紧厚度m m9 0 置 夹紧力吨每个8 吨 可移动距离 m m5 0 0 1 3 立柱内侧尺寸m m2 0 0 0 1 4 整机地面以上高度m m小于9 5 0 0 此液压机有压制成型和冲裁两种工况，它们的工艺流程分别为： 压制成型： 1 1 塑坚盔堂亟主堂焦迨塞_ 二一 冲裁： _ - 一r _ o - 1 r 一lr | 滑块快降h 滑块慢降h 滑块进入冲裁区h 冲裁p l l l - - - - - 一- - 。“一l - - - 一 ，一r 1 r r 一一一一 i i 滑块慢回 叫打料 叫滑块快回 叫滑块慢回到位r + l j l 一 一 p 一r _ _ _ 1 r 1 l 顶出h 坯料输出到位h 顶出垫退回l l _ - i o _ - - - 。一。一 它将是我国目前最大吨位的整体式汽车大梁液压机之一，机床重量可达八百 多吨，主电机功率将达约5 0 0 k w ；并要求机床有足够的强度、刚度和抗震能 力，长达1 3 米的滑块要求有良好的动平衡；8 个液压垫能够单独调整控制也能 够联动控制，因此也就要求机床在设计时在结构形式及布置上要有合理的配 置。电气控制系统中要求能进行5 0 套工艺参数及模具参数的自动监测及故障报 警：人机直接对话。 1 3 2 本论文主要研究内容 l 、压机动力主体结构及主要液压回路的设计分析 在这一部分，对液压机的典型回路进行了比较分析；然后根据5 0 0 0 0 k n 液 压机的性能指标要求，综合考虑其他典型液压机液压系统的优缺点，确定了本 液压机的主体结构，及主要部件的尺寸参数；最后给出了两个主要液压回路的 原理图。 2 、可靠的大型冲裁缓冲系统的分析研究 冲裁缓冲系统是所有板料冲裁液压机的设计重点。而本文所研究的 5 0 0 0 0 k n 汽车大梁液压机的冲裁系统冲裁力达4 0 0 0 吨，要在零点几秒内吸收一 千八百多升高达2 0 0 公斤压力液压油所释放出来的能量，这在国内是第一次设 计制造，同时国外的压力机也很少有达到如此高的冲裁吨位。如果冲裁系统不 能很好地发挥作用，那么机床在冲裁工作时将会对机床产生冲击和振动，不仅 影响机床的精度，而且破坏机床结构，损坏模具。 本文将从板料冲裁变形的原理出发，分析了液压机在冲裁过程中所承受的 负载特性：然后对5 0 0 0 0 k n 液压机冲裁缓冲系统进行了计算分析，考查其缓冲 的有效性及一些因素对滑块冲出量的影响。最后，用计算机仿真的手段，对冲 裁缓冲系统的动态特性进行分析研究。 所做的这些工作，将为实际系统的设计起到一定的参考作用。 3 、多缸同步调平系统的分析研究 i “： 1 2 塑堑丕堂塑主堂焦迨奎 一 5 0 0 0 0 k n 汽车大梁液压机工作台面长达1 3 米，其工作行程由四个柱塞缸驱 动。要保证汽车大梁的加工精度，必需进行多缸同步比例控制，保证滑块的全 负荷水平控制。 而多缸同步控制在液压系统中有广泛的应用，所以本文将先对多缸同步控 制做一个基本的分析；然后针对汽车大梁液压机的特点，对其同步平衡系统进 行具体深入的分析研究。最后，从静态和动态两个方面，对5 0 0 0 0 k n 汽车大梁 液压机的同步平衡系统进行了计算分析，验证其的性能指标。 1 3 3 课题相关知识及研究方法 l 、课题调研信息 如此大吨位的液压机，其研制是一个系统性的工程。在国内的汽车生产厂 家使用的汽车纵梁液压机中，还没有国人自己设计生产的如此大吨位的整体式 液压机，尤其是此液压机不仅要有压制成型功能还要有冲裁功能。所以国内没 有这方面的技术资料可供参考，国际上也仅有s m g 、小岛等几家公司制造过类 似的液压机。 在设计分析过程中，仅能参考相关论文，从基本原理出发进行推导、求 证。而通过这些推导、求证，比较不同的方案，从而得出能满足课题的性能要 求的经济、合理的方案，也正是本课题的目的和意义。 2 、研究方法概述 从以上叙述可知，本课题主要的任务是对5 0 0 0 0 k n 汽车大梁液压机的部分 液压回路的分析设计，完成此课题中冲裁缓冲和多缸同步调平两系统的分析和 设计。 由于此类液压机一般都是单件生产，而且生产成本高昂，所以一般不做样 机试制，这样在设计生产前是无法进行实验获取有关数据，进行方案比较。因 此研究手段主要是：结合一定试验的仿真。 首先建立系统的物理、数学模型；然后对系统实际完成的部分做一定的试 验，测出一些数据；根据这些数据确定系统模型中的部分参数。然后在计算机 中对模型进行实验，获取有关数据，从而对系统进行分析设计。最后再对实际 的系统做一定的试验，对仿真分析的结论进行验证。 从以上叙述可知，本课题涉及的主要知识点有：控制理论、液压系统的建 模和仿真，计算机控制，液压传动控制技术。 1 3 第二章5 0 0 0 0 k n 汽车大梁液压机主要液压系统设计 2 1 动力部分结构及主要参数的确定 2 1 1 确定压机主体结构 确定系统主体结构是指确定液压机工作主缸的个数，及其主体结构形式， 回程缸个数及形式，缓冲杠的个数及形式等。 在国外制造的如此大吨位的汽车大梁液压机中，多采用活塞式液压缸作为 工作主缸。这样，当液压缸无杆腔进油时实现工作行程，即冲裁或压制：当有 杆腔进油时实现滑块返程。例如德国s m g 为杭州汽车制造厂研制的5 0 0 0 吨汽 车大梁液压机( 如图2 一l 一1 ) 。它采用三个活塞式液压缸和两个柱塞式液压 缸作为主要的动力执行器件，当柱塞缸及活塞缸上腔进油时，为工作行程；而 当三个活塞缸的下腔进油时，实现滑块的返程；它另外单独设两个油缸作为同 步平衡缸。 、 图2 一l l ：s m g 研制的汽车大粱液压机主运动部分 由于汽车大梁液压机吨位很大，所以作为主动力器件的活塞缸和柱塞缸的 尺寸将也很大。同时系统为高压系统，为保证小的泄漏，高的运行精度，必须 要求液压缸有很高的制造和安装精度。 尤其是在活塞缸中，要求活塞和活塞杆有很高的同轴度，且与液压缸筒有 很高的配合精度。如此高的制造、装配精度要求，我国目前的加工装配水平还 难以达到。所以在5 0 0 0 0 k n 汽车大梁液压机中，动力机构考虑采用如下的结 巍+ 1 4 塑堑盔堂亟主堂垡鲨塞 构：由四个柱塞缸作为主缸。实现工作行程：另外用两个上顶式柱塞缸实现滑 块的上行返程：另外设前后两列，左右六排，共十二个缓冲缸。 图2 一l 一2 ：本液压机动力执行机构所采用的结构形式 2 1 2 动力部分主要参数的计算 1 、选择系统压力 系统压力选定的是否合理，直接关系到整个系统设计的合理程度。在液压 系统功率一定的情况下，若系统压力选的过低，则液压元、辅件的尺寸和重量 就增加，系统造价也相应增加：若系统压力选的较高，则液压设备的尺寸、重 量和造价会相应降低。但系统压力过高，对制造液压元、辅件的材质、密封、 制造精度等的要求也要提高，系统效率和使用寿命也会下降。 综合参考国外类似液压机，本机系统压力选为：p = 2 5 m p a 。 2 、计算主液压缸尺寸 本液压机设计压制力为5 0 0 0 吨，由四个柱塞缸来产生如此大的压制力。忽 略滑块和上模具的重量及摩擦力，对滑块进行受力分析，可得：4 口a ：f 其中：f = 5 0 0 0 吨 p = 2 5 m p a 为系统压力 则爿= 口 而a = 石d 么 1 5 浙江大学硕士学鱼论羔 通过整理有d = 州( p 口) 代入己知数据可得d = 7 9 7 8 r a m 圆整取d = 8 0 0 m m 4 、计算缓冲缸尺寸 为了保证缓冲的平稳有效，共设有l2 个缓冲缸，分两行六列排列。根据文 献【4 5 】。缓冲缸的有效面积至少为工作主缸的有效面积的4 0 。另外，滑块 回程力在初始阶段要达到1 0 0 0 0 k n ，这时要缓冲缸提供部分返程力：而回程速 度要求为1 5 0 m m s 。综合以上要求，同时考虑活塞杆的刚度，经计算可得缓冲 杠的主要尺寸为d = 4 5 0 m m ，d = 2 8 0 m m 。 5 、计算回程缸尺寸 滑块回程负载包括：滑块及上模具的惯性力，滑块及上模具的重力，摩擦 力等。系统设计要求回程力在初始l o o m m 为1 0 0 0 吨，在1 0 0 m m 以后回程力要 足以克服滑块及模具的自重和摩擦力，估计这些力最大为3 5 0 吨。这3 5 0 吨的 力由两个柱塞缸产生。 参考上面的计算公式有： d = 2 州( p 厅) 代入已知数据可得d = 2 9 8 5 4 m m 圆整取d = 3 0 0 r a m 2 1 3 汽车大梁液压机液压系统的特点 确定和选择液压回路是液压系统设计的重要一步。液压回路是决定主机动 作和性能的基础，是构成系统的骨架。所以在选择液压回路时要抓住设备液压 系统的主要矛盾。如对速度的调节、变换和稳定要求较高的机器，则调速和速 度换接回路往往是组成这类机器液压系统的基本回路：对输出力、力矩或功率 调节有主要要求而对速度调节无严格要求的机器，其功率的调节和分配是系统 设计的核心。 5 0 0 0 0 k n 汽车大梁液压机的液压系统属于高压大流量的系统，所以其控制 阀主要应采用插装阀。 以滑阀式结构为主的传统液压控制阀，由于受其结构形式所限，在许多方 面已不能适应液压技术发展的需要。例如滑阀流动阻力大、流通能力小，最大 通经8 0 m m ，公称流量也仅12 5 0 l m i l l ，不能满足高速或大型液压设备对流量 的要求。因此，当系统需要控制更大流量时，不得不采用两个或多个阀并联使 旦! 壁鲞塑过韭握造笪丕适焦塑：蕉搓丕堡焦亟釜绫趁廑盔：隆堡工三丝塑 1 6 囊簸鑫浚 堑堑盔兰亟主堂垡迨窒一 度，而且增加了成本。同时，滑阀的结构尺寸随着通径的加大而急剧增加。而 随着阀芯尺寸加、质量加大，行程加长，所以响应慢、换向时间长；另外，换 向冲击、泄露量也加大。因此采用传统阀可集成化的系统流量只限于 2 0 0 l m i n 以内。 二通插装阀具有一系列独特的优点，如结构紧凑、工艺性好、流动阻力 小、通流能力大、响应快、抗污染能力强、工作可靠、寿命长、密封性好、效 率高等。因此，这种阀的出现在很大程度上满足了液压技术发展的要求，同时 得到了世界各国普遍的重视，发展异常迅速。 二通插装阀无论从结构原理上还是从控制机能上来看，与其它传统的液压 控制阀都有很大的差别。二通插装阀液压系统与通用的滑阀系统相比，在结构 形式上显然是不同的，其设计方法也不一样。其主要特点有： 为系统基本工作单元的二通插装阀具有两个重要的特征：一是组合化，二 是多机能化。它是主级和先导级二部分组成。作为直接控制工作液流的主级一 插入元件的结构很简单，只有两个工作口，它的工作状态是先导级控制的，只 要配置不同的先导元件和改变连接形式，即可实现各种不同的方向、压力、流 量控制等功能，应用十分灵活。所以，系统主级的结构设计比较简单，变化也 不大，而先导级的结构设计却是比较复杂的，变化也大，是二通插装阀液压系 统的关键所在。 作为系统的基本控制单元是以液压执行机构的基本工作单元一单个工作腔 作为控制对象的。一个复杂的液压系统可能包含多个执行机构，而且要有多个 复杂的动作和功能要求，但是如果从每个单个工作腔的工作情况来分析的话， 无非是要求控制它的液流方向、压力和流量这三大参数。所以，在二通插装阀 系统中就以单个工作腔的复合控制作为设计的出发点。 二通插装阀液压系统总是以插装阀式连接，以集成化的形式出现，且不受 压力和通径的限制。 1 7 2 25 0 0 0 0 k n 汽车大梁液压机冲裁缓冲液压油路 2 2 1 液压回路工作原理 冲裁缓冲系统整体的液压油路图见图2