鍛造操作機平升降系統性能仿真分析

王生金，張曉麗，馬志剛，王宏亮，魏海濤

（1.蘭州蘭石集團有限公司能源裝備研究院，甘肅 蘭州 730314；2.蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司，甘肅 蘭州 730314）

0 引言

鍛造操作機是國家重要裝備成形制造必不可少的設備，在鍛壓行業廣泛應用。鍛造操作機以其較高的響應速度、精確的控制精度、過硬的產品質量而受到鍛造行業的青睞[1]。隨著行業的發展，產品性能的提升，對鍛造操作機的性能指標要求越來越高，其性能對鍛壓工藝及鍛件質量的影響尤為明顯。平升降運行參數是鍛造操作機的主要性能指標之一。鍛造操作機整機質量大，所夾持工件重量高，升降時液壓系統壓力及流量變化大。

鍛造操作機平升降機構連接著操作機行走裝置與夾持裝置，是影響操作機行走控制精度的關鍵部件，直接影響鍛件成形尺寸精度。為提高鍛造效率和鍛造精度，要求鍛造操作機平升降系統，既要滿足快速升降，又要滿足高精度定位。采用Adams-Amesim聯合仿真技術，研究操作機平升降系統液壓管道、溢流閥、蓄能器等對系統精度和穩定性的影響[2]。聯合仿真結果表明，為提高平升降系統響應速度和位移精度，應從液壓系統整體性能進行考慮，選取液壓元件最佳參數值。利用Adams 模擬機械系統特性，使負載模擬更接近真實，大幅度提高仿真合理性和準確度，可為鍛造操作機的研發設計及改進提供依據，以提升對鍛造操作機平升降系統的響應速度和精度控制。

1 操作機平升降系統介紹

1.1 機械機構

操作機吊掛系統機構原理如圖1 所示。吊掛裝置的提升油缸與機架采用固定球鉸聯接，水平緩沖油缸裝在前后吊桿之間，把吊掛裝置連成一個柔性整體。包括2 個傾斜缸、2 個平升缸、2 個緩沖缸，傾斜缸和平升缸同時動作，實現鍛造操作機鉗桿平升的功能。

圖1 平升降系統機構原理

1.2 平升降液壓系統

鍛造操作機的升降液壓系統原理圖如圖2 所示，通過控制電磁換向閥實現操作機鉗桿實現平升降和傾斜動作。電機驅動定量柱塞泵11 提供高壓油，泵頭溢流閥9 用于限制定量柱塞泵出口壓力，電磁換向閥7 左邊電磁鐵帶電時，高壓油通過電磁換向閥7 進入平升缸無桿腔，平升缸有桿腔的液壓油進入傾斜缸的無桿腔，驅動四個油缸同時上升，實現平升動作；電磁換向閥7 不帶電，電磁換向閥8 左邊電磁鐵帶電時，高壓油通過電磁換向閥8 進入傾斜缸無桿腔，傾斜缸上升，平升缸保持不動，實現傾斜動作；電磁換向閥7、8 均右邊電磁鐵帶電時，鉗桿在重力的作用下實現平降動作[3]。

圖2 升降系統液壓原理圖

2 操作機平升降系統聯合仿真

2.1 機械機構仿真模型

將Solidworks 三維建模軟件中建立的鍛造操作機三維模型，導入Adams 中，將Adams 中模型的三維尺寸、位置等參數與產品參數保持一致，按實際材質參數在Adams 中設置模型材料，使模型質量與產品保持一致[4]，添加連接副，保證模型相對運動關系正確。

2.2 平升降液壓系統仿真模型

在Amesim[6]中建立操作機平升降液壓系統仿真模型[3]，設置各個液壓元件參數與元件實際參數保持一致[5]。

2.3 聯合仿真數據交互

以Adams 為主進行聯合仿真，設置Adams 和Amesim 的交互數據。

在Amesim 中，選擇平升降油缸、傾斜缸油缸、緩沖缸油缸的力psgf、qxgf、hcgf 為輸出量，輸入Adams中輸出的平升降油缸、傾斜缸油缸、緩沖缸油缸的位移psgs、qxgs、hcgs，與Adams 聯合仿真數據接口模型如圖4 所示。

圖3 液壓系統仿真模型

圖4 聯合仿真數據接口模型

在Adams 中，選擇平升降油缸、傾斜缸油缸、緩沖缸油缸的力psgf、qxgf、hcgf 為輸入量，驅動平升降機構運動。輸出平升降油缸、傾斜缸油缸、緩沖缸油缸的位移psgs、qxgs、hcgs 至Amesim 軟件中。由此形成兩個軟件數據實時交互計算，進行聯合仿真。

使用聯合仿真的方式，相比單純使用Amesim 單學科仿真，可更為準確的利用Adams 模擬機械系統特性[5]，使負載模擬更接近真實，大幅度提高仿真合理性和準確度。

2.4 聯合仿真模型驗證

運行聯合仿真模型，對比平升缸和傾斜缸壓力及位移曲線。

圖5 為升降系統仿真與測試對比曲線，由圖可得，平升缸和傾斜缸位移同步，無桿腔壓力仿真與測試趨勢完全一致。0～3s 時間內，吊掛系統保持水平位置，傾斜缸無桿腔壓力誤差為2%，平升缸無桿腔壓力誤差為5%。在3s 時吊掛機構整體水平上升，傾斜缸和平升缸無桿腔壓力升高，穩定后傾斜缸壓力誤差為3.5%，穩定后平升缸壓力誤差為7.7%。在5.3s時，吊掛機構停止上升，保持當前位置，傾斜缸和平升缸無桿腔壓力降低，穩定后傾斜缸無桿腔壓力誤差為0.6%，平升缸無桿腔壓力誤差為3.6%。

圖5 平升降系統仿真與測試對比曲線

測試及仿真計算結果驗證了聯合仿真模型的準確性，數據接口設置的合理性，數據耦合計算的正確性，在此基礎之上修改模型參數，研究液壓系統參數對鍛造操作機平升降性能的影響。

3 仿真分析

3.1 溢流閥對升降系統的影響

分別設定泵頭溢流閥（序號9）的壓力值為8MPa、9MPa、10MPa，進行聯合仿真運算，得到平升油缸進口壓力曲線如圖6 所示。

圖6 泵頭溢流閥對平升油缸進口壓力的影響

從仿真結果可以看出，在2.96s 換向閥開啟吊掛機構平升時，泵頭溢流閥壓力設置越高，平升油缸上升加速度越大，壓力波動越大。

3.2 軟管對系統的影響

分別設定油缸口軟管長度為1m、3m、5m，進行聯合仿真運算，得到油缸口壓力曲線如圖7 所示。

圖7 管路對油缸進口壓力的影響

從仿真結果可以看出，在5.3s 換向閥關閉后，吊掛機構停止上升，油缸口壓力出現振蕩，0.4s 后趨于穩定。軟管長度為1m 時振蕩幅值較大，軟管長度為5m 時震蕩幅值相對較小。由于液壓油的可壓縮性及液壓管道的變形，導致液壓系統具有一定的彈性，在鍛造操作機升降動作停止時，由于機械機構質量大，停止速度快，勢必會產生壓力振蕩，進一步造成操作機升降動作不能平穩精準的停止。因此在設計液壓管路時，應合理選擇管道長度[7]。

分別設定油缸口軟管彈性模量為5000bar、10000bar、100000bar，進行聯合仿真運算，得到油缸口壓力曲線如圖8 所示。

圖8 管路彈性模型對油缸進口壓力的影響

從仿真結果可以看出，在2.96s 換向閥開啟吊掛機構平升時，彈性模量越小壓力波動越小，故可用軟管代替鋼管，以提高鍛造操作機平升時的平穩性和準確度[8]。

3.3 蓄能器對升降系統的影響

蓄能器是液壓系統的重要輔件，廣泛用于能量儲存、沖擊吸收和消除脈動等[8]，分別設定蓄能器充氣壓力4MPa，5MPa，6MPa，對系統進行聯合仿真計算，得到如圖9 曲線，分析油缸口壓力曲線。

圖9 不同蓄能器充氣壓力下的油缸壓力曲線

通過仿真曲線可知隨著蓄能器充氣壓力的變化，在油缸啟停瞬間，油缸口的壓力峰值變化跟充氣壓力成正比，當充氣壓力越高時油缸口壓力震蕩越大，充氣壓力越低時，油缸口壓力震蕩越低，油缸定位也更精準，呈現出蓄能器充氣壓力較低，壓力峰值較小，沖擊較小的規律，蓄能器可以實現對啟停沖擊的吸收，且較低的充氣壓力，效果更加明顯，同時也增加了升降系統的定位精準度。

4 結論

通過建立操作機升降系統Adams-Amesim 聯合仿真模型，分析了升降液壓系統參數設置對啟動速度和油缸口壓力震蕩的影響，進一步對液壓系統的設計和參數設置提出建議。

鍛造操作機升降系統的啟動響應速度、啟停定位精度及壓力震蕩受液壓管道、溢流閥調定壓力、蓄能器充氣壓力的影響，為提高升降啟動速度、定位精度和降低壓力震蕩，應從液壓系統設計時綜合考慮，對比設置最佳各元件參數值。