特大型板材热成型液压机本体与电液系统研究

摘要

特大型板材热成型液压机具备完成超大平面尺寸金属板材的弯曲、拉深等压力成型工艺的能力，用于制造以核反应堆安全壳为代表的压力容器、以航空母舰为代表的船舰等大型金属结构体的曲面板状型材，在诸多支柱性制造业领域中发挥着不可替代的重要作用，是关乎国计民生的基础性装备。特大型板材热成型液压机的关键技术主要涉及本体结构设计与电液控制技术两个方面:1）特大型板材热成型液压机本体结构尺寸超大，对结构件加工技术与制造成本非常敏感;2）电液系统具有多个执行器（10个主动工作液压缸，简称主缸），驱动负载质量超大(约1200t)，调速范围超宽（约0.5mm/s～80mm/s）;3）本体导向刚度较差（为适应热成型工艺），然而滑块平行运动精度要求很高（倾斜相对精度小于1/2500）;4）能耗巨大（峰值功率约1500KW），节能、效率问题突出。综上，关于特大型板材热成型液压机本体结构与电液系控制统的研究不仅具有学术价值，而且现实意义和必要性突出。
　　本论文以80MN特大型板材热成型液压机为代表性研究对象，充分考虑板材弯曲成型的工艺特点与滑块运行驱动系统的动力学特性，围绕该型液压机本体结构设计与电液控制技术展开了系统与深入的研究，提出了一系列具有针对性的关键技术，包括:分体式预应力组合框架结构及设计方法;基于容积控制与节流控制相结合的三级液压复合驱动控制方法及其基于液压控制单元匹配的运动-压力复合控制器;基于任务坐标的超大台面滑块平行控制方法;特大型板材热成型液压机电液系统优化技术。以上大部分技术的实际效果与性能均通过实验手段得到了验证，相关成果已经得到了实际应用研究。
　　本论文共分为六章，各章摘要如下:
　　第一章，本章阐述了特大型板材热成型液压机本体与电液控制技术的研究背景，总结归纳了相关研究中所特有的难题;继而详细介绍了研究难题所涉及的关键技术的研究现状;最后，论述了本课题的研究内容及研究意义。
　　第二章，介绍了普通板材成型液压机的结构与受力变形;针对具有超大台面、超长行程的特大型板材热成型液压机的本体结构设计，提出了分体式预应力组合框架结构;论述了分体式预应力组合框架的结构特点与实现方式，总结了其结构参数的设计方法;在深入分析分体式预应力组合框架各结构参数之间耦合关联影响的基础上，提出了该类型结构的标准设计流程;展示了设计结果，并借助有限元仿真软件进行了校核验证与工况分析。
　　第三章，鉴于结构限制、调平需求与本体受力分布均匀性等因素，确立了主缸单独调节兼作调平的方案;为了解决超大质量负载下的主缸大范围速度调节难题，提出了基于容积控制与节流控制相结合的三级复合驱动控制液压回路;建立所提主缸电液控制系统动力学模型，进而分别设计了系统的自适应鲁棒运动控制器与基于非线性扰动观测器的压力控制器;提出了液压控制单元匹配技术，从而将三级液压复合驱动控制方法与所设计系统控制器融为一体;提出了基于行程位移切换和控制量绝对值最小原则的运动-压力复合控制策略，从而实现主缸从运动控制到压力控制的平稳过渡;以1台1000t液压机为实验平台对本章所提电液控制理论进行了有效性验证。
　　第四章，针对特大型板材热成型液压机滑块的平行控制问题，提出了滑块平行运动状态的任务坐标转换方法，并在此基础上构建了主缸-滑块耦合体在任务坐标系下的标准化动力学状态空间矩阵，任务坐标系内的坐标直接反映了滑块的运动状态与平行状态;提出了基于平行运动期望任务坐标分解的解耦运动控制和基于任务坐标变换的耦合运动控制，将这两种运动控制方法分别在所提运动-压力复合控制策略框架下与主缸压力控制相结合即可设计对应的滑块平行控制器;以1台4000t汽车纵梁液压机为实验平台对上述滑块平行控制器进行了测试，结果表明:本章所提方法能够实现滑块较高精度的平行运动控制，其中基于耦合运动控制的滑块平行控制器纠偏鲁棒性较强，同时控制目标的协调性也更为优良。
　　第五章，针对本文所构建理论体系在工程应用中面临的能耗、效率、安全等多方面实际问题，作为补充和完善重点论述了分级加压、恒功率控制、滑块重力无源平衡和同步卸压等优化技术的原理和实现方法;介绍了本文所提出的本体结构设计方法与电液控制技术在1台80MN特大型板材热成型液压机的研发与生产中的应用情况，结果表明相关理论成果的应用效果良好，对目标产品的成功研制起到了积极的推动作用。
　　第六章，总结了本论文的主要研究工作;阐述了研究结论;归纳了论文创新点;对后续工作进行了展望。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究概述

1．2．1 特大型液压机本体结构

1．2．2 特大型液压机电液系统控制技术

1．2．3 特大型液压机滑块平行控制技术

1．2．4 特大型液压机电液系统优化技术

1．3 课题的研究意义和研究内容

1．3．1 课题的来源及研究意义

1．3．2 课题的研究内容

1．4 本章小结

第二章 特大型板材热成型液压机本体结构研究

2．1 板材成型液压机的受力与变形分析

2．2 特大型板材热成型液压机的本体结构研究

2．2．1 分体预应力组合框架结构

2．2．2 设计分析与参数确定

2．2．3 本体结构设计

2．3 设计结果及有限元仿真

2．3．1 设计结果

2．3．2 本体结构的有限元仿真校核

2．3．3 局部优化设计有限元仿真分析

2．3．4 负载特性及工况分析

2．4 本章小结

第三章 特大型板材热成型液压机主缸运行控制研究

3．1 滑块运行电液控制系统

3．2 主缸驱动系统动力学模型

3．3 主缸运动-压力复合控制研究

3．2．1 主缸运动控制器设计

3．2．2 主缸压力控制器设计

3．2．3 液压控制单元的匹配

3．2．4 主缸运动-压力复合控制

3．4 实验研究

3．4．1 实验系统

3．4．2 期望运动轨迹及加载方式

3．4．3 实验结果分析

3．5 本章小结

第四章 特大型板材热成型液压机滑块平行控制研究

4．1 滑块运行任务空间动力学

4．2 滑块平行控制研究

4．2．1 解耦运动控制器

4．2．2 耦合运动控制器

4．2．3 滑块平行控制器

4．3 实验研究

4．3．1 实验系统

4．3．2 期望运动轨迹及加载方式

4．3．4 实验结果分析

4．4 本章小结

第五章 特大型板材热成型液压机电液系统应用研究

5．1 特大型板材热成型液压机电液系统优化技术

5．1．1 分级加压

5．1．2 恒功率控制

5．1．3 滑块重力无源平衡

5．1．4 同步卸压

5．2 特大型热成型液压机电液系统应用

5．2．1 80MN特大型热成型液压机的电液系统

5．2．2 80MN液压机的工艺试验与生产

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 论文总结

6．2 论文创新点

6．3 研究展望

参考文献

作者简历及攻读博士学位期间的主要科研成果