管件液压胀形机电液系统建模仿真与试验分析

　　1　引言

　　减轻重量、节约材料是现代先进制造技术发展的趋势之一。实现轻量化的有主要途径之一就是在结构上采用“以空代实”的变截面等强构件,它即可减轻质量又可充分利用材料的强度和刚度。管件液压成形正是适应这种需求开发出来的一种制造空心轻体构件的先进制造技术,———以管材作坯料,通过管材内部施加超高压液体和轴向进给补料把管坯压入到模具型腔使其成形为所需工件[1]。美国、德国、日本已将该技术用于机器零件的制造,其成形压力一般大于500MPa,有时甚至超过1000MPa[2]。本文的分析方法和结论对于内高压成形技术将具有较为普遍的指导和参考意义。

　　侧缸电液比例控制系统是内高压胀形液压机的核心部件,它的主要作用一方面是实现管件两端封口压力。封口压力的控制是保证内压力成形的关键,压力过小,侧缸封口不严,成形过程中管件腔液压油外泄,内压力降低导致管件起皱失稳;压力过大导致管件产生弯曲,质量得不到保证;另一方面是根据管件胀形量的变化控制侧缸轴向位移进行相应补料(定位精度0. 2mm),当管件是对称形状,则控制侧缸1、2轴向位移同步。为此,本文重点对侧缸电液比例控制系统的建模和同步控制展开讨论和分析。

　　2　控制系统的数学建模[3,4]

　　液压动力机构是由液压放大元件和液压执行元件(包括负载)组成的,在本论文研究的内高压成形液压机中,液压放大元件是比例方向换向阀,液压执行元件是液压缸。由此组成的液压动力机构是比例位置控制系统的一个关键性部件,它直接影响到系统的动、静态品质。

　　不失一般性,如图1所示,采用对称阀口的阀控制单活塞杆液压缸。为了简化讨论,假定:

　　1)不考虑管道损失及管道的动态参数变化;

　　2)恒压油源供油,即Ps恒定,并且回油压力Po=0;

　　3)阀的四个节流窗口匹配且对称,采用矩形窗口,窗口处流动为紊流;

　　4)油的温度和密度均为常数;

　　5)不考虑阀的非线性影响。

　　2.1　比例方向换向阀的负载流量方程:

　　在工作点附近对流量方程线性化为:

　　QL=KqX -KcPL 　　(1)

　　2.2　非对称液压缸的负载流量方程:

　　液压缸连续性方程为:

　　2.3　非对称缸的力方程

　　PL= (M.y+BP.y+KSy+fe) /Ae 　　(3)

　　2.4　非对称动力机构的数学模型

　　对式(1)、(2)、(3)进行拉氏变换后,联立求解。并设系统无弹性负载,即KS=0,并忽略项,可得出非对称动力机构的数学模型:

式中　Kq———流量增益;