宋　豫　孔祥東,2,3　姚　靜,2,3　王　卓

1.燕山大學(xué)，秦皇島，0660042.燕山大學(xué)河北省重型機(jī)械流體動(dòng)力傳輸與控制實(shí)驗(yàn)室，秦皇島，0660043.燕山大學(xué)先進(jìn)鍛壓成形技術(shù)與科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，秦皇島，066004

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開(kāi)式變量泵控油壓機(jī)系統(tǒng)控制特性研究

宋豫1孔祥東1,2,3姚靜1,2,3王卓1

1.燕山大學(xué)，秦皇島，0660042.燕山大學(xué)河北省重型機(jī)械流體動(dòng)力傳輸與控制實(shí)驗(yàn)室，秦皇島，0660043.燕山大學(xué)先進(jìn)鍛壓成形技術(shù)與科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，秦皇島，066004

為解決大功率自由鍛造油壓機(jī)高能耗的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種開(kāi)式變量泵控油壓機(jī)系統(tǒng)。采用ADAMS和AMESim建立了開(kāi)式變量泵控油壓機(jī)系統(tǒng)聯(lián)合仿真平臺(tái)，對(duì)其常鍛工況和快鍛工況的控制特性進(jìn)行了仿真研究?；?00kN鍛造油壓機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)其常鍛工況和快鍛工況的控制特性進(jìn)行了驗(yàn)證，并將驗(yàn)證結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。研究結(jié)果表明:開(kāi)式變量泵控油壓機(jī)系統(tǒng)能夠滿足技術(shù)要求，即常鍛時(shí)操控性好，卸壓無(wú)沖擊，運(yùn)行平穩(wěn)；快鍛(鍛造頻次80次/min)時(shí)，位置控制精度小于1 mm。

油壓機(jī)；泵控；開(kāi)式系統(tǒng)；控制特性；伺服變量泵

0　引言

鍛造液壓機(jī)是重型機(jī)械中的關(guān)鍵設(shè)備，在機(jī)械制造業(yè)中占有舉足輕重的地位。當(dāng)前，鍛造液壓機(jī)主要分為閥控和泵控兩種傳動(dòng)形式。閥控系統(tǒng)投資成本低，易于維修，對(duì)介質(zhì)清潔度要求相對(duì)較低，因而成為鍛造液壓機(jī)的主流形式。然而，隨著能源危機(jī)的日益加重，綠色鍛造愈加備受關(guān)注[1]，泵控技術(shù)以其節(jié)能的巨大優(yōu)勢(shì)成為當(dāng)今研究的熱點(diǎn)。近幾年，泵控技術(shù)的發(fā)展可以歸為兩大類：變轉(zhuǎn)速泵控系統(tǒng)和變排量泵控系統(tǒng)(分為閉式泵控系統(tǒng)和開(kāi)式泵控系統(tǒng))。

變轉(zhuǎn)速泵控系統(tǒng)中，泵流量的改變是通過(guò)改變伺服電機(jī)或變頻電機(jī)控制泵的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)的[2]，具有節(jié)能高效、重復(fù)精度高、低噪聲等優(yōu)點(diǎn)[3-4]，已成功應(yīng)用于液壓電梯[5]、船用舵機(jī)[6]等領(lǐng)域并取得很好的節(jié)能效果[7]。一些學(xué)者對(duì)變轉(zhuǎn)速泵控驅(qū)動(dòng)的鍛造油壓機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[8-9]采用功率鍵合圖建立了直驅(qū)泵控式油壓機(jī)液壓系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，探討了直驅(qū)泵控式油壓機(jī)液壓系統(tǒng)的負(fù)載、管路直徑及泵的阻尼對(duì)液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響規(guī)律。

文獻(xiàn)[10-11]對(duì)直驅(qū)泵控伺服油壓機(jī)進(jìn)行了研究，并將其與采用傳統(tǒng)動(dòng)力源(感應(yīng)電機(jī)+定量泵)的普通油壓機(jī)進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明：這種泵控伺服油壓機(jī)節(jié)能效果明顯。姚靜等[12]研究了基于變頻調(diào)節(jié)的泵閥復(fù)合控制液壓系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)特性，與電液比例閥控系統(tǒng)相比，節(jié)約能量13.5%。變轉(zhuǎn)速控制技術(shù)雖然能使油壓機(jī)能耗大大降低，但是受制于變頻電機(jī)的響應(yīng)速度和變頻器較昂貴的投資成本，一直未能在重工業(yè)領(lǐng)域推廣。

變排量泵控系統(tǒng)由雙向變量泵來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的換向及速度控制。目前，以德國(guó)威普克-潘克的高響應(yīng)徑向柱塞泵為核心元件的閉式泵控系統(tǒng)已成功應(yīng)用于鍛造油壓機(jī)[13-14]。陳柏金等[15]研究了閉式泵控系統(tǒng)鍛造油壓機(jī)的工作原理以及主控泵的工作特點(diǎn)，研究結(jié)果表明，閉式泵控油壓機(jī)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性和控制特性好，運(yùn)行平穩(wěn)，鍛造速度快。然而，閉式泵控油壓機(jī)系統(tǒng)通過(guò)雙向變量泵將主缸與回程缸連接在一起，通過(guò)控制雙向變量泵的偏心量來(lái)匹配兩缸的流量，無(wú)法實(shí)現(xiàn)主缸與回程缸的最優(yōu)控制，致使閉式泵控油壓機(jī)系統(tǒng)控制特性與節(jié)能特性的提升受到了限制。開(kāi)式泵控油壓機(jī)系統(tǒng)采用負(fù)載容腔獨(dú)立控制的開(kāi)式泵控液壓缸對(duì)頂結(jié)構(gòu)的原理來(lái)實(shí)現(xiàn)油壓機(jī)容積控制。國(guó)內(nèi)對(duì)于開(kāi)式泵控油壓機(jī)系統(tǒng)的研究鮮見(jiàn)，艾超等[16]針對(duì)開(kāi)式泵控油壓機(jī)液壓系統(tǒng)卸壓沖擊問(wèn)題，提出了基于噪聲聲強(qiáng)最弱的卸壓方法，可有效降低管道壓力沖擊，且卸壓時(shí)間被控制在合理范圍內(nèi)。

因此，本文以美國(guó)MOOG公司的RKP變量泵為核心驅(qū)動(dòng)元件，以油壓機(jī)液壓控制系統(tǒng)為研究對(duì)象，擬構(gòu)建開(kāi)式變量泵控液壓系統(tǒng)。結(jié)合鍛造工藝分析了開(kāi)式變量泵控系統(tǒng)原理和特點(diǎn)，建立了多學(xué)科聯(lián)合仿真模型，通過(guò)仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證了開(kāi)式變量泵控液壓系統(tǒng)的控制特性以及節(jié)能特性。

1　開(kāi)式變量泵控油壓機(jī)快鍛系統(tǒng)原理

開(kāi)式變量泵控油壓機(jī)系統(tǒng)以RKP變量泵為核心驅(qū)動(dòng)元件。如圖1所示，RKP的排量由沖程環(huán)的偏心量決定，通過(guò)限位活塞9和控制活塞10，可調(diào)整沖程環(huán)7的偏心位置，先導(dǎo)伺服閥12與控制活塞及位移傳感器11一起組成閥控缸位置閉環(huán)變量機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)沖程環(huán)偏心位置的閉環(huán)控制，進(jìn)而精確調(diào)整泵的排量。

1.驅(qū)動(dòng)軸　2.十字盤(pán)　3.油缸塊　4.控制軸　5.柱塞6.滑靴　7.沖程環(huán)　8.保持環(huán)　9.限位活塞10.控制活塞　11.位移傳感器　12.先導(dǎo)伺服閥圖1　RKP變量泵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

開(kāi)式變量泵控油壓機(jī)系統(tǒng)屬于雙變量泵獨(dú)立控制非對(duì)稱缸系統(tǒng)，非對(duì)稱缸的流量不對(duì)稱特性通過(guò)兩組變量泵獨(dú)立控制來(lái)補(bǔ)償。圖2為開(kāi)式變量泵控油壓機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)化原理圖。

1.1常鍛工作原理

(1)空程快下階段。主缸變量泵處于泵工況，與充液油箱同時(shí)為油壓機(jī)空程快下提供所需流量。此時(shí)，回程缸變量泵處于馬達(dá)工況，回程缸內(nèi)的油液推動(dòng)馬達(dá)運(yùn)動(dòng)，回收回程缸內(nèi)存儲(chǔ)的能量與活動(dòng)橫梁的重力勢(shì)能，將回收的能量轉(zhuǎn)化為主軸機(jī)械能，與電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)主軸上其他液壓泵轉(zhuǎn)動(dòng)，從而降低電動(dòng)機(jī)的輸出功率。油壓機(jī)活動(dòng)橫梁速度由回程缸變量泵的排量調(diào)節(jié)。

(2)工進(jìn)加壓階段。油壓機(jī)上砧接觸工件，主缸開(kāi)始建壓，充液閥處于關(guān)閉狀態(tài)，油壓機(jī)活動(dòng)橫梁的位置、工進(jìn)速度與鍛造力通過(guò)控制變量泵排量實(shí)現(xiàn)。

(3)回程階段。主缸變量泵處于馬達(dá)工況，主缸內(nèi)的油液推動(dòng)馬達(dá)運(yùn)動(dòng)，回收主缸內(nèi)存儲(chǔ)的能量，并轉(zhuǎn)化為主軸機(jī)械能，與電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)主軸上其他液壓泵轉(zhuǎn)動(dòng)，從而降低電動(dòng)機(jī)的輸出功率?；爻谈鬃兞勘锰幱诒霉r，回程缸迅速建壓實(shí)現(xiàn)活動(dòng)橫梁快速回程，回程速度由回程缸變量泵的排量決定。

1.充液油箱　2.充液閥　3.主缸　4.活動(dòng)橫梁　5.壓機(jī)本體　6.回程缸　7.卸荷閥　8.安全閥9.控制油泵　10.回程缸變量泵　11.主缸變量泵　12.電動(dòng)機(jī)　13.油箱圖2　開(kāi)式變量泵控油壓機(jī)系統(tǒng)原理簡(jiǎn)化圖

1.2快鍛工作原理

快鍛工況的控制方式為位置閉環(huán)控制，即根據(jù)輸入信號(hào)與實(shí)際位置之間的偏差，控制主缸變量泵和回程缸變量泵的排量，從而實(shí)現(xiàn)油壓機(jī)的高精度控制。此過(guò)程中，兩臺(tái)變量泵的泵/馬達(dá)狀態(tài)交替切換，因此始終伴隨能量回收。

1.3開(kāi)式變量泵控油壓機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn)

(1)相對(duì)于閥控系統(tǒng)，泵源輸出功率隨負(fù)載變化而變化，無(wú)溢流損失和節(jié)流損失，因此效率高，冷卻功率小，可以節(jié)約大量的能源。新型雙向變量泵自吸能力強(qiáng)，省去了低壓補(bǔ)油及充液的大流量螺桿泵，裝機(jī)成本降低，同時(shí)也降低了系統(tǒng)發(fā)熱。

(2)電動(dòng)機(jī)、主缸變量泵、回程變量泵同軸機(jī)械連接?？粘炭煜逻^(guò)程中的回程缸變量泵(處于馬達(dá)工況)和回程過(guò)程中的主缸變量泵(處于馬達(dá)工況)將液壓缸內(nèi)存儲(chǔ)的液壓能回收，并轉(zhuǎn)化為電機(jī)傳動(dòng)主軸的機(jī)械能，從而降低電動(dòng)機(jī)的輸出功率，具有較高的能量傳遞效率。

2　聯(lián)合仿真模型

2.1開(kāi)式變量泵控油壓機(jī)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

以600 kN油壓機(jī)為研究對(duì)象，采用動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS，建立其開(kāi)式變量泵控油壓機(jī)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型。首先，將Solidworks中建立的600 kN壓機(jī)本體三維模型，以Parasolid格式保存，之后導(dǎo)入到ADAMS，得到開(kāi)式變量泵控油壓機(jī)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，如圖3所示。壓機(jī)本體由上橫梁、活動(dòng)橫梁、立柱、下橫梁、主工作缸、回程缸組成。在ADAMS中，需要對(duì)導(dǎo)入的每個(gè)零部件進(jìn)行編輯，定義其材料、質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等相關(guān)屬性，從而使虛擬樣機(jī)與實(shí)際物理樣機(jī)具有相近的物理特性，以便更好地模擬實(shí)際系統(tǒng)。在ADAMS中定義各個(gè)部件間的約束及驅(qū)動(dòng)后，壓機(jī)本體的各個(gè)零件之間便具有確定的約束關(guān)系，從而保證仿真時(shí)各個(gè)零部件運(yùn)動(dòng)的正確性。壓機(jī)本體機(jī)構(gòu)的約束設(shè)定，如表1所示。

圖3　開(kāi)式變量泵控油壓機(jī)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

約束類型作用對(duì)象約束類型作用對(duì)象固定副下橫梁與大地移動(dòng)副回程缸缸體與回程缸柱塞固定副機(jī)架與大地移動(dòng)副主缸缸體與主缸柱塞移動(dòng)副活動(dòng)橫梁與立柱移動(dòng)副回程缸拉桿與上橫梁

ADAMS中，通過(guò)驅(qū)動(dòng)函數(shù)和力函數(shù)來(lái)定義活動(dòng)橫梁所需要的負(fù)載力、摩擦因數(shù)及驅(qū)動(dòng)力。鍛造過(guò)程中負(fù)載力即為鍛件的變形抗力：

式中，K為鍛件彈性剛度，N/m；s為彈性變形量，m；s0為極限彈性變形量，m；Fs為變形抗力穩(wěn)定值，N。

鍛造油壓機(jī)在鍛造過(guò)程中，機(jī)械結(jié)構(gòu)間的摩擦是始終存在且不容忽視的重要因素。ADAMS僅對(duì)活動(dòng)橫梁與立柱之間的滑動(dòng)副施加了摩擦因數(shù)。柱塞與缸體之間的摩擦在AMESim中設(shè)置。

采用ADAMS/View 函數(shù)設(shè)置驅(qū)動(dòng)，定義驅(qū)動(dòng)函數(shù)Function(time)=0.015sin(2*pi*time)。

完成油壓機(jī)模型的基本設(shè)置后，需要通過(guò)ADAMS中的模型檢查Model Verify，驗(yàn)證模型中的約束和運(yùn)動(dòng)關(guān)系是否符合要求。

2.2開(kāi)式變量泵控油壓機(jī)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)模型

基于AMESim仿真軟件，利用其信號(hào)庫(kù)、機(jī)械庫(kù)與液壓元件庫(kù)建立比例徑向柱塞泵模塊，如圖4所示。

圖4　比例徑向柱塞泵AMESim仿真模型

仿真模型中，RKP內(nèi)部變量機(jī)構(gòu)由活塞模型與考慮摩擦的質(zhì)量塊模型搭建而成。質(zhì)量模塊模擬RKP內(nèi)部沖程環(huán)部件組，限位設(shè)置為最大的偏心距。為了改善RKP變量機(jī)構(gòu)的響應(yīng)特性，位置閉環(huán)由PID控制器進(jìn)行控制。沖程環(huán)位移由傳感器檢測(cè)反饋至輸入端，從而構(gòu)成位置閉環(huán)，具體參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2　RKP045與RKP080的主要仿真參數(shù)

根據(jù)產(chǎn)品樣本設(shè)置變量泵先導(dǎo)伺服閥輸入信號(hào)為10 V的階躍電壓信號(hào)，可得RKP045的流量階躍響應(yīng)，如圖5所示。由圖5可知，泵的排量由零至最大的階躍響應(yīng)時(shí)間為60 ms，符合樣本要求，可認(rèn)為該仿真模型較為合理。

圖5　RKP045外控型徑向柱塞泵流量階躍響應(yīng)仿真曲線

對(duì)于油壓機(jī)泵控驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，管道是液壓系統(tǒng)主要特征部件，嚴(yán)重影響著系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)特性。因此，本研究的管路子模型選用AMESim中的C-R-C模型。該子模型考慮的主要因素是油液的壓縮性和摩擦，具體參數(shù)如表3所示。

表3　0.6MN鍛造油壓機(jī)系統(tǒng)主要管道參數(shù)　mm

開(kāi)式變量泵控油壓機(jī)的位置閉環(huán)控制系統(tǒng)采用PID控制器， 通過(guò)控制系統(tǒng)將機(jī)械系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)連接起來(lái)，從而構(gòu)成開(kāi)式變量泵控油壓機(jī)系統(tǒng)完整的仿真模型。

2.3聯(lián)合仿真模型

將ADAMS中已經(jīng)建立好的壓機(jī)本體動(dòng)力學(xué)模型導(dǎo)入到AMESim中，并通過(guò)ADAMS中的ADAMS/control模塊，實(shí)現(xiàn)ADAMS與AMESim之間的數(shù)據(jù)交互。接口模塊中的變量包括主缸壓力、回程缸壓力、負(fù)載力、活動(dòng)橫梁的位移和速度，如圖6所示。

圖6　聯(lián)合仿真的輸入輸出

基于建立的油壓機(jī)動(dòng)力學(xué)模型、液壓傳動(dòng)系統(tǒng)模型以及模型接口，建立開(kāi)式變量泵控油壓機(jī)系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型，如圖7所示。

1.充液油箱　2.充液閥　3.主缸　4.油箱　5.卸荷閥　6.主缸變量泵模塊　7.PID控制器　8.電動(dòng)機(jī)9.控制油泵　10.回程變量泵模塊　11.回程缸　12.ADAMS_To_AMESim子模塊 圖7　開(kāi)式變量泵控油壓機(jī)常鍛系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型

3　仿真與實(shí)驗(yàn)分析

3.1試驗(yàn)平臺(tái)及參數(shù)

基于600 kN鍛造油壓機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了開(kāi)式變量泵控油壓機(jī)控制特性研究。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖8所示。壓機(jī)本體及液壓傳動(dòng)系統(tǒng)基本參數(shù)見(jiàn)表4。

電氣控制部分采用了NI CompactRIO控制采集平臺(tái)，控制采集系統(tǒng)使用了LabVIEW圖形化開(kāi)發(fā)工具?；顒?dòng)橫梁的位移信號(hào)通過(guò)位移傳感器反饋至控制器，控制器將該信號(hào)與給定的指令信號(hào)進(jìn)行比較產(chǎn)生偏差信號(hào)，對(duì)該偏差信號(hào)進(jìn)行處理，從而改變控制器的輸出信號(hào)，形成了主缸位置的閉環(huán)控制?？刂撇杉到y(tǒng)的具體原理如圖9所示。

(a) 系統(tǒng)全景

(b) 系統(tǒng)局部圖8　600 kN中試快鍛油壓機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

參數(shù)名稱參數(shù)值參數(shù)名稱參數(shù)值主缸面積(m2)7.86×10-3主缸變量泵排量(mL/r)80回程缸面積(m2)3.18×10-3回程缸變量泵排量(mL/r)45活動(dòng)橫梁質(zhì)量(kg)230電機(jī)額定功率(kW)30

圖9　600 kN開(kāi)式變量泵控油壓機(jī)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制器

3.2常鍛工況控制特性

3.2.1常鍛控制模式

常鍛通常在手動(dòng)模式下完成，油壓機(jī)的動(dòng)作完全由操作者觀察鍛件狀態(tài)，操作手柄觸發(fā)。常鍛模式下，油壓機(jī)動(dòng)作只受2臺(tái)變量泵的控制，油壓機(jī)下行和回程信號(hào)直接由2臺(tái)變量泵中的伺服閥給定。常鍛時(shí)，手柄的動(dòng)作與主缸變量泵、回程缸變量泵以及卸荷閥啟閉信號(hào)之間的關(guān)系如圖10所示。

1.開(kāi)關(guān)點(diǎn)2　2.浮動(dòng)開(kāi)關(guān)點(diǎn)3　3.開(kāi)關(guān)點(diǎn)1　4.開(kāi)關(guān)點(diǎn)4圖10　鍛造過(guò)程中各泵閥動(dòng)作關(guān)系圖

圖10中，橫軸為操作手柄的偏移角度，縱軸為RKP沖程環(huán)實(shí)際偏移量與最大偏移量的百分比值(滿量程為100%)，即相對(duì)偏移量。常鍛時(shí)，操作手柄上只有開(kāi)關(guān)按鈕，負(fù)責(zé)信號(hào)的通斷，操作手柄不同的偏移角度，觸發(fā)不同的電位計(jì)，傳輸不同大小的模擬信號(hào)。為了安全考慮，在手柄停止位設(shè)置有一定角度死區(qū)(大約為3°～5°)?？粘炭煜码A段，手柄向圖10橫軸負(fù)方向推動(dòng)，觸動(dòng)開(kāi)關(guān)點(diǎn)1，回程缸變量泵進(jìn)入馬達(dá)工況，活動(dòng)橫梁速度由手柄的擺動(dòng)角度控制，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。接近鍛件時(shí)，手柄向中間位置扳動(dòng)，回程泵排量減小，活動(dòng)橫梁速度降低，緩慢平穩(wěn)接觸到鍛件。加壓階段，觸發(fā)手動(dòng)開(kāi)關(guān)點(diǎn)3，主缸變量泵進(jìn)入泵工況，加壓速度由主缸變量泵實(shí)時(shí)的排量決定?；爻糖?，手柄往回扳動(dòng)，觸發(fā)開(kāi)關(guān)點(diǎn)2，回程缸變量泵排量為零，主缸變量泵吸排油口互換，對(duì)主缸進(jìn)行卸壓。手柄向圖10橫軸正方向推動(dòng)，觸發(fā)開(kāi)關(guān)點(diǎn)4，快速卸荷閥瞬間完全打開(kāi)，同時(shí)，回程缸變量泵進(jìn)入泵工況，迅速提升活動(dòng)橫梁，回程速度由回程缸變量泵實(shí)時(shí)的排量決定。油壓機(jī)停止時(shí)，手柄扳回初始位置過(guò)程中，觸發(fā)開(kāi)關(guān)點(diǎn)4和手動(dòng)開(kāi)關(guān)點(diǎn)3，關(guān)閉相應(yīng)的控制元件。

3.2.2測(cè)試與仿真對(duì)比

常鍛時(shí)，以鉛塊模擬鍛件，手動(dòng)控制手柄，鍛造油壓機(jī)位移、速度和壓力變化測(cè)試及仿真曲線如圖11所示。

由圖11可得，0～0.5 s時(shí)，活動(dòng)橫梁處于啟動(dòng)加速階段，此時(shí)，回程缸變量泵緩慢開(kāi)啟，回程缸壓力逐漸降低，活動(dòng)橫梁處于下行加速階段。由于主缸、活動(dòng)橫梁與立柱之間摩擦力的存在，活動(dòng)橫梁測(cè)試曲線在0.5 s后才開(kāi)始出現(xiàn)位移。0.5 s后，活動(dòng)橫梁轉(zhuǎn)為勻速運(yùn)動(dòng)，回程缸壓力維持在1 MPa。由于采用充液罐充液方式，故主缸壓力保持低壓，一直到1.3 s接觸到鍛件。加壓階段，活動(dòng)橫梁速度降低，主缸壓力迅速升高，主缸迅速建壓至18 MPa，回程缸壓力升高。隨后，鍛件彈性變形到極限，壓制不動(dòng)，活動(dòng)橫梁停止，主缸壓力保持不變，回程缸壓力降低。2.7 s快速回程階段，卸荷閥開(kāi)啟，主缸壓力迅速減小，伴有小幅抖動(dòng)。卸壓完成后，回程變量泵吸排油口換向，回程缸變量泵進(jìn)入泵工況，回程缸迅速建壓至9.5 MPa，使活動(dòng)橫梁向上運(yùn)動(dòng)，回程速度最大為150 mm/s。

從常鍛仿真和實(shí)驗(yàn)曲線可知，油壓機(jī)系統(tǒng)在常鍛時(shí)，操控性良好，油壓機(jī)下降過(guò)程中，位移曲線平滑，接觸鍛件時(shí)能實(shí)現(xiàn)“軟著陸”，無(wú)沖擊抖動(dòng)。卸壓較平穩(wěn)，回程迅速。驗(yàn)證了開(kāi)式變量泵控系統(tǒng)能夠滿足自由鍛造油壓機(jī)常鍛工況的需求。

(a)活動(dòng)橫梁位移曲線

(b)活動(dòng)橫梁速度曲線

(c)主缸壓力曲線

(d)回程缸壓力曲線圖11　常鍛位移和壓力變化測(cè)試及仿真曲線

3.3快鍛工況控制特性

3.3.1快鍛控制模式

快鍛時(shí)，采用位置閉環(huán)控制，利用位置誤差來(lái)實(shí)時(shí)控制主缸和回程缸變量泵，兩變量泵采用單獨(dú)的PID控制器，如圖12所示。

圖12　快鍛油壓機(jī)位置控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.3.2測(cè)試與仿真對(duì)比

快鍛工況時(shí)，輸入為正弦函數(shù)，頻率為1.25 Hz，幅值為15 mm，鍛件采用鉛棒模擬，仿真和測(cè)試結(jié)果如圖13所示。

(a)活動(dòng)橫梁位移曲線

(b)主缸壓力曲線

(c)回程缸壓力曲線圖13　快鍛位移和壓力變化測(cè)試及仿真曲線

由圖13可知：活動(dòng)橫梁位移曲線(位移增大表示活動(dòng)橫梁向上運(yùn)動(dòng)，位移減小表示活動(dòng)橫梁向下運(yùn)動(dòng))運(yùn)行平穩(wěn)。接觸鍛件瞬間，位移稍有滯后，位置控制精度小于1 mm，達(dá)到了80次/min的快鍛次數(shù)要求?；爻躺杂谐{(diào)，在接觸到鍛件后，活動(dòng)橫梁的位移滯后增大?；爻谈滓恢本S持較高的壓力，主缸壓力只有在接觸到鍛件時(shí)，壓力升高，輸出鍛件變形所需要的作用力。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性，開(kāi)式變量泵控系統(tǒng)能夠滿足快鍛工況需求。

4　結(jié)論

(1)針對(duì)鍛造行業(yè)綠色鍛造和節(jié)能減排的問(wèn)題，以RKP變量泵為核心驅(qū)動(dòng)元件，設(shè)計(jì)了開(kāi)式變量泵控油壓機(jī)系統(tǒng)。

(2)基于ADAMS和AMESim仿真軟件，建立了600 kN開(kāi)式變量泵控油壓機(jī)系統(tǒng)的機(jī)、電、液、控聯(lián)合仿真模型，并驗(yàn)證了其正確性。

(3)仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：開(kāi)式變量泵油壓機(jī)系統(tǒng)，常鍛工況控制特性良好，油壓機(jī)下降過(guò)程中，位移曲線平滑，接觸鍛件時(shí)，狀態(tài)平穩(wěn)。瞬時(shí)停止時(shí)，無(wú)抖動(dòng)，回程迅速?？戾懝r時(shí)，響應(yīng)迅速，鍛造頻次可達(dá)80次/min，控制精度小于1 mm。

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(編輯張洋)

Oil Hydraulic Press Control Characteristics with Open Variable Pump-controlled System

Song Yu1Kong Xiangdong1,2,3Yao Jing1,2,3Wang Zhuo1

1.Yanshan University, Qinhuangdao，Hebei，066004 2.Hebei Province Laboratory of Heavy Machinery Fluid Power Transmission and Control,Yanshan University, Qinhuangdao，Hebei，066004 3.Key Laboratory of Advanced Forging & Stamping Technology and Science，Yanshan University，Qinhuangdao，Hebei，066004

In order to solve the problems of high energy consumption for huge free forging hydraulic press, an open variable pump-controlled hydraulic system for oil hydraulic press was proposed. Firstly, combined with ADAMS and AMESim, a co-simulation platform of open variable pump-controlled hydraulic press system was built, and aiming at typical work modes, regular forging and fast forging, the control characteristics were studied by simulations. Secondly, based on 600kN forging hydraulic press experimental platform, control characteristics for the open variable pump-controlled hydraulic press with regular forging and fast forging was verified respectively by experiments, and compared with the simulation results. The simulation and experimental results approve that the open variable pump-controlled hydraulic press system can meet the technical requirements. For regular forging, it has a good performance about manipulation, low impact and stability. For fast forging, when the forging frequency is up to 80 times per minute, the position control accuracy is less than 1 mm.

hydraulic press; pump-controlled; open system; control characteristics; servo variable pump

宋豫，男，1986年生。燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院博士研究生。主要研究方向?yàn)榱黧w傳動(dòng)及控制、開(kāi)式泵控鍛造油壓機(jī)液壓控制系統(tǒng)等。發(fā)表論文10余篇?？紫闁|，男，1959年生。燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。姚靜(通信作者)，女，1978年生。燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院副教授。王卓，女，1990年生。燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。

2015-11-11

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51575471);河北省自然科學(xué)基金資助重點(diǎn)項(xiàng)目(E2016203264)

TH137

10.3969/j.issn.1004-132X.2016.08.007