300 MN模鍛水壓機水路系統動態特性仿真分析

陳國強，譚建平

(1.中南大學 高性能復雜制造國家重點實驗室，湖南 長沙 410083；2.中南大學 機電工程學院，湖南 長沙 410083；3.湖南工程學院 機械工程學院， 湖南 湘潭 4111101)

300 MN模鍛水壓機水路系統動態特性仿真分析

陳國強1,2,3，譚建平1，2

(1.中南大學 高性能復雜制造國家重點實驗室，湖南 長沙 410083；2.中南大學 機電工程學院，湖南 長沙 410083；3.湖南工程學院 機械工程學院， 湖南 湘潭 4111101)

針對300 MN模鍛水壓機水路系統在使用中頻繁出現密封擊穿和泄漏、壓力傳感器損壞及管路連接松動等故障現象，基于AMESim和Simulink軟件開展水壓機水路系統動態特性的仿真分析。建立了水壓機水路系統的聯合仿真簡化模型，并對模型的正確性進行了理論驗證，完成了對水壓機加壓-碰模過程的仿真分析，得到了主分配器閥體泄漏、管道內徑、乳化液溫度和氣體含量等相關參數對水路系統性能的影響規律，為水路系統的改進和維護提供理論指導。

模鍛水壓機；動態特性；水路系統；仿真分析

0 前言

300 MN模鍛水壓機是目前亞洲最大的模鍛水壓機，而水路系統是其核心部分，具有高壓力、大流量的特點。目前該水壓機的水路系統在使用中頻繁出現壓力傳感器損壞、液壓元件密封擊穿和泄漏及管路連接松動等故障現象，給企業造成了巨大的損失。

評價水路系統能否正常工作和各項性能指標時，除了要求水路系統必須完成規定的動作循環和滿足靜態特性外，還要求其有良好的動態特性[1]。一般來說，液壓系統的動態特性主要表現在壓力波動的幅度，壓力穩定的時間及壓力波動的頻率等方面。分析水路系統動態特性所采用的方法有經典的控制理論法、物理模擬法、實驗研究法、數值仿真法等[2-7]。Augus R. Simpso[3]通過特征線法，張鍵[4]等用功率鍵合圖法對水路系統進行建模分析；駱建彬[5]用解析法建立了300MN模鍛水壓機水路系統的動力學仿真模型，并分析碰模過程中系統液壓沖擊，不足是建立的系統模型不完善，分析過程單一[5]；黃長征等[6]從其主分配器閥體優化設計的角度分析了水壓機各工況下液壓沖擊 。劉江明[7]通過AMESim和Simulink的聯合仿真研究了300MN模鍛水壓機的空行程-提升狀態轉換過程的液壓沖擊的仿真分析。

數值仿真是隨著計算機的發展而出現的一種以現代控制理論為基礎的分析方法，具有精確、可靠、經濟、適應性強等優點，可以模擬任何輸入函數作用下系統各變量隨時間的變化規律，從而獲得對水路系統動態過程直接而全面的了解，本文基于AMESim和Simulink軟件開展對水壓機水路的動態特性仿真分析。

1 300 MN模鍛水壓機結構及其水路系統簡介

300 MN模鍛水壓機機架是梁柱式結構，主體由4個提升缸、8個工作缸、4個同步缸、4個平衡缸、8根立柱、上下橫梁、上下墊板組和活動橫梁組成，共有八根立柱，每兩根立柱和一個上橫梁、一個下橫梁以熱裝的螺紋連接形式構成水壓機橫向的剛性框架，如圖1所示。

圖1 水壓機水路系統結構示意圖

300 MN模鍛水壓機水路系統包括提升缸、平衡缸、工作缸、泵站、主分配器各種管道、充液閥及充液罐等部分組成。水路系統中的提升缸、平衡缸和工作缸由水壓機的本體結構連接在一起，工作缸缸體固定在上橫梁上，提升缸體和平衡缸缸體固定在下橫梁上，各個缸的柱塞通過活動橫梁連接在一起，上、下橫梁通過立柱連接在一起。300 MN模鍛水壓機來水泵站的工作壓力為32 MPa。

水壓機水路系統的控制通過主分配器的閥門實現，閥門的開啟或關閉過程是由操作員控制操作手柄輸入轉角信號，再通過油壓系統驅動凸輪至指定的角度，最后凸輪頂起各進、排水閥完成的，各個閥需按照一定的規律協調工作以實現停止、空行程、加壓和提升四個狀態的轉換，通過操作員的操作手柄角度信號轉換為閥門的開啟順序及高度信號，手柄轉角與閥門開啟關閉的關系如圖2所示，圖中1-8為各閥的編號。

圖2 主分配器閥芯開啟控制圖

圖中橫坐標x代表手柄轉動角度，縱坐標y代表各閥門的開啟高度。“停止”位置表示凸輪轉角0°，停止-提升過程凸輪轉角為負值，停止-加壓過程凸輪轉角為正值。

2 水路系統CAE建模及理論驗證

2.1 水壓機水路系統CAE建模

首先基于AMESim軟件完成對水路系統各部分的建模，然后將各部分模型按照實際模型進行綜合。

由于300 MN模鍛水壓機水缸很多，子模型共有16個，使系統變得復雜，計算效率過低，因而對系統進行合理簡化，得到系統仿真模型。

然后在完全相同的參數環境下進行仿真分析，對比簡化前后模型在空行程-提升過程中提升管道中沖擊幅值，如圖3、圖4所示。簡化前的沖擊幅值為41.5 MPa，簡化后的沖擊幅值為40.1 MPa，其誤差僅為3.37%，故可確定簡化模型合理可信。

根據圖上述閥開啟度與凸輪轉角的函數關系式，在Simulink中建立閥芯開啟控制函數模型。

圖3 簡化前模型提升管道內沖擊曲線

圖4 簡化后模型提升管道內沖擊曲線

2.2 仿真模型的理論驗證

由于利用仿真軟件建立的系統模型有效性并不確定，在此以水壓機的空行程-提升過程為對象，基于動量定理的液壓沖擊理論計算，與仿真結果進行對比，對數值仿真模型進行驗證。

從液壓沖擊的產生原因分析可知，液壓沖擊主要由兩部分原因引起，即因為閥門關閉導致管道內部的高壓流動液體瞬間停止導致的液壓沖擊和由于活動部件的運動慣性產生的液壓沖擊。對這兩種情況進行基于動量定理的液壓沖擊計算，得出在空行程-提升過程中提升管道內部沖擊理論幅值。

(1)管道閥門關閉時的液壓沖擊。設管道截面積為A，產生沖擊的管長為l，壓力沖擊波第一波在l長度內傳播的時間為t1，液體的密度為ρ，管中液體的流速為υ，閥門關閉后的流速為零，則由動量方程得

(1)

(2)

式中，t1為壓力沖擊波第一波在管路中的傳播時間;c為壓力沖擊波在管中的傳播速度,c= l/t1;c不僅和液體的體積彈性模量K有關，而且還和管道材料的彈性模量E、管道的內徑d及壁厚δ有關，c值計算公式為

(3)

其中，ρ為流體密度(ρ=950kg/m3)；υ為流體流速；K=2.06×109N/m；E=2.2×109N/m;d=112mm；δ=26mm。

系統工作壓力32MPa，允許的壓力波動值ΔP0=Ps/100=0.32MPa；活動橫梁最大速度為150mm/s，則通過提升缸排水閥閥口的介質流速為

υ=v橫梁·S缸/S管=11.2m/s

代入式(3)可以計算得到c=1 314m/s。基于動量定理計算式(2)有

(2)運動部件制動時的液壓沖擊。設總質量為∑m的運動部件在制動時的減速時間為Δt，速度減小值為Δv，液壓缸有效面積為A，則根據動量定理得

(4)

對于300MN水壓機，運動部件包括活動橫梁和提升缸活塞，其中活動橫梁總質量為2.3×106kg，活塞質量與活動橫梁相比很小，在此進行忽略，活動橫梁空行程最大速度為0.15m/s，提升缸活塞總面積為0.7 235m2。將以上參數代入上式得到活動橫梁從空行程下降在Δt時間內停止時產生的液壓沖擊大小為

(5)

對于活動橫梁從空行程下降到突然停止，其產生的液壓沖擊為

(6)

此時液壓系統內部最大壓力大小為

pmax=p0+Δp=p0+Δp1+Δp2

(7)

式中，P0為流體內部初始壓力。

在空行程狀態，活動橫梁的重力由平衡缸和提升缸共同承受，故可算得此提升回路系統內初始壓力為p0=9.68MPa(相當于活動橫梁的重量減去平衡缸提升力之后作用在提升缸上產生的壓力)

取t=0.1s時，提升管道的壓力峰值為

pmax=p0+Δp=p0+Δp1+Δp2=28.33MPa

設置簡化后模型參數，采用空行程-停止過程，凸輪轉角變換時間為t=0.1s，采集仿真曲線如圖5所示。

圖5 空行程-停止過程(凸輪轉角變換時間為0.1 s)

比較理論計算(28.33 MPa)與提升管道內壓力曲線此時仿真結果(27.14 MPa)可知，仿真與結果誤差為4.2%，故可判定所建水路系統仿真模型合理可信。

3 300 MN模鍛水壓機水路系統動態特性仿真分析

加壓-碰模是水壓機工作的關鍵過程，本文基于仿真模型對此工況進行系統分析，得到泄漏間隙、工作缸管徑、乳化液溫度、乳化液空氣含量等參數對水路系統動態特性的影響規律。在加壓-碰模過程中，平衡缸及提升缸內一直處于低壓狀態，擬分析的參數對其沒有明顯影響，故在此只以工作缸為對象進行分析。

3.1 閥體泄露的影響

由于閥芯存在運動，故不可避免的會產生內部泄露，設置泄漏間隙為0.1～5.0 mm中的23組數據，進行仿真分析并采集碰模后0.2 s內工作缸內沖擊頻率，如圖6、圖7所示。

圖6 閥體泄漏間隙與工作缸壓力幅值關系

圖7 閥體泄漏間隙與工作缸沖擊頻率關系

由圖可知，閥體泄漏對工作缸壓力幅值的影響非常明顯，特別是當泄漏間隙達到1.6 mm以上時，工作缸內壓力下降非常明顯，工作缸內沖擊頻率很高而且不穩定。

3.2 乳化液空氣含量的影響

設置乳化液空氣含量為0.1%～3%中的11組數據進行仿真分析，采集碰模后0.2 s內工作缸內壓力及壓力沖擊頻率如圖8、圖9所示。

圖8 乳化液空氣含量與工作缸壓力幅值關系

圖9 乳化液空氣含量與工作缸沖擊頻率關系

由圖可知，在空氣含量為0.1%～3%間，對工作缸內壓力幅值影響不是很大。工作缸內不同空氣含量下沖擊頻率不同。

3.3 乳化液溫度的影響

設置乳化液溫度為5 ～70 ℃中的14組數據，進行仿真分析并采集碰模后0.2 s內工作缸內沖擊頻率。仿真后采集數據如圖10、圖11所示。

圖10 乳化液溫度與工作缸壓力幅值關系

圖11 乳化液溫度與工作缸沖擊頻率關系

由圖可知，不同的溫度下工作缸內壓力幅值不同，但相同的是壓力幅值都遠大于工作壓力。溫度不同，工作缸內沖擊頻率也不相同，但沖擊頻率很高。

3.4 工作缸管道內徑的影響

設置工作缸管道內徑為6.87～134 mm中的9組數據，進行仿真分析并采集碰模后0.2 s內工作缸內沖擊頻率如圖12、圖13所示。

圖12 工作缸管道內徑與工作缸壓力幅值關系

圖13 工作缸管道內徑與工作缸沖擊頻率關系

由圖可知，工作缸管道內徑越小，工作缸內的沖擊幅值越小，因此管道內徑的合理減小可以減小工作缸內的壓力沖擊。從圖13可以看出：不同的管徑對應著不同的沖擊頻率，在管徑為74 mm時沖擊頻率最大為68 Hz。

4 結束語

基于AMESim和Simulink軟件建立了300 MN水壓機水路系統的聯合仿真模型，進行了合理簡化，并證明了對模型的合理簡化不會影響系統的結果。基于動量定理進行了系統的液壓沖擊理論計算，并與系統模型的仿真結果進行比較，驗證了仿真模型的正確性。基于此系統仿真模型，對水壓機關鍵工況“加壓-碰模”過程進行系統動態特性的仿真分析，結果表明閥芯泄漏間隙對系統動態特性影響巨大，且1.6 mm是系統能否穩定的臨界間隙，而空氣含量對工作缸內壓力幅值影響不是很大，工作缸管道內徑越小，工作缸內的沖擊幅值越小，乳化液溫度對系統動態特性的影響不明顯。仿真結果可對水路系統的維護和優化提供理論指導。

[1] 馮雙昌.挖掘機工作裝置液壓系統的動態特性的建模與仿真研究[D].貴陽:貴州大學， 2007.

[2] 程榮俊,黎瑞平,王俊蛟.經典控制理論在液壓傳動系統設計中的應用[J].液壓氣動與密封,2010 (12):38-40.

[3] Augus R. Simpson, E.Benjamin Wylie. Large water-hammer pressures for column separation in pipelines [J]. Journal of Hydraulic Engineering. 1991, 117(10):54-59.

[4] 張鍵，鄭源，劉德有,等. 參數對輸水管道水流沖擊氣團壓力的影響[J]. 河海大學學報，2004,32(06):655-660.

[5] 駱建彬.三萬噸模鍛水壓機主液壓系統的動力學分析及主液壓缸的強度計算[D]. 長沙：中南工業大學， 1989,49-60.

[6] 黃長征,周亮,譚建平.300 MN模鍛水壓機主分配器閥體優化設計[J].機械設計，2007,24(05),24-27.

[7] 劉江明,譚建平,黃勃.基于AMESim和Simulink的水壓機空行程-提升過程液壓沖擊仿真分析[J].液壓氣動與密封，2017(07)：24-27.

Simulation analysis for water system dynamic characteristics of 300MN hydraulic die-forging press

CHEN Guo-qiang1,2，3, TAN Jian-ping1,2

(1.State Key Laboratory of High Performance Complex Manufacturing, Central South University, Changsha 410083,China;2.School of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;3.College of Mechanical Engineering, Hunan Institute of Engineering, Xiangtan 411104, China)

For the fault phenomenon such as seal breakdown and leakage, pressure sensor damage and loose connection failure of pipeline of water system of 300 MN hydraulic die-forging press, the dynamic characteristics analysis based on AMESim and Simulink of water way system was carried out. AMESim mold of water system and Simulink mold of main distributor were molded, and the correctness was tested by theoretical calculation. The law of influence of some system factors was found in the Simulation analysis of press travel to mold-hit travel, which factors such as leak gap of valve, diameter of water way pipeline, emulsion temperature or gas contain act on the water system. The conclusions have a theoretical guiding significance to the improvement and maintains of water system.

hydraulic die-forging press; dynamic characteristics; water system; simulation analysis

2016-07-12；

2016-08-09

湖南省教育廳科研項目(14C0283)

陳國強(1979-)，男，湖南湘鄉人，講師，博士研究生，從事材料成型工藝、機電液系統故障診斷與系統可靠性等方面的教學與研究。

TH137；TP391.9

A

1001-196X(2017)02-0060-05