基于AMESim精冲机废料剪液压系统的优化设计.pdf

液压气动与密封/2 0 2 3 年第8 期doi:10.3969/j.issn.1008-0813.2023.08.009基于AMESim精冲机废料剪液压系统的优化设计戎雪飞,朱学彪，白李浩,赵林昌,付云龙,李明明2（1.武汉科技大学机械自动化学院，湖北武汉43 0 0 8 1；2.襄阳博亚精工装备股份有限公司，湖北襄阳4410 0 0)摘要：为了解决某公司在使用精冲机过程中废料剪出现的剪切速度较慢，回程冲击大，受力不均衡导致活塞杆与滑块连接处螺栓脱落等问题，进行了液压系统的优化设计。利用双泵供油、差动回路、插装阀和蓄能器实现快速、平稳运行。利用AMESim对液压系统进行仿真，分析插装阀开启压力和弹簧刚度的设计对系统平稳性的影响，以及蓄能器的使用消除系统压力波动的作用。通过仿真与实验研究，结果表明：新型液压系统剪切速度提升2.14倍，插装阀的开启压力设定0.4MPa和蓄能器等效孔口直径设定10 mm，剪切更加平稳。关键词：精冲机废料剪；差动回路；插装阀；蓄能器；AMESim中图分类号：TH137RONG Xue-feil,ZHU Xue-biao,BAI Li-hao,ZHAO Lin-chang,FU Yun-long,LI Ming-ming”(1.School of Mechanical Automation,Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430081,China;2.Xiangyang Boya Precision Equipment Co.,Ltd.,Xiangyang 441000,China)Abstract:In order to solve the problems of waste shear in the process of using fine blanking machine in a company:the shear speed is slow,the return impact is large,and the force is not balanced,resulting in the bolt falling off at the connection between the piston rod and the slider.In this paper,the hydraulic system is optimized for these problems,using double pump oil supply,differential loop,cartridge valve andaccumulator to achieve fast and smooth operation.AMESim is used to simulate the hydraulic system,analyzing the influence of the design ofcartridge valve opening pressure and spring stiffness on the system stability,and the effect of the use of accumulator to eliminate the pressurefluctuation of the system.Through simulation and experimental research,the results show that the shear speed of the new hydraulic system isincreased by 2.14 times,the opening pressure of the cartridge valve is set to 0.4 MPa,and the equivalent orifice diameter of the accumulatoris set to 10 mm.Key words:fine blanking machine waste shears;differential loop;cartridge valve;accumulator;AMESim0引言精密冲载技术是基于普通冲载技术发展而来的塑型加工技术,为了获得高精度，结构复杂的零件，精冲模具引人压边圈和反顶器,防止板带在冲裁过程中产生撕裂。随着制造业的快速发展，对于零件技术要求越来越高，精密冲载具有绿色、高效节能、高精度等优势，广泛应用于军工、汽车、航空等领域 1-2 。废料剪作为精冲机重要的辅机设备目前国内学者研究较少。文献 3 中研究了精冲机主缸液压系统,增收稿日期：2 0 2 2-0 8-0 8作者简介：戎雪飞（19 9 4-），男，河南汝州人，硕士，主要从事液压技术方面的学习和科研工作。46文献标志码：A文章编号：10 0 8-0 8 13(2 0 2 3)0 8-0 0 46-0 6Optimization Design of Waste Shear Hydraulic System for FineBlanking Machine Based on AMESim加调速模块，建立了蓄能器数学模型，通过仿真分析了蓄能器对主缸冲载频次的影响，并具有冲载保护，系统更加安全。文献 4 中设计了精冲机快速缸液压系统和分段PID控制方法，通过对快速缸液压系统的仿真，验证了蓄能器使液压系统快速平稳运行，且更加节能。文献 5 中对拆除机液压剪进行设计优化,从结构受力角度分析液压剪产生疲劳破坏的原因，通过仿真分析对剪刀体前端进行优化设计，取得良好效果并延长了使用寿命。文献 6 中进行了3 MN液压剪液压系统的设计,为了满足系统的流量要求，采用插装阀控制回路,并根据液压剪工作过程中剪切力的变化，设计了差动回路和利用顺序阀实现剪切速度的切换。研究了精冲机废料剪液压系统,并进行了优化设计，解决了废料剪在现场使用过程这出现的问题。新的系统工作更加10.2Hydraulics Pneumatics&Seals/No.8.2023平稳，工作效率显著提高。1精冲机废料剪工作原理图1为精冲机废料剪结构图。整体结构主要由剪0.切油缸、压脚油缸、压脚板、滑块、动刀和定刀组成。废料剪要配合精冲机主机进行工作，主冲载系统工作过程由快速上升、检测、低速冲载、保压和快速下行阶段组成。在主冲载系统工作周期内，废料剪要完成剪切，剪切过程为：板带由夹送机构送到废料剪工作区,压脚油缸下行，由压脚板压紧板带,剪刀下行接触板带，受力剪断板带并上行回到起始位，完成剪切过程。由于废料剪在连续剪切过程中整体结构发热，前后板分别与滑块和压脚板之间采用聚酯氟乙烯板接触摩擦小，发热少且设置上限位杆，防止回程冲击力对油缸的破坏，使系统运行更加安全可靠。剪切油缸缸体动刀联动杆?图 1废料剪结构图2精冲机废料剪液压系统分析2.1原精冲机废料剪液压系统存在的问题本研究的是某公司精冲机废料剪液压系统，设计剪切频率为6 0 次/min。如图2 为原有精冲机废料剪液压系统，主要由串联定量泵、溢流阀、压力传感器、电磁换向阀、单向节流阀、剪刀模块组成，高压向下剪切，中压抬升。在现场运行过程中废料剪出现了下列问题：剪切速度慢，不适用于主缸冲载频率，影响生产效率;废料剪回程冲击大,对剪切油缸造成损伤，降低了使用寿命；剪切受力不平衡震动大，导致剪切油缸活塞杆与滑块连接处脱落。8.1-7.16.15.14.13.1中压2M压脚油缸机械限位杆1.过滤器2.变频电机3.柱塞泵4.溢流阀5.压力表6.压力传感器7.单向阀8.电磁换向阀9.单向节流阀滑块10.剪切油缸11.压脚油缸图2 原废料剪液压系统原理图2.2改进精冲机废料剪液压系统剪切油缸QO活塞缸动刀压脚板定刀O8.27.2O5.23.2高压为了解决废料剪原液压系统出现的问题，如表1所示,进行了液压系统的优化设计。表1原液压系统问题分析及解决方案问题描述分析及解决方案高压泵剪切，中压泵抬升；双泵供油，剪切频率慢差动回路，蓄能器辅助活塞杆与滑块连剪切受力不均衡；活塞杆与滑块采用刚接处螺栓脱落性连接,并调节进入压脚油缸节流阀系统运行震荡且无蓄能器使用且未设置背压；蓄能器的回程冲击大使用，插装阀的设计计算改进精冲机工作原理为：中压泵供油，通过单向阀5.3进人插装阀10.1,此时电磁换向阀9 通电，油液进人剪切油缸上腔，回油经过电磁球阀6.1，继续进人剪切油缸,形成差动回路。剪切油缸工作过程中，随着切人板带深度受力不断变化，当剪切压力大于8 MPa时，电磁球阀6.2 通电,形成双泵供油且差动回路,剪切速度进一步提升。当剪切压力小于8 MPa时，电磁球阀5.2断电,慢速剪断。回程时,电磁换向阀8 断电,中压泵经电磁球阀6.1进入剪切油缸下腔，通过插装阀10.2回油箱,这种剪切速度的变化与板带剪切力学特性相适应，剪切过程更加平稳，如图3 所示。47山6.2需要对弹簧腔4的初始弹簧力和弹簧刚度进行设置 。在工作状态下随着液压源压力逐渐增大，作用液压气动与密封/2 0 2 3 年第8 期13.112+%一剪刀上极限13.2%一剪刀下极限11在阀芯上的力增大，当液压力与弹簧预紧力相等时，阀口处于打开状态，由此对初始弹簧力和弹簧刚度进行设计计算。18 MPa234(3)图4插装阀仿真模型初始作用力：10.110.28.1B￥7.15.36.16.25.14.1W3.11.11.过滤器2.电机3.柱塞泵4.安全阀5.单向阀6.球阀7.蓄能器安全阀组8.蓄能器9.电磁换向阀10.插装阀11.压力开关12.剪刀压脚模块13.位移传感器图3 改进精冲机液压系统原理图3米精冲机废料剪液压系统仿真AMESim是国内外流行的液压领域仿真软件，基于键合图的液压、机械系统建模、仿真及动力学分析软件。利用AMESim对液压系统进行动态性能研究的优势 7 ：一是准确描述液压系统动态性能的数学模型;二是AMESim能够进行精确的数字仿真。随着流体力学、现代控制理论和算法理论等相关的研究，极大促进了现代液压系统设计的发展。3.1#插装阀AMESim模型的建立为了满足废料剪液压系统高压大流量的工作条件,利用AMESim中HCD库建立方向插装阀AMESim仿真模型 8-10 1,如图4所示。为了解决废料剪回程冲击大对剪切油缸的损伤，488.297.21PT5.24.2中压3.2F=T4dxPa由单向阀流量公式：门q=CdTx得阀口开度为：x=CaTV2Ap在阀口得最大开度点c,阀芯受到的液压力为：F.=d42XPe高压液压力与弹簧力相等得：F=F。-F。=k x计算弹簧刚度：4FK=式中，d一一压力油作用的直径,mPa开启压力,PaCd流量系数P一液压油密度,kg/mP。阀口最大开度时的压力,Pa3.2模拟负载模块的设计精冲机废料剪在实际工作过程中每个阶段的受力是不相同的，如图5所示。为了模拟工作过程受力情况，设计了剪刀位移-模拟负载函数的曲线图。这次仿真模拟选择的板带为15mm,剪刀行程为8 8 mm。剪刀在工作过程中，以剪刀上极限位置为坐标原点，向下运行接触到板带受力急剧上升，达到一个峰值后逐渐减小。剪切过程受力不是恒定的，剪切力随相对切入深度不断变化，近似由开口向下二次函数模拟,除了剪切阶段受力其他阶段均为空载 12 。(1)2Ap(2)PP(4)(5)(6)Hydraulics Pneumatics&Seals/No.8.2023500400300NV/薄200100070727476788082848688位移/mm图5剪刀位移-模拟负载函数图通过AMESim对负载模块进行设计，由于动刀与滑块相连，所以在滑块下端设置位移传感器和力接收装置,并通过自定义函数f(x)串联起来,在模拟负载模块里面形成一个闭环系统,如图6 所示。剪刀工作过程分几个阶段：剪刀向下运行未接触板带前为空载；回程空载不受力。为了正确模拟实际运行状况，设置位移判别函数和滑块运行方向判别函数，位移判别函数确保在接触板带后输出函数f（x），滑块运行的方向通过速度方向进行判别，向下剪切为正产生负载，回程为负不接受信号无负载。表2 精冲机废料剪液压系统模型的主要参数参数数值电机转速/rmin-11450液压油密度/kg m*3850中、高压泵排量/Lr0.12剪切油缸直径/mm110剪切油缸活塞杆/mm90压脚油缸直径/mm90压脚油缸活塞杆/mm56滑块质量/kg101高压工作压力/MPa26中压工作压力/MPa9蓄能器多变指数1.412模拟负载CO109865.1(x）3.3废料剪液压系统AMESim模型建立针对原液压系统出现的问题,对新的液压系统进行仿真模型，如图7 所示。分析了插装阀预开启压力和弹簧刚度的取值对系统回程冲击的影响;分析了差动回路的设计和蓄能器的使用对系统剪切频率的影响且蓄能器能够吸收系统压力波动对剪切平稳性的作用，废料剪液压系统的主要设计参数如表2 所示。4.1图6 模拟负载模块3.11.中压泵组2.高压泵组、3.安全阀4.单向阀6、7.电磁球阀8.电磁换向阀9.插装阀10.模拟负载模块11.压力传感器12.剪刀压脚模块图7 精冲机废料剪液压系统AMESim仿真模型3.4仿真模型分析1）新旧液压系统仿真实验对比4.23.2山山中压山高压5.蓄能器492液压气动与密封/2 0 2 3 年第8 期通过对进入右侧剪切油缸的油管直径设置为40mm,进入压脚油缸的节流阀直径设置为10 mm,取得了较好的同步性，同时差动回路，双泵供油的设计提高了系统的剪切频率，如图8 所示。新旧液压系统从向下剪切到剪刀抬升完成一个工作周期用时分别是1.5s和0.7 s,剪切频率提高2.14倍，满足配合精冲主机工作的要求。0.100.08米0.06移E0.040.020图8 新旧液压系统位移对比2）蓄能器对系统剪切频率的影响在仿真实验取得良好效果后，分析蓄能器对系统冲载频次的作用。通过对蓄能器预充气压力，蓄能器的体积,等效孔口直径的设置进行分析。中、高压泵组侧蓄能器预充气压力分别为6 MPa、15MPa，蓄能器体积分别为50 L,63L,其中等效孔口直径的设置对系统剪切频率有较大影响。当等效孔口直径为5mm时，向下剪切速度较无蓄能器系统有显著提升，但是回程速度滞后；当等效孔口直径为10 mm时，系统剪切运行过程取得良好效果，如图9 所示。0.10r0.080.060.04.0.020图9 蓄能器不同等效开口直径的位移对比3）蓄能器和插装阀共同作用对系统运行平稳性的影响由图10 可知：在没有对蓄能器和插装阀的设置时，系统运行缓慢且存在压力波动和冲击。通过设置插装阀开启压力为0.4MPa，弹簧刚度为50 0 0 N/m,对系统回程形成背压，减小冲击。蓄能器的使用能够增加系统流量，使剪刀快速运行且能够吸收一定的压力波动，和插装阀配合使用系统工作过程快速且运行50平稳。0.100.08E0.060.040.02一原系统左剪切油缸-原系统右剪切油缸*新系统左剪切油缸新系统右剪切油缸12时间/s一无蓄能器等效孔口直径5mm等效孔口直径10 mm业12时间/s无蓄能器插装阀设置蓄能器插装阀共同作用01图10系统运行平稳性的对比34342时间/s54实验验证目前废料剪设备已投人运行，如图11所示，板带由精冲机主机冲裁后，由夹送机构将板带送到废料剪进行剪切工作，行程开关限制上下极限位置，位移传感器记录运行过程数据，如图12 所示。夹送机构废料剪图11废料剪实物图位移传感器5下行程开关图12 位移检测装置34上行程开关56Hydraulics Pneumatics&Seals/No.8.2023经过仿真调整初步确定各项参数，并进行实验验的液压系统的优势。通过建立滑块与活塞杆的刚性连证，由图13 可以得出，仿真位移曲线与实验位移曲线接关系,并设置进入右剪切油缸管路直径40 mm，进人基本吻合，仿真和实验结果非常好的展现了剪刀在实压脚油缸单向调速阀节流阀直径10 mm,解决了受力际运行中响应速度快，调整迅速的特点。偏载问题,剪切频率提升了2.14倍。蓄能器等效孔口0.10n直径设置为5mm时，剪切速度有提升，但回程速度慢；等效孔口直径设置为10 mm时,系统工作过程取得良0.08好效果。通过设置插装阀开启压力为0.4MPa，弹簧刚实验0.06F0.040.020.000图13 仿真实验对比实验运行结果如图14所示，剪切动作完成时，位移误差在0.1mm以内,时间误差为0.0 2 s左右,剪切迅速且无明显滞后同步性好，在一个工作周期内且无明显震荡满足工作过程使用要求。0.10一左剪切油缸-右剪切油缸0.08E0.06/0.040.020图14实验运行剪切油缸5结论（1）介绍了精冲机废料剪的工作原理,对废料剪原液压系统出现的问题进行分析,进行了新的液压系统的设计，解决了系统剪切频率慢，受力不均导致活塞杆与滑块连接处的断裂，回程冲击大的问题。为了仿真的准确性进行了负载模块的设计，利用HCD库进行插装阀的建模和参数的设计计算，并用AMESim建立了系统的仿真模型。（2）通过新旧液压的系统的仿真对比,，说明了新引用本文：戎雪飞，朱学彪，白李浩，等.基于AMESim精冲机废料剪液压系统的优化设计 J.液压气动与密封,2 0 2 3,43（8）：46-51.RONG Xuefei,ZHU Xuebiao,BAI Lihao,et al.Optimization Design of Waste Shear Hydraulic System for Fine Blanking Machine Based onAMESim J.Hydraulics Pneumatics&Seals,2023,43(8):46-51.51度为50 0 0 N/m,并和蓄能器配合使用，使系统工作过程快速平稳运行。（3）通过仿真初步确定参数，并进行实验验证，由仿真左、右剪切油缸运行实验结果可知,位移误差在0.1 mm以内,时间差0.0 2 s左右,有效提升了剪切频率且无明十12时间/s1时间/s显冲击震荡，满足实际工况要求，验证了仿真结果的正确性。参考文献1杨泽亚，杜贵江,李佳盈，等.精冲技术研究现状及发展趋势 J.锻造与冲压,2 0 2 0,（16):18-2 0,16.2郑瑞，刘阳春,刘锟，等.国内精冲钢产品的生产现状和发展趋势 J.锻造与冲压,2 0 19，（16）：16-18.3崔刚,朱学彪，李扬，等.基AMESim精冲机主缸液压系统的仿真与研究 J.机床与液压,2 0 2 1,49(1)：119-12 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