基于AMESim的快锻压机泄压特性仿真分析

张友亮，田丽红，杨 吉吉，石志鹏

（1.兰州理工大学 能源与动力工程学院，甘肃 兰州 730050；2.济南铸造锻压机械研究所有限公司，山东 济南 250306）

0 引言

快锻压机液压系统具有高压大流量、大运动惯量、强时变负载、换向频繁等特点。压机压制动作结束后，若主缸泄压速度过快，势必会引发回程振动现象[1]；若泄压速度过慢，则严重制约锻造频次的提高。因此，必须合理控制主缸的泄压速度。

据不完全统计，国内正在使用的锻造压机液压系统中，两级先导插装阀和比例插装阀占据市场主要份额。此外，德国Wepukoa公司和Pahnke公司联合设计、开发了正弦泵控系统，其主控元件为双向比例变量高压径向柱塞泵，通过泵自身输出流量方向的改变来实现锻造压机活动横梁的换向运动，从而使得系统压力冲击有效减小，具有较高的工件锻造精度和锻造频次[2]。但该系统前期投入成本较大，制造周期较长，在国内还未获得广泛应用。

实际中锻造压机液压系统设计、制造、调试周期长，应用系统仿真技术能有效克服这些问题，已逐步成为系统动态设计、性能评估的有力工具。

1 AMESim简介

AMESim软件是由法国IMAGINE公司于1995年推出的基于键合图的建模仿真平台，具有机械库、液压库等模型库和丰富的软件接口，用户可以基于图形化的物理建模方式进行联合仿真分析。此外，用户还可以针对库中现有模型进行定制、封装，进而开发出企业产品的元件模型[3]。

2 仿真模型的建立

插装式比例节流阀采用先导控制、座阀主级、插装式连接，具有通流能力大、控制性能高等特点，广泛应用于快锻、注塑、轧钢等行业。该型快锻压机液压系统采用比例节流阀泄压，某型插装式比例节流阀控制原理框图如图1所示。

图1 比例节流阀控制原理框图

图2为某型比例节流阀阀芯局部结构图，主阀芯采用锥阀式结构，带有滑阀式尾部，且其上均布有四个三角形节流槽口，用于小开口范围内的精细节流，从而可以有效避免主阀芯因快速开启或关闭过程中引起的液压冲击。

图2 比例节流阀阀芯局部结构图

为精确描述插装式比例节流阀阀口过流面积，根据实际尺寸分别建立了节流阀的三维模型和不同开口条件下的流场仿真模型，基于CFD技术在压力入口、压力出口条件下，获得该型比例节流阀的阀口过流面积-阀口开度变化曲线如图3所示。

回路仿真模型中，不考虑各液压元件间的泄露。所建立的快锻压机在主缸单独动作时的泄压回路仿真模型如图4所示。

图3 阀口过流面积-阀口开度特性曲线

图4 快锻压机主缸泄压回路模型

图中，压力油源在1s内保持25MPa不变，1s后迅速变为0。插装式比例节流阀在0-9V控制信号条件下的主阀芯位移阶跃响应特性曲线如图5所示。可见，主阀芯位移阶跃响应时间约为24ms，与样本给定值一致[4]，从而验证了所建立的插装式比例节流阀仿真模型的正确性。

图5 主阀芯位移阶跃响应特性曲线

3 仿真结果及分析

分别给定比例节流阀控制信号为阶跃信号、正弦信号、斜坡信号，仿真所得到的不同控制信号、不同幅值条件下的快锻压机主缸泄压特性曲线如图6所示。图中，P为阶跃信号，S为正弦信号，R为斜坡信号。

图6 不同信号、幅值下的泄压特性曲线

可以看出，不同控制信号、不同幅值条件下的泄压特性差异较大：同种信号不同幅值条件下，信号幅值越小，曲线变化越平缓，反之变化越急剧。原因在于，信号幅值较小时，所对应的主阀芯开口度较小，阀口过流面积较小，通流阻力较大，从而压力变化较为平缓。当信号幅值较大时，主阀口具有较大的过流面积，从而压力变化较为剧烈。

还可以看出，相同幅值、不同信号类型条件下的泄压特性差异也较大：阶跃信号下的压力变化曲线均比较急剧，正弦信号与斜坡信号下的压力曲线均比较平缓，且正弦信号下的压力变化比斜坡信号下的压力变化迅速。

在保证泄压平稳的条件下，为尽量缩短泄压时间，提高锻造频次，有文献研究采用正弦信号和阶跃信号共同来完成泄压[5]：控制信号先为正弦信号，待压力降至某一值时，控制信号切换为阶跃信号。

太原科技大学黄忠华教授所研究的泄压回路中，约定快速泄压的临界安全界限为5MPa，认为当液流流速v≤4.5m/s，冲击压力△P≤5MPa时，系统可安全泄压[6]。宋拥政教授在快速卸放回路中的研究认为，快速泄压与慢速泄压的临界压力一般为8MPa[7]。

在图4所示的仿真模型基础上，通过设置主缸压力传感器，来实现正弦信号与阶跃信号的切换。所建立的采用正弦信号和阶跃信号条件下的泄压回路仿真模型如图7所示。

分别设定临界压力值为 5MPa、6MPa、7MPa、8MPa、9MPa、10MPa，仿真得到不同临界压力条件下的主缸泄压特性曲线如图8所示。

4 结论

图7 正弦+阶跃信号的泄压回路仿真模型

图8 不同临界压力下的泄压特性曲线

本文基于AMESim建立了插装式比例节流阀和主缸泄压回路的仿真模型，进行不同控制信号、不同幅值及不同临界压力条件下的泄压特性仿真分析，得出以下结论：

（1）比例节流阀在正弦信号下具有较好的泄压特性，泄压时间：斜坡信号＞正弦信号＞阶跃信号。

（2）比例节流阀在正弦信号和阶跃信号作用下能提高泄压快速性。

本研究对于实际比例阀的调试、控制信号的选择，以及基于AMESim进行液压系统动态设计、性能评估具有重要意义。

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[7] 宋拥政.快速二通插装阀组的工作原理和特性.锻压机械，1991，26（ 4） ：26-29.

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