摘要: 針對6000 kN 鍛壓機的3 種泄壓回路，進行了AMESim 建模、參數設置和仿真，對比分析了3 種泄（xiè）壓回路中的工作缸的活塞杆位移、速度、加速度特（tè）性以及工作缸進出油口的壓力脈動（dòng）和其穩定狀態下壓力的情況。仿真對（duì）比結果表明: 泄壓（yā）開始1 s 內，在3 種泄壓回路活塞杆的位移接近相同情況下，節流閥泄壓回路工作缸活塞杆（gǎn）的速度最先（xiān）達到穩定狀態，波動幅度最小，加速度峰值（zhí）最小（xiǎo），工作缸運動最為平穩，慣性（xìng）衝擊最小; 節流閥泄壓回路是3 種泄（xiè）壓回路中泄壓特性最佳的回路，節流－順序閥泄壓回路的泄壓特性次之，順序閥泄（xiè）壓回路的泄壓特性最差。

      關鍵詞: 鍛壓機; 泄壓（yā）回路; AMESim; 仿真分析

     鍛壓機在（zài）加工工件時，其工（gōng）作缸高壓腔（qiāng）需要很高的工作壓力［1］。泄壓時，工作缸內積蓄的大量高壓液體能量瞬間釋放，將引起泄壓管道內的油液壓力脈動或衝擊，並導致振動和噪音，從（cóng）而對整個鍛壓機的穩定工（gōng）作產生（shēng）重要（yào）影響［2］。若在工作缸回程之前不對其進行合理地泄壓，將對設備產生危害［3］。所（suǒ）以，鍛壓機在加（jiā）載完畢（bì）回程時，工作缸積蓄的能量需要平穩泄壓。

     在1993 年，張利平等［5］在鍛壓機（jī）進行泄壓（yā）時，以液壓係統的壓力衝擊而產生噪音的機理為著手點，詳（xiáng）細分析了噪音的來（lái）源，提出蓄能器可以有效減小噪音和（hé）振動的方案，但是蓄能器會引起（qǐ）係統回路的壓力閥的誤動作。何世（shì）友等［6］和徐銘等［7］對比了鍛壓（yā）機的（de）4 種泄壓回（huí）路: 節流閥泄壓（yā）回路、二位三通閥泄（xiè）壓回路、泄壓閥組泄壓回路和壓（yā）力閥組泄壓回路，分析了4 種（zhǒng）回（huí）路的優缺點。宋擁政［8］在研究鍛壓機泄壓回路的泄壓過程時提出: 通過（guò）泄壓回路的液壓元件合理地延長（zhǎng）泄壓時間是消除（chú）泄（xiè）壓（yā）衝擊的主要措（cuò）施。

     本文以6000 kN 鍛壓機的3 種泄壓回路為研（yán）究對象，通（tōng）過AMESim 建模仿真分析，對鍛壓機工作缸的活塞杆位移、速度（dù）、加速度和（hé）工作缸（gāng）進出口壓力脈動5 組參數進行仿（fǎng）真分析，最終對比分析出活塞杆速度平（píng）穩、慣性衝擊小和工作缸進出口壓力脈動小的泄壓回路，為（wéi）鍛壓機的泄壓回路選擇和應用提（tí）供了參考。

      1 、3 種泄壓回（huí）路數學模型（xíng）
 
      1. 1 泄壓原理

      6000 kN 鍛壓機（jī）的（de）3 種泄壓回路如圖1 所示，其（qí）泄壓的基本原理如（rú）下。

      ( 1) 節流閥（fá）泄壓回路，如圖1a 所示。由於其節流閥的節流作用，在鍛壓機工作缸無杆高壓腔泄壓時，少量的高壓腔壓力油先經過節（jiē）流閥（fá）流回油（yóu）箱，實現泄壓功能。

                                             圖1 3 種泄壓回路
      ( a) 節（jiē）流閥泄壓回路( b) 順序閥泄壓回（huí）路( c) 節流－ 順序閥泄壓回路
 
      ( 2) 順序閥泄壓回路，如圖1b 所示，依據其順序閥的順序動作作用，鍛壓（yā）機（jī）液壓無杆高（gāo）壓腔缸泄壓時，二位二通換向閥動作（zuò），油液打開順序閥，少（shǎo）量的高壓油液從順序閥（fá）經過調速閥（fá）後流回油箱，起到了泄壓（yā）作用。
 
     ( 3) 節流－ 順序閥泄壓回路，如圖1c 所示，將（jiāng）節流閥泄（xiè）壓回路（lù）與順序閥泄壓回（huí）路的單向（xiàng）節流閥與順序閥組合起來，共同（tóng）組成節流－ 順序閥泄壓回路，其基本工（gōng）作過程是在節流閥完成少量泄壓（yā）油液，同時二位二通（tōng）換向閥動作（zuò），油液（yè）打開順序閥，少量高（gāo）壓油液同時從順（shùn）序閥經過調速閥流回油箱，節流閥與（yǔ）順序閥二者共同（tóng）完成泄壓作用。
 
      1. 2 數學模型

      在上述3 種鍛壓機泄壓回路中，其數學模型分（fèn）別是: 節流閥的流量模型、工作缸高壓腔泄壓流量模型、工作缸流量連續性原理模型和工（gōng）作缸與負載間的平衡方程數學模型。

      ( 1) 工作缸高壓腔的泄壓流量數學模型［9］為:

      2 、泄壓回路建模及其參數設置

     為了分析對比3 種泄壓回路的特（tè）性（xìng），根據6000 kN鍛壓機液壓係統的功能、原理和泄壓回路的液壓元件的參數，建立（lì）AMESim 模型，並對其模型進行參數設置［12 － 13］。

      2. 1 節流閥泄壓回路建模（mó）及其參數設置

     根據節流閥泄壓回路的液壓係統原理圖，模型在定量泵（bèng）供油下泄（xiè）壓時，工（gōng）作缸（gāng）11 的高壓腔的少量高（gāo）壓油液經過節流閥8、液控單向閥I 5 流回油箱，待高壓（yā）腔（qiāng）壓力瞬間釋放後，無杆腔（qiāng）大量油液經過液控單（dān）向閥II 9、液控單向閥I 5 流回油箱（xiāng）。AMESim仿真模型（xíng）見圖2。

      圖2 中，為（wéi）了便於仿（fǎng）真分析計算，液（yè）壓係統原理圖中的換向閥使用了伺服閥（fá）代替。因為伺服閥換向（xiàng）閥（fá）的額定控製電流（liú）是40 mA，其（qí）控（kòng）製信號4 值（zhí）分別是－ 40，0，40，所有伺服閥作用和換向閥完全相同，控製時（shí）間分別是: 0 ～ 10 s 右位工作，工作缸加壓，活塞杆伸出; 10 ～ 20 s 中位（wèi）工（gōng）作，工作缸保壓，活塞杆停止（zhǐ）; 20 ～ 30 s 左位（wèi）工作（zuò），工作缸（gāng）泄壓，活塞（sāi）杆縮回。節流閥控製信號是0. 8 的節流開口度。負載信號是: 0 ～ 10 s，施加載荷5890 kN; 10 ～30 s，無載荷。參數設置見表1。

                 圖2 節流閥泄壓回路AMESim 仿真模型
      1. 泵（bèng）站2. 安全閥3. 三位四通（tōng）換向閥4. 換向閥控製信號5. 液控單向閥I 6. 單向閥7. 節流閥控製信號8. 節流閥
      9. 液控單向閥II 10. 順序閥11. 工作缸12. 負（fù）載信號

                     表1 節流閥泄壓（yā）回路仿真模型的參數設置

      2. 2 順序閥泄壓回路建模及其參（cān）數設置

      根據上麵的順序閥泄壓回路的液（yè）壓係統原理圖（tú），在AMESim 軟件建模，如（rú）圖3 所示。

                      圖3 順序閥（fá）泄壓回路AMESim 仿真（zhēn）模型
     1. 泵站2. 安全閥（fá）3. 三位四通換向閥4、11. 換向（xiàng）閥控製信號5. 液（yè）控單向閥6. 節流閥控製信號7. 節流閥8. 減（jiǎn）壓（yā）閥9. 順（shùn）序閥10. 二位二通換向閥12. 工作缸13. 負載信號

     圖3 中的泵站（zhàn）1、安全閥2、換向（xiàng）閥控製信號4與圖2 的參（cān）數一致，圖3 中工作缸和負載信號的參數也與圖2 的相（xiàng）同。圖3 中（zhōng），節流閥控製（zhì）信號6 值設置為0. 5 的節（jiē）流（liú）開口度。換向閥控製信號11 值:0 ～ 20 s，值為0; 20 ～ 30 s，值為20 ( 二位二通電磁伺服閥換向閥的額定控製電流是20 mA) 。參數設置（zhì）如（rú）表2 所示。

                        表2 順序閥泄壓回路仿真模（mó）型的參數設置

     2. 3 節流－ 順序閥泄壓回路建模及參數設置
 
     對於節流－ 順序閥泄壓（yā）回路的參（cān）數設置，其中圖4 的液控（kòng）單向閥I 5 參（cān）數和圖2 的液控單向閥I 5相（xiàng）同（tóng），其他參數數（shù）值與節（jiē）流閥泄壓回路、順序閥泄壓回路的（de）對應元件模型參數相同。AMESim 模型（xíng）如（rú）圖4 所示。

     圖4 節流－ 順序閥泄壓回路AMESim 仿真模型. 泵站2. 安全閥3. 三位四通（tōng）換向閥4、15. 換向閥控製信號. 液控單向閥I 6. 單向閥7、14. 節流（liú）閥控製信號8. 節流閥I9. 液控單向閥II 10. 順序閥I 11. 順序閥II 12. 減壓閥13. 節流閥（fá）II 16. 二位（wèi）二通換向閥17. 工作缸18. 負載信號

     3、 泄壓回路AMESim 仿真對比分析

     3. 1 泄壓回路的仿真

     根據（jù）鍛（duàn）壓機的實際工作過程和AMESim 中三位四通換向（xiàng）閥的換向信號參數設置，3 種泄壓回路的仿真過程分為3 個過程。
 
     ( 1) 加壓過程（chéng）。三位四通換向閥控製信號將換向閥（fá）置於左位工作，泵為係統供液，同時工作缸負載信號給工作缸施加載荷，泵輸（shū）出的（de）油液進（jìn）入工作缸的無杆腔。
 
     ( 2) 保壓過程。在加壓完成後，三位四通換向閥控製信號將換向閥置於中位工作，工作缸（gāng）的（de）無杆腔和有杆腔被鎖死，泵輸出的油液完全經過安全閥流回油箱，液壓係統處於保壓階段。
 
     ( 3) 泄壓過程。保壓完成後，三位四通（tōng）換向閥控（kòng）製信號將換向（xiàng）閥置於右位工作，泵輸出的油液進（jìn）入有杆腔，此（cǐ）時無杆腔的高壓油液流回油箱（xiāng）。同時，將工作缸的負載信號置於0，工作缸活（huó）塞杆空載縮回，係統處於泄壓階段。

     3. 2 泄壓（yā）回路的仿（fǎng）真結果對比分析
 
     在鍛（duàn）壓機的工作過程中，影響其工作性能的主要因素是執行元件工作缸活塞杆的位移、速度、加速度（dù）和工作缸的高、低壓腔的壓力脈動，結（jié）合3 種泄壓回路的仿真結果（guǒ）進行對比分析。

    ( 1) 活塞（sāi）杆位移對比分析
 
    在鍛壓機的整個30 s 仿真時間內，其（qí）仿真對比如圖5 所（suǒ）示，仿真結（jié）果（guǒ）表明: 0 ～ 10 s 的加壓階段，3 種泄壓回路（lù）工作缸位移相同，為1 m; 10 ～ 20 s 處於保壓階段; 20 ～ 30 s，工作缸泄壓，到25 s 時3種回路工作缸回程到起始位置。3 種泄壓回路工作缸的位移曲（qǔ）線差（chà）別不明顯。

                                圖5 活塞杆位移仿真圖（tú）

    ( 2) 活塞杆速度、加速度對（duì）比分析

     為了對比研究鍛壓（yā）機泄壓時的短暫時間內（nèi）的工（gōng）作（zuò）狀態，仿真圖截取20 ～ 21 s 時間段的工作狀況，如圖6 所示（shì）。仿真結果表明: 泄壓（yā）的1 s 內，節流（liú）閥泄壓回路速度最先達到穩定狀態（tài），穩定值為

                     圖6 活塞杆（gǎn）速度( a) 和加速度( b) 的仿真圖

     ( 3) 工作缸無杆腔、有杆腔壓力對比分析圖（tú）7a 和圖7b 為鍛壓機泄壓過程6 s 內工作缸無杆腔和有（yǒu）杆腔的壓力仿（fǎng）真圖。

      
           圖7 無杆腔( a) 和（hé）有杆腔( b) 壓力仿真圖

    泄壓時間t = 20 ～ 26 s，對於工作缸無杆腔壓力變化來說，3 種回路的無杆（gǎn）腔壓力（lì）從高（gāo）壓泄壓至4 MPa 左右的低壓區都比較平穩，節流閥泄壓（yā）回路的無杆腔壓力值最高為4. 5 MPa，順序閥泄壓（yā）回（huí）路的壓（yā）力值為3. 1 MPa，節流－ 順序閥泄壓回路的壓力值為3. 7 MPa; 對於工作缸有杆腔壓力變化，節流－ 順序閥泄壓回路在泄壓瞬間壓力波動較另外2 種回路更明顯，在穩定狀態下，節流閥、順序閥和節流－ 順序（xù）閥泄壓回路的壓力值依次分別為:
9. 8，7. 2 和8. 3 MPa。

     4 、結論

     所以節流閥泄壓回路慣性衝擊最小，節流－ 順序閥泄（xiè）壓回路較好，順序閥泄壓（yā）回路慣性衝擊最（zuì）明顯。
 
     ( 2) 針對於工作缸無杆腔、有杆（gǎn）腔壓力情況，節流閥泄壓回路的壓（yā）力值相比其他兩種回路稍（shāo）高，順序閥泄壓回（huí）路壓力（lì）值最低。在有（yǒu）杆腔泄壓瞬間，節流－ 順序閥泄壓回路壓力脈動最為嚴重。綜合考慮，雖然節流閥（fá）泄壓回路的工作缸進出油口（kǒu）壓力偏高，但是節流閥泄壓回路泄壓（yā）時，工（gōng）作缸運動更加平穩，慣性衝擊（jī）小，所以它是3 種泄壓回路中泄壓特（tè）性最佳的回路，節（jiē）流－ 順序（xù）閥泄壓回路的泄（xiè）壓特性次之，順序閥泄壓回路的泄壓特性最。在鍛壓機泄壓（yā）回路的設計和選擇中可以優先考慮使用（yòng）節流閥泄壓回（huí）路。