（机械工程专业论文）巨型模锻液压机同步纠偏系统联合建模与仿真研究.pdf

原创性声明本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。作者签名：缉芝丕眷一日期：丛生年月坦日学位论文版权使用授权书本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。谬蚴日期：趔圣年五月上日 硕士学位论文摘要 摘要 巨型模锻压机是制造现代空天运载装备、能源交通与治金化工装备等 重大装备关键零部件一高精度巨型模锻件的关键设备，在现代国防建设中 具有不可替代的作用，其工作特性是国家基础制造能力的重要表征。 同步纠偏系统一直是液压行业的一个重要课题。在巨型模锻压机的加 载过程中，偏心力矩可使活动横梁产生倾斜，影响模锻件的加工精度，甚 至危及压机本体安全。因此，同步纠偏系统是巨型模锻压机不可或缺的组 成部分，更是模锻压机区别于自由锻压机的重要标志之一。本文着眼于运 用先进成熟液压技术达到稳定可靠高精度同步的设计立论，以活动横梁姿 态为研究对象，围绕其控制机理、同步方案、样机实验进行了研究。具体 工作如下： 1 归纳模锻压机偏心力矩产生的原因，总结巨型模锻压机同步系统 的特点，介绍并比较世界上巨型模锻压机采用的先进同步纠偏系统的结构 及工作原理，分析模锻压机活动横梁的受力情况及其平衡方程，建立基于 流量控制的同步纠偏系统的数学模型，分析其纠偏特点，为搭建同步纠偏 液压回路提供理论参考。 2 选用a m e s i m 液压仿真软件，搭建同步纠偏系统各关键性阀元 件，对比仿真阀特性曲线与样本曲线，验证仿真系统所搭建的基本阀元件 的模型的可靠性和适应性，并就阀元件的关键部件对阀性能的影响进行了 仿真，为搭建实验平台优选阀元件提供了依据。建立了同步纠偏系统的联 合仿真模型，通过仿真，分析了传统p i d 控制中各参数、系统加载时长、 流量阀开度、纠偏系统的工作压力和回油背压的设定等因素对同步纠偏系 统动、静态特性影响，比较了流量控制阀采用比例节流阀或比例调速阀时， 对同步系统各工作性能的影响，为实验样机的液压元件的选型和系统参数 的设置提供依据。 3 参照理论分析和仿真结果，研制了3 1 5 t 试验测试性专用液压实 验平台，并为此实验平台搭建了溢流补偿型同步纠偏系统。在实验平台上 设计一套实验方案，得到同步纠偏系统的性能曲线，验证仿真结果的正确 性。 以上研究表明，3 1 5 t 试验测试性实验平台所采用的比例调速阀控制 的溢流补偿型同步纠偏系统，有较为理想的动静态精度和相应速度。其基 于a m e s i m 与s i m u l i n k 的联合仿真模型，仿真数据可靠性高，可以在巨 型模锻压机的同步纠偏系统的设计中预测系统性能，并对整个液压系统进 硕士学位论文摘要 行整体分析和评估。 关键词模锻液压机同步纠偏联合建模仿真研究 硕士学位论文a b s t r a c t a bs t r a c t g i a n t f o r g i n gp r e s s i st h ek e ye q u i p m e n tt om a n u f a c t u r et h e h i g h p r e c i s i o nh u g ed i ef o r g i n g ，w h i c ha r eu s e di nt h ef i e l do fm o d e m s p a c ec a r r y i n ge q u i p m e n t ，e n e r g ya n dt r a n s p o r t a t i o na n dm e t a l l u r g ya n d c h e m i c a le q u i p m e n t i tp l a y sa l li r r e p l a c e a b l er o l ei nt h ec o n s t r u c t i o no f m o d e mn a t i o n a ld e f e n s e ，a n di ti sa l li m p o r t a n ts y m b o lo ft h en a t i o n a l b a s i cm a n u f a c t u r i n gc a p a b i l i t i e s s y n c h r o n o u sr e c t i f y i n gs y s t e mh a sa l w a y sb e e na ni m p o r t a n tt o p i c i nh y d r a u l i ci n d u s t r y i nt h el o a d i n gp r o c e s so ft h eg i a n tf o r g i n gp r e s s e s ， e c c e n t r i cm o m e n ta l w a y sm a k e st h em o v i n gb e a m si n c l i n e d ，t h i sw i l l a f f e c tt h em a c h i n i n ga c c u r a c yo ft h ef o r g i n g ，e v e ne n d a n g e rt h ep r e s s s s e c u r i t y t h e r e f o r e ，t h es y n c h r o n o u sr e c t i f y i n gs y s t e mi sa ni n t e g r a lp a r t o fg i a n tf o r g i n gp r e s s ，a n di ti sa l s oa ni m p o r t a n td i f f e r e n ts y m b o lo ft h e d i ef o r g i n gp r e s st ot h ef r e ef o r g i n gp r e s s t h i sp a p e rf o c u s e so nt h eu s e o fa d v a n c e dh y d r a u l i ct e c h n o l o g i e st oa c h i e v et h es t a b l ea n dr e l i a b l e h i g h - p r e c i s i o ns y n c h r o n i z a t i o ns y s t e m sd e s i g n ，w i t ht h ea t t i t u d eo ft h e m o v i n gb e a mr e s e a r c ho b je c t ，s t u d i e st h ec o n t r o lm e c h a n i s m ，t h e s y n c h r o n i z a t i o ns c h e m ea n dt h ep r o t o t y p ee x p e r i m e n t t h em a i nr e s e a r c h w o r ki sa sf o l l o w 1 t h ec a u s e so fe c c e n t r i ct o r q u eo ft h eg i a n tf o r g i n gp r e s s ei s s u m m a r i z e d ，a n ds u m su pt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es y n c h r o n i z a t i o n s y s t e mo ft h eg i a n tf o r g i n gp r e s s ，i n t r o d u c e st h es t r u c t u r ea n do p e r a t i n g p r i n c i p l e o fg i a n t f o r g i n g p r e s s e s i nt h ec o m p a r i s o nt h ew o r l d s a d v a n c e ds y n cc o r r e c t i o ns y s t e m ，a n a l y s i s e so ft h ef o r c es i t u a t i o na n d f o r c e e q u i l i b r i u me q u a t i o no ft h em o v a b l eb e a m ，e s t a b l i s h e st h e m a t h e m a t i c a lm o d e lb a s e do nt h es y n c h r o n o u sr e c t i f y i n gs y s t e mo f f l o wc o n t r o l ，a n da l a l y s i s e st h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h er e c t i f i c a t i o no ft h e m o v a b l eb e a m ，a n dp r o v i d eat h e o r e t i c a lr e f e r e n c ef o rs e t u pt h e s y n c h r o n i z a t i o nc o r r e c t i o nh y d r a u l i cc i r c u i t 2 a m e s i mh y d r a u l i cs i m u l a t i o ns o f t w a r ei ss e l e c t e dt os e tu pt h e m o d e lo fc r i t i c a lv a l v ec o m p o n e n t so ft h es y n cc o r r e c t i o ns y s t e m ， c h a r a c t e r i s t i c s e so fc o n t r a s ts i m u l a t i o nc u r v ea n dt h es a m p l ec u r v ei s c o m p a r e d et ov 耐黟t h er e l i a b i l i t ya n da d a p t a b i l i t yo ft h es i m u l m i o n i i i s y s t e mo ft h eb a s i cm o d e lo ft h ev a l v ec o m p o n e n t s ，a n ds o m es i m u l a t i o n s a r em a d et oo b s e r v et h ei m p a c to ft h ek e yc o m p o n e n t so ft h ev a l v e c o m p o n e n t st ov a l v ep e r f o r m a n c e ，i tw i l lp r o v i d ee v i d e n c ef o rs e t t i n gu p t h e e x p e r i m e n t a lp l a t f o r m f o r o p t i m i z a t i o n o fv a l v e c o m p o n e n t s c o s i m u l a t i o nm o d e l s y n co ft h ec o r r e c t i o ns y s t e mi ss e tu p ， a n a l y s i s t h ee f f e c t so ft h e p a r a m e t e r s o ft r a d i t i o n a lp i dc o n t r 0 1 m e t h o d ，t h ed u r a t i o no ft h es y s t e ml o a d i n g ，t h eo p e no ff l o wv a l v e s t 1 1 e w o r k i n gp r e s s u r eo ft h ec o r r e c t i o ns y s t e ma n dt h ep r e s s u r eo fr e t u r no i l l o o pt ot h es y n cc o r r e c t i o ns y s t e m ，t h ei m p a c to nt h ep e r f o r m a n c eo ft h e s y n c h r o n i z a t i o ns y s t e mi sa n a l y s e s do ft h ef l o wc o n t r o lv a l v ew i t h p o r t i o n a lt h r o t t l ev a l v e so rp r o p o r t i o no ft u n es p e e d ? ? v a l v e s ，i tw i l l p r o v i d et h eb a s i sf o rt h es e l e c t i o no ft h ee x p e r i m e n t a lp r o t o t y p eo ft h e h y d r a u l i cc o m p o n e n t sa n ds y s t e mp a r a m e t e r s 3 r e f e r e n c et ot h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t s ，315t t e s tt e s tf o rh y d r a u l i c e x p e r i m e n t a lp l a t f o r mw a sd e v e l o p e d ，a n dt h i s e x p e r i m e n t a lp l a t f o r mt ob u i l dad r a i n a g ec o m p e n s a t i o ns y n cc o r r e c t i o n s y s t e m d e s i g na ne x p e r i m e n t a lp r o g r a mi nt h ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r m ，t h e p e r f o r m a n c ec u r v e so ft h es y n c h r o n o u sr e c t i f y i n gs y s t e m ，t ov e r i f yt h e c o r r e c t n e s so f t h es i m u l a t i o nr e s u l t s t h , a b o v es t u d i e sh a v e 。t h a t 315 tt r i a l ste xperimentalhe a b o v es t u d i e sh a v es h o w nt h a tt h e3 t r i ast e s te x d e r i m e n t a p l a t f o r mu s e di nt h ep r o p o r t i o n a ls p e e dc o n t r 0 1v a l v et oc o n t r o lt h ed r a i n c o m p e n s a t i o ns y n c h r o n o u sc o r r e c t i o ns y s t e m ，am o r es a t i s f a c t o r ys t a t i c a n dd y n a m i ca c c u r a c ya n ds p e e d 。a m e s i ma n ds i m u l i n kc o s i m u l a t i o n m o d e l ，s i m u l a t i o nd a t ar e l i a b i l i t yi nt h ed e s i g no fa g i a n tf o r g i n gp r e s st h e s y n cc o r r e c t i o ns y s t e mt op r e d i c ts y s t e mp e r f o r m a n c e ，a n dt h ee n t i r e h y d r a u l i cs y s t e m ，a no v e r a l la n a l y s i sa n da s s e s s m e n t k e yw o r d s g i a n tf o r g i n gh y d r a u l i cp r e s s ，s y n c h r o n o u sd e v i a t i o n c o r r e c t i n g ，u n i t e dm o d e l i n g ，s i m u l a t i o na n a l y s i s i v 硕士学位论文 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 目录i 第一章绪论1 1 i 引言1 1 2 液压同步系统的类型和工作原理2 1 3 巨型模锻压机的同步方案4 1 3 1 同步系统特点4 1 3 2 模锻压机常用的同步方案5 1 4 课题研究的主要内容6 1 4 1 课题来源6 1 4 2 课题研究的内容6 第二章同步纠偏系统的设计及数学建模8 2 1 引言8 2 2 巨型液压机工作原理与同步纠偏系统8 2 2 。l 液压机简介8 2 2 2 模锻液压机的工作原理1 0 2 2 3 巨型液压机同步纠偏系统设计1 1 2 3 巨型液压机同步纠偏系统的数学建模1 4 2 3 1 巨型液压机动梁受力分析及其动力学方程1 4 2 3 2 补偿型同步纠偏系统的数学模型1 6 2 4 本章小结18 第三章同步纠偏系统的a m e s i m 建模与分析1 9 3 1 引言1 9 3 2 系统建模仿真软件a m e s i m 简介1 9 3 3 主要液压元件的a m e 建模、验证与参数影响分析2 0 3 3 1 比例溢流阀2 1 3 3 2 比例流量阀2 6 3 3 3 插装阀31 3 4 巨型压机同步纠偏系统仿真分析3 3 3 5 本章小结3 7 第四章同步纠偏系统动静态特性影响因素仿真分析3 9 硕士学位论文 目录 4 1 试验平台的主要技术参数及设计指标3 9 4 2 同步纠偏系统的联合仿真模型3 9 4 2 1a m e s i m 与m a t l a b s i m u l i n k 联合仿真3 9 4 2 2 实验平台同步纠偏系统一4 0 4 2 3 同步纠偏系统a m e s i m 模型4 2 4 2 4p i d 控制算法简介4 3 4 3 同步纠偏系统动静态特性影响因素仿真分析4 4 4 3 1 同步纠偏系统控制策略对系统性能的影响4 4 4 3 2 比例流量阀采用比例调速阀或比例节流阀对纠偏系统性能的影响4 8 4 3 3 纠偏系统工作压力和回油背压的影响4 9 4 3 4 偏心力方向发生变化时对系统性能的影响5 l 4 3 5 比例流量阀开口度大小的影响5 2 4 3 6 偏心力加载速度的影响5 3 4 4 本章小结5 4 第五章实验系统及验证5 6 5 1 引言5 6 5 2 实验平台的同步纠偏系统5 7 5 2 1 液压执行系统5 7 5 2 2 同步偏差检测系统5 8 5 2 3 电气控制系统5 9 5 2 4 人机界面5 9 5 3 实验验证6 1 5 3 1 实验目的6 1 5 3 2 实验设备6 1 5 3 3 实验方案及参数设定6 1 5 3 4 实验结果与分析6 3 5 3 5 实验结论6 6 5 4 本章小结j 6 6 第六章全文总结6 7 参考文献6 9 致 射7 4 攻读硕士学位期间主要的研究成果7 5 i i 硕士学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 同步系统对于液压行业来说，一直是一个重要的课题，广泛应用于工业生产 中【l 吲。其技术特征是具有两个或两个以上执行机构的机械，除传递力或力矩外， 并实现相同( 或成比例) 的运动速度或者位移【3 】。目前，在对应用于各类空天运载 设备所需的难变形材料的加工设备，治金行业与矿山行业的工程机械设备上，广 泛的使用了包含同步系统的各类形式的液压系统【4 】。 各类难变形材料，如钛合金、粉末合金和高温合金等，一般都比较昂贵，需 要有极高的致密度、极小的加工量和极好的综合性能，其加工方式是超级塑性成 形方式，加工方法是运用巨型模锻液压机进行热模锻和等温下锻造，其锻造特点 是：通过高压力、长时间保压、超低速变形，改善锻件材料的致密度；通过均匀 变形进而细化晶粒的方法，提高锻件的锻造成型后的综合机械性能；对于难以加 工的材料或者是复杂结构的锻件，为了节约加工材料，使之机加工量少，甚至达 到近净型的理想目标，并使他们成形后能满足所需的设计要求，需要采用等温锻 造和超塑性变形的方法。等温锻造和超塑性变形的方法大概测节约4 0 的材料， 机加工量少，甚至达到近净型目标【6 q 1 1 。由于加工对象的特殊性，巨型模锻液压 机在工作过程中的运动的同步性显得更加重要。因此，同步控制作为模锻液压机 区别与其他自由锻造液压机的主要标志，在巨型模锻液压机的的锻造运动当中显 得更为重要 1 2 j 。 锻件的形成是由上下垫板的施力作用的，其中下垫板固定在固定横梁上的工 作平台上，上垫板固定在活动横梁上，随着活动横梁的运动而运动，因此活动横 梁的位置和运行姿态决定了模锻液压机的制造精度【l3 1 。偏心力矩的存在会使得活 动横梁发生倾斜。若不纠正此偏心力矩，绝大部分的偏心效果必定会传递给机架。 这样，模锻压机各个构件的受力情况很容易恶化，加剧立柱上附加的弯曲应力， 有可能导致总应力超过安全值而发生重大事故【l 5 1 。另一方面，由于机架的抗 弯刚度比较小，动梁受偏载就会产生很大的倾斜。同时，巨型压机上模锻件的水 平尺寸一般较大，因此，动梁一旦产生倾斜，上模与下模便不能准确的压合，模 锻件必定达不到所要求的变形量和精度【l “1 8 j 。 液压机的偏心力矩，其产生的原因多种多样，可以归纳为以下方面： 1 负载不一样。驱动缸的负载的大小影响进油量的大小，从而对运行速度 的快慢产生影响。当系统压力保持不变，而负载力不同时，运动速度发生变化， 这是造成不同步的主要原因【l 引。 硕士学位论文第一章绪论 2 分布不对称。受制造精度的影响，动梁上液压缸的布置不能成绝对几何 对称，也是造成液压缸不同步的原因之一。 3 密封摩擦力不同。虽然也可以对液压缸的密封件、间隙等密封指标进行 规范和量化，但是并不能保证完全一致的要求。因此，在液压缸工作过程中，经 常会出现不同步运动：有的液压缸因密封摩擦力小，运动速度较快；有的则因为 密封摩擦力大，运动速度较慢 2 0 - 2 6 1 。 4 液压缸也会由于制造精度、泄漏造成运动的不同步，也可能在超长时间 运转产生累积误差，发生不同步。 5 管路的影响。液压系统均通过管路连接成一个整体的，当组成油路的长 短，油路上弯头的数目，回路中的阀的数目、类型不同时，通路的行程阻力会不 相同，也会产生不同步的现象 6 锻件的影响。锻件材质不均、形状不对称，进行锻造时，各处金属流动 和变形会出现差异，其合力作用点与横梁的几何中心不在同一直线上，这是产生 偏心力矩的主因之一【2 7 】。锻件的温度分布不均，其变形抗力也不一致，比如某锻 件在高温变形时，随温度下降其变形抗力迅速升高，由1 2 0 0 降至8 0 0 时，变 形抗力可提高8 5 倍【2 引，因此，在锻件加工中的偏心力矩也会产生变化。 7 活动横梁材料密度分布不均匀，制造过程中机械加工的偏差，梁体各组 成部分的几何与质量轴线不重合；梁厚尺寸误差，也导致梁的质量分布对旋转轴 不对称。若活动横梁的质量中心与刚度中心有偏差，当活动横梁运动时，作用在 质心上的惯性力将相对刚心产生扭转力矩，使结构产生扭转耦合的空间振动。 此外，主工作缸的泄漏、制造精度、油液中含气量及结构的弹性变形也会导 致设备的不同步动作，从而产生偏心力矩 2 9 3 。 1 2 液压同步系统的类型和工作原理 应用液压同步系统的目的就是当系统受到外载干扰作用，与系统的工作目标 发生偏差，工作状况变得不理想的时候，能够找到正确的控制方法，将被控对象 限定在一定的偏差范围内，使其偏离原设定位置最小，并能使被控对象迅速地回 复到设定位置。对于模锻液压机中的同步回路，其设计目的就是使两个或多个液 压缸在工作过程中保持相等的速度，或者保持相对位置不产生变化。液压同步回 路按不同方式可以有不同的分类。按输入信号与负载运动量有无关系，可分为主 动同步控制系统和同步同步控制系统；按输出量是否进行反馈测量分类可以分为 开环液压同步控制系统和闭环液压同步控制系统；按构成回路的控制元件的不 同，可以分为流量控制和体积控制两大类；按控制方式的不同，可分为开环控制 系统和闭环控制系统；按实现的控制任务不同，液压同步控制系统可分为速度液 硕士学位论文第一章绪论 压同步控制系统、力液压同步控制系统和位置液压同步控制系统三种方式；按液 压执行元件的不同，又可以分为液压马达同步控制系统和液压缸同步控制系统； 按液压缸的形式不同可以分为单作用液压缸同步控制系统与双作用液压缸同步 控制系统；按液压执行元件的数量不同，可以分为多执行机构液压同步控制系统 和双执行机构液压同步控制系统；按液压同步控制系统执行元件的不同，可以分 为电液伺服( 比例) 阀控制液压同步控制系统、机械伺服( 比例) 阀控制液压同步控 制系统、伺服( 比例) 变量泵液压同步控制系统、数字阀控制液压同步控制系统。 按照液压同步系统的工作方式进行分类，可以将液压同步系统分为封闭型 和补偿型两种，如图1 1 及1 2 所示。 1 液压缸2 被控对象 3 控制阀 1 液压缸2 被控对象 3 位移检测器4 补偿控制系统 图1 - 1封闭型液压同步系统简图图1 - 2 补偿型液压同步系统简图 封闭型液压同步系统是最原始的液压同步系统，当系统开始工作前，控制阀 将连接工作缸左右两腔的油路导通，使工作缸的两腔都加压到工作基准压力，并 设置被控对象到预定位置。工作时，控制阀将连接工作缸左右两腔的油路切断， 使这两腔封闭。当被控对象受到外加载荷的作用而偏离设定位置时，将引起封闭 的液压缸左右两腔发生容积变化，一腔压力上升，另一腔压力下降，由两腔压力 差产生的力通过活塞杆传递到被控对象上，该力的方向始终与外加载荷的施力方 向相反，对外加载荷进行平衡。平衡缸两腔间的压力差是随着被控对象偏离设定 位置距离的增加而增加的，直到其产生的平衡力增大到与外载的大小一致，被控 对象才不再偏离设定位置；而且在外载消失时被控对象才能回到设定位置。显然 这是一种有差调节系统，其稳定精度与液压缸内油液的特性及外加载荷的大小有 关，它无法在有外加载荷存在的情况下将被控对象校回到原设定位置。 而补偿型液压同步系统是对封闭型液压同步系统的改进，当系统处于初始状 态，被控对象位于设定位置时，工作缸左右两腔的压力由补偿控制系统保持在相 同的基准工作压力，系统待命。当工作过程中，被控对象受到外加载荷的作用而 偏离设定位置时，根据检测器检测到的被控对象相对于设定位置的位移量，液压 硕士学位论文 第一章绪论 同步系统通过阀控或泵控补偿控制系统向需要增压的工作缸液压腔补油，使另一 腔封闭或泄油，这样能使两腔迅速产生适当的压力差，通过活塞杆向被控对象施 力，平衡外加载荷的作用，阻止被控对象进一步偏离设定位置，并最终将被控对 象校回并保持在原设定位置。 对于补偿型液压同步系统，按照控制方式的不同，可以分为流量控制和压力 控制两种。流量控制方式下的系统，根据位移检测器提供的位置反馈信号，通过 补偿控制系统，对进出平衡缸的工作油液的流量进行控制，达到使平衡缸两腔迅 速产生适当的压力差的作用。 压力控制方式下的系统，根据位移检测器提供的位置反馈信号，通过补偿 控制系统，直接对平衡缸两腔中工作油液的压力进行控制，按照需要使平衡缸两 腔迅速产生适当的压力差。 近年来，随着机械工作精度、响应速度和自动化程度的提高，对于所配套 使用的液压同步系统也提出了高精度、快速响应和自动控制的更高要求，封闭型 液压同步系统已经很难满足需要，因此，液压同步系统的研究重点也主要集中在 补偿型液压同步系统，巨型模锻压机的同步纠偏也是采用补偿型液压同步系统。 1 3 巨型模锻压机的同步方案 巨型模锻压机的液压系统主要包括主动驱动系统与同步纠偏系统两大部分 【3 2 1 。同步系统是基于液压位置的反馈控制系统，其控制量按照某一规律变化，而 保持为恒定值 3 3 j 。对主动驱动回路施加的同步控制，实质上是一种基于位置的， 以力为主要目标的混合控制同步系统，因为它的输入信号与力和位置有关，而与 负载运动量没有联系，因此称之为主动纠偏。而通过同步缸进行平衡的纠偏系统， 其输入信号是活动横梁运动量的函数，因为可以称之为被动纠偏系统。 1 3 1 同步系统特点 巨型模锻压机的活动横梁在承受偏心负载时会产生倾斜，而同步纠偏系统的 主要功用正是阻止其发生倾斜，使活动横梁的位姿保持在一个较高精度的水平范 围，从而改善巨型压机机架的受力状况，延长模锻压机的使用寿命；同时用以保 证锻件所需的加工精度与尺寸精度【3 4 】。 由于巨型模锻压机所加工的模锻件尺寸较为巨大，锻件尺寸的加工余量与公 差均较小，且锻件各部位一次加压成型，因此压机的活动动梁发生倾斜时将会对 锻件尺寸精度的影响十分明显，甚至有可能会发生金属材料未能充满模具内膛而 导致工件成为废品。而对于加工裕量更小、尺寸精度要求更高精密模锻件，活动 4 硕士学位论文第一章绪论 横梁倾斜对加工精度的影响更为严重，甚至无法达到所要求的加工精度。综上， 同步纠偏系统是保证工件加工精度重要的部分，也是模锻压机区别于自由锻造液 压机的重要标志，其是高精度巨型模锻压机十分重要的组成部分。 锻造过程中，随压机活动横梁的不断压下，负载偏心力矩的方向及大小都随 时可能发生变化，因此巨型模锻压机的同步纠偏系统需要具备自动检测、自动调 节的能力，然而它与一般的自动调节系统又有不同。其特点如下【3 5 】： 1 同步纠偏系统机构庞大、纠偏能力强。巨型模锻压机公称压力的数量级 一般在数百兆牛级，其中包括活动横梁等在内的运动部件的重量就达到数千吨。 而在锻造复杂工件时，可能产生达到数百毫米的偏心距，因此所需同步纠偏系统 的纠偏力矩的数量级也常需要达到百兆牛米级。 2 、为了维持模锻压机活动动梁的运行姿态保持水平，则必须使活动横梁四 角构成的四边形面内相交的两对角线尽可能保持水平状态，因此巨型模锻压机的 同步纠偏系统是由两组完全相同的同步纠偏装置组成，每组纠偏装置控制一条该 四边形对角直线的水平度，两组装置共同构成同步纠偏系统，实现活动横梁的运 行姿态控制。 3 、模锻压机位置控制系统研究的是运动系统对输入指令信号的响应情况， 而模锻压机同步纠偏系统主要研究运动系统对偏心载荷的响应情况，以及通过控 制输入量实现对偏心载荷的补偿，从而使活动横梁尽可能地保持水平姿态。 1 3 2 模锻压机常用的同步方案 纵观国际制造业强国，其高精度、高可靠性、高稳定性的巨型模锻压机几乎 都使用了同步纠偏系统。据系统纠偏原理的不同，大致上可将同步纠偏系统分为 如下几类瞄铲列j ： 1 、同步补偿系统 这种纠偏系统在固定的下横梁与活动横梁四个角间安装了四个同步纠偏液 压缸，并按对角线分为两组，将每组对角线上的一角纠偏缸的上腔与对应的另一 角纠偏缸的下腔用液压管道相接通，从而构成纠偏系统。当活动横梁承受偏心载 荷时将发生倾斜，此时被压缩的相接通纠偏缸的上下腔中及管道中液压油液受到 压缩，压力升高，而另外对相接通的上下腔中和管道中体积变大，压力降低， 当角位移传感器测得的倾角达到设定的临界角度时，控制系统通过执行装置对流 量阀输入量进行调节，向被压缩的上下腔内补充液压油液，从而缩小活动动梁的 倾斜角，直至活动横梁水平姿态达到要求后并停止纠偏。 美国的3 1 5 m n 模锻压机、前苏联的3 0 0 m n 模锻压机、洛维公司的4 5 0 m n 模锻压机以及我国的3 0 0 m n 模锻液压机都采用了此种同步补偿系统。 2 、同步节流系统 硕士学位论文 第一章绪论 此类同步系统使用了节流控制的方式，其原理为在固定下梁与活动横梁间的 四个角上安装四个相同的纠偏缸，与同步补偿系统不同的是这种系统是在与纠偏 缸同一角对应的驱动缸的进油路上串联了节流阀，节流阀阀口开度由一对柱塞缸 控制。这对柱塞缸缸体固定，柱塞连为一体并可活动，两缸体安装在柱塞两头， 并与同角对应的纠偏缸的上下腔相接通。当压机承受载荷位于活动横梁几何中心 时，对角工作缸的节流阀开度致；当载荷与动梁几何中心不重合时，动梁发生 倾斜，被压缩的一对上下腔及管道内油压升高，此时驱动柱塞因受两腔压差影响 而开始移动，使节流阀阀口开度减小，从而使对应驱动缸压力减小。与此同时， 对角的另一节流阀将产生相反的作用，其对应的驱动缸压力增大。由于两驱动缸 压力的变化，致使整个压机驱动缸合力作用点移动，并逐渐与工件变形抗力的作 用中心相接近，从而有效抑制或消除偏心力矩的影响。 前苏联的7 5 0 m n 与3 0 0 m n 模锻压机等使用了该类型的同步节流系统。 3 、同步补偿与回程缸节流系统 此类型系统在固定下梁与活动横梁之间的四角布置了四个纠偏缸，与此同时 在与纠偏缸同角对应的回程缸油路中串接了节流阀，该节流阀开度由同角纠偏缸 上下腔的压差控制。当活动横梁承受偏心载荷时，系统将纠偏缸的油路封闭，产 生纠偏力矩，同时控制着与下腔受压的纠偏缸同角处对应的回程缸，缩小节流阀 阀口开度，增大支撑力。若节流阀阀口开度最大还不能克服偏心力矩，则会向回 程缸内注入来自液压泵站的高压油液，以增大回程缸的压力，达到纠正偏心力矩。 法国的6 5 0 m n 模锻压机使用的是此类型同步系统。 补偿型同步系统具有能量损耗小、控制精度高、补偿时间短等特点。从实质 上将，封闭型系统为补偿型系统中的特例，即当所补偿流量为零时，补偿型系统 就变成了封闭型系统。 1 4 课题研究的主要内容 1 4 1 课题来源 本论文的研究来源于国家重点基础研究计划一“9 7 3 ”计划项目：“巨型成形 装备的力流传递特征及高精度制造界面形成”的子课题“巨型成形装备高效、高 可靠、高精度运行的数字化实现 。本文基于课题项目进行了巨型模锻压机同步 纠偏系统的联合建模与仿真研究。 1 4 2 课题研究的内容 大型锻压设备关系着现代航空、航天、武器装备、国防工业等的发展，具有 重要的战略意义，中国工程院于2 0 0 3 年的“发展我国大型锻压设备研究”会议 硕士学位论文第一章绪论 上基本确定了八万吨巨型模锻液压机的建设，并从各方面开展了相应的预研工 作。本论文的研究内容正是基于此背景展开的。 1 在综合对比了目前应用较为成熟的巨型模锻压机同步纠偏系统的基础 上，设计出了一种纠偏效果较好、纠偏方式先进的同步纠偏系统；详细阐述了该 系统的工作原理，在分析各液压元件特性的基础上，建立了其数学模型，为仿真 分析研究与液压元件的选型等提供理论支持。 2 基于专业液压系统仿真软件a m e s i l l l ，搭建了同步纠偏系统各主要液 压元件的仿真模型，同时将各元件的特性仿真曲线与其样本曲线做对比，验证了 所建元件仿真模型的正确性；针对阀元件的关键参数对其性能的影响进行了仿真 研究，为所需搭建实验平台的阀元件选型提供参考。 3 结合a m e s i m 软件与m a t l a b s i r n u l i n k 软件的优点，在联合仿真环境 中建立了同步纠偏系统的液压控制仿真模型，并通过仿真分析得出系统的动态 特性规律，为巨型模锻压机的高精度运行提供理论参考。 4 搭建并调试了巨型模锻液压机的试验测试样机，设计了相应的实验方案， 对所设计的压机同步纠偏系统的性能进行实验验证，并与仿真结果做对比，验证 了该压机同步纠偏系统的可靠性。 硕士学位论文第二章同步纠偏的设计及数学建模 2 1 引言 第二章同步纠偏系统的设计及数学建模 模锻液压机的同步系统通常有不同的设计方案可以达到液压机的功能要求， 但8 0 0 m n 液压机是为国家经济建设和国防安全发展战略进行服务的，不可进行 批量式生产，在国家建设中具有独一无二的作用，其设计立论要求 4 0 】：充分利用 先进、可靠、成熟的液压技术，密封技术，采用稳定的元器件构建其液压系统， 保证压机在大流量、强压力的驱动下稳定、可靠、安全运行；运用先进的控制策 略，实现控制的高精度、超调近零、响应快速以及高鲁棒性，从而保证大型模锻 件的锻造精度满足国家战略要求。 因此，其同步纠偏系统方案要经过大量的分析，基于已有的同步纠偏系统的 基本原理，在此基础上设计出稳定、可靠、高精度的同步纠偏系统。 2 2 巨型液压机工作原理与同步纠偏系统 2 2 1 液压机简介 液压机是一种以帕斯卡原理为基本原理的以液体( 水、液压油等) 为介质来 传递能量，从而实现材料塑性变形的机器。其工作原理如图2 1 。充满液体工作 介质的封闭容腔由管道连通，容腔的一端是工作活塞或者柱塞，沿着容腔轴线具 有一定的行程。当力f 1 作用在柱塞上时，小柱塞缸压强为p = 曩a 。，其中4 为 小柱塞的横截面积。根据帕斯卡原理：液体压力在密闭的容器中各个方向上相等， 则容腔内每一点的压强都为p 。因此，作用在大柱塞上的力f 2 如式1 2 所示， 它使工件产生变形。 只= f z , a 2 。 4 式中以大柱塞的横截面积。 硕士学位论文 第二章同步纠偏的设计及数学建模 1 小柱塞2 大柱塞3 工件 图2 - 1 液压机的工作原理图 1 上横梁2 立柱3 下横梁4 回程缸5 毛坯6 回