基于AMESIM的飞锯机随动系统研究

皇宇州，樊志新，赵东阳

（大连交通大学 材料科学与工程学院，大连 116028）

0 引言

连续挤压生产线飞锯机基本是个空白，一直为厂家所关心和急于解决。基于这点对连续挤压生产线飞锯机进行了方案设计。目前市场上大量应用的在线定尺飞锯机主要有气动式飞锯机，液动式飞锯机，电脑锯等几种形式。电脑锯存在着一定的缺陷, 例如：1）价格偏高。2）微机抗干扰性能差，使得控制设备结构复杂。3）调试以及维修保养困难，需专门人员维护，一旦发生故障很难立即排除。液动和气动飞锯机也具有一定的缺陷，噪音大，利用率低，无功损耗大，工作速度不稳定，零部件损坏的概率大等。考虑到上述问题，设计连续挤压生产线的飞锯机要满足具有成本低、寿命长、工作可靠、使用维修方便等优势，其定尺精度也足以满足要求，满足市场需求。

1 飞锯机总体工作原理

图1 飞锯机设计方案示意图

连续挤压飞锯机设计借鉴以往的设计思想，浓缩了一种新的方案。传统的飞锯机启动主要靠靠动力驱动，连续挤压生产线飞锯机设计主要是随动驱动，即前进的铜排通过缓冲缸带动小车前进,而不是通过液压马达或者电机来驱动。该方案结构简单，可以满足连续挤压生产线的需求。

飞锯设计方案如图1所示。

连续挤压飞锯机工作方式是，铜排源源不断地从前道工序送来，飞锯必须在工件连续运动过程中完成对工件的切割，飞锯的这种特殊要求决定了它必须在切割完一根铜排后立即回到初始位置。当经过锯片的铜排长度恰为设定的定尺长度时，夹紧装置启动，铜排通过缓冲缸带动小车启动，直到与铜排同步，飞锯小车上的刀具切断铜排，之后，小车快速返回初始位置，飞锯就是这样周而复始地完成连续工件的定长切割任务的。

飞锯机的整个工作流程如图2所示。

图2 飞锯机工作流程框图

2 飞锯机缓冲缸

为了实现铜排通过缓冲缸带动小车前进，就必须对缓冲缸进行分析。目前液压缸[3]活塞的缓冲的方法基本上有两种：一种是液压缸外部控制，也就是在控制液压缸的回路上装上节流阀或其它形式的流量控制装置进行缓冲，一般结构较复杂;另一种是液压缸内部控制，是在液压缸内部设计一定的缓冲装置来实现缓冲，而不需要另加元件，结构简单，加工和使用方便，因而得到广泛的应用。这个系统的设计主要是缸内缓冲的方法，缸内缓冲装置一般利用与活塞相连的缓冲柱塞，和与缸体相连的缓冲孔之间的间隙，油流过时产生阻力，达到缓冲目的，故称之为节流缓冲。在工作中，利用了节流阻尼的作用，当缓冲塞插入排油孔口中后，使活塞与油缸端盖之间形成封闭空间，封闭空间中油只能从节流小孔或柱塞和排油孔之间的节流环隙中流出，从而在封闭空间造成高压，迫使活塞减速制动而实现缓冲缓冲柱塞与缓冲孔之间的间隙不同的结构可以形成两种形式的节流方式，锐缘节流和缝隙节流。根据缓冲过程中，过流面是否改变可分为固定节流缓冲和渐变节流缓冲。对于不同的缓冲缸缓冲效果不同，下面进行了模拟分析，说明缓冲效果。

3 基于AMESim的飞锯机随动系统

3.1 模型的建立

根据改进过的飞锯机随动系统工作原理，以及缓冲缸的实际结构组成，利用AMESim软件建立飞锯机随动系统的仿真模型如图3所示，该模型基于AMESim[4]的机械库、液压库、HCD（Hydraulic Component Design）等建立。

图3 飞锯机随动系统仿真模型

为了提高软件仿真的计算效率，在不影响系统特性的基础上，对模型进行了必要的简化。根据实际系统的作用关系，输入信号采用阶跃信号，缓冲油缸利用HCD库建立，小车利用机械库质量块替代。

起升系统AMESim模型主要参数设置如表1所示。

表1 飞锯机随动系统模型主要参数设置

3.2 仿真分析

根据系统的设计方案，随动小车工作性能的优劣，主要取决于缓冲油缸的结构设计情况，尤其以缓冲油缸中缓冲节流口截面形状及大小有关系。

实际系统中，由于铜排带动小车运动，故采用阶跃信号作为输入信号，可以很好的反映系统的性能。图4为不同缓冲节流孔的小车速度随动情况，根据图可以看出，节流孔值设置过小，系统响应时间快，但整体结构刚度大，冲击明显，节流孔值设置过大，整体上小车与铜排的速度过渡平稳，但是响应时间过长。其次，通过对三种节流孔的随动小车速度曲线与输入速度曲线的对比，发现随动小车的速度最终能与铜排运行同步，以实现同步锯切。

图4 不同节流孔缓冲油缸的锯切小车随动曲线

图5 缓冲端在不同节流孔下的压力冲击

锯车对缓冲油缸的冲击全靠节流孔节流损耗，在冲击的过程中，缓冲端的冲击压力将对油缸的密封性能、结构强度产生很大的影响。图5反映了不同节流孔的缓冲缸在同一阶跃输入下的压力冲击曲线，由曲线可知，节流孔的大小对压力冲击影响至关重要，1.5mm节流孔的压力冲击为5.2Mpa，设计的液压系统压力为6Mpa，可见适当的选取节流孔的大小，可以合理的控制压力冲击。

缓冲油缸[5]的截面形状对缓冲效果影响也比较大，而且其节流截面开度大小与缓冲距离有关系，故仿真时需对仿真模型进行修改，此处作以说明。 将不同变化率的节流孔曲线方程代人f(x)，进行仿真。结果如图6所示，仿真表明，初始段具有较大的响应时间，可以减小锯车与铜排冲击，后期具有较大的加速刚度，减小了总体的过渡时间。

4 结论

通过对新设计的锯车随动系统的仿真分析，采用缓冲油缸的方式可以实现锯车与铜排同步运动的设计要求。同时对缓冲油缸设计过程中的重要参数进行仿真分析，在全面考虑缓冲油缸加工工艺、冲击压力、缓冲性能等因素，最终决定采用变截面的节流孔缓冲形式，并以其中的圆锥形变节流孔作为缓冲设计的首选方案，其具有加工较方便，初期压力冲击不高，后期加速时速度刚度大的优点。为下一步挤压生产线飞锯机的实现，提供重要依据。

图6 变流孔的缓冲速度曲线

[1] 宋正和,熊月善.在线机械定尺飞锯可行性探讨[J].管,2003(6):41-42.

[2] 倪振亚,姚燕顺,李林杰,魏雪冬,章凤翎.新型PS76-80飞锯机,2000(7):40-43.

[3] 于亚非.缓冲器阻尼孔形式与缓冲特性[J].液压与气动,1997(2):49-511.

[4] 付永领,祁晓野.AMESim系统建模和仿真[M].北京:北京航天航空大学出版社,2006,1.

[5] 高殿荣,赵永凯,吴晓明.高压液压缓冲装置设计[J].机械设计与制造,1994(2):23-251.