冲压机床液压控制系统设计.doc

本科毕业设计说明书（论文） 第II页 共页目 录1 绪论111 研究背景及意义112 国内外研究现状和发展趋势11.2.1 液压控制技术的发展情况11.2.2 液压系统仿真技术的发展213 论文主要研究内容314 论文的组织结构32 冲压机床液压控制系统总体设计521 液压机的工作原理及特点52.1.1 液压机的工作原理52.1.2 液压机的主要结构形式62.1.3 液压机基本参数62.1.4 液压机的特点722 液压控制系统的功能和组成723 3150KN四柱式通用液压机系统设计及其分析82.3.1 液压机的液压系统功能需求分析82.3.2 液压机的系统图及系统工作原理分析92.3.3 系统控制基本回路123 3150KN四柱式液压机液压系统详细设计1631 液压缸的尺寸163.1.1 工作缸的尺寸163.1.2 顶出缸的尺寸1732 计算液压系统工作的流量1733 选择液压泵的规格1834 确定控制阀的尺寸194 基于AMESim的液压控制系统建模与仿真分析2141 建模仿真软件AMESim简介2142 基于AMESim液压系统的仿真设计步骤2143 基于AMESim的3150KN液压机液压控制系统的建模与仿真244.3.1 系统建模244.3.2 仿真结果分析264.3.3 液压控制系统的改进28结束语32致谢34参考文献35 本科毕业设计说明书（论文） 第39页 共36页1 绪论11 研究背景及意义随着现代工业的发展，对液压传动与控制系统的性能和控制精度等提出了更高的要求，而运用计算机仿真技术对液压系统进行分析具有重要的意义。计算机仿真技术不仅可以预测系统性能，减少设计时间，还可以对所涉及的系统进行整体分析和评估，从而达到优化系统，缩短设计周期和提高系统稳定性的目的1。液压系统是以电机提供动力基础，使用液压泵将机械能转化为压力，推动液压油。通过控制各种阀门改变液压油的流向，从而推动液压缸做出不同行程、不同方向的动作。完成各种设备不同的动作需要。液压控制系统可以在运行过程中实现大范围的无级调速，在同等输出功率下，液压传动装置的体积小、重量轻、运动惯量小、动态性能好。采用液压传动可实现无间隙传动，运动平稳，便于实现自动工作循环和自动过载保护。由于一般采用油作为传动介质，因此液压元件有自我润滑作用，有较长的使用寿命。液压元件都是标准化、系列化的产品，便于设计、制造和推广应用。本课题针对3150KN四柱式液压机，首先设计液压机的液压控制系统，进而基于AMESim软件进行了冲压机床液压控制系统数字建模，并完成动态仿真实验，帮助企业降低成本实现冲压机床液压系统优化的目的2。12 国内外研究现状和发展趋势1.2.1 液压控制技术的发展情况当前，液压技术在实现高压，高速，大功率，高效率，低噪声，经久耐用，高度集成化等各项要求方面都取得了重大的发展，在完善比例控制，伺服控制，数字控制等技术上也有许多新成就。下面的表格简洁的介绍了国内外液压技术发展动向3。表1.1 国内外液压技术发展的动向国内国外发展内容小型化、集成化、多样化机电一体化集成元件和系统高压、高速、高精度、高可靠性智能化自动控制元件和系统高效、节能、环保高精度数字控制元件和系统机电一体化水介质液压元件和系统1.2.2 液压系统仿真技术的发展从20 世纪70 年代初开始，国外开始进行液压系统和元件的计算机数字仿真研究，我国也从20 世纪70年代末80 年代初开始进行液压系统与元件的仿真研究。经过几十年的研究开发，液压仿真软件包的性能实现了从原先的精度低，速度慢发展到精度高，速度快；从只能处理单输入、单输出的线性系统发展到能处理多输入、多输出的非线性系统；从复杂的编程和输入发展到交互友好的图形用户界面等都有极大的提升。特别是近几年，国外尤其在欧洲液压仿真技术得到了飞速发展，各款老牌的液压仿真软件纷纷推出了面目一新的版本。如英国的Bathfp ，瑞典的Hopsan ，德国的DSH + 等。另外一些擅长液压仿真的综合系统仿真软件在商业上也获得了很大的成功，具代表性的有法国的AMESIM，波音公司的Eay5。 作为一种多学科领域复杂系统建模仿真解决方案，AMESim（Advanced Modeling Environment for Simulation of engineering systems）提供了一个系统工程设计的完整平台，使用户得以建立复杂的多学科领域系统的模型，并在此基础上进行仿真计算和深入的分析。用户可以在AMESim平台上研究任何元件或系统的稳态和动态性能，如在燃油喷射、制动系统、动力传动、机电系统和冷却系统中的应用。工程设计师完全可以应用集成的一整套AMESim应用库来设计一个系统，所有这些来自不同物理领域的模型都是经过严格测试和实验验证的，AMESim可让工程师迅速达到建模仿真的最终目标，使用户从繁琐和高度专业的数学建模中解放出来，从而专注于物理系统本身的设计4。AMESim正处于不断的快速发展中，AMESim软件目前在中国销售的主要产品模块有：4个操作平台、1个三维动画前后处理工具、28个应用模型库（共有3,500个模型）、5个接口工具、1个优化设计工具包以及10个实时仿真代码生成功能。现有的应用模型库有：机械库、信号控制库、液压库（包括管道模型）、液压元件设计库、液阻库、注油库 （如润滑系统）、气动库 （包括管道模型）、气动元件设计库、热库、热液压库、热液压元件设计库、热气动库、冷却系统库、二相流库、空气调节库、电磁库、电机及驱动库、IFP整车性能库/驾驶库、IFP发动机库、IFP排放库、IFP C3D三维燃烧计算功能、平面机构库、动力传动库、车辆动力学库、换热器布置工具库、混合气体库、湿空气库。作为在设计过程中的一个主要工具，AMESim还具有与其它软件包丰富的接口，例如Simulink、Adams、LabVIEW、Simpac、Flux2D、RTLab、dSPACE、iSIGHT等等5。当前液压系统仿真技术中存在的主要问题有：（1） 系统建模不易；（2） 系统仿真的精度和可靠性不高；（3） 仿真模型库不完善；（4） 仿真软件的通用性不好；（5） 液压系统仿真技术对用户要求太高。因此，目前液压系统仿真技术的发展趋势是：（1） 深入研究先进的建模方法；（2） 大力发展分布交互式仿真技术；（3） 进行面向对象仿真技术的研究；（4） 开展人机和谐仿真环境的研究；（5） 在液压系统仿真技术中引入数据库技术。13 论文主要研究内容本课题针对企业需求，首先结合国内外液压控制技术的运用现状与发展趋势，设计一套适用于工业生产的冲压机床液压控制系统，并基于AMESim软件进行冲压机床液压控制系统数字建模，并完成动态仿真实验，实现帮助企业实现冲压机床液压系统优化的目的。本论文主要研究内容如下：（1）研究目前国内外冲压机床液压传动与控制技术的发展现状，尤其是液压机的功能、组成、工作原理及特点。（2）对3150KN四柱式通用液压机的液压控制系统进行性能需求分析，并进行总体方案设计、动作顺序及回路组成分析。（3）根据工作参数要求对液压系统进行设计计算，对主要元件如液压缸、泵和控制阀进行设计计算及选型。（4）借助液压/机械建模仿真软件AMESim对所设计的液压机液压控制系统初步方案进行建模与动态特性仿真分析。（5）根据仿真结果对系统初步方案进行改进，并对改进后的系统再进行建模和仿真性能分析。14 论文的组织结构本文第一章绪论，详述了液压系统及仿真手段目前的研究现状与趋势，概述了本论文的研究内容及其意义。本文第二章中，对冲压机床进行了研究，重点分析了液压机的液压控制系统，并由此做出对3150KN四柱式液压机的液压控制系统的总体设计。本文第三章对所设计的液压系统进行液压元件的选择计算，确定其具体参数。本文第四章首先对机械/液压建模仿真软件AMESim进行了研究，然后基于AMESim对所设计的3150KN四柱式液压机的液压控制系统进行建模与动态仿真，分析了仿真结果，并发现了初步设计方案中存在的压力冲击过大和回程速度慢的问题，对此提出了为系统加装释压回路和改变工作缸活塞杆直径两个改进方案，并给出了改进后的仿真结果。2 冲压机床液压控制系统总体设计21 液压机的工作原理及特点2.1.1 液压机的工作原理液压机的工作原理如图2.1所示。两个充满工作液体的具有柱塞或活塞的容腔由管道相连接。当小柱塞上作用的力为时，根据帕斯卡原理：在密闭的容器中，液体压力在各个方向上是相等的，则压力将传递到容腔的每一点。因此，在大柱塞2上将产生向上的作用力，迫使制件3变形，且。，分别为小柱塞1和大柱塞2的工作面积6。图2.1 液压机工作原理图液压机的本体结构及工作原理可用图2.2来表明。1-充液罐 2-上粱 3-主缸及活塞 4-活动横梁 5-立柱 6-下梁 7-顶出缸图2.2 液压机本体机构图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，而下模具则固定与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7。2.1.2 液压机的主要结构形式按照结构形式分类，液压机主要包括单柱液压机、四柱液压机、框架液压机及其他结构的液压机。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（或滑板）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，适用于卷材和带型材料。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）自上而下拉伸冲料，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连，因此，成型压力和压边力合成整个系统的总负载8。2.1.3 液压机基本参数液压机的技术参数是根据它的工艺用途和结构特点确定的，它反映了液压机的工作能力和特点，是设计液压机的重要依据9。液压机的基本参数有以下内容:（1）公称压力（公称吨位）及其分级公称压力是指液压机名义上能产生的最大力量，在数值上等于工作液体压力和工作柱塞总工作面积的乘积。它反映了液压机的主要工作能力。（2）最大净空距（开口高度）H最大净空距H是指活动横梁停止在上限位置时，从工作台上表面到活动横梁下表面的距离，净空距反映了液压机高度方向上工作空间的大小。 （3）最大行程S最大行程S指活动横梁能够移动的最大距离。（4）工作台尺寸（长宽）工作台尺寸指工作台面上可以利用的有效尺寸，如图8-9中的B与T。（5）回程力回程力由活塞缸下腔工作面积或单独设置的回程缸来实现。（6）活动横梁运动速度（滑块速度）可分为工作行程速度、空行程速度及回程速度。工作行程速度由工艺要求来确定。空行程速度及回程速度可以高一些，以提高生产率。（7）允许最大偏心距允许最大偏心距是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有些液压机下横梁装有顶出器。其压力和行程可按工艺要求确定。2.1.4 液压机的特点液压机与其他机械压力机相比具有以下特点10：一是动力传动为“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；二是液压机的拉伸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；三是液压装置易于实现过载保护；四是在同等体积下，液压装置能比电气装置产生出更大的动力；五是液压装置能在大范围内实现无级调速；六是液压装置工作比较平稳。由于液压机具有许多优点，所以它在工业生产中尤其在锻造、冲压生产中的应用已有悠久历史，对于大件锻造、大件拉深工艺，更显其优越性。22 液压控制系统的功能和组成归纳起来，液压控制系统一般应满足以下要求12：（1） 能源装置把机械能转换成油液液压能的装置。最常见的形式是液压泵，它给液压系统提供压力油。（2） 执行元件把油液的液压能转换成机械能的元件。有作直线运动的液压缸，或作旋转运动的液压马达。（3） 控制调节元件对系统中油液压力，流量或油液流动方向进行控制或调节的元件。这些元件的不同组合形成了不同功能的液压系统。（4） 辅助元件上述三部分以外的其他元件，例如油箱，过滤器，油管等。他们对保证系统正常工作有重要作用。（5）其他的一些完成逻辑功能的逻辑元件等。液压控制系统的典型组成如图2.3所示。图2.3 液压控制系统的典型组成23 3150KN四柱式通用液压机系统设计及其分析2.3.1 液压机的液压系统功能需求分析四柱液压机用途广泛，除了用于板料的冲裁、拉伸、弯曲、翻边等冲压工艺外，还可用于冷挤、校正、压装、粉末制品、磨料制品、塑料制品和绝缘材料的压制成形。其外观如图2.4所示。图2.4 四柱式万能液压机外观图其本体机构为一般的典型三梁四柱式，设有顶出缸及充液系统。它由上横梁、活动横梁、下横梁及四根立柱组成，上横梁的中间孔安装工作缸，下横梁的中间孔安装顶出缸，活动横梁靠四个角上的孔套装在四立柱上，上方与工作缸的活塞相连接，由其带动活动横梁上下运动。液压系统由能源转换装置（泵和油泵）、能量调节装置（各种阀）以及能量输送装置（油箱、充液筒、管路）等组成。借助电气系统的控制，驱动活动横梁及顶出缸活塞运动，完成各种工艺动作循环。本机器具有调整、手动和半自动三种方式可供选择。依靠活动横梁和顶出缸活塞的配合动作完成各种制件的压制。根据机械行业标准JB/T 9957.2-1999，现设3150KN液压机基本参数为：公称力：顶出力：液体最大工作压力：滑块行程：顶出行程：开口高度：滑块行程速度：快速下行 慢速下行 工作 回程 顶缸顶出及退回速度 工作台面有效尺寸左右前后：基型变型或2.3.2 液压机的系统图及系统工作原理分析液压机的液压控制系统原理图如图 2.5所示。上滑块由主缸驱动实现加压，下滑块由下缸驱动实现顶出。系统有两个泵，主泵为恒功率变量泵，最高工作压力由溢流阀8的远程调压阀9调定。辅助泵2是低压小流量定量泵，用于供应液动阀的控制油。 1-控制泵组 2-主电机 3-液压泵 4、10-电液换向阀 5、7、8-溢流阀6-节流阀 9-远程调压阀 11、15-电磁换向阀 12-液控单向阀 13-支承阀 14-充液阀 16-单向阀 17-压力继电器图 2.5 3150KN滑阀式一般用途液压机液压控制系统图各个行程的动作如下：（1）启动 液压泵电机启动时，全部换向阀的电磁铁处于断电状态，泵输出的油经三位四通电液换向阀10（中位）及阀4（中位）流回油箱，泵空载启动。（2）活动横梁空程快速下降 电磁铁1YA及5YA通电，阀10及阀11换至右位，控制油经电磁换向阀11（右位），打开液控单向阀12，主工作腔下腔油经阀12、阀10（右位）及阀4（中位）排回邮箱，动梁在重力作用下快速下降，此时主工作缸上腔形成负压，上部油箱的低压油经充液阀14向主缸上腔充液，同时泵输出的油也经阀10及单向阀15进入主缸上腔。进油路：泵3阀10右位阀15主缸上腔回油路：主缸下腔阀12阀10右位阀4中位油箱（3）活动横梁慢速下降及工作加压 活动横梁下降至一定位置，触动行程开关2s，使5YA断电，阀11复位，液控单向阀12关闭，主缸下腔油须经支承阀13排回油箱，活动横梁不再靠重力作用下降，必须依靠泵输出的压力油对活塞加压，才能使活动横梁下降，活动横梁下降速度减慢，此时，活动横梁的速度取决于泵的供油量，改变泵的流量即可调节活动横梁的运动速度。在工作加压过程中，主工作缸内油压取决于工件的变形阻力。进油路：泵3阀10右位阀15主缸上腔回油路：主缸下腔阀13阀10右位阀4中位油箱（4）保压 电磁铁6YA通电，阀15接通油箱；1YA断电，利用单向阀15及充液阀14之锥面，对主缸上腔油密封，依靠油液及机架的弹性进行保压。若主缸上腔油压降低，低到一定值时，压力继电器16发出讯号，使电磁铁1YA通电，泵向主缸上腔供油，使油压升高，保持保压压力。而当油压超过一定值时，压力继电器16又发讯号，使1YA断电，液压泵停止向主缸上腔供油，油压不再升高。（5）快速回程 电磁铁6YA断，2YA通电，阀10换至左位，压力油经阀10（左位）使充液阀14开启，主缸上腔油经阀14排回油箱，压力油经阀12进入主缸下腔，推动活塞上行，活动横梁快速回程。进油路：泵3阀10左位阀12主缸下腔回油路：主缸上腔阀14油箱（6）浮动压边 当需要利用顶出缸为板料拉伸进行压边时，可先令电磁铁3YA通电，阀4换至左位，压力油经阀10（中位）及阀4（左位）进入顶出缸下腔。顶出缸上腔油经阀4（左位）排回油箱，顶出活塞上行，当压靠压边圈后，令3YA断电。坯料进行反拉伸时，顶出缸活塞在动梁压力作用下，随动梁一起下降。顶出缸下腔油经节流阀6及溢流阀5排回油箱，由于节流阀6存在一定节流阻力，因而产生一定油压，相应使顶出缸活塞上产生一定的压边力。调节溢流阀5即可改变此浮动压边力。（7）顶出器顶出及退回 电磁铁3YA通电，阀4换至左位，顶出缸活塞上行，顶出。进油路：泵3阀10中位阀4左位顶缸下腔回油路：顶缸上腔阀4左位油箱而电磁铁4YA通电，阀4换至右位，则顶出缸活塞下行，退回。进油路：泵3阀10中位阀4右位顶缸上腔回油路：顶缸下腔阀4左位油箱（8）停止 全部电磁铁处于断电状态，阀4和阀10处于中位，液压泵3输出的油经阀10（中位）及阀4（中位）排回油箱，泵卸荷。液控单向阀12将主工作缸下腔封闭，支承活动横梁悬空，停止不动。其他 溢流阀8及远程调压阀9作为系统安全调压用，溢流阀7则作为顶出缸下腔安全限压用14。表2.1为电磁铁动作顺序表。 表2.1 3150KN液压机电磁铁动作顺序表（滑阀式）液压缸动作名称1YA2YA3YA4YA5YA6YA工作缸快速下行慢速下行保压快速回程顶出缸顶出退回2.3.3 系统控制基本回路任何复杂的液压系统总是由一些基本回路所组成的。所谓基本回路，就是在系统中采用某些液压元件为实现某种动作或性能要求而组成的典型油路。常见的基本回路按其在系统中的功能可分为：压力控制基本回路、方向控制基本回路、速度流量控制基本回路、多执行元件工作控制回路以及其它回路。下面主要分析本系统中的一些基本控制回路。（1）压力控制基本回路压力控制基本回路是用压力控制阀来控制或调节整个液压系统或某一部分的油液压力，以获得执行元件所需要的力或转矩，或保持受力状态、防止系统过载、防止系统液压冲击以及减少系统能量损耗的回路。下面主要介绍调压、卸荷、保压等回路。（a）调压回路调压回路的功能是使液压系统整体或某一部分的压力保持恒定或不超过某个数值。如图2.6所示：在泵3的出口处设置并联的溢流阀8和远程调压阀9，使泵的出口压力基本维持恒定。图2.6 调压回路（b）卸荷回路卸荷回路的功能是使液压泵在接近零压的情况下运转，这样可以避免频繁启动电机，减少功率损失和系统发热，延长泵和电机的使用寿命。本系统中串联油路泵通过两个换向阀中位卸压，如图2.7所示。图2.7 卸荷回路（c）保压回路有些机械要求具有保压的功能，即在工作循环的某一阶段内保持规定的压力。保压回路应满足保压时间、压力稳定、工作可靠及节能等多方面的要求。在本系统采用单向阀16保压。（2）速度流量基本控制在液压系统中，执行元件的速度是由供给执行元件的液流量来控制的。因此，对液流量的控制实质上就是对执行元件运动速度的控制。其控制方式有阀控及泵控两种，前者是通过改变节流元件的通流面积，后者则是通过改变液压泵或液压马达的排量。速度控制回路包括调速回路、快速运动回路、速度换接回路等。速度控制回路往往是液压系统中的核心部分，它的工作性能优劣对系统起着决定性的作用。（a）调速回路调速回路有节流调速回路、容积调速回路和容积节流调节回路，本系统采用的是容积调速回路。通过改变泵或马达的排量来进行调速的方法成为容积调速，这种调速回路由变量泵与定量执行元件、变量泵与变量液压马达以及定量泵与变量液压马达等几种组合形式。其主要优点是：没有溢流损失和截留损失，因而效率高，发热少。但变量泵或变量液压马达的结构较定量泵或定量液压马达复杂，因此容积调速回路的成本较节流调速回路的成本稍高。如图2.8所示为变量泵-缸容积调速回路，回路中液压缸的活塞速度靠变量泵的排量来调节。图2.8 变量泵-缸调速回路（b）快速运动回路快速运动回路是在不增加液压泵流量的情况下，加快执行元件的空载运行速度，以提高系统的工作效率和充分利用功率。本系统中利用上滑块自重加速、充液阀14 补油的快速运动回路，功率利用合理。（c）速度换接回路速度换接回路的功能是使执行元件在一个工作循环中，从一个运动速度变换到另一种运动速度。常用的回路有用行程阀的快慢速换接回路、用两种调速阀的速度换接回路和二次进给回路等。（3）方向控制回路方向控制基本回路是控制执行元件的运动方向的回路。通常情况下采用二位或三位换向阀可使执行元件换向。三位换向阀除了使执行元件正反两个方向运动外，不同的中位滑阀机能还可以使系统获得不同的性能。本系统中主缸由中位机能为M型的电液换向阀10实现换位；下缸的换向阀是中位机能为K型的电液换向阀4。3 3150KN四柱式液压机液压系统详细设计3150KN四柱式液压机的液压系统方案初步确定后，要进行必要计算，以最后确定液压系统各部分的尺寸，其中主要包括油缸尺寸和液压泵规格的确定和各个阀的选型，为下面的系统建模与仿真分析做好准备。31 液压缸的尺寸3.1.1 工作缸的尺寸（1）根据液压缸的作用力和液体的工作压力先计算工作缸的作用面积。工作缸工作腔的作用面积：式中 工作缸的工作力， 液体的工作压力， （2）计算活塞和活塞杆的直径。活塞直径： 设工作缸回程力工作缸活塞杆腔的作用面积：则活塞杆的直径：根据GB/T 2348-1993液压缸缸内径和活塞杆直径系列取，则活塞腔、活塞杆腔实际面积： 3.1.2 顶出缸的尺寸（1）顶出缸工作腔的作用面积：式中 顶出缸的工作压力，（2）计算活塞和活塞杆的直径。活塞直径：设工作缸回程力工作缸活塞杆腔的作用面积：则活塞杆的直径：根据GB/T 2348-1993液压缸缸内径和活塞杆直径系列取， 则活塞腔、活塞杆腔实际面积： 32 计算液压系统工作的流量按液压缸的作用面积和液压缸的运动速度计算液压系统工作时的流量。在冲压机械中，滑块的运动在一次工作循环内一般分成几个不同阶段：快速下行行程、工作行程和快速回程。由于它们的运动速度不同，所以各阶段的流量也不相同。快速下行行程：工作缸工作腔工作缸回程腔慢速下行：工作缸工作腔工作缸回程腔工作行程：工作缸工作腔工作缸回程腔快速回程工作缸工作腔工作缸回程腔式中 快速下行速度， 慢速下行速度， 工作行程速度， 快速回程的速度，主要用来决定变量泵的最大流量或低压大流量增速泵的流量，以及计算充液系统的尺寸。主要用来确定回程腔回路的尺寸和验算快速下行行程的速度。主要用来决定高压泵的流量。主要用来确定工作腔排油卸荷阀的尺寸或工作腔回路的尺寸，和验算快速回程的速度。值也可用来确定变量泵的最大流量。顶出回路顶出行程及退回行程速度相同，即此两次行程系统流量相同：顶缸工作腔顶缸回程腔、主要用来确定顶出缸工作时变量泵应输出的流量。33 选择液压泵的规格首先确定液压泵的最大工作压力和最大的流量，据此便可以参照泵的产品样本来选取规格大小相当的液压泵。液压泵的工作压力与液压缸的工作压力并不完全相同，当滑块运动时，由于液体流经管道和元件时产生压力损失，所以液压泵的工作压力较油缸的工作压力为高。但当油缸到达行程终点不动时，由于没有液体的流动，这时这两个工作压力又相等。因此对于大多数仅在工作行程最后才需要最大压力的工艺来讲，例如压制、成形、校准等工作，液压泵的最大工作压力可取等于油缸的最大工作压力，。式中，为液压泵的最大工作压力；为液压缸的最大工作压力。液压泵的最大流量应略大于液压缸需要的最大流量，考虑到系统的泄露和液压泵磨损后容积效率的下降，可取： 式中 液压泵的最大流量液压缸对液压泵要求的最大流量，由于快速下行时液压缸有充液系统补油，因此取查液压系统设计元器件选型手册P129表1.77，选取250YCY14-1B型压力补偿变量柱塞泵，技术规格为：压力：最高排量：最大最高转速：驱动功率：34 确定控制阀的尺寸控制阀的尺寸按照它所通过的最大流量和最大工作压力来选取，它们应与产品样本上表明的阀的公称压力和公称流量相近。必要时，最大流量允许超过公称流量，但是不宜过大。因为阀内流速太高时，除引起压力损失和发热增加，以及噪音加大外，还可能会影响某些阀的工作性能，例如换向阀的操作力将增加，反之，如流量过小则阀的外形和重量增大，液压系统的结构不紧凑，成本高。根据计算结果，一些主要阀元件的型号初步选择如下：三位四通电液换向阀4：4WF16F50/AG24溢流阀5: DG-02-B-22节流阀6:MG10G1.2溢流阀7:DBDA10G10/31.5先导溢流阀8：BG-10-32远程调压阀9：DG-01-22四位三通电液换向阀10：4WEH16G50/AG24二位三通电磁换向阀11：4WE6D60/AG24Z4液控单向阀12：CPT-10-50-50支撑阀13：FBF3D10B电磁换向阀15：3WE10A30/AG24Z4单向阀16：S20A004 基于AMESim的液压控制系统建模与仿真分析41 建模仿真软件AMESim简介作为一种多学科领域复杂系统建模仿真解决方案，AMESim（Advanced Modeling Environment for Simulation of engineering systems）提供了一个系统工程设计的完整平台，使用户得以建立复杂的多学科领域系统的模型，并在此基础上进行仿真计算和深入的分析。工程设计师完全可以应用集成的一整套AMESim应用库来设计一个系统，所有这些来自不同物理领域的模型都是经过严格测试和实验验证的，AMESim可让工程师迅速达到建模仿真的最终目标，使用户从繁琐和高度专业的数学建模中解放出来，从而专注于物理系统本身的设计。该软件具有的特点：（1） 多学科的建模仿真平台（2） 图形化物理建模方式（3） 鲁棒性极强的智能求解器（4） 建模简便（5） 强大的二次开发能力（6） 拥有多种建模方式（7） 分析工具齐全（8） 灵活的接口技术（9） 具有开放性由于AMESim具有这些优点，因此本次设计选用AMESim作为仿真分析工具。42 基于AMESim液压系统的仿真设计步骤利用AMESim对液压系统进行建模仿真一般包括以下四个步骤：草图模式、子模型模式、参数模式和运行模式16。（1） 草图模式（Sketch mode）如图4.1所示，点击右边模型库，从不同的模型库中选取现存的图形模块来建立系统：AMESim共提供了15个模型库，400多个元件，在搭建系统图时，首先应仔细考虑个部件的功能，并将系统的实际模型按功能分成各个部分，再用模型库中的实际元件加以表示。图4.1 AMESim草图模式界面（2）子模型模式（Submodels mode）草图模式完成后，点击图3.1工具栏中的第五个图标即进入子模型模式，在此模式中根据实际需要为每个元件选择一个数学子模型（给定合适的建模假设），如果所搭建的系统不合理，不能按照AMESim的要求组成一个正常的循环，就不能进入子模型模式。通常情况下，如没有特殊要求可点击如图4.2所示工具栏中最后一个图标，AMESim即为系统元件选择默认的最简子模型。图4.2 AMESim界面部分工具栏（3）参数模式（Parameters mode）点击如图4.2所示第三个图标，进入参数模式，直接点击想要设置参数的元件图标，即出现如图4.3所示的参数设置对话框，为每个元件的子模型设定所需要特定的参数；在此模式下，AMESim可对系统进行编译，编译器产生包含系统参数的可执行元件，使我们可以对系统进行仿真。 图4.3 AMESim参数设置对话框（4）运行模式（Run mode）点击如图4.4所示的第一个图标（Run mode），即出现添加文字（Add text）。运行参数（Run parameters），开始运行（Start run）。停止运行(Stop run)模式。图4.4 AMESim 运行模式部分工具栏对于一般的仿真，用户只需在如图3.5所示的运行参数对话框中设定仿真开始，结束时间，通信间隔，最大时间步长以及误差限制即可进行仿真并分析仿真结果。而不必关心其背后的复杂运算。 图4.5 AMESim 运行参数设置对话框43 基于AMESim的3150KN液压机液压控制系统的建模与仿真4.3.1 系统建模依据如图2.5所示的液压机的液压控制系统原理图。在AMESim中工作缸、顶出缸的建模如图4.4、4.5所示。图4.4 液压系统工作缸回路AMESim模型图4.5 液压系统顶出缸回路AMESim模型为了简化模型，方便仿真运行，现将液压系统做一些改动：工作回路与顶出回路拆分成两独立系统；远程调压阀9与溢流阀8一起用一个溢流阀代替；溢流阀5、节流阀6和溢流阀7也用一个溢流阀代替。由于在此环境下的仿真属于理想环境，液压油泄露、密封性等因素可以不予考虑，系统保压阶段压力不会出现波动，所以在建模时压力继电器17可以省略。又因为AMESim软件自身的液压元件库目前还不够完善，许多液压元件元件库中没有，所以有的元件只能用具备同功能的其它元件或系统来替代：由充液阀14与油箱组成的充液系统就用了一个独立的补油回路来代替；电液换向阀也全部由电磁换向阀代替；外加载荷则由一个液压缸与节流阀、油箱组成的系统代替；其它元件的参数均按照计算结果进行设置。4.3.2 仿真结果分析工作缸一个工作循环的运行设定如表4-1所示。表4.1 工作缸一个工作循环运动时间、行程空载快下慢下工作保压快回时间s24410210行程mm06001001000800顶出缸一个工作循环运动设定如表4.2所示。表4.2 顶出缸一个工作循环运动时间、行程空载顶出保持退回时间s2626行程mm03000300仿真结果如图4.6至4.17所示。 图4.6 工作缸活塞位移曲线 图4.7 工作缸活塞速度曲线 图4.8 工作缸工作腔压力曲线 图4.9 工作缸活塞杆受力曲线 图4.10 工作缸工作腔流量曲线 图4.11 工作缸活塞杆腔流量曲线 图4.12 顶出缸活塞位移曲线 图4.13 顶出缸活塞速度曲线 图4.14 顶出缸工作腔压力曲线 图4.15 顶出缸活塞杆受力曲线 图4.16 顶出缸工作腔流量曲线 图4.17 顶出缸活塞杆腔流量曲线由图4.6工作缸活塞的位移曲线可以看出，它达到了空载运行、快速下行、慢速下行、工作运行、保压和快速回程的要求；其速度可以从图4.7看出，前2s空载运行速度为0mm/s，26s速度为10m/s，610s速度为25.04mm/s，1020s速度为15m/s，2022s速度为0mm/s，2232s速度为10m/s，与系统设计基本吻合；由图4.8工作缸工作腔压力曲线可以看出，在规定的工作时间内系统达到了25.20MPa的工作压力，并保压了2s；由图4.9工作缸活塞杆受力曲线可以看出，液压缸在规定的工作时间范围内输出压力也达到了3156.68KN；由图4.10、图4.11工作缸工作腔和活塞杆腔的流量曲线可以看到，系统的流量与设计相符。由图4.12顶出缸活塞的位移曲线可以看出，它也达到了空载运行、顶出、保持和快速回程的要求；由图4.13顶出缸活塞的速度曲线可以看出，顶出速度为49.09mm/s，退回速度为49.96mm/s，基本与设计吻合；由图4.14顶出缸工作工作腔工作压力曲线可以看出，系统达到了25.70MPa的工作压力；由图4.15顶出缸活塞杆受力曲线可以看出，顶出缸输出压力在规定的工作时间内达到了638.77KN；由图4.16、图4.17顶出缸工作腔和活塞杆腔的流量曲线可以看到，顶缸回路的系统流量与设计相符。从仿真结果可以看出，系统设计基本达到了工作要求。但其中也存在着不少不合理处。（1）如图4.8工作缸工作腔压力曲线所示，在系统保压结束后快速回程时，工作腔的压力由25MPa骤降至0，此时系统必然将产生很大的振动。（2）图4.6工作缸活塞位移曲线可以看出，工作缸的回程速度有些慢。这些问题有待改进。4.3.3 液压控制系统的改进由图4.10工作缸工作腔压力曲线可以看出，在系统保压结束后快速回程时，工作腔压力有一个差值很大的骤降。由于系统在保压过程中，由于液压油压缩性和机械部分产生弹性变形，因而储存了相当的能量，此时的立即换向，会瞬间产生强烈的振动和巨大的“炮鸣”声响，造成机器和管路的振动，影响液压机正常工作。由以上分析可知，要解决液压机回程时的巨大响声和振动，就要使主缸上腔有控制地卸压，待其上腔压力降至较低时再转入回程。为此可以在系统中加装一个释压回路，在系统保压和换向之间采取释压措施，由此来消除系统振动和“炮鸣”。图4.18为用溢流阀释压的回路。当换向阀处于图示位置时，溢流阀2的远程控制口通过节流阀3和单向阀4回油箱。调节节流阀的开口大小就可以改变溢流阀的开启速度，也即调节缸上腔高压油的释压速度。溢流阀2的调节压力应大于系统中调节溢流阀9的压力，因此溢流阀2也其安全阀的作用。改进后的系统原理图如图4.19所示。虚线框内部分是加入的释压回路。电磁铁7YA只在卸压回程时通电，其余时间保持断电。在保压结束后，回程前电磁铁7YA先通电，工作缸上腔高压油液的压缩能量通过溢流阀18逐渐释放，不会产生“炮鸣”声。1-三位四通换向阀 2-溢流阀 3-节流阀 4-单向阀图4.18 释压回路如图4.19所示为加装释压回路的系统工作缸回路AMESim模型。释压回路可简化为一个先导溢流阀和一个信号源的组合。虚线框内部分是加入的释压回路。对改进后的系统进行仿真运行，设定释压时间4s，将工作缸压力由25MPa降到5MPa。加装释压回路后系统工作缸工作腔压力曲线与改进前的工作缸工作腔压力曲线比较如图4.20所示。由图中可以很明显看出，改进后的系统在保压结束后的4s内，工作缸的工作腔压力平缓的逐渐降低至5MPa，没有了高压骤降，系统不会产生“炮鸣”。图4.19 加装释压回路的系统AMESim模型图 a ba-改进前的系统工作缸工作腔压力曲线 b-改进后的系统工作缸工作腔压力曲线图4.20 改进前后工作缸工作腔压力曲线比较由于加装了释压回路，一个工作循环时间增加了4s。为了不降低生产效率，可以通过提高滑块的回程速度来缩短工作循环时间。提高滑块的回程速度，可以在不增加泵流量的前提下通过加粗活塞杆直径而得到。此方法对原液压机系统其它参数没有影响，改造方便可行。原工作缸的缸径为400mm，活塞杆直径为320mm，为了提高回程速度，活塞杆直径必须大于320mm而且小于400mm。按照GB2348-1993液压缸内径及活塞杆外径系列标准，选取活塞杆直径为360mm。已知原系统采用的250YCY14-1B型压力补偿变量柱塞泵回程时排量，电机转速，泵的容积效率，所以泵的实际输出流量：于是改造后的回程速度：改造后的回程时间：加装释压回路及提高回程速度后系统工作循环时间：完成这处改进后进行仿真，得出的工作缸活塞速度曲线与改进之前对比如图4.21所示。 a ba-改进前工作缸活塞速度曲线 b-改进后工作缸活塞速度曲线图4.21 改进前后工作缸活塞速度对比从图4.21中可以看出，改进后的系统回程速度得到了大幅提升，系统工作循环时间也缩短了很多，达到了提高生产效率的目的。结束语在现代工业中，冲压技术不断向自动化与精密化方向发展，对冲压机床的液压控制系统性能与精度也提出了更高要求，传统的液压控制系统设计方法已不能适应现代产品的设计和性能要求。利用计算机建模与仿真，进行实际物理系统的动态特性分析，研究实际系统的各种工作状态，可以降低工程造价，减少设计时间，从而达到优化系统、缩短研究周期和提高系统稳定性的目的。本文主要完成了以下一些工作：（1）冲压机床液压系统技术及液压系统计算机建模仿真技术背景的阐述。（2）3150KN四柱式液压机液压控制系统的总体设计。本文对液压机的工作原理及特点进行了阐述，并结合液压控制技术，对液压机液压控制系统进行了功能分析。针对了3150KN四柱式液压机的性能需求，设计了液压机的液压控制系统，并对此系统的工作原理与各控制基本回路进行了分析阐述。（3）3150KN四柱式液压机液压系统详细设计。对系统中各主要元件进行了选型计算，为系统的仿真做好准备。（4）基于AMESim的液压控制系统建模与仿真分析。基于AMESim对所设计的系统进行了建模与动态仿真，并对仿真结果进行了分析，发现了初步设计的系统中存在的换向压力冲击大和回程速度慢两个问题。针对这些问题进行了分析改进，提出了加装释压回路和改变工作缸活塞杆直径的两个改进方案。再对改进后的系统进行仿真分析，确定系统基本正确。从仿真结果来看，系统还存在一些振动，有些仿真结果与预设存在误差。这是有许多原因造成的，主要原因有以下几个方面。（1）系统本身的原因。震荡主要发生在电磁阀换向、系统保压以及系统卸荷时，因为在这些时期很容易产生压力冲击，系统震荡只能尽量减小，难以完全消除。（2）为了便于建模仿真，将模型做了适当的简化。（3）由于参数不全，一些软参数难以确定，只有使用软件系统的默认值，如液压油的特性，液压缸的粘性阻尼系数，管壁的粗糙度、管径、厚度等，它们对系统的动态性能都有较大的影响。（4）系统比较大，影响因素较多，某个参数的改变就可能影响其它其它元件的性能，进而对系统仿真结果造成影响。各个参数的影响是相互的，及其复杂的。因此，应对大系统的原理及参数作进一步深入的研究，使仿真精度更高。在本文的研究过程中，由于本人的工程经验和理论知识不足，所以还应在以下几个方面做进一步的改进和完善：（1）对液压机的液压系统进行更深入的研究，从而设计出功能更为强大，性能更加稳定的液压机液压控制系统。（2）对仿真软件AMESim中各元件的模型进行深入地研究，以便更加准确地搭建所需要仿真的系统模型，在保证准确性的基础上进行简化。（3）如有条件，可以做一些相关试验，得到更多的实际的数值和曲线，即可对液压系统进行更加深入的研究。致 谢本论文是在张老