曹傳劍,宋 慧,姜云春,王培芹,于 曉，3,宗成國(guó)

(1.青島黃海學(xué)院 智能制造學(xué)院，山東 青島 266427；2.山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，山東 青島 266427；3.青島理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，山東 青島 266427)

0 引 言

目前，粉末冶金結(jié)構(gòu)件在汽車工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，且應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)、減速箱等汽車重要部件的粉末制品種類已達(dá)幾十種之多。由于粉末精整工藝是粉末成形工藝中非常重要的一環(huán)，對(duì)粉末精整液壓機(jī)的速度、位置控制精度和壓制頻次要求較高[1-4]，國(guó)內(nèi)可以制作高精度高頻次粉末精整液壓機(jī)的主機(jī)廠家屈指可數(shù)。

因具備更高的壓制力、更大的行程，粉末液壓機(jī)可通過(guò)多執(zhí)行機(jī)構(gòu)協(xié)同控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜零部件的壓制加工，被許多主機(jī)廠家及用戶所青睞[5]。

國(guó)內(nèi)眾多研究人員及工程師對(duì)粉末液壓機(jī)結(jié)構(gòu)及控制技術(shù)進(jìn)行了大量的研究。邱誠(chéng)[6]提出了一種低成本、小體積、高精度的專用模架集成式粉末成形設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)零件軸向壓制精度±0.02 mm；范林靜[7]對(duì)一種上三下三式模架進(jìn)行了模態(tài)和穩(wěn)態(tài)分析，得到了模架的固有頻率，并驗(yàn)證了其在500 T激勵(lì)下不會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象；戴本堯[8]提出了一種基于模糊推理技術(shù)的差分進(jìn)化算法，提高了PID控制器對(duì)液壓機(jī)電液伺服系統(tǒng)的調(diào)節(jié)控制能力；重慶大學(xué)劉福娥[9]對(duì)200 T粉末冶金液壓機(jī)及其伺服模架的液壓系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析研究。

相比于結(jié)構(gòu)和控制算法方面的研究，目前，對(duì)液壓機(jī)壓制頻次方面的研究較少。但是壓制頻次也是衡量粉末液壓機(jī)優(yōu)劣的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

本文根據(jù)250T粉末精整液壓機(jī)液壓系統(tǒng)，利用AMESim軟件建立仿真模型，對(duì)現(xiàn)有液壓系統(tǒng)仿真結(jié)果及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)壓機(jī)動(dòng)作進(jìn)行分析，研究影響粉末液壓機(jī)壓制頻次的主要因素，以提高液壓機(jī)的壓制頻次。

1 粉末精整液壓機(jī)液壓系統(tǒng)

根據(jù)設(shè)備要求，筆者設(shè)計(jì)了250T粉末精整液壓機(jī)液壓系統(tǒng)[10]。該液壓系統(tǒng)主泵采用恒功率變量泵；因液壓系統(tǒng)流量較大，系統(tǒng)采用插裝閥和大通徑伺服閥實(shí)現(xiàn)流量和壓力控制，主缸下腔采用兩級(jí)方向插裝閥做下腔封閉。

250T粉末精整液壓機(jī)液壓系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 250T粉末精整液壓機(jī)液壓系統(tǒng)原理圖

250T粉末精整液壓機(jī)整個(gè)工作流程如下：

首先YA01得電，主泵通過(guò)D662伺服閥向快速缸供油，同時(shí)YA03、YA04得電，主缸下腔油液通過(guò)支撐閥組返回油箱，油箱通過(guò)充液閥向主缸上腔供油，實(shí)現(xiàn)滑塊快速下行；滑塊在接近壓制位置時(shí)，YA02得電，主泵同時(shí)向主缸和快速缸供油，滑塊由快速下行轉(zhuǎn)為慢速下行，實(shí)現(xiàn)壓制工藝，通過(guò)控制伺服閥開(kāi)口大小，實(shí)現(xiàn)滑塊壓制速度控制，通過(guò)YAB比例壓力閥組實(shí)現(xiàn)壓機(jī)最大壓制力控制；壓制完成后，YAB比例壓力閥控制主缸和快速缸上腔泄壓，然后伺服閥反向動(dòng)作，主泵向主缸下腔供油，同時(shí)YA05得電，充液閥打開(kāi)，主缸和快速缸上腔油液充液閥返回油箱，實(shí)現(xiàn)滑塊快速回程。

2 粉末精整液壓機(jī)系統(tǒng)建模

液壓系統(tǒng)仿真模型搭建需要按步驟進(jìn)行，首先要對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行模型搭建和參數(shù)化，并通過(guò)仿真驗(yàn)證子系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置是否正確，然后按照液壓原理圖將子系統(tǒng)連接在一起，形成整個(gè)液壓系統(tǒng)的仿真模型。

2.1 二通插裝閥模型搭建

筆者在該250T粉末精整液壓機(jī)的泵出口、系統(tǒng)調(diào)壓、單向以及支撐等多處使用二通插裝閥。接下來(lái)，以DG25通徑方向插裝閥為例，簡(jiǎn)述模型的搭建及其仿真過(guò)程。

首先對(duì)二通插裝閥進(jìn)行實(shí)物測(cè)量，并依據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)二通插裝閥仿真模型進(jìn)行參數(shù)化。在仿真模型中，除實(shí)測(cè)參數(shù)外，最大流量系數(shù)對(duì)二通插裝閥仿真模型壓力流量特性的影響最大。

為了得到最優(yōu)最大流量系數(shù)，此處建立的最大流量系數(shù)仿真模型如圖2所示。

圖2 最大流量系數(shù)仿真模型

查閱DG25二通插裝閥特性曲線可知，二通插裝閥隨著流量增大到800 L/min時(shí)，壓降也逐漸增大到10 bar；為得到插裝閥流量壓降曲線，需要對(duì)二通插裝閥的流量做動(dòng)態(tài)設(shè)置，為此，此處對(duì)仿真模型參數(shù)做如下設(shè)置：

泵排量：1 000 cm3/r；

電機(jī)轉(zhuǎn)速：0～800 r/min(10 s內(nèi))；

硬管內(nèi)徑：φ50 mm(消除管路的影響)；

溢流閥設(shè)定壓力：50 bar;

通流能力：500 L/min。

仿真模型的最大流量系數(shù)在0.1～1之間取值，筆者通過(guò)批運(yùn)算處理，并與樣本曲線進(jìn)行比較，最終得到當(dāng)最大流量系數(shù)為0.66時(shí)，仿真模型的特性曲線與樣本曲線基本吻合。

DG25二通插裝閥仿真曲線如圖3所示。

圖3 DG25二通插裝閥仿真曲線

從圖3可知：此處建立的仿真模型能夠基本反應(yīng)出選用的二通插裝閥壓力流量特性；即該模型可以作為二通插裝閥，用于液壓機(jī)系統(tǒng)的建模。

2.2 液壓系統(tǒng)模型搭建

根據(jù)250T粉末精整液壓機(jī)原理圖，筆者搭建液壓系統(tǒng)仿真模型[11-13]。其中，此處對(duì)仿真模型做以下幾點(diǎn)簡(jiǎn)化：

(1)模型中的泵實(shí)際為A7VO160恒功率變量泵，但是壓機(jī)在快下和慢下過(guò)程中，系統(tǒng)壓力不高，未達(dá)到變量泵的變量點(diǎn)，因此，在研究壓機(jī)快下和慢下時(shí)，可以采用定量泵代替；

(2)快速缸為2個(gè)柱塞缸，主缸為活塞缸，在模型中，2個(gè)柱塞缸通過(guò)面積轉(zhuǎn)化，可以用1個(gè)柱塞缸來(lái)代替；

(3)對(duì)壓機(jī)快下及慢下過(guò)程沒(méi)有影響的元件，沒(méi)有在模型中搭建。

建立的液壓系統(tǒng)仿真模型如圖4所示。

圖4 液壓系統(tǒng)仿真模型

3 壓機(jī)壓制頻次影響因素分析

250T粉末精整液壓機(jī)雖然能夠滿足用戶生產(chǎn)的功能需求，但不足之處是壓制頻次差，用戶要求壓機(jī)在壓制某類粉末零件時(shí)，將單次壓制周期控制在6.3 s以內(nèi)。目前，壓機(jī)單次壓制周期為7.1 s。

通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，影響壓機(jī)壓制頻次的原因主要有：(1)下內(nèi)模沖油缸速度太慢；(2)滑塊在快下瞬間等待時(shí)間較長(zhǎng)；(3)滑塊空行程距離較大，所需快下和快回時(shí)間較長(zhǎng)。

筆者將針對(duì)以上3點(diǎn)原因做仿真分析，通過(guò)液壓系統(tǒng)優(yōu)化及工藝參數(shù)優(yōu)化，以滿足用戶對(duì)壓機(jī)的頻次要求。

3.1 下內(nèi)模沖油缸速度對(duì)壓制頻次影響

通過(guò)對(duì)單件產(chǎn)品壓制周期觀察分析發(fā)現(xiàn)，下內(nèi)模沖油缸速度太慢。經(jīng)位移尺監(jiān)測(cè)得知，其速度為32 mm/s～34 mm/s；其中，下內(nèi)模沖油缸全行程為30 mm，打料過(guò)程需要0.9 s，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品的壓制節(jié)拍。

為此，基于AMESim軟件，筆者搭建了整改前下內(nèi)模沖油缸液壓系統(tǒng)仿真模型，如圖5所示。

圖5 整改前下內(nèi)模沖油缸液壓系統(tǒng)仿真模型

按照下內(nèi)模沖油缸液壓系統(tǒng)實(shí)際參數(shù)，筆者對(duì)仿真模型參數(shù)化設(shè)置，并通過(guò)仿真，得到下內(nèi)模沖油缸速度曲線，如圖6所示。

圖6 整改前下內(nèi)模沖油缸速度曲線

從圖6可知：下內(nèi)模沖油缸速度在頂出和退回時(shí)均為34 mm/s，與實(shí)際監(jiān)測(cè)所得數(shù)據(jù)一致。

通過(guò)仿真，得到整改前下內(nèi)模沖油缸液壓系統(tǒng)壓力曲線，如圖7所示。

圖7 整改前下內(nèi)模沖油缸液壓系統(tǒng)壓力曲線

從圖7可知：高頻響閥前后壓降達(dá)到80 bar,高頻響閥P口壓力為170 bar，已達(dá)到系統(tǒng)壓力設(shè)定值，造成泵輸出的1/3流量從泵出口溢流閥流回油箱。

根據(jù)對(duì)以上情況的分析可知，在液壓系統(tǒng)硬件條件不改變的情況下，已無(wú)法通過(guò)調(diào)試進(jìn)一步提高下內(nèi)模沖油缸速度。

為滿足客戶需求，筆者提出下內(nèi)模沖油缸液壓系統(tǒng)整改方案。整改方案主要有：(1)將下內(nèi)模沖油缸的動(dòng)力源由輔助泵1(33 L/min)改為輔助泵2(61.5 L/min)。經(jīng)計(jì)算，在沒(méi)有流量損失的情況下，油缸速度最高可達(dá)到90 mm/s；(2)選用10通徑高頻響閥。該閥在70 bar閥壓差下公稱流量為100 L/min，可有效降低泵出口壓力，避免泵輸出流量通過(guò)安全閥返回油箱。

經(jīng)整改后，下內(nèi)模沖油缸速度在高頻響閥開(kāi)口度100%時(shí)，速度能夠快速達(dá)到90 mm/s。考慮到下內(nèi)模沖油缸行程太短，最終筆者將高頻響閥開(kāi)口度設(shè)定為60%，這樣油缸速度就可達(dá)到64 mm/s，整個(gè)打料過(guò)程縮短至0.47 s，單次壓制時(shí)間可有效縮短0.43 s。

3.2 泵出口插裝閥阻尼大小對(duì)壓制頻次影響

通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)壓機(jī)下行階段觀察發(fā)現(xiàn)，在控制系統(tǒng)下行指令下達(dá)后，壓機(jī)有明顯等待現(xiàn)象，該現(xiàn)象對(duì)壓機(jī)壓制頻次影響較大。筆者根據(jù)實(shí)際參數(shù)，對(duì)圖4的液壓系統(tǒng)仿真模型進(jìn)行參數(shù)化設(shè)置：

將快下速度設(shè)定在350 mm/s，通過(guò)速度標(biāo)定，設(shè)置伺服閥開(kāi)口度為55%時(shí)，快下速度滿足要求；滑塊支撐閥設(shè)定為110 bar；設(shè)定總的仿真時(shí)間為2.5 s，其中前0.3 s液壓系統(tǒng)主泵處于空循環(huán)階段，0.3 s后控制系統(tǒng)給壓機(jī)快速下行指令，滑塊全行程為0.55 m，在滑塊下行至0.5 m后，壓機(jī)由快下階段轉(zhuǎn)入慢下階段。

為研究插裝閥蓋板阻尼對(duì)快下響應(yīng)的影響，筆者分別設(shè)置仿真模型。

不同泵出口插裝閥的來(lái)油阻尼、壓中阻尼參數(shù)如表1所示。

表1 不同來(lái)油阻尼、壓中阻尼參數(shù)

筆者對(duì)仿真模型做批運(yùn)算處理，得到不同阻尼壓機(jī)滑塊速度曲線，如圖8所示。

圖8 不同阻尼壓機(jī)滑塊速度曲線

通過(guò)圖8仿真曲線可知：在壓機(jī)快下指令下達(dá)0.3 s后，在不同阻尼條件下，壓機(jī)滑塊下行啟動(dòng)時(shí)間有所不同，隨著泵出口插裝閥阻尼的增大，壓機(jī)滑塊的快下響應(yīng)速度也越來(lái)越快。其中，泵出口插裝閥阻尼為第一組時(shí)的快下啟動(dòng)時(shí)間，比阻尼為第四組時(shí)提前了接近0.3 s。

筆者通過(guò)仿真，得到不同阻尼泵出口壓力曲線如圖9所示。

圖9 不同阻尼泵出口壓力曲線

通過(guò)圖9泵出口壓力曲線可知：隨著插裝閥阻尼的增大，泵出口升壓越來(lái)越快；在插裝閥閥芯關(guān)閉期間，泵出口壓力存在較大波動(dòng)，但不同阻尼條件下，泵出口壓力超調(diào)量基本一致，即液壓系統(tǒng)受到的壓力沖擊不會(huì)隨著插裝閥阻尼的增大而增大。

由此可見(jiàn)，通過(guò)增大泵出口插裝閥阻尼方式，縮短壓機(jī)滑塊快下等待時(shí)間，可以提高壓機(jī)的壓制頻次。

3.3 壓機(jī)滑塊空行程對(duì)壓機(jī)頻次影響

減少壓機(jī)的空行程距離，不僅可以縮短滑塊快下所需時(shí)間，而且可以縮短滑塊快回所需時(shí)間。為研究空行程對(duì)單件產(chǎn)品壓制時(shí)間的影響，筆者將壓機(jī)滑塊全行程距離分別設(shè)置為0.55 m、0.5 m、0.45 m；其中，壓機(jī)滑塊慢下行程為0.05 m保存一致，然后對(duì)液壓系統(tǒng)仿真模型做批運(yùn)算仿真分析。

此處得到不同全行程參數(shù)滑塊的位移曲線如圖10所示。

圖10 不同全行程參數(shù)滑塊位移曲線

通過(guò)圖10仿真曲線可以看出：隨著壓機(jī)滑塊全行程參數(shù)的增大，下行完成所需時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)；壓機(jī)在滑塊全行程為0.55 m時(shí)，下行所需總時(shí)間為2.72 s，壓機(jī)在滑塊全行程為0.45 m時(shí)，下行所需總時(shí)間為2.46 s；同樣的，滑塊全行程較短的回程所需時(shí)間也短。

由此可見(jiàn)，通過(guò)縮短壓機(jī)滑塊空行程，可以將單次壓制時(shí)間縮短0.26 s以上。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了250T粉末精整液壓機(jī)液壓系統(tǒng)的工作原理及其建模過(guò)程，并提出了影響壓機(jī)壓制頻次的主要因素，通過(guò)仿真分析，研究了各主要因素對(duì)液壓機(jī)壓制頻次的影響，得到如下結(jié)論：

(1)整改后的下內(nèi)模沖油缸液壓系統(tǒng)，在高頻響閥開(kāi)口度設(shè)定為60%時(shí)，油缸速度可提升至64 mm/s，單次壓制時(shí)間可有效縮短0.43 s；

(2)增大泵出口插裝閥阻尼，可有效降低液壓機(jī)滑塊快下等待時(shí)間，當(dāng)泵出口插裝閥來(lái)油阻尼為0.8 mm，壓中阻尼為0.6 mm時(shí)，滑塊快下等待時(shí)間可有效縮短0.3 s；

(3)縮短液壓機(jī)全行程可有效減少單次壓制所需時(shí)間，當(dāng)滑塊全行程距離由0.55 m降低至0.45 m,單次壓制時(shí)間可縮短0.26 s以上。

該研究通過(guò)提高下內(nèi)模沖油缸速度、增大泵出口插裝閥阻尼和縮短壓機(jī)滑塊全行程距離的方法，可將液壓機(jī)的單次壓制時(shí)間縮短1 s,即壓機(jī)單次壓制時(shí)間可控制在6.1 s。該結(jié)果可滿足用戶對(duì)壓機(jī)的頻次需求。