微能耗压边封闭容腔液体压力伺服控制研究

　　引 言

　　近年来,随着我国经济的迅速发展,用于各行业的不规则零件,如对于成形质量和尺寸要求越来越高的汽车复杂覆盖件等的生产,对拉深工艺提出了新的挑战,传统的恒定压边方式已无法满足实际生产需求^[1]。大量的数值模拟和实验研究表明,在板料拉深成形中,变压边力可以在很大程度上提高板材成形质量^[2-6]。目前,变压边力控制已经成为学术界和工业界的一个研究热点,工业发达国家及我国的一些研究机构都已着手该技术的研究,并取得了一定的进展。

　　变压边力控制一般需要两方面的技术,一是对拉深工艺所需要的理想压边力行程曲线的预测;二是控制压边力的方法。前者需要以后者为基础^[7],因此有关研究人员针对控制压边力方法展开了研究。在取得的研究成果中,针对单动液压机进行液压压边系统改造,既可以避免其他各种压边力模具调节装置结构复杂、适应性差的缺点,又可以充分利用现有资源,或是替代双动液压机,大大降低生产设备成本,因而受到了广泛的关注。在这些成果中,单动液压机在拉深时,压边力调节主要是通过溢流阀提供的背压来实现^[8-15],经由溢流阀排出的油液将压力能最终转化成热能。从能量消耗的角度看,由于压边圈和板料之间在竖直方向上产生的相对运动很小,尽管板料压边可能需要很大的压边力,但所需要的能量仍是很小的,因此,依靠溢流阀背压提供压边力造成的无功能量损耗是相当大的。为了降低这部分能量损耗,并能提供变压边力,在主滑块上与液压垫对应地安放补偿缸^[16],每对补偿缸、液压垫的无杆腔通过液压管路相连,形成一个在拉深过程中体积不变的封闭容腔,容腔液体压力,即压边压力由伺服阀控制。当需要提高压边力时,蓄能器在伺服阀的控制下向封闭容腔输入液压油;反之,封闭容腔放出液压油。由于封闭容腔压力的改变只需很少的液体就能实现,所以能量损失大大降低。研究结果表明,在压边压力达到20MPa时,系统的能耗仅为溢流阀提供背压压边方式的1/6,故称之为微能耗压边系统^[17]。微能耗压边的关键技术是封闭容腔液体压力伺服控制,目前,仅有文献^[18-19]对封闭容腔进行了气体充放气的伺服控制研究,而对于封闭容腔液体压力的伺服控制研究还未见报道,因此,本文对封闭容腔液体压力的伺服控制特性及其参数影响规律进行了研究。

　　1 数值模拟研究

　　1.1 伺服阀控封闭容腔数学模型

　　图1为微能耗压边封闭容腔液体压力伺服控制系统。为建立数学模型作如下假定:液体为连续介质;管内流体流动为轴对称层流流动;流速远远小于音速;流体的周向速度与径向速度、轴向速度相比可忽略不计;蓄能器是理想的恒压源;忽略管道和阀腔内的泄漏;封闭容腔内各处压力相等;油温为常数。