2000kN/4000kN·m锻造操作机夹钳水平升降设计和仿真

李 宣，霍 光，祁 建，谢明阳

（沈阳北方重工集团有限公司，辽宁 沈阳 110141）

0 引言

2000kN/4000kN·m锻造操作机用于配合10000t锻造压机，完成镦粗、拔长、冲孔、扩孔、切断等的生产，可实现自动化锻造，具有提高锻造精度和效率、降低能耗的作用。锻造操作机采用全液压传动，采用有轨道大车行走方式，可实现夹钳水平升降、倾斜、钳头夹紧、钳头旋转等动作，并设有过载保护装置。夹钳水平升降系统是锻造操作机的重要组成部分，用于联动锻造压机时实现水平升降。2000kN/4000kN·m锻造操作机属于大吨位重载锻造操作机，存在较大的机械冲击，对控制精度有较高要求。因此，针对夹钳水平升降电液系统，利用AMESim分析升降系统的动态控制特性，对控制系统设计、现场调试具有一定的指导意义。

1 夹钳水平升降动作

由于重载锻造操作机具有大惯性、大冲击特性，为提高操作机的承载能力和减少偏心载荷，夹钳水平升降系统采用两个平行升降液压缸驱动四连杆机构，实现夹钳平行升降。如图1所示，夹钳水平升降系统包含多个平行四连杆机构CDFE、ABKL、CDHF等，当活塞缸退回时，销轴绕C、D转动，B、A下移，夹钳下降；活塞杆伸出时，销轴绕C、D转动，在四连杆作用下，B、A同步转动，H、G位置上移，夹钳完成提升动作。

图1 夹钳平行升降机构简图

2 电控液压系统

2.1 电控液压系统组成

根据夹钳水平升降动作和锻造工艺要求，设计了电控液压系统，液压原理图如图2所示。在液压原理图中，采用两组液压控制系统，每组液压控制系统均包括比例方向阀、安全插装阀、排油插装阀、蓄能器和压力传感器等液压元件。两组液压控制系统采用同一个恒压变量泵作为动力源。在锻造压机快锻时，夹钳水平机构处于浮动状态，蓄能器和液压系统相连，起到缓冲、减少冲击的作用。

图2 液压系统原理图

2.2 控制原理

在锻造过程中，操作机的水平升降液压缸，配合锻造液压机的压下同步运动。控制方式为：将液压缸1动作作为被跟踪对象，液压缸2作为跟踪对象，将液压缸2的位移量和液压缸1的位移量相比较得出差值，然后将差值反馈作为输入信号控制液压缸2的比例换向阀，从而液压缸2就会跟随液压缸1发生变化，实现同步控制，控制方式如图3所示。

图3 控制方式示意图

3 计算机仿真、分析和优化设计

AMEsim是一款专门针对机械和流体仿真的软件，AMESim为用户提供一个时域仿真模拟环境，可使用已有的模型或建立新的子模型元件，构建优化设计所需实际模型，并且操作界面友好、操作方便。

3.1 建模和仿真

根据液压系统原理图，进行部分等效简化，利用AMESim在图形化建模方面的优势，搭建出系统的仿真模型，如图4所示。

图4 模型图

3.2 仿真和结果分析

按照锻造操作机的负载为满载200t的工况，设定AMEsim的参数进行模拟仿真，仿真两个升降液压缸的位移曲线如图5所示，速度曲线如图6所示。

图5 升降液压缸的位移曲线

图6 升降液压缸的速度曲线

（1）从图5、图6可以看出，液压系统能够实现夹钳水平上升和下降的动作，并且液压缸2的位移、速度跟随液压缸1的位移、速度变化，说明液压系统和同步控制方式的设计是可行的，

（2）利用AMESim对曲线进行计算，将图5中的两条曲线相减，得到两个升降液压缸的位置误差曲线，如图7所示，可以看出两个升降液压缸的位置公差较大，会造成锻造操作机在升降过程中出现偏载，所以必须对系统进行校正。

3.3 电液系统控制方式的校正

由于两个升降液压缸的位置误差较大，在控制方式中增加两个PID进行校正，校正后的控制方式如图8所示；同时，在PID控制中设置较大的开环增益，减少系统的稳态误差。修改AMESim模型后，对夹钳水平升降电液系统进行仿真，得出两个升降液压缸的位置误差曲线，如图9所示。对比图6、图9可以看出，利用PID进行校正后，两个升降液压缸的位置误差变小，从而提高了升降液压缸的同步精度和效果，减少升降液压缸偏载。

图7 升降液压缸的位置误差曲线

图8 校正后的控制方式图

4 结论

（1）利用AMESim对夹钳水平升降系统的建模、仿真和分析，避免建立复杂的数学模型和公式，也利用了AMESim强大的数据处理效果，能够获得很好的电液系统仿真效果。

（2）利用PID控制方式对电液系统的同步进行校正，进行软件仿真，从而提高了夹钳水平升降同步运动的精度。

图9 校正后的升降液压缸的位置误差曲线

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