宋曉美，韓 亮

（1.山西大學(xué)，山西太原 030013；2.太原鋼鐵集團(tuán)公司，山西太原 030000）

壓力機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真

宋曉美1，韓 亮2

（1.山西大學(xué)，山西太原 030013；2.太原鋼鐵集團(tuán)公司，山西太原 030000）

針對(duì)壓力機(jī)液壓系統(tǒng)常見(jiàn)的振動(dòng)及噪聲問(wèn)題，設(shè)計(jì)了應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際的壓力機(jī)液壓及控制系統(tǒng)，分析了液壓系統(tǒng)原理，并利用FluidSIM軟件對(duì)該系統(tǒng)的液壓回路及電氣控制回路進(jìn)行仿真。

壓力機(jī)；液壓系統(tǒng)；設(shè)計(jì)；原理

0 引言

壓力機(jī)是利用沖壓、鍛壓、成型等技術(shù)工藝，通過(guò)對(duì)金屬或非金屬坯件施加強(qiáng)大的壓力使其發(fā)生塑性變形和斷裂來(lái)加工成型的機(jī)械設(shè)備[1]。其中液壓壓力機(jī)具有壓力大、運(yùn)行穩(wěn)定、日常維護(hù)和保養(yǎng)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航天、火車(chē)、汽車(chē)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、車(chē)輪制造、減振器等及其他機(jī)械行業(yè)。壓力機(jī)的液壓系統(tǒng)主要以壓力控制為主，流量大，壓力高，且壓力、流量變化大。

傳統(tǒng)液壓壓力機(jī)普遍存在振動(dòng)明顯、噪聲大等缺陷。一方面振動(dòng)易造成原件的靈敏度下降、機(jī)件松動(dòng)、油箱溫度持續(xù)升高等。強(qiáng)烈而持久的振動(dòng)還易造成液壓壓力機(jī)密封環(huán)境破壞、壓力機(jī)原器件損壞甚至失靈，以致壓力機(jī)不能正常工作。設(shè)備振動(dòng)也會(huì)極大地降低產(chǎn)品的合格率。另一方面，伴隨振動(dòng)發(fā)出的噪聲嚴(yán)重影響了機(jī)器操作人員的身心健康，容易引發(fā)事故。因此，在設(shè)計(jì)壓力機(jī)液壓系統(tǒng)時(shí)，必須充分考慮避免壓力機(jī)的振動(dòng)與噪聲，采取合理的解決方案。

1 壓力機(jī)的運(yùn)動(dòng)分析

液壓壓力機(jī)主要是由機(jī)架、液壓系統(tǒng)、加壓油缸（主缸）、移動(dòng)工作臺(tái)、冷卻系統(tǒng)、上模及下模組成。加壓油缸裝在機(jī)架上端，并與上模聯(lián)接，機(jī)架下端裝有移動(dòng)工作臺(tái)及與移動(dòng)工作臺(tái)聯(lián)接的移動(dòng)油缸（頂出缸），下模安放在移動(dòng)工作臺(tái)的上面，冷卻系統(tǒng)與上模、下模聯(lián)接。

根據(jù)壓力機(jī)的工作要求，主缸的工作循環(huán)為：快速下行→慢速下行→保壓→快速返回→原位停止[1]。如頂出缸的作用為主缸壓制工件完成后將工件頂出，其工作循環(huán)為：快速上行→停留→快速返回→原位停止[1]。如果是作薄板浮動(dòng)壓邊時(shí)，頂出缸在其上位時(shí)既能保持一定的壓力，又能隨主缸滑塊的下壓而下降。

2 壓力機(jī)的液壓及控制系統(tǒng)

根據(jù)壓力機(jī)主缸和頂出缸的工作循環(huán)過(guò)程，設(shè)計(jì)壓力機(jī)的液壓系統(tǒng)原理圖如圖1所示，電氣控制圖如圖2所示。其中液壓缸13代表主缸，液壓缸15代表頂出缸。

圖1 壓力機(jī)液壓系統(tǒng)原理圖

液壓系統(tǒng)的動(dòng)作順序表如表1所示。

主缸的工作過(guò)程如下。

（1）快速下行。1YA和5YA得電，換向閥4和5左位接入系統(tǒng)，主缸快速下行。進(jìn)油路：泵1→閥3→閥4左位→閥10→缸13上腔。換向閥5左位接入系統(tǒng)使液控單向閥11反向?qū)?，在滑塊重力作用下主缸活塞快速下行，泵供油不及而使缸13上腔出現(xiàn)負(fù)壓，使液控單向閥12反向?qū)ǎ溆拖涑溆偷礁?3上腔[1]?；赜吐罚焊?3下腔→閥11→閥7上位→閥4左位→閥16中位→油箱。

（2）慢速下行。主缸快速下行至接觸到工件時(shí)，上腔壓力升高，閥12關(guān)閉，充油箱停止充油，主缸慢速下行，實(shí)現(xiàn)加壓。此時(shí)進(jìn)油路與快速下行時(shí)相同，回油路通過(guò)節(jié)流閥9和換向閥7下位。下行速度與液壓泵流量有關(guān)，可由節(jié)流閥調(diào)節(jié)。

表1 電磁鐵動(dòng)作順序表

（3）保壓。主缸慢速下行至上腔壓力上升到壓力繼電器18的調(diào)定壓力時(shí)，1YA失電，換向閥4中位接入系統(tǒng)，主缸上下兩腔封閉，實(shí)現(xiàn)保壓，泵卸荷。保壓時(shí)間由時(shí)間繼電器按所壓制工件的工藝要求進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖2 電氣控制回路圖

（4）卸壓。保壓時(shí)間到后，時(shí)間繼電器發(fā)出信號(hào)使6YA得電，延時(shí)繼電器開(kāi)始計(jì)時(shí)，主缸上腔通過(guò)閥8和閥6上位卸壓。卸壓時(shí)間和速度分別由延時(shí)繼電器和節(jié)流閥調(diào)節(jié)。

（5）快速返回。卸壓時(shí)間到，延時(shí)繼電器發(fā)出信號(hào)使2YA和5YA失電，換向閥4右位接入系統(tǒng)，主缸快速返回?；赜鸵宦吠ㄟ^(guò)閥12回到充油箱，另一路通過(guò)閥10和換向閥4、16回油箱。

主缸壓制完成后，頂出缸頂出工件過(guò)程如下。

（1）上行。主缸回到原位停止，2YA失電，閥4中位接入，3YA得電，閥16右位接入系統(tǒng)，頂出缸向上頂出。進(jìn)油路：泵1→閥3→閥4中位→閥16右位→缸15下腔?；赜吐罚焊?5上腔→閥16右位→油箱。

（2）停留。3YA失電，閥16中位接入系統(tǒng)，頂出缸下腔封閉，因此頂出缸滑塊可在停留在某位置。

（3）下行返回。當(dāng)工件被取走，4YA得電，閥16左位接入系統(tǒng)，頂出缸下行返回。進(jìn)油路為：泵1→閥3→閥4中位→閥16左位→缸15上腔?；赜吐罚焊?5下腔→閥16右位→油箱。

當(dāng)壓力機(jī)作薄板浮動(dòng)壓邊時(shí)，進(jìn)油路為：缸13下腔→閥11→閥9→閥7下位→閥4左位→閥16中位→缸15上腔?；赜吐窞椋焊?5下腔→閥17→油箱。

該液壓系統(tǒng)有以下特點(diǎn)。

（1）在液壓泵出口處使用了順序閥，即使在液壓缸上腔出現(xiàn)負(fù)壓時(shí)液壓泵出口處始終能保持一定的壓力，從而保證主缸快速下行時(shí)液控單向閥7的反向?qū)ǎ苊庥捎趬毫Σ环€(wěn)定導(dǎo)致液控單向閥的開(kāi)、關(guān)轉(zhuǎn)換，引起振動(dòng)和噪聲。

（2）采用比例溢流閥的調(diào)壓回路來(lái)調(diào)整系統(tǒng)的壓力，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，既能實(shí)現(xiàn)調(diào)壓的方便性，又能保證壓力的穩(wěn)定性及壓力調(diào)節(jié)的精確度，從而保證壓力機(jī)的壓制精度，提高生產(chǎn)效率。

（3）由于主缸滑塊自重較大，采用了液控單向閥的回路來(lái)實(shí)現(xiàn)保壓，簡(jiǎn)單方便。

（4）設(shè)置了由換向閥和節(jié)流閥組成的卸壓回路，在主缸保壓后上行前對(duì)主缸上腔壓力進(jìn)行卸壓，避免由于上腔壓力大油路突然換接時(shí)產(chǎn)生液壓沖擊，引起振動(dòng)和噪聲。

（5）采用了出口節(jié)流調(diào)速回路，通過(guò)節(jié)流閥調(diào)節(jié)主缸的壓制速度，可滿(mǎn)足加工不同工件的多種壓制速度的要求，使設(shè)備的應(yīng)用范圍更廣[1]。

3 基于FluidSIM軟件的系統(tǒng)仿真

利用FluidSIM軟件對(duì)壓力機(jī)的不同工況進(jìn)行仿真[2]：按下S2按鈕，模擬壓力機(jī)開(kāi)始工作，液壓系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行，完成主缸快速下行→慢速下行→保壓→卸壓→快速返回的工作循環(huán)。按下S3按鈕，頂出缸完成上行→下行返回→停留的工作循環(huán)。以主缸快速下行工況為例，液壓系統(tǒng)工作圖如圖3所示。

圖3 主缸快速下行工況下液壓系統(tǒng)工作圖

4 結(jié)論

關(guān)于壓力機(jī)的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究具有重要的實(shí)用價(jià)值。本壓力機(jī)的設(shè)計(jì)很好地改善了傳統(tǒng)壓力機(jī)共有的噪聲及振動(dòng)問(wèn)題，極大地降低了故障發(fā)生率，改善了人工操作環(huán)境，并能夠滿(mǎn)足加工不同工件的多種壓制速度的要求，應(yīng)用范圍更廣。采用FluidSIM軟件對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行了仿真測(cè)試，取得滿(mǎn)意效果。進(jìn)一步研究液壓傳動(dòng)系統(tǒng)，在原系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步選用合理的液壓原件是降低噪聲及振動(dòng)的有效途徑。

［1］趙國(guó)華，陳建國(guó).HY32-400壓力機(jī)液壓系統(tǒng)問(wèn)題分析與改進(jìn)［J］.機(jī)床與液壓，2008（1）：48-51.

［2］王志華，熊剛，徐浩銘.基于Fluid SIM的壓力機(jī)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真［J］.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2014（3）：22-26.

Design and Simulation of Hydraulic System of Press Machine

SONG Xiao-mei1，HAN Liang2
（1.Shanxi University，Taiyuan030013，China；2.Taiyuan Iron and Steel Group Co.，Ltd.，Taiyuan030000，China）

For the problems of the vibration and noise common to hydraulic system of press，the hydraulic and control system applied in the actual production is designed.The principle of the hydraulic system is analyzed and the hydraulic circuit and electric control circuit of the system is simulated by FluidSIM software.

press machine；hydraulic system；design；principle

TH137

：A

：1009－9492(2014)12－0071－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.12.018

宋曉美，女，1988年生，山西介休人，碩士研究生，助教。研究領(lǐng)域：機(jī)電系統(tǒng)控制。已發(fā)表論文1篇。

(編輯：阮 毅)

2014－11－17