高速冲床液压系统中蓄能器对压力变化的影响研究.pdf

总第2 11期2023年第8 期理论研究高速冲床液压系统中蓄能器对压力变化的影响研究张鹏（太原重型机械集团有限公司，山西太原0 3 0 0 2 4）摘要：基于传统高速冲床液压系统，在多领域系统仿真软件amesim中搭建详细的仿真模型，对传统的液压系统和本文提出的液压系统进行仿真，得到液压缸的压力变化曲线，对两种不同液压系统在冲裁时的压力变化进行分析。结果表明，通过蓄能器可以明显降低液压缸的压力变化幅度，提高液压系统的稳定性和可靠性；而液压缸压力变化越平缓，冲载出的钢板剪切面的质量也越好。关键词：高速液压冲床；压力变化；蓄能器；仿真分析中图分类号：TU9910引言冲床是制造业中非常重要的板材冲压工具，被广泛地应用于航空航天、汽车、电子产品等行业领域的加工。冲床的种类也从原来的机械冲床、液压冲床,发展到数控冲床，再到现在的数控液压伺服控制的冲床。但是，高速冲床的发展受冲裁时产生的振动问题影响而进步缓慢。为了解决冲裁时振动带来的影响，zhou等人1 研究发现高速精密冲床运转工作时,内部机构质量产生的惯性力作用在机架上，会造成机体的不平衡，引发冲床产生振动，造成在机械加工时易降低零件精度和缩短冲床使用寿命的缺陷；随之对高速精密冲床的动态不平衡力和振动模态进行了分析，得出了减小动态不平衡力质量块的最佳质量和平衡效果，从结构改善方面提出了减小冲床振动的方案。高速冲床液压系统作为冲床的重要组成部分，必须具有良好的稳定性和动态性能。但是高速冲床液压系统在启动、换向时往往存在较大的液压冲击，或受到外来干扰出现冲压不稳定等问题，严重影响冲床的冲压精度3 。液压系统的压力变化不仅会直接影响到系统管接头、密封件及相关阀件，而且严重影响液压系统的可靠性，因此,对于液压系统压力变化的研究至关重要4-5 。Peng 等人研究了泵控液压缸操舵系统因工况复杂、负载变化大、变量泵装置惯量较大等因素，使其产生的压力冲击对系统效率、平稳性及准确性造成的不利影响。为使液压传动车辆能够平稳地起步，Zhao等人研究了液压传动车辆在起步过程中，液压泵的排量控制与起步压力之间的关系。Li等人针对大流量工况及长管道的管道效应会引发供油压力波动，从而导致伺服控制系统动态特性改变，使伺服控制精度降低的问题进行了研究。由于传统磨粒流加工机床液压控制系统的不稳定性，Sheng等人提出基于遗传算法优化的积分分离式PID控制算法，对磨粒流机床液压缸的压力变化进行研究，可以很好地解决收稿日期:2 0 2 3-0 3-10作者简介：张鹏（19 8 2 一,男，山西平陆人，硕士研究生，毕业于昆明理工大学机械设计专业，工程师，主要从事装备工程管理工作。山西冶金ShanxiMetallurgy文献标识码：A系统输出不稳定的问题。液压系统压力脉动是降低元件寿命、引起液压系统噪声和振动的一个主要原因，zhou等人通过仿真和实验验证了确保低压侧压力稳定能有效减少高压侧压力脉动。解决冲床压力变化的主要目的是为了得到更优剪切面的工件，Kanca等人研究了冲裁速度对ST37钢剪切表面质量的影响。Wang等人研究了冲裁速度对c5191青铜磷片坏料表面质量的影响，得出“随着冲裁速度的增加，毛坏边缘的质量显著提高”的结论。Yagita等人研究了超高强钢板在不足压边力作用下的剪切变形行为，得出“在板材倾斜、压边力不足的情况下，剪切边毛刺高度增加”的结论。以上研究为液压系统压力变化的探索作出了巨大的贡献，但针对液压系统压力变化减弱的研究以及蓄能器回路在液压系统中减少压力变化的方法和报道较少。该研究提出了通过蓄能器减小液压缸压力变化幅度的方法，并在amesim中搭建详细的仿真模型，对传统的液压系统和本文提出的液压系统进行分析，得出了高速冲床冲裁不同厚度钢板时的液压缸上腔、下腔时间变化曲线图和活塞移动的位移时间曲线图，证明了通过蓄能器减小液压缸压力变化方法的可行性，从而进一步用来推测液压缸压力变化对钢板剪切面质量的影响6 。1系统设计高速冲床的一个重要特点就是冲裁频率高，但与此同时，由于冲床频率的增加,液压系统在工作时会产生巨大的压力变化与冲击，导致冲裁件断面质量不能够得到保证。为了减小高速冲床液压系统的压力变化，设计出一种通过蓄能器回程的液压系统，如下图1所示。2仿真分析为了探究高速冲床液压系统压力变化对钢板剪切面质量的具体影响作用，在amesim中搭建其详细Total 211No.8,2023DOI:10.16525/14-1167/tf.2023.08.049文章编号：16 7 2-115 2(2 0 2 3)0 8-0 12 7-0 3山西冶金128E-mail:第46 卷压不投入到冲裁过程，而是作为补液泵为低压油路提电磁止回阀1127WO31314供油液。11TIPHD106T2PND5MHAMo电磁止回阀2电磁止回阀3低压油源1一液压缸；2 一电液换向阀；3 单向阀；4/7 一电磁止回阀；5低压油；6/11回油口；8 液控单向阀；9 节流阀；10 高压油；12 一回程蓄能器；13 一低压蓄能器；14一高压蓄能器图1通过蓄能器回程的高速冲床液压系统原理图的仿真模型，研究不同的回程方式对液缸压力变化的影响，分析压力变化对钢板冲裁质量的影响。为了更好地模拟出高速冲床冲裁钢板的动作，本研究采用固定载荷施加在液压缸活塞上，代替高速冲床冲裁钢板时的作用力。为了使仿真结果更加真实、可靠，对冲裁力的校核就显得尤为重要。2.1aamesim压力变化仿真分析2.1.1冲裁力校核根据冲裁力的计算公式：F=1.3LST式中：L为冲裁周长,mm，冲孔时L=d,d为冲孔直径,mm;8为板材厚度,mm;T为材料抗剪强度,MPa。本文研究的高速冲床的作用对象是作为汽车大梁的6 10 L钢，其密度为7.8 5 10 3 kg/m、抗拉强度为610MPa，根据经验公式抗剪强度约为抗拉强度的0.8倍，得到6 10 L钢的抗剪强度约为48 8 MPa。根据公式（1）可以得到剪切5 0 mm10mm、50 mm8 mm、3 0 mm8 mm、2 0 mm 6 mm 的钢板所高压油源图2 高速冲床amesim压力变化分析模型表1仿真模型主要参数参数名称活塞直径/mm活塞杆直径/mm油液密度/(kg/m)油液绝对黏度/（mPas）油液体积模量/MPa高压压力/流量MPa/（Lmin）低压压力/流量MPa(/Lmin）该仿真模型信号源1、2 的信号如下图3 所示：2.2仿真结果分析(1)6040dN/200-20-40数值27020087020.76170025/2 47/96一电磁阀控制信号电磁阀控制电磁阀电磁阀挂制倡号23需要的冲裁力的大小,分别为9 9 6 kN、7 9 7 k N、47 8 k N、237kN。2.1.2仿真参数设定该研究提出的高速冲床液压系统采用蓄能器回程，代替了现有的高速冲床液压缸下腔直接与低压油路相连接的回程方式。采用蓄能器回程的方式,液压缸下腔的压力变化与蓄能器特性密切相关；采用低压油回程的液压系统,在冲裁钢板时,液压缸下腔的压0.03-1采用蓄能器回程的液压阀控制信号60402002.83.03.2时间/s3.43.63.84.0力会迅速增加到与PND相同的大小。在仿真软件amesim中搭建其详细的仿真模型，如图2 所示，主要参数如表1所示，包括方向阀、压力阀、流量阀、液压缸和高、低压泵站模型，同时考虑液压缸冲裁钢板时的冲裁力的影响，以固定载荷模拟冲裁钢板时的冲裁力。该系统另外一个显著的特点为,在冲裁薄板时,高-20-400.03-2采用差动连接的液压阀控制信号图3两种不同回程方式的电磁阀信号+电磁阀控制信号1电磁阀控制得电微阁控制232.83.03.2时间/s3.43.63.84.02023年第8 期通过amesim建模仿真，得到蓄能器回程和低压油路回程两种方式下，高速冲床冲裁不同厚度钢板时的液压缸上腔、下腔压力时间变化曲线图4和活塞移动的位移时间曲线图5。25.022.520.017.515.012.510.07.55.02.50.0-2.52.42.62.8 3.03.23.43.63.84.0 4.2时间/s4-1剪切不同厚度钢板液压缸上腔压力变化7.5+10mm蓄能器7.010mmpnd850mm蓄能器6.5-850mmpnd6.0一8 3 0 mm蓄能器830mmpnd5.56mm蓄能器5.0oInm4.54.03.53.02.52.02.84-2剪切不同厚度钢板液压缸下腔压力变化图4液压缸上下腔压力时间变化曲线图4液压系统液压缸上腔与下腔的压力时间曲线显示，在3.1s时低压油通过电磁换向阀进人到液压缸的上腔,此时液压缸上腔和下腔的压力迅速升高，在3.16 s时高压油通过液控单向阀进人到液压缸上腔,液压缸上腔的压力再次升高。图4-1为采用蓄能器回程和低压油回程两种情况下，冲裁不同厚度钢板，液压缸上腔的压力变化。可以看出，冲裁5 0 mm钢板时,采用蓄能器回程的液压缸上腔的压力略小于传统系统液压缸上腔的压力；冲裁3 0 mm和2 0 mm钢板时,液压缸上腔的压力变化两者基本相同。图4-2为采用蓄能器回程和低压油回程两种方式下,冲裁不同厚度钢板时,液压缸下腔的压力变化。可以明显看出,采用蓄能器回程液压系统，下腔压力变化基本相同，为3.0 3.6 MPa；采用低压油回程液压系统，液压缸下腔压力在换向阀开启的瞬间从7.0 MPa下降到5.3MPa,在3.16 s时,随着高压油进人到液压缸上腔，液压缸下腔的压力也有所升高,大约为5.3 5.6 MPa，相比之下，蓄能器回程时液压缸下腔的压力变化明显张鹏：高速冲床液压系统中蓄能器对压力变化的影响研究.一10 mm蓄能器o10 mm pnd+8x50mm蓄能器08x50mmpnd8x30mm蓄能器8x30mmpnd+6mm蓄能器-6mmpnd3.03.2129.较传统方式回程小。该数据为研究液压系统压力变化对板材剪切面质量的影响提供了强有力的支持。图5 为液压系统液压缸活塞的位移时间曲线，根据位移时间曲线的斜率可以算出在冲裁阶段活塞杆的速度，同时通过斜率可以得到,采用蓄能器回程与采用低压油回程相比,活塞的移动速度前者较后者的提升。根据Kanca等人的研究,可以预测依靠蓄能器回程得到的钢板质量优于依靠低压油路回程得到的钢板剪切面质量。0.0400.0350.030+10 x50mm蓄能器+1050mmpnd0.025850mm蓄能器+850mmpnd0.020+830mm蓄能器F+8x30mm pnd0.0156x20mm蓄能器620 mm pnd0.0100.0050.000-0.0052.42.62.83.03.23.4 3.63.84.04.2时间/S图5液压缸活塞的位移一时间曲线3结语本文通过amesim仿真了采用蓄能器回程和传统方式回程两种方式下，液压缸压力的变化情况。根据3.43.6 3.84.0时间/s斜率为-1.124.24.4.数据分析可以得出结论，采用蓄能器回程的方式较传统回程的方式，液压缸的压力变化更小，可以很好地减小冲床的振动，降低系统对管接头、密封件及相关阀件的影响，提高液压系统的可靠性和稳定性，提升零件的精度和剪切面的质量。参考文献1Zhou Zexin,Han Jianlei,Yan Zhiyu,et al.Optimization analysis ofdynamic unbalance force and research on vibration characteristicsof high-speed precision punchJJ.Machine Tool and Hydraulic,2016,44(12):58-64.2Mai Ruiying,Yang Lihong,Zhu Xiaoming.Dynamic analysis ofhydraulic system of high-speed punchJJ.Agricultural EquipmentandVehicle Engineering,2018,56(4):88-91.3Li Jinqiu,Mou Lianman,Zhao Liping.Research and development oflarge-tonnage high-speed precision punch J.ElectromechanicalEngineeringTechnology,2020,49(3):188-190.4朱传同数控高速冲床液压系统的动静态特性及控制方法研究D.济南：山东大学,2 0 10.5臧贻娟.数控高速冲床液压系统设计及仿真D.济南：山东大学，2006.6耿彬,刘伟，郝建涛，等.一种无人机回收系统蓄能器能量回收效率研究J.机床与液压，2 0 2 2,5 0（18):9 5-10 0.(编辑：杨光辉）(下转第15 8 页）山西冶金158E-mail:3结论1)高Ti负荷和高zn负荷条件下,可适当放宽对一级品率的要求，走“低硅钛+高硫的生产组织模式。2)炉缸有堆积迹象后，尤其要保证中心气流，防止中心排Zn不畅，造成高炉zn富集，造成炉墙结厚，若风口容易灌渣，说明炉缸情况已经很差，要抓紧用锰矿洗炉。3)炉况若已经恶化，要从原料端着手，降低人炉Ti负荷和Zn负荷，为炉况处理创造条件。4)通过降料线操作能将黏结物根部裸露出来，进而将黏结物处理掉，可以减小处理炉况的难度，黏结物脱落后要加足够量的净焦和萤石，防止炉?。5)堵风口的原则：针对彻底不接受风量的炉况，Practice of Treating the Stacking of the Hearth and Wall Thickness of the No.2 Blast FurnaceChen Lijie,Yan Bin,Fan Liyan,Liu Baoyang,Ren Zemin(Jingye Steel Co.,Ltd.,Shijiazhuang Hebei 050409,China)Abstract:Due to the limitations of raw material conditions,the Ti and Zn loads of the No.2 blast furnace are high,with a Ti load of up to23.30 kg/t and a Zn load of up to 1.92 kg/t.The high Ti load leads to frequent accumulation,turnover,and suspension of materials in thefurnace hearth,slow material speed,and high top temperature.In addition,the high Zn load causes the accumulation of gas in the furnacehearth to hinder the flow of Zn in the center,resulting in the thickening of the furnace wall in the middle of the furnace body.In response tothese problems in the furnace condition,the reasons for the accumulation of furnace hearth and the thickening of furnace walls are analyzedin detail,and the furnace is washed according to the starting material to gradually improve the furnace condition.Key words:Ti load;Zn load;stove accumulation;furnace wall thickening;start-up charge（上接第12 9 页）Research on the Influence of Accumulator on Pressure Change in the Hydraulic System of(Taiyuan Heavy Machinery Group Co.,Ltd.,Taiyuan Shanxi 030024,China)Abstract:Based on the traditional high-speed punch hydraulic system,a detailed simulation model is built in the multi domain systemsimulation software amesim.The traditional hydraulic system and the hydraulic system proposed in this paper are simulated to obtain thepressure change curve of the hydraulic cylinder.The pressure change of two different hydraulic systems during punching is analyzed,Theresults show that using an accumulator can significantly reduce the pressure change amplitude of the hydraulic cylinder,improve the stabilityand reliability of the hydraulic system,and the smoother the pressure of hydralic cylinder changes,the better the quality of the steel plateshear surface.Key words:high-speed hydraulic pressi pressure changes;accumulator;simulation analysis(上接第13 4页）Analysis of Hydraulic Fracturing Effect under Different Fracturing Parameters(zhangzi County Lingzhida Coal Industry Co.,Ltd.,Changzhi Shanxi 046000,China)Abstract:In order to improve the application effect of hydraulic fracturing in the treatment of hard roof problems,this paper uses numericalsimulation software to study the fracture propagation under different fracturing parameters.First,the hydraulic fracturing process is simulated,and it is found that with the increase of grouting pressure,the stress concentration at the prefabricated fracture angle is at this time.When thestress value exceeds the tensile strength of the unit,the fracture starts to crack and deflects to the direction of the maximum principal stress.At the same time,the fracture width and fracturing fluid flow rate under different stress difference and fracturing fluid viscosity are analyzed,and it is found that the fracture width and fluid flow rate are gradually decreasing with the increase of stress difference,while the fracturewidth and fluid flow rate are gradually increasing with the increase of fracturing fluid viscosity,which provides a certain reference for theapplication of hydraulic fracturing technology and parameter design.Key words:numerical simulation;fracturing fluid viscosity;fracturing pressure;fracture width第46 卷只开一个铁口上方的风口，逐步活跃炉缸；尽可能不堵结厚部位的风口，一旦堵了，要优先开此方向风口。参考文献1刘晓,刁均涛.莱钢2 号18 8 0 高炉降料线处理炉墙结厚操作实践J.山西冶金，2 0 2 0，43（1)：6 7-6 9.2 靳正平.太钢2 号高炉炉缸堆积原因分析及处理J.山西冶金，2006,29(2):57-58.3 黄玉兴,辛公良，刘欣，等.降料面法消除炉墙上部结厚J.山东冶金，2 0 14(5)：8-9.4杨春生，邯郸2 0 0 0 m高炉炉缸堆积的处理J.炼铁，2 0 0 8,2 7(1):35-37.5李永超.承钢某高炉炉缸堆积的处理实践J.河北冶金，2 0 18(3):45-47.（编辑：武倩倩）High Speed Punching MachineZhang PengRu Zhuowei