吳新生，陽(yáng)東山

(1.廣東科學(xué)技術(shù)職業(yè)學(xué)院廣州學(xué)院，廣東 廣州 510640;2.廣州鑫禾電子技術(shù)有限公司，廣東 廣州 510650;3.廣州市第四十七中學(xué)，廣東 廣州 510640)

0 引言

紙頁(yè)是通過(guò)造紙機(jī)的壓輥壓榨完成脫水和壓光，這是提高紙頁(yè)質(zhì)量的重要流程之一。壓輥的工作是通過(guò)液壓控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。設(shè)計(jì)一個(gè)滿(mǎn)足高速造紙機(jī)要求的液壓系統(tǒng)往往需要通過(guò)各種試驗(yàn)來(lái)確定其動(dòng)靜態(tài)特性，并進(jìn)行修正［1］。由于這些重復(fù)試驗(yàn)帶來(lái)了昂貴的試驗(yàn)費(fèi)用，增加了開(kāi)發(fā)成本，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)是解決該問(wèn)題的最佳方法之一。然而，為了實(shí)現(xiàn)仿真，許多液壓系統(tǒng)仿真軟件在仿真前需要進(jìn)行復(fù)雜的建模過(guò)程或程序設(shè)計(jì)從而限制了該技術(shù)的應(yīng)用［2-8］。Automation Studio 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件可以對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)和分析，它面向液壓系統(tǒng)原理圖建模，液壓元件已經(jīng)封裝了數(shù)學(xué)模型，不需要繁瑣的建模過(guò)程和復(fù)雜的程序設(shè)計(jì)，能快速實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)仿真和分析。本文運(yùn)用Automation Studio 液壓仿真軟件設(shè)計(jì)造紙機(jī)液壓系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真分析，獲得了較好的實(shí)際應(yīng)用效果，為高速造紙機(jī)的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了一種新的途徑。

1 Automation Studio 液壓仿真軟件

Automation Studio 液壓仿真軟件是由加拿大Famic 公司開(kāi)發(fā)的支持多學(xué)科領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)液壓仿真系統(tǒng)，是一種具有設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)仿真功能的軟件工具。該軟件簡(jiǎn)單易用，具有對(duì)氣液壓系統(tǒng)虛擬設(shè)計(jì)、模擬、測(cè)試和分析等功能。由于圖形化元件庫(kù)直接封裝了數(shù)學(xué)模型，程序員直接調(diào)用系統(tǒng)的圖形化元件庫(kù)建立液壓系統(tǒng)原理圖，即可實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)的模型建立、仿真及結(jié)果輸出與顯示的全部過(guò)程。其元件庫(kù)管理器包含各類(lèi)氣動(dòng)、液壓、電控和自動(dòng)化等方面的元件，可以按設(shè)計(jì)者要求創(chuàng)建和管理新的元件庫(kù)［9］。該軟件通用性強(qiáng)，在氣液壓傳動(dòng)及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用［10-14］。它不僅能對(duì)所設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)進(jìn)行整體的分析、評(píng)估和優(yōu)化，而且縮短系統(tǒng)設(shè)計(jì)和項(xiàng)目周期，解決了傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)繁瑣、實(shí)驗(yàn)難度大等問(wèn)題，為液壓系統(tǒng)的現(xiàn)代化設(shè)計(jì)提供了一種新的解決工具。

圖1 造紙機(jī)液壓系統(tǒng)原理圖

圖2 控制系統(tǒng)電路圖

2 工作原理和仿真模型的建立

2.1 工作原理

造紙機(jī)是用來(lái)抄造紙張的機(jī)器，由網(wǎng)部、壓榨部和干燥部等構(gòu)成。液壓系統(tǒng)主要用于造紙機(jī)的壓榨部以完成對(duì)紙頁(yè)進(jìn)行壓榨脫水和壓光。造紙機(jī)壓榨部由4 組輥?zhàn)咏M成，分別為真空輥、第一道大徑輥、第二道大徑輥和光壓輥。而液壓系統(tǒng)主要控制4 組輥?zhàn)拥纳陷伮湎?、預(yù)壓、加壓和復(fù)位抬起等功能。液壓系統(tǒng)的主要性能參數(shù)有:預(yù)壓壓力(5 MPa);額定壓力(18 MPa);濾油精度(20 μm)。

當(dāng)造紙機(jī)啟動(dòng)時(shí)，各上輥的落下并在5 MPa 壓力下對(duì)紙頁(yè)進(jìn)行預(yù)壓，確認(rèn)正常工作時(shí)增壓到18 MPa，并要求穩(wěn)定地工作在此壓力下，完成紙頁(yè)壓榨脫水和壓光。如果壓力過(guò)高，會(huì)將紙頁(yè)壓潰;如果壓力過(guò)低，紙頁(yè)脫水將達(dá)不到要求，進(jìn)而影響紙頁(yè)的質(zhì)量。當(dāng)生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)生斷紙時(shí)，要求各上輥抬起復(fù)位。設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)要求具有較高的壓力穩(wěn)定性和可靠性，以滿(mǎn)足各壓輥的工作需要。

2.2 仿真模型的建立

由于Automation Studio 軟件模型元件庫(kù)中，已經(jīng)包括了系統(tǒng)中所需的液壓、電氣元件，無(wú)需進(jìn)行單獨(dú)創(chuàng)建，各元件模型在該軟件中用圖標(biāo)表示，數(shù)學(xué)模型已經(jīng)封裝在內(nèi)，只需調(diào)出圖標(biāo)后連線，即可由計(jì)算機(jī)自動(dòng)生成回路的仿真模型，設(shè)計(jì)的造紙機(jī)液壓系統(tǒng)的原理圖如圖1 所示。圖中每組液壓缸分別驅(qū)動(dòng)真空輥、第一道大徑輥、第二道大徑輥和光壓輥的各上輥進(jìn)行落下、預(yù)壓、加壓、復(fù)位抬起等功能，各上輥的落下、預(yù)壓、加壓和復(fù)位的工作原理相同。整個(gè)液壓系統(tǒng)通過(guò)2-恒壓變量泵進(jìn)行供油，7-低壓溢流閥限定了預(yù)壓時(shí)不超過(guò)5 MPa，當(dāng)電磁鐵1YA、2YA、3YA 和4YA 通電，11-電磁換向閥進(jìn)行換向到左位，泵向各組液壓缸提供低壓油，實(shí)現(xiàn)各上輥的落下和預(yù)壓。8-高壓溢流閥限定了工作壓力最大不超過(guò)18 MPa，從預(yù)壓5 MPa 增壓到18 MPa 時(shí)，通過(guò)YA 電磁鐵通電，6-電磁換向閥換向，8-高壓溢流閥工作，實(shí)現(xiàn)液壓缸增壓至18 MPa，并穩(wěn)定保持在此壓力。電磁鐵1YB、2YB、3YB 和4YB 通電(電磁鐵1YA、2YA、3YA 和4YA 斷電)，11-電磁換向閥換向至右位，液壓缸退回，實(shí)現(xiàn)各上輥的抬起復(fù)位。12、13、14、15-單向節(jié)流閥用來(lái)控制各組液壓缸的伸縮速度，以達(dá)到每組缸的速度相同，來(lái)實(shí)現(xiàn)各上輥兩邊的預(yù)壓、加壓和抬起復(fù)位的同步。17-比例調(diào)節(jié)閥及帶反向單向閥，主要用于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)液壓缸的壓力遠(yuǎn)程控制和液壓缸退回時(shí)的油反向通過(guò)。

液壓系統(tǒng)的控制電路圖如圖2 所示。按下S1 開(kāi)關(guān)，控制液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)各上輥進(jìn)行落下及預(yù)壓;按下S2 開(kāi)關(guān)，控制液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)各上輥加壓;按下S3 開(kāi)關(guān)，控制液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)各上輥抬起復(fù)位。

3 仿真結(jié)果分析

在仿真前，為了液壓系統(tǒng)更大限度地接近實(shí)際工作狀態(tài)，在建立的液壓系統(tǒng)仿真模型中，通過(guò)軟件的參數(shù)設(shè)定界面將各元件的實(shí)際參數(shù)值輸入到系統(tǒng)中，完成造紙機(jī)液壓系統(tǒng)的實(shí)際參數(shù)設(shè)定。仿真運(yùn)行時(shí)，液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行，由電氣開(kāi)關(guān)控制各上輥的落下、預(yù)壓、加壓和提起復(fù)位等功能。

1)上輥的落下、預(yù)壓:按下S1 開(kāi)關(guān)，電磁鐵1YA、2YA、3YA 和4YA 通電，11-電磁換向閥進(jìn)行換向到左位，向各組液壓缸提供低壓油，各上輥在相應(yīng)的液壓缸推動(dòng)下，落下并預(yù)壓，并保持壓力在5 MPa。

2)上輥的加壓:按下S2 開(kāi)關(guān)，6-電磁換向閥換向到8-高壓溢流閥，向各組液壓缸提供高壓油，各上輥在液壓缸的作用下加壓到18 MPa，并保持壓力穩(wěn)定。

3)上輥的抬起、復(fù)位:按下S3 開(kāi)關(guān)，11-電磁換向閥換位到右位，各上輥在液壓缸的作用下迅速抬起，壓力為0 MPa，各上輥復(fù)位。

圖3 液壓系統(tǒng)工作過(guò)程的壓輥壓力變化圖

為了獲得液壓系統(tǒng)較佳的工作參數(shù)，分別設(shè)定2-恒壓變量泵在80 L/min、120 L/min、160 L/min 流量情況下分別進(jìn)行液壓系統(tǒng)的在各上輥落下預(yù)壓、加壓和抬起復(fù)位等工作過(guò)程的仿真。得到的各液壓缸在工作過(guò)程的壓力變化圖如圖3 所示。從圖中可以看出，設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)能提供較為穩(wěn)定的、可靠的壓力。比較3 條曲線，發(fā)現(xiàn)在80 L/min 流量的情況，在加壓并保持在18 MPa 時(shí)的過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)細(xì)微的壓力波動(dòng)。再者，考慮在液壓系統(tǒng)中，帶動(dòng)2-恒壓變量泵工作的電動(dòng)機(jī)是主要的能源消耗元件。一般來(lái)說(shuō)，較小的流量工作，將消耗較小的能源。因此，從系統(tǒng)的節(jié)能角度和提供壓力穩(wěn)定性上，可以選定2-恒壓變量泵工作在120 L/min 流量下。

設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)圖和電路控制圖已用于造紙機(jī)的液壓系統(tǒng)，經(jīng)造紙機(jī)的實(shí)際運(yùn)行測(cè)試發(fā)現(xiàn)，液壓系統(tǒng)工作過(guò)程的壓力參數(shù)等與軟件模擬結(jié)果基本相同。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)利用Automation Studio 平臺(tái)進(jìn)行造紙機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真可以看出，該軟件在液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)和仿真過(guò)程中可以避免繁瑣的數(shù)學(xué)模型建立和推導(dǎo)，各元件的運(yùn)行參數(shù)設(shè)置簡(jiǎn)單，使設(shè)計(jì)者有更多的精力投入到系統(tǒng)性能優(yōu)化的研究中，有效地提高設(shè)計(jì)效率，而且仿真結(jié)果能夠較好地反映液壓系統(tǒng)工作時(shí)的動(dòng)態(tài)性能，準(zhǔn)確地仿真實(shí)際系統(tǒng)的工作狀態(tài)。Automation Studio 液壓仿真軟件必將在液壓系統(tǒng)等工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

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