300 MN模锻水压机动梁驱动系统锻压速度动态响应特性

黄长征¹，谭建平²

(1. 韶关学院 信息工程学院，广东 韶关，512005；

2. 中南大学 机电工程学院，湖南 长沙，410083)

摘  要：考虑流体的可压缩性、粘性阻力及工作框架系统变形等因素，采用解析法建立300 MN模锻水压机动梁驱动系统分配阀口、液压管道、液压缸的流量方程以及动梁和上横梁的动力学方程，得到驱动系统的动态机液耦合模型。研究结果表明，仿真和试验研究结果相互吻合；动梁速度在阀芯开启瞬间瞬变载荷作用下发生变化，响应时间约为0.7 s；必须采取针对性控制策略以确保速度控制精度。

关键词：模锻水压机；动梁；驱动系统；锻压速度；响应特性

中图分类号：TG315.4⁺2       文献标识码：A         文章编号：1672-7207(2008)05-1023-06

Forging speed’s response characteristic of moving beam drive system for 300 MN die forging hydraulic press

HUANG Chang-zheng¹, TAN Jian-ping²

(1. School of Information Engineering, Shaoguan University, Shaoguan 512005, China;

2. School of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

Abstract: Based on the compressibility, viscosity resistance and the working house system’s deformation etc, flow equations of distribution spool, hydraulic tube and fluid cylinder for 300 MN die forging hydraulic press were established, and dynamics equations of moving beam and upper beam were established based on analysis. The dynamics mechanical-hydraulic coupling model of driving system was established. The results show that the simulation results and tested results coincide. The speed is variable under the transient load, and the response time is about 0.7 s. The suitable control strategy must be adopted to ensure the speed control accuracy.

Key words: die forging hydraulic press; moving beam; driving system; forging speed; response characteristic

300 MN模锻水压机是目前亚洲最大的模锻液压机，速度控制技术是其关键技术之一。要寻找切实可行的速度控制策略就必须了解其驱动系统动态响应特性。而动梁驱动及速度控制系统是一个复杂的机电液耦合系统，各参数之间耦合关系复杂，其响应特性不是很清楚。骆建郴^[1]采用解析法建立了300 MN模锻水压机主液压系统的数学模型，对液压系统的部分特性进行了分析，但是，系统建模没有考虑传动介质的泄漏、阻尼等因素，采用的是自己编写的计算机仿真程序，计算精度不高。目前，液压控制系统建模的常见方法有解析建模法^[2-6]、传递函数法^[7]、功率键合图法^[8-11]、液压大系统建模法^[12]和面向对象技术法^[13]等，对系统的动态特性仿真也都是建立在数学模型基础上，采用Matlab中的Simulink来实现。在此，本文作者采用解析法对300 MN模锻水压机速度驱动系统动态响应特性进行仿真和试验研究。

1  驱动系统构成

300 MN水压机锻压速度驱动系统如图1所示，它包括水路分配系统、管道系统、工作框架系统和锻件4部分。水压机通过液压操作控制系统控制阀芯的开启度，控制工作液体流量，从而控制动梁速度。

2　动态模型建立

如图1所示，在锻压行程阶段，平衡缸进水阀E逐渐关闭，平衡缸的排水阀D逐渐开启，平衡缸的液体经管道6排至水箱。工作缸的进水阀C开启，高压水经管道2进入工作缸，H阀保持开启状态，G阀关闭，提升缸的液体经管道3排至水箱。锻压速度驱动系统动态响应模型建立如下。

1—上横梁；2—工作缸；3—立柱；4—活动横梁；5—锻件；6—平衡缸；7—固定横梁；8—下横梁；9—提缸

图1  锻压速度驱动系统

Fig.1  Driving system for forging speed

2.1  水路系统动力学模型

2.1.1  分配阀口流量方程

分配阀采用带有卸压阀的提升阀，阀口示意图如图2所示^[14]。其中：F_p为工作柱塞的作用力；F_o为提升柱塞的作用力；F_y为平衡缸柱塞的作用力；p_p为工作柱塞的液体压力；p_s为阀进水侧流体压力；p_g为供水压力；p_c为D阀进水侧流体压力；p_a为C阀出水侧流体压力；X_s为上横梁的位移；X_h为动梁位移；M_g为动梁质量。分配阀芯开启后阀口处最小过水截面A₂处的流量为

图2　阀口示意图

Fig.2  Schematic diagram of valve port

2.1.2  加压管道水路连续性方程

加压管道2的水路流体运动方程和连续性方程为

2.1.3  工作缸连续性方程

考虑液体的可压缩性和泄漏，工作缸内液体的连续性方程为

2.2  框架系统动力学方程

考虑水压机压制过程中框架的变形，在不计立柱质量的情况下，框架系统简化为一个弹簧—质量—阻尼系统，如图3所示，其动力学方程为

图3  上横梁动力学模型

Fig.3  Dynamics model of upper beam

2.3  动梁动力学方程

动梁动力学模型如图4所示。锻压过程中，平衡缸柱塞的作用力F_y=0，提升柱塞的作用力F_o=0，其动力学方程为^[17]

图4  动梁动力学模型

Fig.4  Dynamics model of moving beam

2.4  动梁驱动系统锻压行程动态模型

令u=h，x₁=x_h，，x₃=x_s，，x₅=Q_a，x₆=p_p，由式(1)~(5)，得驱动系统锻压速度动态模型为

，

，

。   (6)

动梁速度方程为

。              (7)

3  数值仿真和试验

动梁驱动系统锻压速度MATLAB动态响应仿真模型如图5所示，其中，输入为阀口开启度，对应其中in1；输出为锻压速度，对应其中out7。

图5  动梁驱动系统锻压速度动态响应仿真模型

Fig.5  dynamics forging speed response simulation model of moving beam’s driving system

当开启度为25 mm，负载(最大锻压力)分别为20，100和210 MN时，锻压速度阶跃响应仿真曲线如图6所示；当负载(最大锻压力)为100 MN，开启度分别为10，25和35 mm时，锻压速度阶跃响应仿真曲线如图7所示。由图6和图7可知：

a. 在相同开启度条件下，锻压速度相近；但随着负载的增大，锻压速度减小，锻压速度振荡减小，响应速度略加快；负载小时，锻压速度比较稳定；负载大时，锻压速度变化较快。

b. 在相同负载条件下，随着开启度的增大，锻压速度增大，响应速度略慢，振荡减小；负载小时，锻压速度比较稳定，负载大时，锻压速度变化较快。这是因为小负载时锻压阻力变化小，速度变化慢；反之，速度变化快。

c. 阀芯开启瞬间控制系统出现振荡，振荡情况与负载和开启度相关，在同一开启度下，负载越小，振荡越大；在同一负载下，开启度越小，振荡越大，对速度控制有较大影响。

d. 速度响应时间约为0.7 s。

为验证仿真的正确性，对动梁速度响应特性进行试验研究。不断改变阀芯开启度，得到相应的动梁实测速度，并根据有关参数求得相应的理论速度，如图8所示。从图8可看出，实测动梁速度曲线与理论速度曲线基本相符，响应时间约为0.7 s，与仿真结果相吻合。

负载/MN: 1—20; 2—100; 3—210

图6  开启度为25 mm时不同负载下锻压速度阶跃响应仿真曲线

Fig.6  Step response simulation curves for forging speed under 25 mm open gap and different loads

开启度/mm: 1—10; 2—25; 3—35

图7  负载为100 MN时不同开启度下锻压速度阶跃响应仿真曲线

Fig.7  Step response simulation curve for forging speed under 100 MN load and different open gaps

1—理论速度; 2—实测速度

图8  动梁实测速度与理论速度曲线

Fig.8  Curves of practical speed and theoretical speed of moving beam

4  结  论

    a. 动梁速度在阀芯开启瞬间瞬变载荷作用下产生振荡，响应时间约0.7 s；在同一开启度下，负载越小，振荡越大；在同一负载下，开启度越小，振荡越大。

b. 在同一开启度下，锻压速度相近；随着负载的增大，锻压速度减小，锻压速度振荡减小，响应速度略快；小负载时锻压速度较稳定，大负载时变化较快。

c. 在同一负载下，随着开启度的增大，锻压速度增大，响应速度略慢、振荡减小；小负载时锻压速度较稳定，大负载时变化较快。

d. 仿真结果和试验结果相互吻合，证实了研究方法和模型建立的正确性，为同类系统响应特性研究提供了参考；此外，必须采取有针对性的控制策略确保速度控制精度。

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通信作者：黄长征(1970-)，男，湖南耒阳人，博士，副教授，从事现代机电液集成控制理论与技术应用研究；电话：0731-8830292；E-mail: hczchn@163.com