（机械工程专业论文）2000kn快锻液压机液压系统的研究.pdf

摘要 介绍了四柱式压机的功能，并对2 0 0 0 k n 液压机液压系统进行了改进设计， 介绍了液压机液压系统的工作原理和元件选型，把伺服技术应用在油路控制系统 中，提高压机的性能，最后对系统的发热性能进行了验算。在对锻造液压机进行 分析的基础上，利用m a t l a b 的s i m u l i n l ( 工具箱，对液压系统中液压缸活塞、担 任主要流量分配的主控滑阀及比例节流阀的过程进行动态性能研究。首先从锻造 液压机系统组成出发，介绍了液压系统的工作原理和液压系统的各阀在锻造过程 中的工作状况，着重分析了电液伺服阀和比例节流阀的选型和工作原理。其次讨 论了液压系统动态性能仿真的方法。在分析各种数学建模方法和仿真软件的基础 上，采用以下三个步骤对锻造液压机进行仿真：根据力平衡方程和液流连续方 程建立系统的数学方程；对数学方程进行分析，推导出系统的传递函数或方框 图，建立了数学模型；在m a t l a b 的s i m u l i n k 工具箱下建立仿真模型，利用 m a t l a b 的图形输出功能直接输出仿真曲线。得出在不同工况下滑阀的响应曲线。 说明了该阀的动态性能可以满足生产需要。主控滑阀为一非标准大型滑阀，仿真 结果为选择合适的控制方法提供参考依据。最后对改造后换上的比例节流阀进行 数学推导，得出了该比例节流阀的数学模型，根据数学模型建立了仿真模型。同 时验证了这种仿真方法的正确性。 关键词：液压系统；建模；p i d ：动态性能：仿真 a b s 仃a c t t i l ef o u n c t i o no fh y d r a u l i cm a c h i n ew i t hf o u rp i l l a r sw e r ei n 仃o d u c e d ，t h e h y d r a u l i cs y s t e mo f2 0 0 0 k nh y d i a u l i cm a c h i n ew a sd e s i g n e da n di t sp r i n c i p l ew a s i n t r o d u c e d t h ec o m p o m e m so ft h es y s t e mw e r ec h o o s e d ，t t l es e r v ot e c h n o l o g yw a s u s e di no i lc o n t r o ls y s t e m ，锄di m p r o v i n gt h ep e i r f o 珈1 a n c eo fm ec o m p r e s s o r ，i nt h e e n d ，t h ec a l o r i f i cp e r f o r m a n c eo fs w a r e y s t e mw a st e s t e d b a s eo nt h ea n a i y z i n gf o 唱i n gh y d r a u “cp r e s sa n du s i n go fs i m u l i n kt o o i b o xi l l t h em a t l a bs o r w a r e ，t l l ed i s s e r t a t i o ns i m u l a t e sm em a i n c o n t r o ls p o o lv a l v at h a t d i s t r i b u t e st h eh y d r a u l i co i li i lm eh y d r a u l i cs y s t e ma n dt h e p r o c e s s o ft h e d e c o m p r e s s i o ni nm eb a c k h 跏1 f i r s t l y ，h y d r a u l i cs y s t e mw o r kp r i n c i p l ea n de v e 巧 v a l v eh o wt 0 、o r ki nt h ef o 唱i n gp r o c e s sa r c 砷r o d u c e d ，e s p e c i a l l yt h em a i l - c o n t r o l s p o o lv a l v eo nt h eb a s i so ft l l ef o 唱i n gh y d r a u l i cp r e s s s e c o n d l y ，h o wt 0g e tt l l e h y d r a u l i cs y s t e m sd y n a m i cp e r f o 咖a n c ei sd i s c u s s e d b a s e do nt h ea n a l y z i n gt h e m o d e l i n gm e t h o da n dt h es h u l a t i o ns o 触a r e ，t h r e es t e p sa r ea d o p t e d o nm eb a s i s o ft h em e c h a n i c a le q u a t i o na n df l u xb a l a n c ee q u a t i o nt l l em a t h e m a t i c s e q u a t i o no f h y d r a u l i cs y s t e mi se s t a b l i s h e d a r e rt h e 锄a j y s i st h em a t h e m a t i c se q u a t j o n ，廿1 e t r a n s f e rf u n c t i o no rm ep a n e 矗g u r ei sg o t i e na n dt h em a t h e m a t i c sm o d e l i n gi ss e tu p t l l es i m u l a t i o nc u ei se x p o n e d b yu s i n gd i s p o s a lf i g u r e 劬c t i o ni nt l l e m a t l a b s o 觚a r e ，g e t sm e s i m u l a t i o nc u r v eo nm ed i f f e r e n tc o n d i t i o n t h er e s u l t so f c o m p a r i n gt h e f a c t u a ln e e d s f i n a l l y ，b yu s i n gt l l em a m 、) l ，a yp r o p o r t i o n a lv a l v e s m a t h e m a t i c e q u a t i o n i s e s t a b l i s h e d ， a f k r a n a l y z i n g t h e s e e q u a t i o n s t h e m a m e m a t i c a n a l y z i n gt h e s ee q u a t i o n st h em a t h e m a t i cm o d e l i n g 锄dt h es i m u l a t i o n m o d e la r es e tu p f i n a l l y ，b yu s i n gt h em a t hw a yp r o p o r t i o n a lv a l v e sm a t h e m a t i ce q u a t i o ni s e s t a b l i s h e d ，a r e ra n a l y z i n g t h e s ee q u a t i o n st h em a t h e m a t i cm o d e l i n g柚dt h e s i m u l a t i o n t h es i m u l a t i o nr e s u l tp r o v e st h ew a yo ft l es i m u l a t i o ni sr i g h t k e yw b r d s ：h y d m u l i cs y s t e m ；m o d e l i n g ； p i d ； d y n a m i cp e r f o m 雅c e s i m u l a t i o n 学位论文的主要创新点 i 渊燃y 2 0 5 9 1 3 6 一、对液压缸进行仿真建模时引入p i d 子系统进行参数整定，改 善系统的动态性能。 二、在对比例节流阀进行仿真建模时，采用s 一函数文件进行自 定义编程，提高仿真模型的动态性能。 第一章绪论 1 1 课题来源和意义 1 1 1 课题来源 第一章绪论 题目来源于指导老师的科研项目，天津锻压机床厂设计生产的 t h p l 0 2 0 0 0 k n 四柱锻造液压机液压系统的改进项目。 液压机是最早应用在液压领域的机械设备之一，在锻压、冲压、冷挤、校直、 粉末冶金、成型等压力加工工艺中得到广泛应用。四柱型液压机实现的主要工作 过程：主缸滑块的快速下行、慢速加压、保压，泄压、快速回程以及在任意点停 止；顶出缸活塞的顶出、退回等。在一个工作循环中，系统的压力和流量变化很 大。该液压机经过长时间的使用，故障率增加、响应精度也降低，使用和维护都 比较困难，而且动力系统也不能满足要求，因此要对液压和控制系统进行改进。 在研究液压系统结构参数对系统动态参数的影响时，以前液压系统的设计是用真 实的元件构成一个系统，然后再进行实验，从而检验系统设计的合理性。这样耗 费大量的财力和物力，而且系统的响应较慢、精度较低。一个结构参数的变化对 系统整体性能的影响起着至关重要的作用，因此需要对液压系统整体性能进行仿 真研究，得出动态响应曲线，进而对系统的仿真结果提出合理的改进和优化。 1 1 2 课题意义 以前的液压系统的研究常常将之简化为线性系统或简单的非线性系统，对于 简单的系统这种方法是可以用的，但对于比较复杂的液压系统的分析是不准确 的，是不能得出理想的结果的。 本文是利用m a t l a b 软件建立仿真模型，并嵌入p i d 控制器对液压系统动态 特性进行控制，通过对参数调整实现对液压系统的控制系统的控制。液压系统的 动态特性的研究主要体现在其稳定性、动态品质和稳态精度上。稳定性指的是系 统处于平衡状态下受到干扰后系统自由运动的性质。若系统稳定，最终会回到原 来的平衡状态，反之就不能回到平衡状态，系统也就不能正常工作。动态品质和 稳态精度是对控制系统动、静态性能优劣的反映。对于单输入单输出系统，动态 品质输出的是系统响应的快速性和超调量，稳态精度输出的是系统响应的稳态误 差大小。 由于液压系统具有非线性和复杂性，因此对其进行动态仿真具有很重要的价 天津工业大学硕士学位论文 值。液压系统的动态仿真的意义如下： ( 1 ) 微电子技术和计算机技术的应用，减轻工程技术人员的工作负担，提 高了工作效率。 ( 2 ) 仿真技术可以在不制造样机的前提下对设计的液压系统进行检验，可 以节省大量的人力、财力、物力。 ( 3 ) 通过调节控制器的参数，可以进行对比，获得影响液压系统的因素。 ( 4 ) 通过计算机仿真可以选择合理的液压回路来完成特定的功能。合理选 择液压元件。 ( 5 ) 计算机仿真可以进行多方案对比试验、极限试验、破坏试验，降低仪 器和设备的使用费用。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 液压技术的发展 我国的液压工业开始于2 0 世纪5 0 年代，其产品最初只是应用在机床和锻压 设备上，后来又延伸到其它工业领域中，像在拖拉机和工程机械上就有了广泛的 应用。我国的液压元件的使用是从1 9 6 4 年开始的，那时是从国外引进的，然后 又进行了自主研发和自行设计，从此液压件在国内逐渐发展和兴盛起来，并得到 越来越多的应用，二十世纪八十年代起，国内外液压技术都有了长足的发展，我 国的液压产业逐渐走向国际化，尤其在产品质量上、研究开发、经济效益上发展 迅速。液压技术正逐渐向着高速、高压、大功率、高效率、低噪声、经久耐用、 高度集成化发展。尤其在完善比例控制、数字控制、伺服控制等技术上也有了新 的突破。液压机自1 9 世纪问世以来已经有了很快地发展，在工业生产中有着广 泛地应用，已成为工业生产中必不可少的设备之一，随着微电子技术和液压技术 的发展，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到 7 5 0 m n ，用于金属的模锻成型，目前很多控制系统是采用c n c 或工业p c 机进 行控制的，使产品质量和工业生产率有了很大提高。就目前的发展来看，液压机 在液压系统和整机结构方面已经发展的比较成熟，更深入地研究主要体现在控制 系统上。在国内外液压机产品中，按控制系统可以分为三种类型：一种是以继电 器为主控元件的传统机型：一种是采用可编程控制器控制的液压机；还有一种是 应用高级微处理器的高性能液压机。继电器控制电路结构简单、技术含量和成本 较低，主要用于单机工作和精度要求不是太高的大批量生产。可编程控制器是在 继电器控制和计算机控制的基础上发展起来的，逐渐发展成以微处理器为核心， 把自动化技术、计算机技术和通讯技术融为一体的新型工业控制装置，广泛用于 2 第一章绪论 机械和自动化设备的生产中。尽管三种类型应用范围各有不同，但总体的发展趋 势是向着高速化、高效化、智能化、机电一体化、自动化、液压元件的集成化和 标准化的方向发展的。 1 2 2 液压系统仿真技术 m a t l a b 计算软件产品家族是美国m a t h w 6 r k s 公司开发的用于概念设计、算 法开发、建模仿真、实时实现的理想的集成环境。在m a t l a b 产品体系的演化历 程中最重要的一个体系变更是引入了s i m u l i n k 。s i m u l i n k 与m a t l a b 是无缝连接的， 它们之间的连接工具是求解器。s i m u l i n k 是在m a t l a b 仿真平台下的一种图形仿 真工具，s i k u l i n k 是一个进行动态系统建模、仿真和综合分析的集成软件包。它 的框图化的设计方式和良好的交互性，可以让工程人员把更多的精力放到理论和 技术的创新上，给公司创造更多的利益。 液压系统仿真技术是液压技术和仿真技术结合的产物，随着流体力学、现代 控制理论、算法理论、可靠性理论等相关学科的发展，尤其是随着计算机技术的 飞速发展，液压仿真技术也日益成熟起来，现在已经逐渐成为液压系统设计人员 不可缺少的得力工具。在早期，计算机的性能是有限的，输入端数据只能进行动 态特性的数字仿真，输入数据复杂。八十年后期，仿真软件包技术有了飞速发展， 尤其表现在精度高、速度快、功能多等方面。如a f s s 仿真软件包，它是由美国 麦道飞机公司率先开发的，主要是用来预测液压系统元件和系统性能，使液压系 统的设计有了显著提升，使之从经验估计提高到定量分析的水平上来。该软件经 c d c 公司和明尼苏达大学的修改、补充，构成一个通用液压系统c a d 软件包。 从二十世纪七十年开始，国内外开始进行液压系统和元件的计算机数字仿真 研究，我国液压系统与元件的仿真研究是从八十年开始的，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来的精度低、多输出地非线性系统；从复 杂的编程和输入发展到交互友好的图形用户界面等，尤其是最近几年，欧洲的液 压仿真技术有了飞速的发展，原来的液压仿真软件都在发展推出新版本，如英国 的b a t h 邱，瑞典的h o p s a n ，德国的d h a + 等。另外还有一些关于液压仿真的综 合系统仿真软件也有了很大的成功，如法国的a m e s i m ，波音公司的e a y 5 。 纵观最近几年液压仿真技术的发展，现代液压仿真软件有如下的发展特点： ( 1 )现在仿真速度有了很大提高，主要是因为液压仿真软件的积分运算 器，它具有可变步长的功能，同时仿真人员也能实时地在计算机屏幕上看到系统 的运动情况，使仿真人员看的更加直观，也更具有说服力。 ( 2 )液压软件的模型库主要分为两种：一种是具有核心地位的通用液压 元件模型库，如果没有它，那液压仿真软件就没有了主干。还有一种是支持用户 天津工业大学硕士学位论文 自定义元件模型库，它也是必不可少的，因为一些复杂的系统的仿真模型的建立 很难在通用液压元件模型库中找到，这时就需要用户自定义模型。 ( 3 )在一个液压仿真系统的技术文档中，最主要的部分就是系统的原理 图，数据库技术的应用起着至关重要的作用，技术文档生成功能主要是采用 d y n m o c 生成元件模型和系统的数据库技术。 ( 4 )液压系统的建模仿真应用在多领域中，尤其是在实际的工程应用设 计中可以加入其它领域的模型。 ( 5 )计算机技术的发展使得工程技术人员更加简单、灵活的运用图形操 作界面，使仿真技术的应用更加广泛。 尽管液压仿真技术已经有了很广泛的应用，但是也存在着不完善的地方，还 有很大的发展空间，以下结合现代仿真技术的发展概况，总结几点液压仿真技术 今后发展的方向： ( 1 )因为流体具有不稳定性，因此对其建模就有了一定的难度，能否建 立准确的模型，直接影响着整个液压系统的综合性能，流体在管道中的流动涉及 很多参数，如阀口流量系数、液动力系数等，除此之外，由于大型液压系统具有 复杂性，导致计算机运算几何级数也随之增加，这就要求对单机算法和分布式算 法的改进。 ( 2 )液压仿真软件的优化设计，主要有三个方面的优化，包括结构设计 优化、经济优化。参数设定优化。在对液压系统进行仿真建模时，就可以了解到 对其中任意一个模型中的参数做一个很小的变动，那么都会对最终的仿真结果造 成很大的影响，因此对模型中的结构参数进行优化是十分必要的。在保证结构和 参数设计最优化的前提下，就是对设计的实用性上进行考虑，如果耗费太大的成 本，那即使做出来的系统性能再好，也不具有实用价值，所以以上三点一定要兼 容。 ( 3 ) 为了使仿真结果更加具有灵活性和更具有可信度，对于某些难于建 模的复杂系统，或者是对系统有特殊要求时，使用计算机接口与实际的物理系统 连接，即仿真和测试的无缝集成，能得到更好的仿真结果。 ( 4 )多媒体动画技术在很多领域已经得到了广泛的应用，如果把它和液 压仿真技术结合起来，就可以很直观地表达液压传动的演示动作，在教学中有很 重要的意义，能让学生更加牢固地掌握知识，但是由于虚拟现实技术现在发展的 还不是很完善，尤其在与液压仿真技术的结合技术上发展得还不是很成熟。还有 待进一步地发展和研究。 1 2 3 液压系统建模技术 4 第一章绪论 在工程领域，为了缩短研发周期、降低研发成本，对液压系统的动态性能地 分析显得尤为重要，现在对液压系统的建模仿真技术已成为辅助液压设计的主要 手段，通过仿真，可以更好的分析设计的系统的合理性，同时能找出系统中存在 的问题，对于系统的优化有重要作用。 数学建模的方法主要分为键合图、传递函数和方框图、状态空间法。 ( 1 ) 键合图法 键合图法是美国m i t 的h m p a y n t e r 在1 9 5 9 年提出来的，后来又经 d c k a m o p p 、r c r o s e n b e r g 、j u t o m a 、p c b r e e d v e l d 等人的发展与完善将其 逐步完善并推广使用。使之成为一种可统一处理多种能量范畴工程系统的动态建 模与分析方法。它是用图形方式来描述系统动态结构的建模工具。它能反应元件 之间的负载效应和系统中功率的流动情况。为多能域复杂系统的动态仿真奠定了 基础。 具有三个特点：一是能用统一的方法处理多种能域并存的系统；二是能实现 图形描述和数学描述的统一性；三是能使系统的状态方程生成的更加规则化。 ( 2 ) 传递函数与方框图法 传递函数是线性定长系统在零初始条件下，系统输出量的拉氏变换与输入量 的拉氏变换之比。传递函数表征系统对输入信号的传递能力。是系统的固有特性， 与输入信号的类型和大小无关。不同的物理系统可以有相同的传递函数，而同一 系统中，不同的物理量之间对应的传递函数也不相同。初始条件为零时，单位脉 冲响应的拉氏变换为系统的传递函数。传递函数是系统性能分析的最简形式之 一。求取传递函数有四种方法：一是根据系统的微分方程确定输入与输出间的传 递函数；二是根据微分方程组代入消元求取传递函数；三是电网络系统利用复阻 抗直接求取传递函数；四是根据系统的输入、输出信号求取传递函数。 ( 3 ) 方框图 方框图是由信号线、方框、引出点、和点组成，有如下特点：一是系统结构 直观明了，具有明确的物理意义和数量关系，是定量分析系统性能最直观图形表 示方法；二是简化复杂系统传递函数的求取过程；三是便于在不同输入与输出情 况下全面分析系统性能；四是便于进行控制系统的设计与改造。 ( 4 ) 状态空间法 描述系统状态变量与系统输入、输出之间的一阶微分方程组，称为状态变量 模型。状态空间分析法包括两个基本步骤：一是确定并求解状态变量；二是根据 状态变量求解输出。 我们通常所指的控制是指有人工控制和没有明显的人机关系的自动控制的 相互关系。将控制的变量( 位移、速度、温度、压力) 用传感器进行测量，然后 天津工业大学硕士学位论文 把测量的信息反馈回来用以对被控对象施加影响。其结构如图1 1 所示 图卜l 反馈控制系统框图 控制理论的历史可以追溯到1 7 8 8 年，从瓦特发明了蒸汽机开始，设计了著 名的离心调速器，使得蒸汽机在有负载和无负载的时候转速基本上保持不变。从 本世纪四十年代到六十年代以后，自动控制理论得到了很快地发展，由单变量控 制系统像多变量控制系统实现了转变，单变量控制系统主要是应用传递函数法在 频率域内进行分析，采用的是负反馈闭环控制系统原理，而以多变量控制系统为 主的控制理论标志着已进入了现代控制理论阶段，使控制系统向着信号多、回路 多、变量多、相互之间有耦合关联的多输入多输出系统的方向发展。在这个系统 中，不仅研究输入输出特性，还需要考虑整个系统内部状态的运动规律和相互关 系，并且要求系统在一定的约束和某种性能指标下实现最优控制。这种控制系统， 通常采用计算机作为系统的核心控制器。 计算机技术和控制理论的结合使现代控制理论有了很快地发展，在现代控制 理论中，是用以向量微分方程形式的状态方程来描述系统的，这样系统的分析与 研究又回到了时域，而高维向量状态方程的求解必须借助于计算机技术，所以说 没有计算机技术的发展，就没有现代控制理论的实现。不管是经典控制理论还是 现代控制理论，他们控制系统的研究都是基于被控对象的精确数学模型。 由系统的动态模型建立的微分方程，在通过拉氏变换，得到系统的传递函数， 通常来讲，单输入单输出线性定常系统以传递函数作为控制系统分析和设计的对 象，如果将微分方程取不同的状态变量就可以得到系统的状态方程，它用来描述 和处理多变量、时变参数、非零初始条件的系统。对控制系统的分析主要有稳定 性、稳态误差、和系统的时间响应、频率响应等分析方法，其目的在于在系统和 输入给定的情况下求出输出响应，设计的目的是在各种可能的系统中，确定一个 能满足预订品质要求的系统。 6 第一章绪论 1 3p i d 控制介绍 1 3 1 引言 传统的p i d 控制器是最常见的反馈形式。它逐渐成为标准的工具过程控制 中重要的监测手段，兴起于1 9 4 0 年代，在今天超过9 5 的控制回路都是采用p i d 过程控制，大部分实际上是p i 控制回路。今天的p i d 控制器控制，已经广泛应 用在各个领域，该控制器有很多不同的形式，有独立的系统。p i d 控制是分布式 控制系统的一个重要的组成部分。控制器也还经常应用在许多专业控制领域中。 有时是结合p i d 控制逻辑函数、连续函数、选择器等联合使用，有一些自动化 控制系统比较复杂，就需要建立简单的功能块，像用于能源生产、运输、和生产 的自动控制系统等，还有许多复杂的控制策略，例如模型预测控制。 同时也可以对控制器进行较低层次的多变量控制器的设定，主要用于最低水 平的控制器控制体系，p i d 控制器技术经历了很多的发展演化的过程，从力学和 气动到电子管和晶体管的微处理器和集成电路的发展都能得以体现，现在微处理 气动发展已经对社会产生了巨大的影响，今天几乎所有的p i d 控制器都是在微 处理器的基础上发展起来的。现在的好多液压伺服系统都是采用p i d 调节器进 行参数整定的，通过对比例参数的调整，就能使液压系统达到良好的动态性能和 稳态性能。对已一般的锻造液压机系统都是采用系统本身的直接驱动的动力源系 统，使液压滑块在不断地运动中完成锻件的变形，因此油缸内的压力发生不断地 转换，不断地存储和释放压力势能，使系统能量损失，而且系统能量损失的大小 与p i d 比例控制器有直接的关系。 1 3 2p i d 控制原理简介 p i d 控制有很多优点，如简单可靠、容易实现、稳态无静差等，在实际工业 过程中得到广泛应用，大部分的控制回路都是采用p i d 控制的，尤其是在液压 伺服系统的应用上。 p i d 控制表示成比例一积分一微分控制，p i d 控制器的方框图如下图1 2 所 示： 7 天津工业大学硕士学位论文 图1 2p i d 控制器的方框图 p i d 控制器的输入与输出之间是比例一积分一微分的关系即： m m 止m 专+ 乃鬻 还可以表示成：u g ) ：七，e g ) + 七，塑巫+ 姬g ) 传递函数为g 胸= 器咆+ 蝎s 其中，互一积分时间常数 乃一微分时间常数 七p 一比例系数 j | ，= 等一积分系数 = 七p 乃一微分系数 p i d 控制器只需要设定三个系数七。、七，、七d 即可。 1 4 主要内容 公式( 1 1 ) 公式( 1 2 ) 公式( 1 3 ) 本文以2 0 m n 液压机为研究对象，应用m a t l a b 语言环境下的s i m u l i n k 对液 压缸、电液伺服阀、比例节流阀三个部分进行建模仿真，并引入p i d 控制策略 对液压系统进行调节控制。 其主要内容如下： 第一章绪论 ( 1 ) 对课题进行了调研，了解锻造液压机的液压建模仿真技术在国内外的 发展情况，介绍了课题的研究目的和意义，详细介绍锻造液压机的组成结构和工 作原理，分析了电液伺服阀和比例节流阀的工作原理。 ( 2 ) 介绍液压系统建模仿真的方法，分析各种方法的优缺点，选择最适合 的方法对液压系统重要组成部分进行仿真。 ( 3 ) 对原有液压系统进行改进设计，并介绍其工作原理。 ( 4 ) 引入p i d 控制策略，调节比例系数对液压系统进行控制，对得出的曲 线进行对比，选择最优仿真曲线，进而对控制系统的改造提供依据。 ( 5 ) 对液压缸、电液伺服阀、比例节流阀进行动态仿真分析，对液压系统 设计提出合理改进意见。 9 天津工业大学硕士学位论文 1 0 第二章锻造液压机系统组成 ，1 己l 吉 二1ji 口 第二章锻造液压机系统组成 液压机整体布局分为主机、液压系统和电气控制系统三个部分，液压系统 的所有零部件都安装在液压油箱上，电气控制元件都集中装在电气柜中，控制开 关按钮都设置在控制台上。 液压机的主机主要是由滑块、导柱、工作台、安装地基、顶出缸、主缸、上 横梁、辅助油箱所组成。 2 2 锻造液压机的组成及结构 2 2 1 液压机的工作原理 液压机的动作顺序控制框图如下图2 1 所示 图2 1 液压机控制顺序框图 从上面的框图可以看出液压机的工作原理是由电气控制系统控制液压系统， 液压控制系统再控制主机工作，之后主机动作触及行程开关，再将信号反馈给电 气控制系统，进而实现循环控制。液压机工作循环如图2 2 所示， 天津工业大学硕士学位论文 图2 2 液压机工作循环 滑块在自重的作用下快速下行，碰到行程开关后由快进变为工进，随后进行 加压、保压。保压时间完成后，滑块快速回程，直到回到原来的位置，停止运动。 2 2 2 液压机工艺方案设计 ( 1 ) 控制方案的选择 采用液压系统与电气系统相结合的控制方式。具有调整、手动、半自动三种 工作方式，可实现定压、定程两种加工工艺； ( 2 ) 液压系统 液压回路采用封闭式回路，供油方式采用变量泵供油，系统设有补油和卸 压装置。 ( 3 ) 电气控制 液压机主要执行的动作是直线往复运动，运动相对比较简单，采用继电器控 制系统就可以实现工况要求，故液压机电器控制采用继电器控制。 控制要求能够准确实现速度的换接控制，实现过载保护，设置工况指示灯， 以便了解系统的工作状态，同时要求系统的稳定性要好，保证液压机安全稳定工 作。 采用继电器、行程开关、接触器、手动按钮等元件进行手动、半自动控制； ( 4 ) 主机 主机工艺过程分析 第二章锻造液压机系统组成 当按下启动按钮后，主缸上腔进油，横梁滑块在自重作用下快速下行，此时 会出现供油不足的的情况，补油箱对主缸进行补油，触击快进转为工进的行程开 关后，横梁滑块工进，并对工件逐渐加压、工件压制完成后进入保压阶段，让产 品稳定成型。保压结束后，转为主缸下腔进油，滑块快速回程，直到原位后停止。 横梁滑块停止运动后，顶出缸下腔进油，将工件顶出，工件顶出后，项出缸上腔 进油，快速退回。 主机采用三梁四柱的结构，主缸和顶出缸为执行元件。 2 2 3 锻压机的主要技术参数 最大负载：2 0 0 0 k n 主缸回程力：4 0 0 k n 主缸滑块快进速度：0 0 8 聊s 主缸回程速度：0 0 3 删s 顶出缸顶出速度：o 0 5 脚s 2 3 液压系统设计 工进时系统最大压力：2 5 m p a 顶出缸顶出力：3 5 0 k n 主缸最大工进速度：0 0 0 6 聊j 顶出缸顶出速度：o 0 2 聊s 现以四柱型万能液压机为例，介绍其液压系统的设计过程，本文液压系统采 用电液伺服阀进行控制，控制精度高，运行平稳，响应速度快。 2 3 1 设计要求 确定液压缸的主要结构尺寸d 、d ，绘制正式液压系统图，动作表、明细表， 确定系统的主要参数，进行必要的性能验算，包括压力损失、热平衡计算等。 2 3 2 初定液压缸的工作压力 四柱型液压机实现的主要工作过程：主缸滑块的快速下行、慢速加压、保压， 泄压、快速回程以及在任意点停止：顶出缸活塞的顶出、退回等。 压力的选择主要根据运动循环各阶段中的最大总负载力来确定，主要有两种 方式：一种是按照主机类型；一种是根据自身负载。如表2 1 和表2 2 ： 天津工业大学硕士学位论文 表2 1 按负载选择执行原件的工作压力 表2 2 按主机类型选择执行元件的工作压力 主机类型 工作压力p m p a 磨床 组合机床 龙门刨床 拉床 农业机械 小型工程机械 工程机械辅助机构 液压机 中、大型挖掘机 重型机械 起莺运输机械 2 3 5 8 8 l o l o 1 6 2 0 3 2 根据表l 、2 对t h p l o 。2 0 0 0 液压机选择压力为2 5 m p a 。 2 3 3 液压缸主要结构尺寸的计算 液压缸的工作压力为2 5 m p a ，f = 2 0 0 0 k n ，选取d 巾= o 7 ，d 为活塞杆的直径， d 为缸筒的直径，取液压缸的机械效率为1 1 。= 0 9 5 ，根据液压缸的受力平衡： 三d 2 只：f + 三( d 2 d 2 ) 只 4 4 故d = 式中： 丑液压缸的工作压力 最液压缸回路背压，对于高压系统计算时可忽略不计 1 1 。液压缸机械效率，一般为o 9 0 9 5 卜一工作循环中最大负载 1 4 公式( 2 1 ) 第二章锻造液压机系统组成 忽略不计，代入参数可以得到： = 3 2 7 m m d = o 7 d = 2 2 9 m m 根据g b 2 3 4 8 8 0 ，将这些直径圆整成标准值，得到：d = 3 2 0 m m ，d = 2 2 0 m m 。 4 ；丝：8 0 3 8 4c 坍z以：竺翌= 垒：4 2 3c m z 4 4 2 3 4 系统方案设计 ( 1 ) 四柱型液压机的上下液压缸均作直线往复运动，故采用单活塞杆双作 用液压缸直线驱动。 ( 2 ) 电液伺服阀控制精度高，响应速度快，主阀芯能在任意位置停留，使 液压机在快速返回时动作平稳，为了不在换向时产生冲击和噪声，使电液伺服阀 的先导阀为减压阀，调节比例电磁铁的电流。 ( 3 ) 当需要大流量的液压机时，用电液伺服阀难以实现预卸压，故设置一 个节流阀来实现。 ( 4 ) 供油方式采用变量泵供油，针对液压机快进时供油不足，系统设有补 油装置。 天津工业大学硕士学位论文 2 3 5 拟定液压系统图 液压系统图如图2 3 所示： 1 一主缸：2 、h 控单向阀：3 安全阀；5 单向阀；6 比例节流阀；7 、1 6 压力表；8 电液 伺服阀；9 油泵；l o 溢流阀；1 1 过滤器；1 2 电液换向阀；1 3 安全阀；1 4 背压阀；1 5 顶出 缸；1 7 节流器 图2 3 液压系统原理图 2 3 6 工作原理 ( 1 ) 快速下行 1 d t 通电，油泵供油，同时溢流阀开启，经电液伺服阀的p 口、a 口，至 主缸上腔；而主缸下腔，安全阀开启，经液控单向阀至电液伺服阀的b 口、t 口， 此时由于压机的油压高，压制后油缸上腔储蓄着压力能，若快速卸压，能量突然 释放，会产生响声和振动，为此必须采取预卸压，开启比例节流阀，调节比例电 磁铁的电流，设置比例节流阀的开启量来实现预卸压。 卸压后，此时主缸在自重作用下快速下降，泵虽为最大流量，但还不足以补 充主缸上腔空出的容积，其上腔局部形成真空，将充液阀口吸开，充液油箱中的 油液在大气压及油位的作用下，进入主缸上腔。 1 6 第二章锻造液压机系统组成 ( 2 ) 慢速接近工件、加压、保压延时 当主缸滑块压下形程开关2 s q 时，由于回油路上有背压力，滑块仅靠自重 就不能下降，由泵供给的压力油使之下行，速度减慢，这时主缸上腔压力升高， 充液阀关闭，来自泵的压力油推动活塞使滑块慢速接近工件，当主缸活塞的滑块 抵住工件后，阻力急剧增加，上腔油压进一步升高，变量泵的排油量自动减少， 主缸活塞以极慢的速度对工件加压。 当主缸上腔的油压达到预定值时，压力继电器发出信号，使电磁铁l d t 断 电，先导阀回复中位，将主缸上、下油腔封闭。同时泵的流量经先导阀的中位卸 荷，单向阀保证了主缸上腔良好的密封性，主缸上腔保持高压。保压时间长短由 时间继电器计时和发讯。 主缸下腔经液控单向阀，电液伺服阀的b 口、t 口至油池回油。 ( 3 ) 泄压 调节比例电磁铁的电流，设置比例节流阀的开口量来实现预卸压。 ( 4 ) 快速回程 2 d t 通电，油泵供油，溢流阀开启，经电液伺服阀的p 口、b 口至油缸下腔， 而主缸上腔油液经充液阀回油至充液箱，实现主缸快速回程，同时油缸上腔的油 一路至比例节流阀，一路至电液伺服阀的a 口、t 口至油池。 ( 5 ) 停止 当主缸滑块上的挡铁压下行程开关l s q 时，电磁铁2 d t 断电，先导阀处于 中位，主缸滑块被锁紧而停止运动。液压泵在低压力下卸荷，系统中的油液流动 情况与保压延时时相同。 ( 6 ) 顶出 顶出缸只有在主缸停止运动后才开始动作。顶出缸的运动是受电液换向阀控 制的，但压力油要先经过电液伺服阀后才能进入电液阀，故使先导阀处于中位时 才能有油通向顶出缸。 ( 7 ) 退回 l y a 断电，2 y a 通电吸合时，油路换向，顶出缸的活塞下降。 2 3 7 液压元件的选用和设计 各种阀及其它元件的型号选择，可根据设计要求及有关确定元件的尺寸，查 相关手册或产品目录列于表2 3 。 天津工业大学硕士学位论文 表2 3 液压元件明细表 2 3 8 系统发热温升的计算 ( 1 ) 热功率乃 乃2 只( 1 一刁) 公式( 2 - 2 ) 式中：只为液压泵的输入功率( w ) ；刁为液压泵的总效率。 3 2 1 0 6 旦l o 一3 b 2 等2 刁6 勉h 公式( 2 3 ) 故p ，= 只( 1 - 刁) = 3 6 5 2 ( 1 - 0 9 2 ) = 2 9 2 k w ( 2 ) 油箱散热面积 a = 6 6 6 痧 式中：矿为油箱的容积，文中矿= 孝级( 此式适用于机床或其它一些固定式 机械的估算式) 善为与系统压力有关的经验值，低压系统孝= 2 - 4 ，中压系统善= 5 - 7 ，高压系 统f = 1 0 1 2 第二章锻造液压机系统组成 文中孝取l l ，得到油箱的有效容积y = l l 6 3 = 6 9 3 l 。 故a = 6 6 6 v 矿= 5 8 9 朋2 ( 3 ) 油液的温升 r ：兰 公式( 2 4 )r = l公式( 2 4 ) g 彳 、 式中：g 为油箱散热系数，k w 脚2 o c 。 通风较差时，取g = ( 8 - 9 ) 1 0 - 3 k w 册2 。c 。 通风较好时，取g = ( 1 5 1 7 5 ) 1 0 3k w 朋2 o c 。 风扇冷却时，取g = 2 3 1 0 - 3k w m 2 o c 。 循环水冷却时，取g = ( 1 1 0 1 7 5 ) 1 0 - 3k w 册2 o c 。 文中取g = 1 5 1 0 - 3k w 坍2 。c ，则 丁：三：罂：3 3 。c 1 5 1 0 。5 8 9 温升没有超出允许范围，液压系统中不需要设置冷却器。 2 3 9 结论 四柱式液压机的液压系统按照2 0 0 0 k n 的要求设计，能使液压机准确实现预 定的动作顺序和工艺流程。 2 4 本章小结 本章介绍了锻造液压机的组成，及工作原理，及主要技术参数的确定，并通 过一系列计算对四柱型液压机的液压系统进行了设计改进，分析了液压系统的工 作原理，并对发热温升进行了性能验算。 1 9 天津工业大学硕士学位论文 第三章基于m a t l a b 语言环境下的s i i i l u l i l l l ( 建模仿真 第三章基于m a t l a b 语言环境下的s i i l l u l 址建模仿真 3 1 引言 伴随着相似性原理理论、控制论、信息技术及相关领域学科的发展，计算机 仿真技术逐渐发展起来，它以计算机和各种专用物理设备为工具，借助系统模型 对真实系统进行试验的一门综合性技术。仿真又分为实物仿真、数学仿真、半实 物仿真等，计算机仿真是在研究系统过程中根据相似性原理，利用计算机来逼真 模拟研究系统。研究对象可以是实际的系统，也可以是设想中的系统。 3 2m a t l a b s i m u l i n k 功能介绍 s i m u l i n k 是一种用来实现计算机仿真的软件工具，是m a t l a b 的一个附加组 件，可用于实现各种动态系统包括连续系统、离散系统和混合系统的建模、分析 和仿真。它的特点是易学易用，能够依托m a t l a b 提供的丰富资源。它的框图化 设计方式和良好的交互性，对工程人员本身的计算机操作与编程的熟练程度的要 求降到了最低，工程人员可以把更多的精力放到理论和技术的创新上。s i m u l i l l l 【 模块的应用包括s i m u l i n k 工作平台的启动、仿真原理、模块库、仿真模型的建立 和模块参数及属性的设置五个方面的内容。 ( 1 )启动s i m u l i n l ( ，有两种方式：一是在m a t l a b 命令窗口中直接输入 s i m u l i i l l ( 命令，一种是在m a t l a b 工具栏上单击s i m u l i h k 按钮，如下图3 1 ： 图3 1s i i n u l i i l l ( 库模块浏览器 当打开了s i m u l i l l l ( 的库模块浏览器后，在菜单栏中执行f i l e n e w m o d e l 命 令，建了一个新的岫t i t l e d 的模型窗口，用户可以在这个界面上创建模型。 ( 2 ) s i m u l i n l ( 仿真原理 一个典型的s i m u l i f l l ( 模型包括三种类型的元素，如图3 2 所示： 2 l 天津工业大学硕士学位论文 图3 2s i m u l i n k 模型三要素 信号源模块：信号源为系统的输入，它包括常数信号源、函数信号发生器和 用户自己在m a t l a b 中创建的自定义信号。 被模拟的系统模块：系统模块作为中心模块是s i m u l i n k 仿真建模所要解决的 主要部分。 输出显示模块：系统的输出由显示模块接收，输出显示的形式包括图形显示、 示波器显示和输出到文件或m a t l a b 工作空间中三种，输出模块主要在s i n l ( s 库中。 ( 3 ) s i m u l i n k 仿真过程 在初始化阶段，需要对模型的参数进行估计，得到实际计算的值，然后展开 模型的各个层次，按照更新的次序对模型进行排序，确定那些显示化的信号属性， 并检查每个模块是否能够接受并连接他们输入的信号，确定所有非显示的信号采 样时间模块的采样时间，分配和初始化存储空间，以便存储每个模块的状态和当 前值的输出。在模型执行阶段，首先要按照秩序计算每个模块的积分，其次是根 据当前输入和状态来决定状态的微分，得到微分矢量，再把它返回解法器，以计 算下一个采样点的状态矢量，在每个时间步中，s i m u l i n k 按照秩序更新模块的输 出、更新模块的状态、检查模块连接状态的不连续点、计算下一个仿真时间步的 时间。 ( 4 ) s i m u l i n l ( 模块库 在模块库浏览器中可以看到有各种类型的模块。在连续模块( c o n t i n u o u s ) 库中包括了如下的连续模块，如图3 3 所示： 图3 3 连续模块 积分模块( i n t e g r a t o r ) ：对输入变量进行积分，其中模块的输入可以是矢量 第三章基于m a t l a b 语言环境下的s i i i l u l i n k 建模仿真 也可