玻璃切割机液压系统设计及系统性能仿真分析

王立杰，陈 飞，王 伟，邬逵清

(1．南京林业大学机械电子工程学院，江苏南京 210037)

(2．江阴长龄液压机具厂，江苏江阴 214422)

玻璃切割机主要应用于光学仪器生产中，它加工的主要对象是硬度较高的脆性光学玻璃材料，用于将大块的光学玻璃材料锯切成一定形状和尺寸的光学零件毛坯。玻璃切割机的进给运动采用液压传动，因为液压传动不仅传动平稳，也便于与电气控制、微机控制等新技术相结合，实现玻璃切割机的自动化［1］。切割机在使用过程中常发生系统爬行、运动不稳定的现象，本文将利用AMESIM软件对切割机液压传动系统进行仿真分析，以便优化系统参数，使系统能更好地满足使用要求。

1 液压系统的设计要求

金刚石锯片上下移动，其完成的动作循环为快下—慢下—快退;工作台左右移动，其完成的动作循环为快进—稍退—工进—快退。

锯片直径为φ300mm，切割玻璃的体积(长×宽×高)为300mm×250mm×150mm，锯片轴转速为200 r/min，工作台最大行程为300mm，锯片轴最大行程为200mm，设备的最大负载为2 500N，锯片和工作台快进、快退速度为30×10－3m/s，工进速度可调，调节范围为5．7～1 800mm/min。

2 液压传动系统组成及工作原理

根据设计要求拟定的液压系统原理如图1所示，液压泵3经粗滤油器从油箱吸油，液压油经精滤油器6进入系统，当电磁铁5DT得电，液压油经三位四通电磁换向阀10左位、单向阀13、二位四通电磁换向阀16右位，进入工作台液压缸17的右腔，活塞杆带动工作台快进，同时液压缸左腔的油液经换向阀16右位、换向阀10左位、节流阀5，流回油箱。

图1 液压系统原理图

工作台快进结束时4DT得电，液压油经换向阀8右位、单向阀12、换向阀15左位，进入锯片液压缸上腔，使锯片快速下降，同时液压缸下腔的油液经换向阀15左位、换向阀8右位、节流阀2，流回油箱。

锯片液压缸快速下降结束时，1DT、3DT得电，液压油经换向阀8左位、换向阀15右位，进入锯片液压缸的上腔;同时液压缸的下腔的油液经换向阀15右位、调速阀11、换向阀8左位、节流阀2，流回油箱。由于锯片液压缸下腔的回油路上有调速阀11的节流作用，使锯片慢速下降进行玻璃切割。

锯片液压缸慢速下降结束时，1DT、3DT失电，换向阀8切换到中间位置，锯片处于停止状态。与此同时，2DT、5DT得电，液压油经换向阀10左位、单向阀13、换向阀16左位，进入工作台液压缸左腔;液压缸右腔的液压油经换向阀16左位、换向阀10左位、节流阀5，流回油箱，使工作台快退让刀。

让刀结束时，6DT、2DT得电，液压油经换向阀10右位、换向阀16左位，进入工作台液压缸右腔;液压缸左腔的油液经换向阀16左位、调速阀14、换向阀10右位、节流阀5，流回油箱。由于回油路上有调速阀14的节流作用，工作台慢速向左运动切割玻璃。

当工作台慢速进给终止，6DT失电，换向阀10切换至中间位置，工作台处于停止状态。1DT、4DT得电，液压油经换向阀8右位、单向阀12、换向阀15右位，进入锯片液压缸下腔，使锯片快速上升，锯片液压缸上腔油液经换向阀15右位、换向阀8右位、节流阀2，流回油箱。当锯片快速退回终止，1DT、4DT失电，换向阀8处于中间位置，锯片液压缸下腔保持一定的油压，此时锯片处于最高位置。

电磁铁2DT、5DT得电，使工作台快速向右退回。当快速退回终止，2DT、5DT失电，至此机床液压系统自动完成一个循环。

3 液压缸的主要参数及结构

3．1 液压缸主要参数的确定

根据分析，设备的最大负载为2 500N，其中包括切削负载、摩擦负载，按机床类初选液压缸的工作压力 P1=2．0MPa［2］，计算活塞直径:

式中:F为液压系统的最大负载;P1为液压缸工作压力;P2为液压缸回油压力;D为活塞直径;d为活塞杆直径。

按工作压力选取d/D=0．45，由于采用回油节流调速，回油腔有背压，取P2=0．6MPa，则

参照国家标准取活塞直径D=50mm，活塞杆直径d=22mm，这里尽管选取的活塞直径小于计算值，考虑系统压力本身不高，活塞直径缩小对压力影响不大，同时活塞直径缩小还可以减小液压缸体积，降低制造成本。根据选定的活塞直径、活塞杆直径，计算得液压缸最大工作压力 Pmax=2．179MPa。

3．2 液压缸结构的确定

锯片液压缸与工作台液压缸结构相同，均采用双杆式活塞缸，采用缸体固定式安装方式。考虑排气要求设置排气阀13，活塞与活塞杆采用分体式，通过圆锥销10连接，简单可靠，避免了螺纹连接所导致的轴向尺寸过大。由于系统压力较低，活塞与缸体间采用O形密封圈密封。液压缸的具体结构如图2所示。

4 液压系统主要元件选择

液压缸在整个工作循环中最大工作压力为2．179MPa，由于进油路上无调速阀、管路比较简单、流速不大，取压力损失为 0．3MPa［3］，所以液压泵的工作压力Pp应为2．479MPa。根据使用要求，快进速度设为30×10－3m/s，故液压缸快进所需流量q1为2．85L/min。为满足快进要求，泵提供的流量［4］qp≥1．1 ×2．85=3．135L/min。

根据液压泵的工作压力和通过各阀的实际流量选用液压元件，液压元件的具体型号及生产厂家见表1。

5 液压系统数学模型

根据玻璃切割机液压传动系统原理图，得到液压传动系统简化原理，如图3所示，据此建立系统动态数学模型，分析研究影响系统动态品质的因素。

液压缸受力平衡方程:

图2 液压缸的结构图

表1 液压元件选型表

图3 液压系统简化原理图

式中:p1，p2分别为液压缸进油腔、回油腔压力;A为活塞的有效面积;F1为工作载荷;m为活塞及运动部件质量;c为粘性摩擦阻尼系数;v为运动速度。

回路的流量方程:

式中:V1为回路高压腔总容积;Ey为液压油的有效体积弹性系数;λc为液压缸的泄漏系数;Av为活塞运动所需流量。

通过调速阀的流量:

式中:K为与节流阀节流口形状和液体粘性等有关的系数;Δp2为节流阀的进出口压力差;a为节流阀开口过流面积。

由于 Δp2=p2，所以 Q1=Q2=Ka(p2)1/2。

6 液压系统性能仿真分析

6．1 液压系统仿真模型建立及参数设置

为了探讨系统工作各阶段压力、速度、流量变化，根据液压系统原理，在 AMESim草图模式(Sketch mode)下，运用液压元件设计库和机械库，构建液压传动系统的仿真模型［5］，如图4所示。

以工作台液压缸的运动为例，不计液压泵、液压缸泄漏损失，根据计算结果设置仿真参数［6－7］，见表2。

6．2 液压系统仿真结果及分析

将系统快进、稍退让刀、无切削负载工进、有切削负载工进、快退时间都设置为0．5s，液压系统压力、速度仿真结果如图5所示。

由图5(a)可知，液压缸快进时压力0．14s后达到稳定，有切削负载工进时压力0．10s后达到稳定，快退时压力0．14s后达到稳定。由图5(b)可知，液压缸快进时速度0．10s后达到稳定，有切削负载工进时速度0．14s后达到稳定，快退时速度0．12s后达到稳定。

图4 液压传动系统的仿真模型

表2 系统主要元件仿真参数设置

7 结束语

本文不仅根据玻璃切割机的使用要求，从满足负载、速度要求的角度，对液压传动系统进行了设计，而且利用AMESim软件对系统进行了仿真分析，仿真结果表明，玻璃切割机液压系统工作各阶段压力、速度响应迅速，调整时间短，工进开始时速度波动幅度较大，但很快趋于稳定，与实际运行结果吻合，该液压系统性能满足使用要求。研究结果还为玻璃加工设备的研发提供了参考。

图5 系统仿真结果

［1］ 李晨，王莉，罗学科．数控玻璃切割机原片初始位姿确定方法研究［J］．机床与液压，2011，39(1):20 －22．

［2］ 左健民．液压与气压传动［M］．北京:机械工业出版社，2003．

［3］ 章宏甲，黄宜．液压传动［M］．北京:机械工业出版社，1995．

［4］ 费烨，陈涛，姜学寿．大吨位水平定向钻机液压系统设计［J］．液压与气动，2011(2):70－71．

［5］ 付永领，齐海涛．LMS Imagine．Lab AMESim系统建模和仿真［M］．北京:北京航空航天大学出版社，2011．

［6］ 谭宗染，戴浩林，汪云峰．基于AMESim的深度模拟器液压系统设计与仿真［J］．机床与液压，2009，37(2):151 －152．

［7］ 张宪宇，陈小虎，何庆飞，等．基于AMESim液压元件设计库的液压系统建模与仿真研究［J］．机床与液压，2012，40(13):173－174．