基于AMESim 的熱芯盒射芯機(jī)上芯盒提升機(jī)構(gòu)液壓控制系統(tǒng)研究

張靜偉，宋高旗，姚 勝，丁建峰

（一拖（洛陽(yáng)）鑄造有限公司，河南洛陽(yáng) 471004）

熱芯盒射芯機(jī)主要用于電加熱的熱芯盒射制砂芯。其工作過(guò)程是利用壓縮空氣將預(yù)先混有樹脂粘結(jié)劑的砂子或覆膜砂射入芯盒，通過(guò)芯盒的加熱，將砂子固化直至硬化，最后將砂芯從芯盒中頂出。采用機(jī)電液一體化控制，設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)可靠、自動(dòng)化程度高。其中上芯盒提升機(jī)構(gòu)的液壓系統(tǒng)要求既能滿足快速運(yùn)動(dòng)以減少運(yùn)動(dòng)循環(huán)時(shí)間，又能慢速合?；蜷_(kāi)模以防止芯盒沖撞而造成砂芯損壞，針對(duì)此問(wèn)題，設(shè)計(jì)了熱芯盒射芯機(jī)上芯盒提升機(jī)構(gòu)電液比例液壓控制系統(tǒng)，利用AMESim軟件，分析了上芯盒提升液壓系統(tǒng)的速度跟蹤動(dòng)態(tài)特性，仿真結(jié)果驗(yàn)證了液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性。

1 上芯盒提升液壓系統(tǒng)的組成及工作原理

上芯盒提升機(jī)構(gòu)主要用于上芯盒的提升脫模和合模，同步機(jī)構(gòu)確保上芯盒升降平穩(wěn)、同步，提升油缸由比例閥控制，使開(kāi)合模的動(dòng)作平穩(wěn)、快慢適度，其液壓系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 上芯盒提升電液比例控制系統(tǒng)原理圖

該系統(tǒng)由電液比例換向閥、電磁換向閥、平衡閥、液控單向閥和液壓缸等組成。通過(guò)調(diào)節(jié)電液比例方向閥的開(kāi)度，控制單作用液壓缸的運(yùn)行速度和方向，可以實(shí)現(xiàn)快－慢的運(yùn)行方式，使其在合模或開(kāi)模時(shí)采用低速運(yùn)行，在其他行程下采用快速運(yùn)行。電磁換向閥、平衡閥和液控單向閥的作用是確保液壓缸靜止時(shí)能鎖定在任意位置，避免上芯盒因自重而下降。

2 上芯盒提升液壓控制系統(tǒng)建模仿真

AMESim軟件為流體動(dòng)力和控制系統(tǒng)提供了優(yōu)越的仿真環(huán)境和靈活的解決方案[1,2]。根據(jù)上芯盒提升系統(tǒng)的液壓工作原理，利用AMESim中的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)庫(kù)，對(duì)上芯盒提升電液比例控制系統(tǒng)建立物理學(xué)模型[3-5]，根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)之間的關(guān)系，添加電磁換向閥、平衡閥、液控單向閥和液壓缸等模塊，連接相關(guān)油路，完成電液比例模型的搭建，如圖2所示。

圖2 上芯盒提升電液比例控制系統(tǒng)仿真模型

搭建上芯盒提升液壓系統(tǒng)模型后，要為系統(tǒng)中各模塊選擇子模型。每個(gè)模塊都有一種或數(shù)種子模型可供選擇。根據(jù)提升系統(tǒng)的實(shí)際工況要求，以上芯盒最大重量700kg為對(duì)象，對(duì)模型和子模型逐一進(jìn)行匹配，對(duì)系統(tǒng)中元件的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。以瑞士萬(wàn)福樂(lè)的WDPFA10電液比例閥為對(duì)象，設(shè)置模型如下：泵的轉(zhuǎn)速為1500r/min，溢流閥的壓力為15MPa，單作用缸的缸筒直徑為50mm，活塞桿直徑為36mm，行程為305mm，平衡閥的平衡壓力設(shè)定和負(fù)載匹配。在控制系統(tǒng)中控制信號(hào)比例放大系數(shù)為10。

3 仿真結(jié)果與分析

對(duì)于上芯盒提升液壓系統(tǒng)，由于實(shí)際使用要求系統(tǒng)既能滿足快速運(yùn)動(dòng)又能慢速合模或開(kāi)模，故對(duì)上芯盒提升液壓系統(tǒng)進(jìn)行速度跟蹤仿真。給定信號(hào)是按上芯盒提升系統(tǒng)在合模（液壓缸縮回）或開(kāi)模（液壓缸伸出）過(guò)程中，由快速合模—慢速合?！Ｖ埂匍_(kāi)?！焖匍_(kāi)模的狀態(tài)給定。其中快速合模時(shí)，比例閥負(fù)向開(kāi)度100%，速度為0.32m/s，時(shí)間為0.75s；慢速合模時(shí)，比例閥負(fù)向開(kāi)度30%，速度為0.1m/s，時(shí)間為0.65s。停止的時(shí)間設(shè)定為0.6s。慢速開(kāi)模時(shí)，比例閥正向開(kāi)度30%，速度為0.05m/s，時(shí)間為1.3s；快速開(kāi)模時(shí)，比例閥正向開(kāi)度100%，速度為0.16m/s，時(shí)間為1.5s。設(shè)定系統(tǒng)仿真時(shí)間為5s，步長(zhǎng)為0.01s，進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖3所示。為了更好的顯示控制系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)速度的跟蹤特性，利用AMESim后處理（Post Processing）功能得到目標(biāo)速度與控制系統(tǒng)液壓缸活塞速度的差值與時(shí)間的關(guān)系，如圖4所示。

圖3 上芯盒提升電液比例控制系統(tǒng)仿真曲線

圖4 動(dòng)態(tài)跟蹤誤差曲線

從圖3和圖4中可以看出，對(duì)上芯盒提升電液比例液壓控制系統(tǒng)，通過(guò)設(shè)定控制信號(hào)比例放大系數(shù)，很快減少誤差，最終接近系統(tǒng)要求的速度。在上芯盒提升系統(tǒng)快速合模時(shí)，目標(biāo)速度設(shè)定為0.32m/s，由于機(jī)械系統(tǒng)存在慣性以及液壓閥電磁鐵本身動(dòng)作滯后，造成系統(tǒng)響應(yīng)有0.1s延遲。在快速合模啟動(dòng)后，在0.15s時(shí)間內(nèi)速度達(dá)到穩(wěn)定，與目標(biāo)速度的差值為6mm/s；在慢速合模時(shí)，目標(biāo)速度降到0.10m/s，同樣由于系統(tǒng)跟隨存在滯后，滯后時(shí)間為0.12s，而后電液比例閥動(dòng)作，系統(tǒng)再進(jìn)行跟隨，在0.1s時(shí)間內(nèi)速度達(dá)到穩(wěn)定，與目標(biāo)速度差值為-4mm/s；當(dāng)目標(biāo)速度降到0m/s時(shí)，同樣系統(tǒng)存在滯后，但滯后時(shí)間已縮短到0.06s，最后系統(tǒng)再進(jìn)行跟隨，在0.1s時(shí)間內(nèi)速度降為0。同理，在上芯盒提升系統(tǒng)慢速開(kāi)模時(shí)，目標(biāo)速度設(shè)定為0.05m/s，同樣存在滯后，造成系統(tǒng)響應(yīng)有0.1s延遲。在慢速開(kāi)模啟動(dòng)后，在0.1s時(shí)間內(nèi)速度達(dá)到穩(wěn)定，與目標(biāo)速度的差值為5mm/s；在快速開(kāi)模時(shí)，目標(biāo)速度設(shè)定為0.16m/s，同樣由于系統(tǒng)跟隨存在滯后，滯后時(shí)間為0.13s，而后電液比例閥動(dòng)作進(jìn)行跟隨，在0.08s時(shí)間內(nèi)速度達(dá)到穩(wěn)定，與目標(biāo)速度差值為-4mm/s。當(dāng)目標(biāo)速度降到0m/s時(shí)，同樣系統(tǒng)存在滯后，但滯后時(shí)間已縮短到0.05s，最后系統(tǒng)再進(jìn)行跟隨，在0.05s時(shí)間內(nèi)速度降為0。從圖3和圖4中可以得出結(jié)論，上芯盒提升液壓控制系統(tǒng)能夠跟隨系統(tǒng)設(shè)定的速度變化而變化，沒(méi)有超調(diào)，由于系統(tǒng)存在慣性和液壓閥電磁鐵本身動(dòng)作滯后，所以系統(tǒng)響應(yīng)有很小的時(shí)間延遲，但能滿足系統(tǒng)速度控制要求。

4 結(jié)論

（1）應(yīng)用電液比例控制技術(shù)對(duì)熱芯盒射芯機(jī)上芯盒提升機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，采用電液比例閥能連續(xù)可調(diào)，并便于操作，有利于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和智能化。

（2）利用AMESim軟件，建立上芯盒提升機(jī)構(gòu)電液比例控制系統(tǒng)仿真模型。基于此模型，分析了上芯盒提升液壓系統(tǒng)的速度跟蹤動(dòng)態(tài)特性，仿真結(jié)果可靠合理，驗(yàn)證了液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和選型的合理性。