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《北京建筑大學學報》2016年第2期

摘要:

根據熱鋼坯閃光焊工藝的要求，設計了一種應用于鋼坯閃光焊機夾持動作的液壓系統，并使用液壓仿真軟件AMESim進行了數字建模和仿真．仿真結果表明:該系統能夠滿足鋼坯閃光焊接對夾持液壓系統動作時間和夾持力的要求．

關鍵詞:

閃光焊;液壓系統;AMESim

AMESim是一種新型的工程仿真軟件，主要用于模擬控制對象的真實建模環境．AMESim軟件是基于圖形化的仿真軟件，其中軟件附帶的液壓仿真軟件包包含了大量常用的液壓元件、液壓源和液壓管路等，該軟件在建立液壓系統數字模型的過程中充分考慮到液壓油的物理特性和液壓元件的非線性特性，例如:液壓油的壓縮性、滯環、飽和特性、庫侖力等．本文以AMESim作為設計平臺就熱鋼坯閃光焊夾持液壓系統進行參數建模、仿真．本液壓系統適用的焊接對象是橫截面100×100～200×200的熱鋼坯．夾鉗夾持力是保證熱鋼坯閃光焊接正常進行的關鍵因素，鋼坯夾緊力的大小與其材料的高溫性能有關．夾緊力太大，熱鋼坯容易變形;夾緊力太小，鋼坯相對夾鉗易產生滑動，影響焊口的焊接效果，試驗得到的夾持力一般為F夾=(1.2～1.3)F頂．對于截面積40000mm2的方坯，夾持力達到F=2038400N，夾持動作時間小于2s［1－2］．

1基于AMESim建模方法與步驟

軟件中建模的流程圖見圖1，其中:A建立系統框圖．根據工程系統原理圖，在軟件中將需要的圖標或者符號從軟件提供的標準庫中拖曳到繪圖區域建立系統的原框架;B選擇動態模型．選擇元件所適合的動靜態特性方程表達式;C參數設置．為表達式設置參數;D仿真運行參數．設置系統仿真過程的運行時間，運行精度和采樣時間;E圖形繪制．利用軟件功能繪制出整個仿真過程中的所需參數變化曲線．

2夾持液壓系統數字建模與仿真

2.1夾持液壓缸的模型

增壓執行液壓缸的模型由2個AMESim提供的液壓缸組成(見圖2)，其中液壓缸1為改進得到的增壓缸，設增壓液壓缸的活塞面積Az1，活塞桿件的面積Az2，夾持液壓缸的活塞面積A1，活塞桿件的面積A2，活塞桿直接驅動質量模塊代表增壓缸活塞的質量，增壓缸的小腔與執行液壓缸的大腔相連．則增壓缸的增壓比為:a=Pz1/Pz2=Az1/(Az1－Az2)，考慮到夾持液壓缸夾持住鋼坯以后，由于鋼坯表面的彈性變形，大直徑執行液壓缸后有一個行程L2，增壓缸內的液壓油要足以彌補大液壓缸的行程需要的液壓油［3］，設增壓液壓缸的行程Lz，則應滿足條件Az2•LZ＞A1•L2．

2.2夾持負載模型系統中的夾持負載模型

見圖3，圖中的變剛度彈簧代替夾持過程中的變負載．變剛度彈簧的剛度分為兩段，在夾持缸行程L1=100mm內，夾鉗沒有接觸到鋼坯，夾持負載近似為零，彈簧剛度K1=0;夾鉗夾持住鋼坯以后，鋼坯在夾持力的作用下發生彈性變形，假設變形量L2=2mm，夾持力Fj=1.3Fd=2080000N，則彈簧剛度:

2.3夾持液壓系統工作原理

如圖4所示，夾持液壓回路采用閥缸控制方式，方向控制閥控制執行器的方向［4］．系統的執行元件是液壓缸，因為負載需要的壓力相對較高，為了避免在整個回路中存在高壓油，系統采用增壓執行器．

1)夾持動作時，電機4帶動恒壓變量泵3從油箱吸油而形成油源壓力，當油壓超過一定值時，溢流閥2觸發連通回油池實現降壓的功能，從而保證油源的供油壓保持為恒定值．油源提供的壓力油經過高壓油濾5和單向閥6進入三位四通閥10．三位四通閥10下位接通，同時三位四通閥11斷電，形成差動回路．系統液壓油進入增壓缸的小腔和液壓執行缸的小腔，液壓執行缸快速運動夾持鋼坯，此時增壓缸縮回;

2)當液壓缸夾持住鋼坯后，進入增壓缸增壓階段，此時三位四通閥10上位接通，三位四通閥11保持斷電，系統液壓油進入增壓缸的大腔，增壓缸輸出高壓油到執行缸的大腔;

3)三位四通閥10下位接通，三位四通閥11上位接通，系統壓力油進入增壓缸的小腔，使增壓缸返回原位;4)隨后三位四通閥10保持下位接通，三位四通閥11下位接通，液壓油直接進入執行液壓缸的小腔，并且打開液控單向閥，執行缸的大腔回油通過液控單向閥和三位四通閥11返回油箱，整個夾持周期結束．

3仿真分析

3.1AMESim中模型參數設置(見表1)

3.2工況分析

本仿真主要檢驗夾持液壓系統各個參數的選擇是否滿足設計要求，包括夾持動作時間、夾持力的大小等．夾持動作仿真時間25s，執行順序如下:

1)第2s開始夾持，實現夾持動作;

2)第8s開始增壓，增壓油缸動作，實現夾持液壓缸的增壓;3)第18s增壓缸活塞開始返回;4)第20s，夾持油缸返回;5)第25s，夾持過程動作結束．

3.3仿真結果

1)增壓缸大腔壓力曲線和夾持液壓缸大腔壓力曲線見圖5、圖6．比較圖5、圖6壓力曲線可知，增壓階段夾持液壓缸的壓力從130bar增加到800bar，實現了系統的增壓．

2)夾持缸的輸出力曲線和增壓缸的大腔壓力曲線見圖7、圖8．由圖7可知夾持液壓缸的夾持動作時間為1.5s(小于2s)，滿足設計要求．由圖8中可見夾持液壓缸最大輸出力2350kN，滿足設計要求(F=2080000N)．

4結論

本文根據工藝要求設計了適應于大截面鋼坯閃光焊接的夾持液壓系統，通過在AMESim建立該系統的數字仿真模型，得出仿真結果:夾持動作時間為1.5s，增壓缸實現了夾持液壓缸的增壓，夾持液壓缸最大輸出力為2350kN，該液壓系統充分滿足設計要求，實現了快速夾持，高壓保持和快速返回．該系統結構簡單，具有廣泛的適用性．

參考文獻:

［1］盧寧，付永領，孫新學，等．鋼坯閃光焊接液壓系統研究［J］．液壓與氣動，2005(7):3－6

［2］朱正行，嚴向明，王敏．電阻焊技術［M］．北京:機械工業出版社，2000:155－159

［3］王克爭．大型閃光焊機的微機控制系統［J］．新技術新工藝，2002(10):12－13

［4］宋義學．袖珍液壓氣動手冊［M］．北京:機械工業出版社，1995:68－82

作者:任麗娜 盧寧 孫建民 單位:北京建筑大學機電與車輛工程學院