闪光焊接液压系统的特性与构建

 　　根据热钢坯闪光焊工艺的要求，设计了一种应用于钢坯闪光焊机夹持动作的液压系统，并使用液压仿真软件AMESim进行了数字建模和仿真.仿真结果表明:该系统能够满足钢坯闪光焊接对夹持液压系统动作时间和夹持力的要求.

　　《焊接学报》科技论文发表，是由中国机械工程学会主办、哈尔滨焊接研究所承办的学术期刊。主要刊载焊接科技领域具有国际水平或国内先进水平的优秀学术论文。1980年创刊以来，刊期由最初的季刊发展为现在的月刊，成为在国内外具有一定影响的一级学术刊物。

　　AMESim是一种新型的工程仿真软件，主要用于模拟控制对象的真实建模环境.AMESim软件是基于图形化的仿真软件，其中软件附带的液压仿真软件包包含了大量常用的液压元件、液压源和液压管路等，该软件在建立液压系统数字模型的过程中充分考虑到液压油的物理特性和液压元件的非线性特性，例如:液压油的压缩性、滞环、饱和特性、库仑力等.本文以AMESim作为设计平台就热钢坯闪光焊夹持液压系统进行参数建模、仿真.本液压系统适用的焊接对象是横截面100×100～200×200的热钢坯.夹钳夹持力是保证热钢坯闪光焊接正常进行的关键因素，钢坯夹紧力的大小与其材料的高温性能有关.夹紧力太大，热钢坯容易变形;夹紧力太小，钢坯相对夹钳易产生滑动，影响焊口的焊接效果，试验得到的夹持力一般为F夹=(1.2～1.3)F顶.对于截面积40000mm2的方坯，夹持力达到F=2038400N，夹持动作时间小于2s[1-2].

　　1基于AMESim建模方法与步骤

　　软件中建模的流程图见图1，其中:A建立系统框图.根据工程系统原理图，在软件中将需要的图标或者符号从软件提供的标准库中拖曳到绘图区域建立系统的原框架;B选择动态模型.选择元件所适合的动静态特性方程表达式;C参数设置.为表达式设置参数;D仿真运行参数.设置系统仿真过程的运行时间，运行精度和采样时间;E图形绘制.利用软件功能绘制出整个仿真过程中的所需参数变化曲线.

　　2夹持液压系统数字建模与仿真

　　2.1夹持液压缸的模型

　　增压执行液压缸的模型由2个AMESim提供的液压缸组成(见图2)，其中液压缸1为改进得到的增压缸，设增压液压缸的活塞面积Az1，活塞杆件的面积Az2，夹持液压缸的活塞面积A1，活塞杆件的面积A2，活塞杆直接驱动质量模块代表增压缸活塞的质量，增压缸的小腔与执行液压缸的大腔相连.则增压缸的增压比为:a=Pz1/Pz2=Az1/(Az1-Az2)，考虑到夹持液压缸夹持住钢坯以后，由于钢坯表面的弹性变形，大直径执行液压缸后有一个行程L2，增压缸内的液压油要足以弥补大液压缸的行程需要的液压油[3]，设增压液压缸的行程Lz，则应满足条件Az2•LZ>A1•L2.

　　2.2夹持负载模型系统中的夹持负载模型

　　见图3，图中的变刚度弹簧代替夹持过程中的变负载.变刚度弹簧的刚度分为两段，在夹持缸行程L1=100mm内，夹钳没有接触到钢坯，夹持负载近似为零，弹簧刚度K1=0;夹钳夹持住钢坯以后，钢坯在夹持力的作用下发生弹性变形，假设变形量L2=2mm，夹持力Fj=1.3Fd=2080000N，则弹簧刚度:

　　2.3夹持液压系统工作原理

　　如图4所示，夹持液压回路采用阀缸控制方式，方向控制阀控制执行器的方向[4].系统的执行元件是液压缸，因为负载需要的压力相对较高，为了避免在整个回路中存在高压油，系统采用增压执行器.

　　1)夹持动作时，电机4带动恒压变量泵3从油箱吸油而形成油源压力，当油压超过一定值时，溢流阀2触发连通回油池实现降压的功能，从而保证油源的供油压保持为恒定值.油源提供的压力油经过高压油滤5和单向阀6进入三位四通阀10.三位四通阀10下位接通，同时三位四通阀11断电，形成差动回路.系统液压油进入增压缸的小腔和液压执行缸的小腔，液压执行缸快速运动夹持钢坯，此时增压缸缩回;

　　2)当液压缸夹持住钢坯后，进入增压缸增压阶段，此时三位四通阀10上位接通，三位四通阀11保持断电，系统液压油进入增压缸的大腔，增压缸输出高压油到执行缸的大腔;

　　3)三位四通阀10下位接通，三位四通阀11上位接通，系统压力油进入增压缸的小腔，使增压缸返回原位;4)随后三位四通阀10保持下位接通，三位四通阀11下位接通，液压油直接进入执行液压缸的小腔，并且打开液控单向阀，执行缸的大腔回油通过液控单向阀和三位四通阀11返回油箱，整个夹持周期结束.

　　3仿真分析

　　3.1AMESim中模型参数设置(见表1)

　　3.2工况分析

　　本仿真主要检验夹持液压系统各个参数的选择是否满足设计要求，包括夹持动作时间、夹持力的大小等.夹持动作仿真时间25s，执行顺序如下:

　　1)第2s开始夹持，实现夹持动作;

　　2)第8s开始增压，增压油缸动作，实现夹持液压缸的增压;3)第18s增压缸活塞开始返回;4)第20s，夹持油缸返回;5)第25s，夹持过程动作结束.

　　3.3仿真结果

　　1)增压缸大腔压力曲线和夹持液压缸大腔压力曲线见图5、图6.比较图5、图6压力曲线可知，增压阶段夹持液压缸的压力从130bar增加到800bar，实现了系统的增压.

　　2)夹持缸的输出力曲线和增压缸的大腔压力曲线见图7、图8.由图7可知夹持液压缸的夹持动作时间为1.5s(小于2s)，满足设计要求.由图8中可见夹持液压缸最大输出力2350kN，满足设计要求(F=2080000N).

《闪光焊接液压系统的特性与构建》

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