复合材料液压机四角调平缸支撑结构的优化

张珍，宋继顺，2，张建，3，王世明，李森(.天津理工大学材料科学与工程学院，天津30038;2.天津市光电显示材料与器件重点实验室，天津30038; 3.显示材料与光电器件省部共建教育部重点实验室;.天津市天锻压力机有限公司，天津3002)

复合材料液压机四角调平缸支撑结构的优化

张珍1，宋继顺1，2，张建1，3，王世明4，李森4
(1.天津理工大学材料科学与工程学院，天津300384;2.天津市光电显示材料与器件重点实验室，天津300384; 3.显示材料与光电器件省部共建教育部重点实验室;4.天津市天锻压力机有限公司，天津300142)

四角调平的设计对整个压机的精度具有决定性的影响，本文对调平系统进行可行性分析，文中对复合材料液压机的四角调机构进行了数值模拟，对四角调平支架结构进行有限元分析，并对四角调平的支撑机构进行了结构优化。对改进后的调平支架结构进行模拟分析，模拟结果表明该调平缸支架结构可以可靠保证系统的准确调平。

复合材料液压机;四角调平;数值模拟;偏载

0　前言

随着现代工业的快速发展，工件的质量要求越来越高，形状也越来越复杂，使得液压机的吨位和工作台面越来越大，精度也越来越高。但在实际工作过程中滑块时常受偏载力的作用，使滑块产生不同程度的倾斜，在这种情况下，不仅被压工件极容易报废，并且损坏模具，而且会严重影响液压设备的使用寿命。因此，在对成型精度要求严格的复合材料液压机中往往需要有四角调平系统，其作用就是避免滑块在工作状态下产生倾斜，从而保证上下模具准确压合，确保工件质量，同时，也有利于改善各构件受力状况，延长压机使用寿命。

以天津市天锻压力机有限公自主研发制造的YT71S-2000系列复合材料液压机为例进行模拟分析，该压机整体性能基本能达到国外同类的水平，如图1所示。此液压机的调平系统中，液压机下横梁的四角处各设置一组结构完全相同的活塞液压缸，且四个调平液压缸上都装有直线位移传感器。调平缸并不是在整个行程过程中都与滑块接触，因只有在压机合模阶段才需要调平，此时调平缸与滑块接触，跟随滑块等速下行。控制器通过安装于四角的直线位移传感器实时监测滑块四角位移。如果滑块在偏载力矩作用下发生偏转，控制器按控制算法计算出相应的控制率控制高频响应比例伺服阀，从而调节调平缸的跟随运动(或加速、或减速、或反顶)，以形成抗偏载力矩，间接保证滑块下表面的水平度。复合材料液压机的三维模型图如图2所示。

图1　复合材料液压机实物图Fig.1 The real product photo of composite hydraulic press

图2　复合材料液压机三维模型图Fig.2 The 3D model figure of composite hydraulic press

为使滑块在向下运动的过程中克服偏载力的影响，保证其平行度在误差范围之内，即需要控制滑块下方四角调平液压缸的位置同步，目前采用多轴同步控制策略，一般可以分为以下几种:

(2)等同模式各个调平液压缸都能接收到相同的控制信号，但其只考虑单轴位移控制而忽略各个调平液压缸相互之间的位置误差，所以单轴之间的特性差异对整体的同步性能有很大影响。

(3)追逐模式运动过程中控制系统动态地将处于极限位置处(最低或最高位置)的调平液压缸设为基准缸，控制其余调平液压缸对基准液压缸进行位置跟随。

(4)耦合模式控制器控制调平缸跟随事先规划好的速度-位移曲线运动的同时，并将各缸之间的位置误差用于控制。各调平液压缸接收到相同指令信号后控制各自轴运动，但是与等同模式不同，耦合模式下将实时计算各调平液压缸之间的位置误差量并用于补偿同步误差。

复合材料液压机调平系统采用了追逐模式的调平策略，并采用双闭环预测控制。压力内环采用预测控制策略，该控制方法通过实时的模型滚动优化，实现对被控对象模型参数变化的快速跟踪，能够快速抑制扰动对系统稳定性的影响。外环采用综合控制器，综合上位机设定速度、当前位移、其他各点位移速度，计算压力内环设定值。综合控制器采用模糊规则进行控制，以便抑制系统超调。控制策略框图如图3所示。

图3　控制策略框图Fig.3 Diagram of the control strategy

1　调平系统可行性分析

本系统为四点支撑平台的调平问题，为了达到调平中所需的精度要求，首先需要对平台进行分析，在这里即是对滑块进行分析，进而确定调平系统的可行性及可靠性。采用的方法是首先为滑块的水平度建立了数学模型，通过建立模型准确地判断滑块的转动惯量，然后再假设在具有偏载力偶的作用下进行分析处理，确定滑块需要的调平力及调平位移，据此可以具体确定各支腿的调节量和运动方向(上升或下降)。YT71S-2000M复合材料液压机的技术要求见表1，滑块转动惯量模型如图4所示。

表1　20MN液压机技术参数Tab.1 Product technical requirements of 20 MN

图4　滑块转动惯量模型Fig.4 Rotational inertiamoment of slide block model

滑块绕X轴的转动惯量大约为

滑块绕Y轴的转动惯量大约为

假设突然加载一个5×106N·m的偏载力矩，在一个控制周期(1×10－2s)内产生的位置偏差为

[91] 葛红亮、鞠海龙：《“中国-东盟命运共同体”构想下南海问题的前景展望》，《东北亚论坛》2014年第4期，第29-30页。

最大调平力矩为M2=6.5×106N·m

抵消偏载力矩后剩余的调平力矩M3=1.5× 106N·m

在五个控制周期(50 ms)内提供的调平位移

通过计算可以得出，在突加5×106N·m的偏载力矩，控制周期是1×10－2s，在最大调平力为1.3×106的条件下，在五个控制周期内，调平位移3.1 mm大于偏载位移2.1 mm，可以完成调平。

2　四角调平支架结构的有限元分析及优化

对四个调平缸支架进行编号为1、2、3、4，如图5所示。

图5　四角调平缸支撑结构编号Fig.5 The number of four leveling cylinder supporting structure

由于四角调平系统在工作过程中，可能的调平工况有五种，见表2。

表2　调平工况Tab.2 Working condition of leveling N

2.1初始设计方案的有限元分析

根据初始设计的带有调平缸支架的主机结构，在Solidworks软件中进行三维建模，为了减小计算机的计算时间，在不影响模拟结果的情况下适当简化模型(如螺纹孔、浅槽、T形槽、倒角等)。建立的模型如图6所示。模型建立后导入有限元分析软件ANSYSWORKBENCH中进行网格划分(图7)，添加材料属性(主机结构所有板材材质均为Q235-A钢板，弹性模量为2.12E+11 N/m2，泊松比为0.288，质量密度为7.86E +3 kg/m3)。然后根据模拟方案施加相应的边界条件，分析五种工况下调平支架的位移云图和变形情况。

图6　液压机主机结构的三维模型Fig.6 Model of the hydraulic press structure

图7　对液压机进行网格划分Fig.7 Meshing for hydraulic press

通过模拟得到位移云图如图8所示。

图8　改进前支撑结构的位移结果云图Fig.8 Deformation of the support structure before improvement

取调平精度为±0.1mm，提取以上各模拟结果，列入表格进行分析，如表3所示。

分析表格中的数据发现，五种工况下，最大变形都超过了调平系统的调平精度±0.1 mm，所以该调平缸支架结构不能可靠保证系统的准确调平，需要对调平结构进行改进，改进结构如图9所示。

图9　改进后结构模型及局部放大图Fig.9 Improved structuremodel and the partial enlargement

2.2改进后支撑结构的有限元分析

对改进后的调平支架结构进行模拟分析，得到的位移云图如图10所示。

图10　改进后支撑结构的位移结果云图Fig.10 Deformation distribution of improved support structure

取调平精度±0.1 mm，提取以上各模拟结果，列入表格进行分析，如表4所示。

表4　改进后模拟结果Tab.4 Simulation results of improved support structure

分析表格中的数据发现，五种工况下，最大变形都在0.088 mm左右，没有超过调平系统的调平精度±0.1 mm，所以该调平缸支架结构可以可靠保证系统的准确调平。

3　结论

(1)首先对复合材料液压机调平系统的工作原理进行了介绍，并对调平系统进行了可行性分析计算，从理论角度保证了调平功能的可靠实现。

(2)通过有限元分析方法对复合材料液压机的调平支架在不同偏载工况下进行模拟分析，获得调平支架的位移云图，进而对调平支架进行结构优化，使调平系统满足调平精度要求。

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Simulation and im provement of four corners leveling cylinders support structure for composite hydraulic press

ZHANG Zhen1，SONG Ji-shun1，2，ZHANG Jian1，3，WANG Shiming4，LISen4
(1.College of Materials Science and Engineering，Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China; 2.Materials and Equipment Key Laboratories，Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China; 3.Key Laboratory of Display Materials＆Photoelectric Devices(Tianjin University of Technology)，Ministry
of Education，Tianjin 300384，China;4.Tianjin Tianduan Press Co．，Ltd．，Tianjin 300142，China)

With the extensive application of composite products，the accuracy of the composite product requirements is also increasing．In order tomake the hydraulic equipment tomeet the requirements of complex precision parts，the improvementof hydraulic stiffness and anti-bias load capacity is needed．As a composite hydraulic machine to ensure accuracy of the four corners of themain structure is levelingmechanism．Corners leveling design has a decisive impact on the accuracy of the press．Four corners of the composite hydraulic leveling mechanism was simulated，and the four corners of the supporting institutions leveling structure is optimized．

composite hydraulic press;corners leveling;numerical simulation;eccentric load

TG315

A

1001－196X(2015)02－0048－05

2015－01－20;

2015－02－13

“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项(SK201301A21－03);天津市企业技术创新项目计划产学研联合开发专项(2013ZX04003－031)

张珍(1988－)，男，天津理工大学，硕士研究生，研究方向为材料成形工艺、设备与模具设计。