劉建剛

(武夷學院機電工程學院,福建 南平 354300)

0 引 言

國內(nèi)流行的液壓板料剪切機械，擺式液壓剪板機在機械制造業(yè)、汽車業(yè)、家電業(yè)及輕工業(yè)等制造行業(yè)有廣泛的應用。在液壓剪板機的使用過程當中，它的合理設計對于保障其性能有著非常重要的作用。該課題使用AMESim軟件對某液壓剪板機進行建模仿真，通過分析主液壓缸和壓料缸的動態(tài)性能和相關液壓元件的參數(shù)變化，得出的參數(shù)分析其對工作特性的影響。通過仿真結果分析，并對液壓剪板機進行優(yōu)化，得出其優(yōu)化后的參數(shù)。該剪板機液壓系統(tǒng)工作原理圖如圖1所示。

1. 網(wǎng)式濾油器 2.軸向柱塞泵 3.直通單向閥 4.電磁溢流閥 5.壓力表開關 6.壓力表 7.球閥 8.左油缸 9.右油缸 10.壓料缸

該擺式液壓剪板機的主要工作原理為：當油泵工作時所輸出的油液經(jīng)管道進入各工作油缸，壓料缸，主油缸，同時，電磁溢流閥不通電阻止油液回流，因為油壓的作用，油缸帶動壓料缸與下工作臺相對運動，實現(xiàn)板料擠壓。當壓料缸將料壓穩(wěn)后，泵持續(xù)供油，通過手動調(diào)節(jié)球閥使油液進入左右油缸進行切料運動。當閘刀完成切除工作后，泵繼續(xù)供油，電磁溢流閥供電，液壓油回流，壓料缸回位，主液壓缸所在的上刀架回程由8MPa氮氣缸回程，由此完成一次板料的切除工作。

1 液壓系統(tǒng)理論計算

液壓剪板機的系統(tǒng)最高壓力為20MPa，回程缸由8MPa氮氣缸回程，設計要求要能在空載啟動，并完成剪切和快速回程動作。

圖2 單桿式雙作用活塞缸

主液壓缸計算

活塞單缸選用壓力10MPa，公稱力1200kN，無桿腔直徑為D，面積為A1,壓力為F1，有桿腔桿直徑為d，壓力為F2，面積為A2。軸向柱塞泵的排量為：26.9ml/r。公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速1500r/min。電動機參數(shù)，型號Y160M-4,額定功率11kW，轉(zhuǎn)速1460r/min。主液壓缸推力：F1=95kN，液壓缸的拉力：F2=60kN，主液壓缸的工作壓力：F3=12.5kN，壓料缸實際頂出和回程力F4=16.6kN。

2 液壓系統(tǒng)的仿真參數(shù)

液壓剪板機的工作參數(shù)如下表1所示。

表1 仿真參數(shù)

3 液壓系統(tǒng)仿真結果及分析

3.1 工作壓力、流量對液壓缸特性的影響

在實際運行過程中，剪板機上軸向柱塞泵的工作壓力取決于其工作負載的大小。由表1所示液壓剪板機的參數(shù)，對AMESim進行參數(shù)設置，仿真后得到圖3和4所示工作壓力圖。

由圖3和圖4可知：液壓剪板機在工作中，當?shù)都芙佑|到工件的時候，隨著外負載壓力的不斷增加，柱塞泵的工作壓力也隨之升高，最高壓力達到10MPa，柱塞泵的流量隨著工作壓力的增大而減小，最大的工作流量約為144L/min。

圖3 軸向柱塞泵工作壓力

圖4 軸向柱塞泵實際流量

由圖5和圖6所示為液壓剪板機左液壓缸和壓料缸活塞位移工作曲線：液壓剪板機完成一個工作周期為2s，工作頻率約為30Hz；主液壓缸和壓料缸的工作順序為：在0-0.2s左右，液壓剪板機處于啟動狀態(tài)，電磁溢流閥處于關閉狀態(tài)，柱塞泵所輸出的油液全部流進壓料缸，剪板機形成壓料運動。在0.2s的時候，壓料缸達到極限位置0.1m，這時，主油缸的信號元件發(fā)出信號，打開截止閥，液壓油進入主油缸，到0.3s時完成剪切并保持狀態(tài)到1s，剪切最大程度為8mm，如圖5所示。在0.5-1s左右，通過信號元件，打開截止閥，對蓄能器進行充能，使蓄能器獲得足夠的壓力，保證剪切后能回程到初始位置。1-1.5s的時候，電磁溢流閥打開，主油缸截止閥持續(xù)打開，壓料缸由于回油過程，借助于拉力彈簧的拉力而快速復位，主油缸油液由蓄能器提供至少8MPa的壓力，使刀架回到初始位置。1.5-2s之間，電磁溢流閥持續(xù)打開回油，不再有任何動作。

3.2 壓力響應特性的正交優(yōu)化

3.2.1 不同蓄能器氣體預充壓力下響應特性

將蓄能器的氣體預充壓力分別設置為6MPa,7MPa,8MPa，通過仿真的結果來分析蓄能器的氣體預充壓力的變化對于液壓剪板機主液壓缸和壓料缸的運動有什么影響，仿真結果如圖7到11所示。

通過仿真結果可以分析出：當蓄能器氣體預充壓力為6MPa,7MPa,8MPa時，在任何時段下，蓄能器都不能對壓料缸產(chǎn)生影響，壓料缸的壓料動作不受影響。

圖5 左主液壓缸活塞位移

圖6 壓料缸活塞位移

圖7 蓄能器壓力變化

當蓄能器氣體預充壓力為8MPa時，對主液壓缸和壓料缸的整個剪切過程沒有任何影響，能達到剪切8mm最大限度的要求。

3.2.2 不同柱塞泵流量對液壓缸響應特性影響

將軸向柱塞泵流量分別設置為60cc/rev,80cc/rev,100cc/rev，通過對比在不同流量下液壓缸活塞位移來確定最好的流量設定，能夠使液壓缸最穩(wěn)定剪切和壓料缸的影響，仿真結果如圖12到圖15所示。

圖8 蓄能器7MPa壓力的主液壓缸活塞位移

圖9 蓄能器6MPa壓力的主液壓缸活塞位移

圖11 蓄能器6MPa壓力下的壓料缸活塞位移

由圖14、圖15可得：

(1)當柱塞泵的流量為60cc/rev,80cc/rev,100cc/rev時，壓料缸的壓料速度并沒有受到影響，說明流量在不影響剪切效果的時候，流量大小對壓料缸的影響并不大。

圖12 主液壓缸80cc/rev流量時活塞位移

(2)當柱塞泵的流量為60cc/rev時，主液壓缸在第三次剪切后回程只回程了2mm并不能完全回復，從而可以看出，蓄能器沒有得到足夠的蓄能壓力讓主液壓缸回程。當柱塞泵的流量為80cc/rev時，主液壓缸在第五次剪切后出現(xiàn)了不能完美回復的情況。同時，在流量越小的時候，主液壓缸剪切過程將會變長。

圖13 主液壓缸60cc/rev流量時活塞位移

圖14 壓料缸80cc/rev流量時活塞位移

圖15 壓料缸60cc/rev流量時活塞位移

圖16 仿真模型圖

綜上所述，優(yōu)化后閥出口調(diào)定值設置為6MPa，主液壓缸60cc/rev流量。

3.3 壓料缸壓緊力的特性分析及其改進

在實際產(chǎn)品中，壓料腳都會設有壓料防護套，以防止工件被壓料缸壓傷，但如果出現(xiàn)壓緊力突然飆升的突發(fā)情況，將會影響工件的表面精度，為了不讓這種情況發(fā)生，在壓料缸和柱塞泵之間加入一個定值輸出的減壓閥，將不會導致壓力過高情況發(fā)生，具體改進如圖16所示。

圖17 壓料缸工作壓力

將減壓閥出口調(diào)定值設置為6MPa，主液壓缸60cc/rev流量時，仿真結果如圖17所示。

AMESim軟件仿真得到了液壓剪板機的柱塞泵壓力和流量，以及主液壓缸、蓄能器、壓料缸和柱塞泵的壓力和流量的仿真分析，得出結果來優(yōu)化剪板機的設計。最后通過增加一個減壓閥來保護壓料缸。

4 結 論

(1)通過使用AMESim軟件建立了QC12Y液壓剪板機傳動系統(tǒng)的仿真模型，得出柱塞泵最大流量和壓力的圖形；

(2)通過研究柱塞泵流量和壓料缸壓緊力等幾個重要參數(shù)的變化對剪板機工作性能的影響，在壓料缸和單向閥之間的減壓閥起到了保護壓料的作用，保護剪切件不被壓壞；