13.5MN液压机回程工况的研究

孟小净，周加永

（长安大学 道路施工技术与装备教育部重点实验室，陕西 西安 710061）

1 13.5MN液压机液压系统分析

13.5MN液压机属于高压聚乙烯一次发泡机，是一种以高压聚乙烯为原料来生产聚乙烯高发泡制品的设备。该液压机所生产的高发泡制品广泛应用在制作鞋材、潜水衣材料、发泡地板胶、运动防护材料、保温材料、箱包内衬和救生衣材料等。

图1 为13.5MN液压机液压系统简图，由一个低压大流量液压泵和一个高压小流量液压泵组成其油源，由不同的电动机来进行驱动。其基本动作过程如下：

（1）双泵启动与热平板快速闭合：按下电机的启动按钮后，电机分别驱动泵1以及泵11，高压小流量泵1输出的油液与低压大流量泵11输出的油液合流，然后输送到柱塞缸6。此时电液比例插装阀的电磁铁处于断电状态，液压系统无回油与泄漏，柱塞缸6向上运动，使热平板迅速地上抬，进而迅速闭合。

图1 13.5MN液压机的液压系统简图

（2）加压：在热平板闭合后，液压系统的压力迅速升高，当压力值达到低压系统中的电接点压力表9的调定压力上限时，低压泵11停止运行，由高压泵1单独供油。

（3）保压：当油压上升并且达到高压系统的电接点压力表7的调定压力上限值时，高压泵1的电动机停止运转，电液比例插装阀的电磁铁仍处于断电的状态，液压机的液压系统处于封闭保压状态。在保压过程中，系统有泄漏，油压下降，当压力下降到液压机高压系统电接点压力表7所控制的下限值时，重新启动高压泵1的电动机，输出高压油以供液压系统保持所需要的压力，时间继电器控制保压时间。

（4）泄压：当到达保压时间后，所压制的制品已经固化成型，此时热平板下降，通过电液比例插装阀进行泄压。电液比例插装阀的卸荷流量很大，在0.15s内柱塞缸6的压力迅速降到很小，即加在热压板、模具、盖板的压力也迅速降到很小。经过混炼的高压聚乙烯树脂在模具内体积骤然膨大20倍，完成了所压制品的发泡。

（5）热平板下降：高压系统内的油压泄压完成以后，电液比例插装阀的主阀芯快速打开。在热平板与工作柱塞重力的作用下，热平板快速下行，柱塞缸内的油液通过大口径的电液比例插装阀5排回到油箱。

2 活动横梁回程过程数学模型的建立

2.1 油路系统的动力学方程

图2 为活动梁回程系统的工作示意图。其中，P1为插装阀的出口压力，P2为柱塞缸的出口压力，P0为插装阀的入口压力，Q1为插装阀的阀口流量，Q2为柱塞缸的输出流量，Q0为插装阀的输入流量。

（1）插装阀的阀口流量方程为：

其中：Cd为阀口的流量系数；A为阀口的通流面积；ρ为液压油的密度；ΔP为插装阀的前后压差。

图2 活动梁回程系统的工作示意图

（2）管道2油路连续性方程为：

其中：l2为管道2的长度；R2为管道2单位管长的液阻；L2为管道2单位管长的液感；C2为管道2单位管长的液容。

（3）考虑到液压机中液体的可压缩性与泄漏，液压缸内油液的连续性方程为：

其中：A′为柱塞缸工作柱塞的面积；xh为活动横梁的下行位移；Ce为柱塞缸的泄漏系数；l0为t＝0时柱塞缸内液体的长度；E为液体体积弹性模量。

2.2 活动横梁的动力学方程

考虑到液体的可压缩性、泄漏、黏性阻力以及工作机架的受力变形等因素的影响，对活动梁进行相应的力学分析与运动学分析。

2.2.1 活动横梁的力学分析

建立活动横梁力学模型时，为了分析方便可以不考虑倾翻力矩的影响。在考虑了液体黏滞阻力影响的条件下，建立的活动横梁力学模型如图3 所示。其中，M为活动横梁总质量，FG为液体的黏性阻尼力，F0为液压缸的排液阻力，FR为密封处和导向处的摩擦力。下面对液压机活动横梁回程过程各力进行相应分析。

图3 活动横梁的力学模型

（1）活动横梁的重力：Mg。

（2）液体的黏性阻尼力为：

FG＝Bv。

其中：B为液体的黏性阻尼系数；v为液压油的运动黏度。

（3）导向处和密封处的摩擦力FR为：FR＝FD＋FM。

其中：FD为导向处的摩擦力，FD＝μ2Mg，μ2为导向处摩擦系数；FM为密封处的摩擦力，D为柱塞的直径，μ1为密封处摩擦系数，h为密封长度，P为缸内油液压力。

2.2.2 活动横梁的运动学分析

在活动横梁回程过程中，液压缸的排液阻力可以近似视为零，由牛顿定律可得活动横梁的运动学方程为：

根据油路系统的动力学方程和活动横梁的动力学方程，可以建立液压机回程时活动横梁速度控制系统的数学模型。由式（1）～式（4）得液压机回程时的数学模型为：

3 活动横梁速度控制系统的动态仿真

为了研究该液压机回程时的控制策略，将活动横梁速度对插装阀阶跃信号响应下的特性进行相应的仿真研究，根据式（5）在Simulink中建立的液压机回程系统仿真模型如图4 所示，回程时活动横梁速度控制仿真子系统模型如图5 所示。

图4 液压机回程系统仿真模型

仿真条件如下：

（1）输入in1、in2、in3为插装阀阀芯的开度，输出out1、out5、out9为插装阀的输出流量，out2、out6、out10为工作缸的入口压力，out3、out7、out11为活动横梁的位移，out4、out8、out12为活动横梁的速度。

（2）系统仿真时间为1.5s。

（3）将系统的输入即插装阀阀芯的开口度分别设为36mm、33mm、30mm。

运行图4 液压机回程系统的仿真模型，得到图6 液压机回程活动横梁速度响应特性仿真曲线和图7 液压机回程时活动横梁位移响应特性仿真曲线。仿真结论如下：

（1）影响13.5MN液压机回程时横梁速度动态响应特性的主要参数有插装阀的开口大小x、管道2的长度l2、液感L2、液溶C2、液阻R2、系统的阻尼系数B与液体的弹性模量E。

图5 液压机回程系统仿真子系统模型

图6 活动横梁回程速度响应特性仿真曲线

（2）由图6 可以看出，当插装阀的开启度为36mm时，在0s～0.25s时间段内，活动横梁的速度从0开始逐渐加快，此过程是插装阀的开启过程。在0.25s～1.5s时间段内，插装阀完全开启并且回油路对柱塞所造成的阻力使活动横梁的受力趋于平衡，因此活动横梁的下降速度趋于平衡，其中下行速度约为0.67m／s。此过程可以描述为：活动横梁空载下行时为加速运动，能够在极短的时间内其运动速度接近于平衡时的速度。由于活动横梁运动到接近于平衡速度所用的时间很短，因此可以用平衡速度来代替活动横梁下行时的平均速度，并且误差较小。

（3）由图7 可以看出，当插装阀的开启度为36 mm时在1.5s的时间内下行位移约为0.95m；当插装阀的开启度为33mm时在1.5s的时间内下行位移约为0.91m；当插装阀的开启度为30mm时在1.5s的时间内下行位移约为0.88m。该液压机6块加热板之间的总层距为0.9m。因此，在实际生产中要保证插装阀的开启度在33mm以上，这样才符合产品的生产要求。

图7 活动横梁回程位移响应特性仿真曲线

4 结论

通过以上分析，提高液压机活动横梁空载下行时的速度可以采用以下途径：①通过增加回油管的通径来减小回油时的阻力；②增大回油管路中阀的通径，以此来减小压力损失。

在进行液压机设计时，应提高活动横梁的空载下行速度，应该选择压力损失尽可能小的，并且通油能力尽可能强的插装阀。另外，还有一个好处就是通过调节插装阀阀芯的开口大小调节空载下行时的速度，并且能够保证液压机的活动横梁由快转慢时能够运转平稳且无冲击。

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