（机械制造及其自动化专业论文）1250t覆盖件液压机液压系统的设计与研究.pdf

摘要 作为覆盖件的主要加工设备，液压机液压系统的结构及其缓冲性能、压边力控制 性能直接影响着产品的质量，是现代液压机研发中的关键。 首先，根据1 2 5 0 t 覆盖件单动框架式液压机液压系统的设计需求，确定了其动力 结构，设计了整机液压系统原理图，并进行了主要液压回路设计与动作顺序分析，以 及部分主要参数的计算。 进而，采用m a t l a b s i m u l i n k 对初步设计的节流缓冲系统进行仿真分析，发现系 统存在较大的振动及噪音问题，提出了采用蓄能器节流的缓冲方案，通过同时改变系 统回路和缓冲缸内部的结构来改善系统的缓冲性能，最后通过仿真对比论证了该方案 的合理性。 接着，应用比例插装技术设计了变压边力液压控制系统，并采用m a t l a b s i m u l i n k 对插装阀内部参数如阻尼孔的长度和直径、控制腔弹簧刚度的和预紧力等对系统动态 响应性能的影响进行了分析，并采用复合形法进行了插装阀参数寻优，得到了优化的 插装阀参数，以改善系统的动态响应性能。 最后，通过常规样机测试，验证了主要液压回路设计与动作顺序的正确性，发现 工作噪音及振动减小。液压机多缸变压边力液压控制及其动态响应性能均可满足设计 目标。 关键词：液压机，缓冲减振，变压边力系统，动态响应性能 a b s t r a c t硕士论文 a b s t r a c t b e i n gm a j o re q u i p m e n tf o rs t a m p i n gf o r m i n go fa u t o m o b i l eb o d yp a n e l s ，t h e h y d r a u l i cs t r u c t u r e ，b u f f e rp e r f o r m a n c e ，a n db l a n kh o l d e rf o r c ec o n t r o lp e r f o r m a n c eo f h y d r a u l i cp r e s sp l a yd i r e c ti m p a c t so nt h eq u a l i t yo fp r o d u c t s t h e ya r ea l s ot h ek e y o ft h e r e s e a r c ha n dd e s i g no fm o d e r nh y d r a u l i c p r e s s f i r s t l y , a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s e so ft h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s ，am a j o rh y d r a u l i c s t r u c t u r eo f12 5 0 tf r a m eh y d r a u l i cp r e s sw a sp u tf o r w a r d t h es c h e m a t i cd i a g r a mo f h y a r a u l i cs y s t e ma n dt h em a j o rh y d r a u l i cc i r c u i t sw e r ed e s i g n e da n dd e t e r m i n e d ，a sw e l la s t h eh y d r a u l i ca c t i o ns e q u e n c ea n dp a r to fm a i np a r a m e t e r s m o r e o v e r , b ys i m u l a t e di nm a t l a b s i m u l i n k ，p r o b l e m si nt h eo r i g i n a ld e s i g no ft h e t h r o t t l e - b u f f e rs y s t e m s u c ha s1 a r g ev i b r a t i o na n dn o i s ew e r ef o u n d a na c c u r n u l a t o r - b u f f e r s y s t e mw a sp u tf o r w a r d t h eb u f f e rp e r f o r m a n c ew a si m p r o v e db ym o d i f y i n gb o t h h y d r a u l i cc i r c u i t sa n dt h ei n n e rs t r u c t u r eo ft h ec u s h i o nd a s h p o t ，f u r t h e r m o r e ，t h e r e a s o n a b l e n e s so ft h i ss y s t e mw a sd e m o n s t r a t e dt h o u g ht h ec o m p a r i s o nd e m o n s t r a t e so f s i m u l a t i o nr e s u l t s t h e n ，t h et w o w a yc a r t r i d g ev a l v ew a sp r o p o s e dt ob eu s e di nt h ed e s i g n i n go fa v a r i a b l eb l a n k h o l d i n gf o r c e ( v b h f ) c o n t r o ls y s t e m p a r a m e t e r ss u c h a st h el e n g t ha n dt h e d i a m e t e ro ft h er e s t r i c t i o no r i f i c e ，t h es t i f f n e s sa n dt h ep r e - t i g h t e n i n gf o r c eo ft h es p r i n g w e r es i m u l a t e di nm a t l a b s i m u l i n k f u r t h e r m o r e ，v i at h ec o m p l e xm e t h o d ，o p t i m i z e d p a r a m e t e r sw e r es e l e c t e ds oa st oi m p r o v et h ed y n a m i cr e s p o n s eo ft h ev b h fc o n t r o l s y s t e m f i n a l l y , b yt h en o r m a lh y d r a u l i cp r e s sp r o t o t y p et e s t i n g ，t h eh y d r a u l i cc i r c u i t sa n dt h e h y d r a u l i ca c t i o ns e q u e n c ew e r ev e r i f i e d t h en o i s ea n dv i b r a t i o nw e r er e d u c e d t h e s e p a r a t e dv b h fc o n t r o la n dd y n a m i cr e s p o n s ep e r f o r m a n c eo ft h e1 2 5 0 tm u l t i c y l i n d e r h y d r a u l i cp r e s sw e r ea l s od e m o n s t r a t e dt om e e tt h ed e s i g nt h ed e s i g ng o a l k e yw o r d s ：h y d r a u l i cp r e s s ，t h eb u f f e rs y s t e m ，t h ev a r i a b l eb l a n kh o l d i n gf o r c ec o n t r o l s y s t e m ，c a r t r i d g ed e s i g n i i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名： 娃宙 韵年参窍遗日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：j 函牡 扩净月巧日伊；年 ；其碜b 1 绪论 1 1 国内外现状和发展趋势 随着汽车工业的不断发展，对汽车覆盖件尺寸精度、形状精度、表面质量， 的要求越来越高，并且由于汽车覆盖件的加工有需要一次拉伸成形、局部成形、 并行路径的变化等等特点，对汽车覆盖件的加工设备一液压机也提出了更高的 设计要求 1 】。由于具有对压力、行程、速度单独调整功能的液压机能在保证极低 的废品率、较短的加工时间前提下，不仅能实现长行程、难成型以及高强度的材 料工件、复杂工件以及不对称工件的加工，而且还能够实现可变的动力组合。根 据工件深度的行程压力调整的加工方式，因此专门以生产覆盖件为主的大型薄 板成形液压机的设计已成为当今制造装备业的关键技术之一【2 硼。 由于覆盖件总体尺寸较大( 5 】，如驾驶室顶盖的毛坯尺寸可达2 8 0 0 m m 2 5 0 0 m m ；形状复杂，通常不能用简单的几何方程式来描述其空间曲面；轮廓内 部带有局部形状。这些特点往往要求液压机的工作台面大且能快速上升闭合、能 实现不同工艺要求的高压保压、符合不同工艺的压边要求以及多工位加工。因而 除了生产中模具设计、制造安装、材料性能、冲压工艺等条件之外，决定覆盖件 液压机的生产质量的主要因素就是作为其传动和控制核心的液压机液压系统的 结构、功能和性能设计】。其现状及发展趋势如下： ( 1 ) 液压系统的结构设计 液压系统结构集成化 】程度越来越高，近二十年来相继发展了板式集成、块 式集成和插装阀集成等多种形式。其共同特点是：结构紧凑，体积小；配管数量 少，设计和安装周期短、系统的振动小和漏油少；元件维修和更换方便；易于更 改和适应新的工作要求。其中尤其以插装阀集成系统发展最为迅速。 国内外对于油路结构的设计都趋向于集成化、封闭化设计。高压、大流量、 高速度、缓冲减振的特点要求高密封性，耐高压性等等。插装阀、叠加阀和复合 元件在液压系统中得到广泛的应用。国外已广泛采用封闭式循环油路设计，可有 效的防止油液泄露和污染，更重要的是防止灰尘、空气和化学物质侵入油液循环 系统，延长了机器的使用寿命 8 】。如德国多尔斯托( t p a ) 生产的压力机，部分 采用闭式液压系统，液压系统高度集成化，在机器结构的简化及能源的节约方面 都处于世界领先地位，并且能够精确控制多点压边。但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。 ( 2 ) 液压系统功能及控制系统的设计 传统的覆盖件液压机一般为双动液压机 9 】，液压机滑块上下移动，模板实现 i 绪论硕士论文 打料和压边工作。在汽车覆盖件的生产过程中覆盖件常常因为边缘材料过剩而产 生皱折，为了防止产生皱折或者破裂，需要采用压边圈，进行压边力控制，改善 材料的流动性，减少工件的内应力并且提高工件的加工质量。 2 0 世纪8 0 年代h a r d t t l 0 】等人采用液压系统设计了的第一套可调控压边力控 制设备。变压边力可以通过对压力机的改造实现控制。2 0 世纪9 0 年代德国的 s c h u l e r 研制了四点调压液压压力机，根据实际工况调整四个液压缸的压边力， 极大改善了压边效果。1 9 9 3 年，德国斯图加特大学的k s i e g e r t 】等人在液压 机上建立了计算机数控( c n c ) 多点压边控制系统，随即又开发了c n c 多点液压拉 深系统，使压边力随着位置和时间变化而变化。从定位精度上来看瑞士e s s a 公 司制造的微机控制的c a 刈c 系列液压机，液压缸的定位精度为0 o l m m ，重复精 度为小于0 o l m m ，模座的定位精度为0 i m m 。随着电液比例技术在液压多点压边 技术的应用，液压多点压边的技术得到很快的发展，单动液压机取代双动液压机 成为未来发展的趋势 1 2 1 。如图1 1 是金属板材成型中的过程控制图。f ，。是参考 的冲压力轨迹，f 。是提供给机械设备的压边力，f 。也是机械设备产生的冲压力【1 3 1 。 从图中可以看出，压边力的控制是在板料压制过程中不断调整的过程，由于板料 的厚薄不同、以及拉深工艺的变化，在压制过程中，所需要的压边力是变化的， 控制精度决定了拉深的精度以及可重复性。 图1 1 金属板材成型中的过程控制 为适应中、小批量生产，能够快速调整加工设备，更多的液压机液压系统采 用p l c ( 可编程控制器) 或者工控机来进行控制，使产品的加工质量和生产率都 有了极大的提高【1 钔，如天津锻压机械厂有6 0 的产品采用p l c 来提高控制性能 和可靠性；丹麦的s t e n h q j 公司采用s t e m e n sp l c ，实现对压力、位移的自动控 制h 纠；瑞士f e i n t o o l ( 法因图尔) 、美国m u l t i p r e s s 及加拿大b r o w nb o g g s 等 公司 16 1 ，都采用工控机使整机的控制性能、使用柔性和生产效率都有很大的提 高。但目前国内仍主要采用传统的继电器控制方式和p l c 的控制方式【l 卜墙j 。 用工业控制机或单片机作为主控单元对液压系统的控制 19 1 ，是通过外围接 口器件( 如a d 或d a 板等) 或直接应用数字阀及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。其主要特点为：具有友好的人机交互性，操作简 单，控制精度高；生产高速化，提高生产率；可顺利实现对工作参数( 如压力、 速度、行程等) 的单独调整，能进行复杂工件、不对称工件的加工；预存工作模 2 式，缩短调整时间，与柔性加工要求相适应；可通过软件来消除高速下的换向冲 击，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。 ( 3 ) 液压系统的性能设计 目前，高压、高速、高效化、机电液一体化、数控智能化、单动代替双动液 压机等都随着新工艺及新技术的出现而快速发展 2 0 】，如中国第二重型机械集团 牵头研发的液压机已达到世界最大标称8 0 0 m n 2 1 】。液压系统通常要求具有高响 应性，小噪音，并具有可调控的液压压边装置等性能【z 2 1 。 工作效率要求液压机能在大流量，高速度的工作状况下进行冲压加工。高压、 大流量、高速度的液压机的发展要求液压机具有良好的缓冲减振系统，缓冲系统 的性能直接影响了液压机的加工质量以及寿命【2 3 1 。 随着液压机在国内锻压市场占有率的大幅攀升，作为国内锻压设备的主要制 造企业之一的南通锻压设备有限公司，其产品的销售量已达到全国第三，江苏第 一的水平，但公司仍在不断调整产品结构，参照国外最新发展趋势，采用产、学、 研相结合的设计模式，积极开展新型大吨位框架式数控多点压边单动拉深液压机 研制，以提高产品的竞争力。 1 2 覆盖件液压机液压系统设计的关键技术 目前，覆盖件液压机液压系统设计的关键技术主要集中在以下四个方面：( 1 ) 主回路液压系统的设计；( 2 ) 缓冲减振系统的设计与分析；( 3 ) 变压边力系统的 设计与分析；( 4 ) 液压系统分析方法。 1 2 1 主回路液压系统的设计 主回路液压系统的设计关键在于决定效率、经济性和可靠性等合理工作压力 的选取、决定流通能力的液压阀的选取以及决定性能的回路组合与系统集成。 ( 1 ) 工作压力的选取 若选用较高的工作压力，可以减小液压缸缸径及相关几何尺寸，并减小流量， 从而主机结构尺寸及重量也得到减d , t 2 4 1 。但是，如果工作压力过高，又对液压 缸、管路等元件的强度提出了较高要求，因而又可能需要增大液压缸缸筒及管路 的壁厚、活塞杆的直径和重量；反之，若选用较低的工作压力，就必须加大液压 缸缸径及相关几何尺寸与主机结构尺寸及重量，并且必须成比例增大流量。同时， 工作压力选取的合理与否，还会对液压系统的效率、经济性和可靠性等产生重要 影响。通常可用类比法参照同类产品的压力来选取液压机液压系统工作压力。若 侧重液压系统节能，则应根据实际情况确定最佳工作压力，以使液压系统在运行 中具有最高效率。覆盖件液压机液压系统一般属于高压、大流量的系统，压力的 3 l 绪论硕士论文 选取一般比较大。 ( 2 ) 液压元件的选用 小吨位液压机的液压系统一般流量较小，故可用板式连接的普通液压阀或叠 加式液压阀对系统进行控制。而对于本论文中所研究的液压机属于大功率液压 机，因其系统流量较大，应该采用流通能力大的插装式液压阀对系统进行控制。 二通插装阀具有一系列优点，如结构紧凑、工艺性好、流动阻力小、通流能力大、 响应快等优点。插装阀的应用使系统的结构和性能都得到了极大的改善。因此， 插装阀的广泛应用使液压技术得到了巨大发展。 二通插装阀无论从结构上还是从控制机理上都与传统的液压阀有很大的区 别。二通插装阀和传统的滑阀在结构以及设计方法上都有明显的区别。其主要特 点如下 2 5 - 2 6 】： a 流动阻力小，通油能力大。插装阀与一般标准滑阀式液压阀相比，在相同 压力降和通径时，其允许通过的流量比滑阀式液压阀大一倍以上。 b 启闭动作快，切换迅速，换向冲击小。若用p c 控制，可以使两个阀芯动 作时间略有差异，即可使换向平稳。 c 阀芯与阀座是锥面密封，密封性能好，内泄漏少，具有自封闭能力。抗油 液污染能力强。 d 插装阀相对于普通阀最大的特点是集成化、管道少、工作可靠、寿命长、 结构简单、维修方便。并且具有一阀多功能的特性，可以组合成各种液压回路， 控制方式多种( 内腔、外腔、内外、联控等) ，故可充分满足系统工作的适应性。 同时具有通用化、系列化、标准化程度高等特点。 对于负载位移或速度位移关系具有严格要求的液压机，还需在以上 基础上配以电液比例控制阀或电液伺服控制阀，以实现对液压系统的精确控制【2 。 ( 3 ) 回路组合与系统集成 在液压回路组合时，为了避免液压机在快、慢速行程换接时可能产生的惯性 冲击，液压系统中应设置减速回路【2 8 】；为避免板材冲断时，因负载突然消失导 致工作缸产生急速下降及伴随的强烈冲击振动与噪声，可采用液压节流缓冲装 置。尽管各种液压机的工艺目的不同，但多数具有保压性能，系统保压后必须逐 渐泄压，以避免产生过大振动和噪声。为此，液压机液压系统通常应设有保压和 泄压回路。为了回收保压期间的储存的压力势能并加以利用，可考虑采用节能降 噪液压回路。对于执行器直立布置的液压机，工作部件很重，为使其避免因为自 重而下落，应设置相应的液压平衡回路【2 9 1 。北京特种机械研究所的张玉梅，蓝 澎【3 0 】对液压平衡回路的选择和计算进行了分析研究，其研究内容对于工程研究 有一定的指导意义。 4 1 2 2 缓冲减振系统的设计与分析 当液压缸拖动沉重的部件作高速运动至行程终端时，如果没有合适的缓冲装 置，往往会发生剧烈的冲击和振动，使系统工作不平稳，同时产生刺耳的噪声， 有时甚至使紧固件松动，损坏液压传动零部件，影响液压元件和系统的寿命，具 有很大的危险性 3 1 - 3 1 1 。 本论文所研究的覆盖件液压机属于高压、大流量的大吨位液压机，其缓冲系 统所需要承担的压制力也达到千吨以上，其缓冲系统是液压机液压控制系统中的 一个关键系统，对液压机的性能影响比较大。为保证缓冲系统稳定、高效的发挥 作用，必须考虑其缓冲过程中的动态响应。并要确定系统中各个要素对缓冲效果 的影响，比如滑块的质量，缓冲的速度等等。要使缓冲系统经济高效，还必须考 虑缓冲缸的有效面积，容积等等。因此，设计经济高效的缓冲系统是大型液压机 中的一个关键点及难点【3 3 1 。 在冲击力不是很大或者对缓冲要求不是很高的场合一般采用液压缸内部结 构的设计来达到缓冲减振的效果，即在液压缸内部设计一定的缓冲装置来实现缓 冲，结构简单，工作可靠，体积小，因而应用广泛。其主要工作原理是：在液压 缸的内部设置缓冲零部件，当活塞在到达行程末端之前的一定距离( 缓冲行程) 时，设法把液压缸排油腔( 缓冲油腔) 内的一部分或全部油液封闭起来，使其通过 节流小孔或缝隙排出，从而使被封闭的液压油产生适当的反压力( 缓冲压力) 与活 塞的惯性力相抵消，以达到减速制动的目的。缸内缓冲装置一般利用与活塞相连 的缓冲柱塞，和与缸体相连的缓冲孔之间的间隙，油流过时产生阻力，达到缓冲 目的，故也可称之为节流缓冲 3 4 - 3 5 1 。 内置缓冲的结构型式很多，根据节流孔或缝隙的通流面积在缓冲过程中能否 自动改变，大致可分为恒节流面积缓冲装置与变节流面积缓冲装置两类。恒节流 面积缓冲装置的特点是：液压缸在缓冲过程中，节流面积不变，在缓冲开始时， 可产生较大的缓冲压力，但很快就降低下来，因此，缓冲效果一般。变节流面积 缓冲装置的特点是：液压缸在缓冲过程中，节流孔或缝隙的通流面积随缓冲行程 而自动改变，使缓冲油腔内的缓冲压力基本保持均匀，或呈一定的规律变化，这 样就可以得到满意的缓冲效果。浙江大学的刘波 3 6 】等人对液压缓冲缸的结构进 行了分析，研究了节流孔面积、缸内液压油容积等因素对缓冲效果的影响，对缓 冲缸的设计提供了一定的理论基础。 目前对于大吨位的液压机，占主流的减振技术是采用缸外缓冲技术【37 1 ，也 就是指利用缓冲元件【3 8 】( 液压缸及液压阀) 抵消液压机滑块的振动，消耗振动 能量，如德国迪芬巴赫( d i e f f e n b a c h e r ) 公司的产品，国内浙江大学、济南铸造 锻研究所【3 9 】也开展了类似的研究。这类技术减振效果好，工作可靠。杨灿军、 5 1 绪论硕士论文 胡标【4 0 等人对各种液压缓冲方法进行了分析、归纳，并对各种缓冲方法的应用 场合进行了分析研究。浙江大学的张文斌，周晓军 4 l 】对液压缓冲器的特性进行 了计算和分析，认为节流缓冲器的动态性能主要与缓冲器中的液体的压缩性等密 切相关，因此在设计时需充分考虑容腔液体体积及弹性模量等等。中南大学刘忠 【4 2 】采用数字仿真的方法，对蓄能器缓冲方法进行了研究，肯定了蓄能器缓冲减 振方法的可用性和有效性。 1 2 3 变压边力系统的设计与分析 覆盖件的生产中由于材料性能参数、模具设计、制造与安装、冲压工艺条件 在生产前已确定，而只有压边力是生产过程中可调整的工艺参数，因此通过研究 变压边力系统来改善覆盖件拉伸成形性能是目前拉伸成形研究的热点之一【4 引。 变压边力系统的设计包括：如何建立能够实现变压边力的系统和如何提高变压边 力系统的响应性。 ( 1 ) 变压边力系统的设计 目前国内对压边力的研究还主要采取的是传统的方式，一般采用的是单动压 力机的弹性压边圈和双动压力机的刚性压边圈来施加拉深过程中所需要的压边 力，压边力曲线如图1 2 所示。弹性压边圈最常见的有橡胶、弹簧和气垫压边圈 等m 剐】。刚性压边一般有两个滑块，在拉深开始时，首先由外滑块施加压边力进 行压边，然后由内滑块施加拉深力进行拉深。另外，国内的一些学者还设计了一 些恒压边力装置【4 6 】，提出用弹簧或橡胶作为弹性元件压边，不仅可以使压边力 在拉深过程中保持恒定，而且可调节压边力的范围，以适用于不同厚度板坯的压 边。对于变压边力控制曲线的研究，以上海交通大学的孙成智一刀为代表的学者 利用实验平台，对许多种压边力控制曲线进行了仿真和实验验证，取得了一定的 成绩。而对于板料智能加工的研究，燕山大学的赵军【4 8 】教授对板料折弯回弹的 智能预测、桶形件的智能加工、加工过程摩擦系数的智能检测等做了很多的工作。 压 边 力 q k n 拉深深度h r a m 图1 2 弹性压边圈随拉深深度的变化 从采用液压系统控制压边力的角度来讲，传统的开关式液压控制系统，其压 边力在拉伸过程中是不可变的，也是恒定的。为使工件不起皱，其压边力必须事 6 先调整好整个拉伸行程中最大压边力，这就大大增加了工件( 特别是拉伸深度较 深工件) 被拉裂的可能性。由于制品缺陷率、废品率较高，限制了其在复杂深拉 伸制品生产中的应用。 关于可调节的变压边力技术最早由德国的s t a h le i s e n 在上个世纪八十年代 提出【4 9 】，随后在国外逐渐发展起来，多年来一直是国际成形加工领域研究的一 个热点，其主要研究方向为变压边力的实现方法研究及变压边力系统的响应速度 等等。德国学者h a r d t 等人 5 0 - 5 1 】在1 9 9 0 年通过伺服系统设计得到第一套可调控 的压边力控制系统，通过变压边力系统，压制出质量较高的杯形零件，在此基础 上，德国舒勒( s c h u l e r ) 公司开发了一种四点调压的液压压边装置【5 到，但是液 压伺服控制一般只用于高精度的自动控制设备中，盲目采用液压伺服控制显然过 于浪费。 德国s t u g g a r t 大学s i e g e r t 等人 5 3 】开发了多点变压的压边力控制系统，在该 系统中，多个液压缸支撑的液压拉深垫系统，各液压缸分别由独立的液压阀控制， 各压边缸可以施加不同的压边力。在此基础上，s i e g e r t 等又开发了计算机数字控 制( c n c ) 多点液压拉深垫系统，在每个压边缸上安装高度可自动调节的装置和压 力传感器，根据各压边缸的应力，由计算机自动调整顶杆的高度，实现压边力随 位置和时间变化。 上海交通大学、国家模具c a d 工程研究中心的舒世湘 5 4 】等人通过改进 h h p 2 8 1 2 0 的双动薄板拉深液压机对原有下顶出缸的液压油路控制系统进行了 一系列的改进，采用高精度的比例溢流阀控制下顶出缸的压力和高精度传感器采 集顶出缸油压，使顶出缸在工控机控制下能够提供可控变化的压边力，认为采用 液压系统控制压边力的变化是一种可行可靠的方法。 作为一种介于开关式控制和伺服控制之间的控制方式，电液比例控制技术除 了能实现对油液压力和流量的连续控制，还可明显简化液压系统，既具有良好的 性能，又具有适中的价格，因此其在快速深拉伸液压机液压系统中的应用前景广 阔。 ( 2 ) 变压边力系统的响应性能 h a r d tde 和f e n n 等人通过用闭环控制系统【5 5 】，跟踪法兰起皱高度或板料在 圆角处的材料流动方式，实时调整压边力。上海交通大学王武荣【5 6 】等等基于压 边力成形窗口的定义和分析，提出一种新的控制目标，并以此建立了可控压边力 的p i d 反馈控制模型，该方法可以同时考虑冲压行程和压边板位置进行压边力 控制，这是从控制系统上提高变压边力系统的响应性能。 从液压系统及元件上，通过液压元件的优化可改善液压系统的响应性，如韩 文、赵丽霞【57 对全自动液压压砖机中插装阀的静动态特性进行了分析，研究了 7 l 绪论硕士论文 插装阀的工作原理、复合控制以及其静动态特性。广东机械研究所庞积伟【5 8 】对 插装阀的数学模型及其动态特性进行了仿真研究，为插装阀在液压机中的应用提 供了一定的根据。变压边力系统中影响其性能的主要有比例阀和插装阀，比例阀 作为种高响应速度的一种高精度阀，本身已具有很高的响应性，因此如何通过 改善插装阀的参数来提高压边力系统的响应性是目前研究的热点。 1 2 4 液压系统分析方法 评价液压系统能否正常工作和各项性能指标时，除了要求液压系统必须完成 规定的动作循环和满足静态特性外，还要求液压系统具有良好的动态特性。液压 系统中有时出现的震动、液压冲击、噪声以及工作器件运动失调等现象，都是由 于液压系统动态特性不良所致，因此对液压系统的动态特性 5 9 1 进行研究具有十 分重要的意义。分析液压系统动态特性所采用的方法包括面向对象的建模和传递 函数法建模。 液压系统数学建模的方法主要分为传递函数法、状态空间法、键合图。状态 空间法和键合图建模方法比较复杂，而采用传递函数建模，建模思路清晰、简单， 是目前比较常用的一种液压建模方法。 液压系统建模仿真技术始于2 0 世纪5 0 年代，当时h a n p u n 和n i g h t i n g a l e 运 用传递函数法分别对液压伺服系统做了动态性能分析，是一种用于单输入单输出 系统的方法【6 们。其中德国亚琛工业大学的d s h 软件和英国b a t h 大学的b a t h f p 是推出得最早，在行业中影响也是最大的软件。还有瑞典的h o s p a n 、法国的 a m e s i m 和美国的s i m u l i n k 五个系统。其中b a t h f p 系统是专门用于液压与气 动系统的时域仿真软件，由英国b a t h 大学传动与运动控制中心开发。该软件采 用面向原理图的图形建模方法，但原理图的编辑过程仍然比较粗糙，仿真的速度 比较慢。a m e s i m 系统是由法国i n e 公司开发的其优点是不要求用户具备完备 的仿真方面的专业知识，更易于为广大工程技术人员掌握和使用，其缺点是部分 液压元件由于其结构的复杂性，需要用h c d 元件进行搭建，西北工业大学的刘 海丽等在使用a m e s i m 时提出在某些元件的仿真时，提出a m e s i m 的使用需要 与其他软件进行接口，简单的元件搭建还不能满足仿真效果。 而美国的m a t l a b s i m u l i n k 工具箱 6 1 l s i m u l i n k 本身没有专门针对流体仿真的 工具箱，用户使用时要自己建立模型，但有的大量控制模块可以任意调用。 s i m u l i n k 主要特点如下：s i m u l i n k 系统使用m a t l a b 语言，也可以与c 、c + + 结合； 搭建系统时，可以结合优化工具箱进行优化；使用s i m u l i n k 需要对系统的数学 模型有深刻的理解；s i m u l i n k 应用广泛，几乎所有的商业仿真软件都提供了与它 的接口，如v b ，v c ，a m e s i m 等等。 8 1 3 论文的主要研究内容 本课题来自于江苏省科技攻关项目新型框架式数控多点压边单动拉深液压 机研制，以与南通锻压设备有限公司产、学、研合作为背景，开展了1 2 5 0 t 框 架式覆盖件液压机液压系统设计的研究。通过本课题中对液压系统的研究为大型 覆盖件液压机液压系统的设计及应用提供技术支持和理论依据，提高南通锻压设 备有限公司液压机的设计制造水平，课题主要研究内容包括：液压机主机结构的 设计与优化，液压回路的设计与分析，数控技术在液压机设计中的应用。 本论文所涉及内容为液压回路的设计与分析，主要研究内容如下： ( 1 ) 液压机动力结构的设计及主液压回路的设计。 分析了1 2 5 0 t 覆盖件液压机床液压系统的设计需求，确定了其动力结构， 在考虑在现有的厂方提供的标准阀块的基础上，设计了整机主要液压系统原理 图，并进行了主要液压回路设计与动作顺序分析，以及部分参数的计算。 ( 2 ) 缓冲减振系统的设计与分析 通过研究缓冲减振系统的必要性和常用的缓冲方法，采用m a t l a b s i m u l i n k 对原有的节流缓冲系统进行仿真分析，发现系统存在振动及噪音较大的问题，在 此基础上，提出了采用蓄能器节流的缓冲方案，通过同时改变系统回路和缓冲缸 内部的结构来改善系统的缓冲性能，最后通过仿真对比论证了该方案的合理性， 为系统的设计提供了理论依据。 ( 3 ) 变压边力系统的设计与分析 变压边力系统是所有覆盖件液压机的设计重点。在国内，很多带有变压边力 系统的单动液压机都限于试验研究。而本文所研究的1 2 5 0 t 汽车覆盖件液压机， 在设计过程中，将进行实际的调研，从动态性能方面对变压边力系统的相关参数 进行优化设计，以使得变压边力系统能够达到最优的性能指标。应用了比例插装 技术设计了变压边力液压控制系统，并采用m a t l a b s i m u l i n k 对插装阀内部参数 如阻尼孔长度和直径、控制腔弹簧刚度和预紧力等等对系统动态响应性能的影响 进行了分析，并采用复合形法对插装阀参数进行计算机寻优，得到了优化的插装 阀参数，改善了系统的动态响应性能。 ( 4 ) 样机测试。 在前面的理论基础上对液压机进行实物测试，通过样机常规测试实验，验证 主要液压回路设计与动作顺序正确性，液压机可以顺利实现多缸变压边力液压控 制。通过试验数据与理论研究数据的对比分析，可以确定其动态响应性能满足设 计要求。 9 1 绪论硕士论文 本文的主要研究思路见图1 3 ： 1 4 论文的组织结构 分析本课题研究背景、现状及研究目标 液压系统设计要求分析 主要回路的设计 缓冲减振系统的改进及仿真分析 变压边力系统设计以及参数的 仿真、分析与优化 样机测试及结果分析 工作总结与展望 图1 3 论文研究思路 本论文各章节的内容安排如下： 第1 章简要介绍本课题研究的背景和意义，分析了国内液压机设计的相 关技术的研究现状，确立课题的研究内容和目标，阐述了论文的结构安排。 第2 章介绍了液压机原理及1 2 5 0 t 覆盖件液压机的设计要求，进行参 数的计算并设计液压机液压回路。 第3 章对缓冲系统的必要性和常用的液压缓冲方法进行了介绍，并对初 步缓冲方案和新缓冲方案进行了仿真对比分析。 第4 章建立变压边力系统的数学模型，并利用m a t l a b s i m u l i n k 进行模 型的仿真，对影响变压边力系统动态特性的参数进行分析。利用复合形法对影响 变压边力的关键因素插装阀阻尼孔直径、长度及控制腔弹簧刚度、预紧力进 行优化设计，寻找这些因素的最佳组合，并将优化结果与优化前的结果进行对比 分析。 第5 章对液压机液压系统进行安装调试，并进行实验，将实验结果与仿 真结果进行对比分析。 第6 章总结所做的工作，并对今后工作提出展望。 l o 21 2 5 0 t 覆盖件液压机液压系统设计 2 112 5 0 t 覆盖件液压机工作原理及特点 1 2 5 0 t 汽车覆盖件框架式单动式液压机由主机、动力系统及液压控制系统三 部分组成。 动力系统为泵直接传动，提供液压机滑块工作时所需要的高压液体，并接受 滑块回程排回的低压液体，此外，对工作液体进行检测、过滤、搅拌及冷却，以 保证工作液体处于最佳工作状态。液压控制系统主要将动力系统提供的高压液体 在准确的时间和地点输送到所需要的工作缸处，并将各缸排回的低压液体输送回 动力系统。液压控制系统主要由各种阀、阀箱、连接管道及操纵阀正确动作的控 制部分组成。 7 6 5 4 l 一上横梁2 一立柱3 一下横梁 4 一工件5 一滑块6 一柱塞缸7 一活塞缸 图2 11 2 5 0 t 液压机主机结构简图 液压机的主机结构及工作原理可用图2 1 表示。它由上横梁1 、下横梁( 工 作台) 3 、四个立柱2 和内外螺母组成一个封闭框架，框架承受全部工作载荷。 工作缸固定在上横梁上，工作缸内装有工作活塞( 柱塞) 杆，它与滑块相连接。 滑块以左右立柱为导向，在上下横梁之间作往复运动。在滑块的下表面，一般固 定有上模，而下模则固定于下横梁的工作台上。当高压液体进入工作缸后，在工 作柱塞上产生很大的压力，并推动工作柱塞、滑块向下运动，使工件( 锻件) 4 在上下模之间发生塑性变形。回程时，高压液体进入活塞缸下腔，推动活塞向上 运动，带动滑块和柱塞回到原始位置，完成一个工作循环。 框架式液压机滑块的导向依靠固定在立柱上的导轨导向，具有导向精度高， 212 5 0 t 覆盖件液压机主要液压系统设计 硕士论文 抗偏载能力大等优点，但制造成本比较高，用在对精度要求较高的场合，如金属 薄板的冲压、金属精密成型等工艺。 2 212 5 0 t 覆盖件液压机液压系统设计的要求分析 本节对1 2 5 0 t 覆盖件液压机液压系统主要设计参数进行了分析，并对液压机 设计的功能要求、性能要求及液压系统结构要求作出了分析。为下一步的液压系 统的设计做好铺垫。 2 2 1 液压机设计参数 1 2 5 0 t 覆盖件液压机主要设计参数如下表2 1 ： 表2 11 2 5 0 t 覆盖件液压机主要设计技术参数 序号项目单位规格 l 公称力 k n1 2 5 0 0 2 缓冲力 k n2 3 1 5 0 3 液压垫力 k n5 8 0 0 4 液压垫顶出力 k n8 0 0 5 液体最大工作压力 m p a2 5 6 滑块最大行程 n 】m1 3 0 0 7 液压垫最大行程 i n m 4 0 0 8 滑块距工作台最大开口距离 n u n1 8 0 0 快下 m m $4 0 0 9 滑块行程速度 工作m m $1 3 3 8 回程 m m s2 4 0 移动工作台有效 左右m m4 5 0 0 1 0 尺寸 前后 n h n2 2 0 0 左右n 】m3 5 0 0 1 1 液压垫有效面积 前后 n l m1 4 8 0 1 2 电机功率k w 4 5 5 + 2 2 关于表2 1 中液压机主要参数说明如下： ( 1 ) 公称压力p ：本机公称压力为1 2 5 0 0 k n ，公称压力是液压机的主参数， 反映了液压机的工作能力，代表液压机的最大力量。在数值上等于液压系统最大 压力与工作缸面积的乘积( 取整) 。 1 2 ( 2 ) 缓冲力：缓冲力由缓冲缸实现，主要用来吸收液压机冲压过程中冲击 力，同时在滑块回程时提供部分回程力。缓冲缸能够消除液压机拉伸过程中的冲 击和振动，能够保持机床的精度，延长机床和模具的寿命。 ( 3 ) 液压垫力：液压垫力即压边力，合理的压边力能够能充分发挥材料的 成形极限，提高拉深件的成形质量和降低工业成本。 ( 4 ) 液压垫顶出力：提供移动工作台移动的顶出力，顶出功能能够方便模 具和工件的安装及取出。 ( 5 ) 液体最大工作压力：本机液体最大工作压力为2 5 m p a ，液体最大工作 压力与工作缸面积的乘积即为液压机公称压力p 。 ( 6 ) 滑块最大行程s ：滑块行程指滑块能够移动的最大距离。滑块行程和开 口高度对液压机有相似的影响，因此也应在满足工艺的情况下，尽量缩短滑块的 行程。 ( 7 ) 液压垫最大行程：对于本论文所研究的1 2 5 0 t 覆盖件液压机，液压垫最 大行程则代表了本液压机最大拉伸深度。 ( 8 ) 开口高度h ：开口高度反映了液压机在高度方向上工作空间的大小。 开口高度对液压机的总高、立柱长度、液压机的稳定性能及厂房高度都有很大影 响，因此需要在满足工艺要求的情况下，尽量减少液压机的高度。 ( 9 ) 滑块速度：包括工作行程速度、空行程速度及回程速度。它的变化范 围很大，应根据不同的工艺要求来定工作行程速度，本文所研究液压机的工作速 度可在1 3 3 8 m m s 之间调节。 ( 1 0 ) 工作台面有效尺寸( 左右前后) ：此尺寸应根据工件及模具的尺寸 来确定，并还需要考虑工艺操作上的空间需要。 ( 1 1 ) 回程力：回程力需要根据活动部分的重量、回程是工艺上所需要的力、 工作缸排液阻力等等来确定。 2 2 2 功能要求 1 2 5 0 t 汽车覆盖件框架式单动式液压机要求： ( 1 ) 液压滑块能在任意位置停留，能够精确的停留在任何位置并保持一定 的位置精度； ( 2 ) 能无级调节工作压力，使液压机能够产生不同的冲压力，满足多场合 的应用； ( 3 ) 能实现无负荷空循环，在开机后可以进行无负荷运转，在机器运行稳 定后进行加载工作： ( 4 ) 在空载下启动油泵，有可靠的安全溢流装置，防止机器超负荷工作； ( 5 ) 多缸工作时有可靠的连锁要求工作缸能够同步工作。 21 2 5 0 t 覆盖件液压机主要液压系统设计 硕士论文 液压机主要工艺要求分为两个部分：包括点动流程要求和半自动流程要求。 半自动流程又分为拉伸流程要求；手动流程要求；自动流程要求。无负荷空载循 环及点动动作顺序和半自动一拉伸顺序如图2 2 所示，其中手动流程及自动流程 类似，不再赘述。 ( a ) 无负荷空载循环 1 。一【一【。j 【，一【_ j l _ j 广 厂 厂 厂 厂 _ 竺墨竺查兰h 兰竺竺竺翌卜叫兰璺竺圭翌 _ 1 兰璺竺! 堡卜叫竺兰竺兰竺f 巫 ( b ) 点动动作顺序 ( c ) 半自动一拉伸动作顺序 图2 2 液压机动作顺序图 2 2 3 性能要求 要求机床有足够的压制精度、振动小、噪音小、动作平稳、泄露小并具有大 台面工作台等特点。 ( 1 ) 液压系统需要具有泄压功能，在液压机保压结束后，主缸内处于高压 状态，此时立即回程会对液压机产生很大的冲击力并产生很大的噪音，会使液压 机结构发生开裂等现象，需要设计泄压阀块避免机器受到大的冲击力并减小噪 立 曰o ( 2 ) 设计要求1 2 5 0 t 覆盖件液压机将是具有能够调节压边力的，在压边功 能上等同于甚至超过双动液压机的机床。本液压机属于专用液压机，对液压机的 性能有着比较高的要求，要求液压机能够进行多点压边功能。压边力能否快速的 建立而且超调量比较小是压边力回路设计中需要解决的难题。压边力的建立可以 从如下三个方面进行改善：( a ) 紧凑的液压回路的设计，增强液压系统的刚性， 使液体压力能够快速的建立。( b ) 选择高性能的阀，并对影