粉末成型

粉末成型（精选3篇）

粉末成型 篇1

摘要：重点论述了粉末压制成型数值模拟过程中运用的各种建模方法及其特点, 对可能有效解决粉末压制成型数值模拟难题的建模途径进行了展望。

关键词：粉末压制成型,屈服准则,建模

0引言

粉末冶金技术是材料设计领域的一项新技术, 目前已广泛应用于机械、汽车等行业。为了获得性能优异的粉末生坯, 国内外众多学者和科研机构采用各种手段和方法, 开展了粉末材料压制成型研究, 其中数值模拟是研究粉末压制成型技术既经济又有效的手段, 受到粉末冶金科技工作者的青睐。建立合适的数学模型是粉末压制成型数值模拟研究的基础, 数学模型的准确性和可靠性直接影响着模拟结果的准确性。目前, 粉末压制成型数值模拟的建模方法主要有3类, 即连续介质力学方法、细观力学方法和内蕴时间塑性方法。本文总结和分析了这3类建模方法及其特点, 并对解决粉末压制成型数值模拟难题的建模途径进行了展望。

1连续介质力学方法

连续介质力学方法将粉末体视作连续体, 运用传统连续体塑性成型理论研究粉末体压制行为。根据连续体塑性变形理论, 不同的屈服函数会得到不同的塑性本构方程, 粉末压制数值模拟的建模核心是建立合适的屈服准则。连续介质力学建模方法的主要研究任务是, 如何建立能够客观、准确描述粉末体压制行为的屈服函数。目前, 基于连续介质力学的建模方法主要有金属塑性力学和土塑性力学2类, 具体如下:

(1) 金属塑性力学方法。金属塑性力学建模方法是根据经典VonMises屈服条件, 结合粉末体压制成型的特点建立的粉末材料屈服准则。目前采用该方法建立的著名屈服模型主要有Doraivelu、Shima-Oyane、Kuhu、Lee-Kim等, 其中Doraivelu准则和Shima-Oyane准则运用较为广泛, 这些屈服函数虽然形式和参数各不相同, 但形式均满足一通式[1], 且屈服参数均含有相对密度R, 屈服参数多采用圆柱体静态压制实验测得。运用这些屈服准则获得的数值模拟结果与实验结果大致接近。这些屈服准则仅考虑了压制成型过程中, 粉末体密度变化对基体材料屈服的影响, 并未考虑粉末材料体积变化对粉末材料屈服的影响, 这显然与真实的粉末材料特性不符。另外, 基于金属塑性力学方法建立的粉末体屈服准则均是半实验半经验的模型, 普适性差, 粉末体与致密体的流动应力关系不是十分准确, 相对密度与塑性泊松比关系复杂, 大多数研究均采用了固定指数, 从而影响了屈服函数的准确性。优点是屈服参数较少, 便于工程应用。

(2) 土塑性力学方法。土塑性力学建模方法认为粉末体和岩土的屈服均与应力偏张量和应力球张量有关, 即考虑了粉末压制成型过程中剪应力和粉末体体积变化对粉末材料屈服的影响, 推演出了粉末压制成型的屈服准则, 如Cam-Clay、Drucker-Prager等。一些研究结果表明, 运用这些屈服准则获得的模拟结果与实验结果吻合得较好[2], 在实际工程中具有良好的应用前景。但应用这些屈服准则时应特别注意岩土与粉末压制过程的本质不同, 即低密度的岩土会出现膨胀现象, 采用土塑性力学建模时应慎选屈服面。另外, 这些屈服函数含有较多参数, 需要通过大量测试实验不断修正, 尽可能获得较为准确的屈服参数, 因而不便于工程应用。

无论是利用金属塑性力学方法还是土塑性力学方法建立的屈服准则, 均是基于大量实验数据获得的半经验屈服模型, 这些屈服准则均存在理论缺陷, 仅能与某一些特定的粉末压制成型实验吻合, 缺乏普适性, 限制了屈服准则的进一步推广应用, 需要进一步完善。

2细观力学方法

由于连续介质力学建模方法存在一定的“先天不足”, 近些年, 国内外一些粉末冶金学者从密集堆积球形颗粒出发, 着手从细观层面开展粉末体压制成型数值模拟建模方法的研究, 并取得了一些成果, 如离散单元模型、离散有限元模型、分子动力学模型、孔洞模型等。离散单元法是通过单个颗粒的常微分方程对时间和空间的积分来求解粉末体宏观特性。该方法假设颗粒为刚性球体, 压制过程中不会发生变形, 因此仅适合硬质金属粉末或塑性颗粒压制的初期。离散有限元模型是离散单元模型和有限元方法的有机结合:对于颗粒的刚性位移采用离散单元模型, 而对于颗粒的变形和嵌入采用有限元方法。离散有限元模型的难点是离散单元模型区域和有限元区域之间的过渡区域的处理。离散单元模型模拟的是比分子大得多的颗粒, 适合金属颗粒。分子动力学模型是模拟分子、晶体尺度的“颗粒”, 基于颗粒遵循牛顿运动方程, 颗粒之间的相对运动具有特定性, 其求解过程与离散单元法相似。孔洞模型是在粉末基体中随机嵌入一定数量的孔洞, 以此模拟粉末体的松散状态, 但表征粉末基体中孔洞的随机分布状态较为困难。总之, 细观力学建模方法主要强调粉末体的颗粒特性, 将粉末体视作大量颗粒排列或堆积的集合体, 将粉末颗粒近似视为圆形或球形, 采用弹簧和阻尼壶等模型来描述颗粒之间的相互作用, 通过研究细观颗粒的力学特性来考察粉末体的宏观力学特性, 从而建立起细观特性与宏观特性的联系。对于粉末压制成型数值模拟, 虽然细观力学建模方法比连续介质力学建模方法更接近“实际”, 但也存在将不规则的粉末颗粒近似视为圆形或球形、颗粒之间相互作用固定化、无法模拟颗粒粘连/开孔演化为闭孔等与实际不符的问题, 导致模拟结果与实验结果往往相差很大。该方法还处于起步研究阶段, 缺乏实用性, 需要深入展开研究。 (下转第109页)

3内蕴时间塑性方法

内蕴时间塑性理论最早由K.C.Valanis于1971年提出, 其理论核心是塑性和粘塑性材料内任意一点的现时应力状态, 是该点领域内整个变形和温度历史的泛函[3,4], 此处的历史是取决于不可逆变形材料内在性质的参量, 即内蕴时间Z, 而非牛顿时间t。内蕴时间塑性理论既不以屈服面为理论前提, 也不以确定的屈服面为计算依据, 与传统塑性理论有本质不同。该理论由Bazant于1976年应用于混凝土, 具有普适性, 经过不断完善, 后逐渐被尝试应用于粉末冶金中, 但由于模型参数较多, 给实际应用带来了不便, 目前尚无关于粉末压制成型内蕴时间塑性方法成功应用实例的公开报道。

4结语

综上所述, 关于粉末压制成型数值模拟的各类建模方法各有优缺点, 互为有益补充, 且正在不断完善。基于金属塑性力学方法建立的数学模型已在某些实际工程中得到应用, 究其原因是受益于坚实的传统塑性理论基础。细观力学方法和内蕴时间塑性方法具有一定的前瞻性和新颖性, 特别是内蕴时间塑性方法, 由于其不依赖材料的屈服轨迹, 更加适合粉末压制成型的数值模拟, 未来可能成为主流建模方法, 但目前尚需深入研究。随着计算机技术的发展, 元胞自动机和格子Boltzmann方法等更加新颖的建模方法将陆续应用, 为粉末压制成型数值模拟提供更多的方法和手段。

参考文献

[1]赵伟斌.金属粉末温压成型的力学建模和数值模拟[D].广州:华南理工大学, 2005

[2]王德广, 吴玉程, 焦明华, 等.不同压制工艺对粉末冶金制品性能影响的有限元模拟[J].机械工程, 2008 (1)

[3]Valanis K C.A theory of viscoplasticity without a yield surface[J].Archives of mechanics, 1971 (23)

[4]赵人达.内时理论及其在混凝土结构分析中的应用[J].西南交通大学学报, 1990 (2)

粉末成型 篇2

成型技术模拟试题

一、单项选择题（共25题，每题2分，每题的备选项中，只有1个事最符合题意）

1、主要负责调查生产经营单位和相关部门在安全生产管理、安全培训和政府监管监察等方面存在的问题，并负责提出对责任人的处理建议的事故调查工作小组是（）。

A．技术分析组 B．综合组

C．设备管理组 D．管理调查组

2、依据《道路交通安全法》的规定，对交通事故损害赔偿的争议，当事人可以请求公安机关交通管理部门__，也可以直接向人民法院提起民事诉讼。A．裁定 B．仲裁 C．调解 D．裁决

3、动火作业不包括__。A．特级动火 B．特殊动火 C．一级动火 D．二级动火

4、根据《关于开展重大危险源监督管理工作的指导意见》，下列应进行重大危险源申报的是（）。

A．存储2t黑火药和2t烟火药的仓库 B．存储5t黑火药和3t烟火药的仓库 C．存储0.1t黑火药和0.3t烟火药的仓库 D．存储0.5t黑火药和0.2t烟火药的仓库

5、甲是某公司起重机司机，1年前通过《特种作业人员操作证》复审，因工作调整离岗8个月，现又调回起重机司机岗位，则甲必须经__，确认合格后才可上岗工作。

A．全面健康体检

B．起重机操作技能培训 C．起重机实际操作技能考核 D．起重机安全理论考试

6、__是在发展事件树的过程中，将与初始事件、事故无关的安全功能和安全功能不协调、矛盾的情况省略、删除，达到简化分析的目的。A．分析事件树 B．简化事件树 C．完善事件树 D．画出事件树

7、发生事故后，作为不同的事故报告主体应当履行各自的报告义务。事故现场有关人员应立即向__报告。

A．事故发生地县级以上人民政府安全生产监督管理部门 B．事故发生单位的行业主管部门 C．属地安全生产监督管理部门 D．事故发生单位的主要负责人

8、应急恢复内容不包括__。A．现场清理 B．安全教育 C．人员清点 D．事故调查

9、综合防尘措施八字方针中不包括__。A．革 B．湿 C．风 D．教

10、__是应急预案的总体描述。A．本质安全计划 B．基本预案 C．临时预案

D．紧急救援预案

11、危险化学品必须贮存在经公安部门批准设置的专门的危险化学品仓库中，经销部门自管仓库贮存危险化学品及贮存数量必须经__批准。未经批准不得随意设置危险化学品贮存仓库。A．安全部门 B．消防部门

C．危险品管理部门 D．公安部门

12、零售业务的店面经营面积(不含库房)应不少于__，其店面内不得设有生活设施．

A．30m2 B．40m2 C．50m2 D．60m2

13、漏电保护器额定漏电动作电流在__者属于高灵敏度型。A．30mA～1A B．30mA及以下 C．1A以上 D．1A以下

14、（）事故是指由于人们违背自然或客观规律，违反法律、法规、规章和标准等行为造成的事故。A．责任 B．伤亡 C．非责任 D．非伤亡

15、机车车辆无论是否属于空、重状态，均不得超出机车车辆限界，其上部高度至钢轨顶面的距离不得超过__，其两侧最大宽度不得超过3400mm。A．6000mm B．4800mm C．3600mm D．3000mm

16、一般墙体大模板在常温条件下，混凝土强度达到__即可拆除。A．0.5N/mm2 B．1.0N/mm2 C．1.2N/mm2 D．1.5N/mm2

17、船员航海知识浅薄，技术素质低劣以及诲上经验不足，均是导致海损事故发生的因素。对多起海事原因的分析表明，约有__以上的海事是由人为因素造成的，说明船员条件是水运安全的直接重要因素。A．1/3 B．2/3 C．1/4 D．3/4

18、压力容器的最高工作压力，对于承受内压的压力容器，是指压力容器在正常使用过程中，容器__可能出现的最高压力。A．底部 B．中部 C．顶部 D．侧面

19、__指工作地点、在一个工作日内、任何时间不应超过的有毒化学物质的浓度。A．短时间接触容许浓度 B．最高容许浓度

C．时间加权平均容许浓度 D．长时间接触浓度 20、由职业性危害因素所引起的疾病称为职业病，由国家主管部门公布的职业病目录所列的职业病称为__职业病。A．劳动 B．环境 C．重度 D．法定

21、我国煤矿安全监察实行__的管理体制。A．垂直管理，分级监察 B．横向管理，分级监察 C．属地管理，垂直监察 D．属地管理，分级监察

22、__适用于我国境内一切有职业危害的作业的用人单位，除尘肺病、农林业生产活动中使用农药或生活中误用各类农药而发生中毒以外的一切职业病报告。A．职业病报告卡 B．职业病报表

C．职业病记录登记 D．职业病检查情况

23、__不属于应急预案文件体系的内容的选项是__。A．指导书 B．记录 C．程序 D．名称

24、机动车辆载物应当符合__，严禁超载。A．国家规定的重量 B．《道路交通安全法》规定的重量 C．核定重量 D．载重重量

25、__是变配电站的核心设备。A．电力电容器 B．电力变压器 C．高压开关

D．高压负荷开关

二、多项选择题（共25题，每题2分，每题的备选项中，有2个或2个以上符合题意，至少有1个错项。错选，本题不得分；少选，所选的每个选项得 0.5 分）

1、下列事故中，属于电气事故的包括__。A．雷电和静电事故 B．电磁辐射事故

C．电焊操作引燃事故 D．触电事故

E．电气线路短路事故

2、危险与可操作性研究的分析步骤包括：__、填写汇总表等。A．划分单元 B．收集资料

C．定义关键词表 D．分析偏差

E．分析偏差原因及后果

3、按照安全评价给出的定量结果的类别不同，定量安全评价方法可以分为__。A．LEC法

B．因素图分析法 C．概率风险评价法 D．危险指数评价法

E．伤害(或破坏)范围评价法

4、根据《安全生产违法行为处罚办法》，案件调查终结后，安全生产监督管理部门或者煤矿安全监察机构负责人应当及时对有关案件材料、当事人的陈述和申辩材料、听证会笔录等调查结果进行审查，根据不同情况，分别做出如下决定：__。A．确有应受行政处罚的违法行为的，根据情节轻重及具体情况，做出行政处罚决定 B．违法行为轻微，依法可以不予行政处罚的，不予行政处罚 C．违法事实不能成立的，不得给予行政处罚 D．违法行为已构成犯罪的，移送政府机关 E．违法行为已构成犯罪的，进行刑事处罚

5、下列属于事故概况的是__等。A．事故经过

B．事故教训和防范措施 C．结案情况 D．事故原因 E．事故时间

6、根据锻造加工时金属材料所处温度状态的不同，锻造可分为__。A．热锻 B．温锻 C．冷锻 D．水压锻 E．超高温锻

7、依据《消防法》的规定，对消防安全重点单位有违反消防法》规定的违法行为，分别给予__的行政处罚。A．警告 B．罚款

C．责令停止违法行为 D．开除 E．拘留

8、常用的危险、有害因素分析方法大致可分为__。A．直观经验分析方法 B．系统安全分析方法 C．对照法 D．经验法 E．类比方法

9、事故预警的主要依据是与事故有关的外部环境与内部管理的原始信息。原始信息包括__，同时包括国内外相关的事故信息。A．现实信息 B．实时信息 C．无效信息 D．历史信息 E．部分有效信息

10、应急预案的演练是检验、评价和保持应急能力的一个重要手段。对应急预案的完整性和周密性进行评估，可采用各种应急演练方法。下列有关演练的说法，正确的是__。

A．功能演练是检测、评价多个政府部门在紧急状态下实现集权式的运行和响应能力

B．桌面演练是锻炼参演人员解决问题的能力，解决应急组织相互协作和职责划分的问题

C．功能演练是指针对应急响应功能，检验应急人员以及应急体系的策划和响应能力

D．全面演练指针对应急预案中全部或大部分应急响应功能，检验、评价应急组织应急运行能力的演练活动

E．口头演练是采取口头评论形式，收集参演人员的建议，总结演练活动和提出有关改进应急响工作的建议

11、国家安全生产监督管理部门在行政执法时具有__特征。A．权威性 B．强制性

C．普遍约束性 D．可灵活处理性 E．公开性 12、20世纪末，职业安全卫生问题成为非官方贸易壁垒的利器。在这种背景下，__的健康安全管理理念逐渐被企业管理者所接受，以职业健康安全管理体系为代表的企业安全生产风险管理思想开始形成，现代安全生产管理的内容更加丰富，现代安全生产管理理论、方法、模式以及相应的标准、规范更成熟。A．风险评价 B．控制环境污染 C．危险预警 D．以人为本 E．持续改进

13、危险分析的结果应提供__等。A．地理、人文、地质和气象等信息

B．可能的重大事故种类及对周边的后果分析 C．可能影响应急预案的不利因素 D．特定的时段

E．功能布局及周边情况

14、以下包含在重大危险源控制系统中的有__。A．重大危险源的信息发布 B．重大危险源的评价 C．重大危险源的管理

D．重大危险源的事故应急救援预案 E．重大危险源的辨识

15、依据《安全生产法》的规定，生产经营单位的主要负责人对本单位安全生产工作负有的职责有__。

A．督促、检查本单位的安全生产工作，及时消除安全生产事故隐患

B．向从业人员如实告知作业场所存在的危险因素，监督劳动防护用品的使用 C．及时、如实报告生产安全事故

D．组织制定并实施本单位的生产安全事故应急救援预案 E．保证本单位安全生产投入的有效实施

16、煤矿事故中有下列__情形的，给予警告，可以并处3万元以上15万元以下的罚款。

A．不按规定及时、如实报告煤矿事故的

B．采取威胁、强迫等手段迫使遇难人员家属同意私下了结的 C．阻碍、干涉事故调查的 D．拒绝接受调查取证、提供有关情况和资料的 E．伪造、故意破坏煤矿事故现场的

17、《消防法》规定，消防安全重点单位应当履行下列消防安全职责__。A．设置防火标志，实行严格管理

B．建立防火档案，确定消防安全重点部位 C．实行每周防火巡查，并建立巡查记录 D．严格管理，对职工进行消防培训

E．制定灭火和应急疏散预案，定期组织消防演练

18、犯罪的特征是__。

A．实施的行为不具有应受惩罚性 B．实施的行为具有社会危害性 C．实施的行为具有违法性

D．实施的行为具有故意或者过失 E．实施行为不具有违法性

19、在保证工作安全的三大措施，即组织措施、技术措施和安全措施中，属于组织措施的是__。

A．必须执行的有关规定制度的条款 B．必须实施的具体技术措施

C．工作票制度；工作许可制度；工作监护制度 D．工作间断、转移和终结制度及恢复送电制度

E．施工前必须执行的具体安全措施，如发电厂、电力线路第一种工作票必须执行的安全措施，热力机械工作票必须采取的安全措施 20、关于法律对人的效力，下列说法正确的是__。A．属人原则 B．属地原则

C．属人原则与属地原则相结合

D．属人原则与属地原则只能单独使用 E．只适用属地原则

21、职业健康监护对从业人员来说是一项预防性措施，是法律赋予从业人员的权利，是用人单位必须对从业人员承担的义务。其主要内容包括__。A．职业卫生教育与培训 B．职业安全教育与培训 C．职业健康监察

D．建立职业健康监护档案 E．从业人员健康监护信息管理

22、依据《生产安全事故报告和调查处理条例》第三十七条的规定，事故发生单位对事故发生负有责任的，依照下列规定处以罚款。其中表述正确的是__。A．发生一般事故的，处10万元以上、20万元以下的罚款 B．发生较大事故的，处20万元以上、50万元以下的罚款 C．发生重大事故的，处50万元以上、200万元以下的罚款 D．发生特大事故的，处200万元以上、500万元以下的罚款

E．发生特别重大事故的，处500万元以上、1000万元以下的罚款

23、城市重大危险源信息管理系统集计算机__于一身，能够为领导和有关部门及时、直观、形象地提供重大危险源信息，以及发生事故后抢险、救援信息，有利于有关领导及时、准确地决策，最大限度地减少发生重大事故的可能性及事故后造成的各项损失。A．数据收集 B．数据管理 C．多媒体

D．地理信息系统 E．险源信息系统

24、职业中毒按发病过程可分为__。A．亚急性中毒 B．急性中毒 C．毒气中毒 D．慢性中毒 E．深度中毒

粉末成型 篇3

粉末冶金在国民经济中占有重要地位, 其中粉末压制成型是粉末冶金中的关键一环。作为核燃料的二氧化铀金属粉末, 需要经过压制成型才能够被制成满足燃料元件要求的芯块。而将二氧化铀粉末压制为芯块的系统称为二氧化铀粉末成型系统。为了满足压制工艺要求, 提高该成型系统电液伺服系统中位置和压力复合控制过程的效率、精度, 首先需要单独分析该成型系统压制芯块的位置和压力控制过程, 然后需要实现系统在某一时刻由位置控制转换成压力控制, 以便尽量使转换平滑无冲击。目前, 单独的电液位置伺服控制系统和电液压力伺服控制系统的理论研究已经比较成熟, 而一个既需要位置伺服控制又需要压力伺服控制、且两种控制方式能够平滑无冲击转换的理论还有待完善, 尚未见到有系统性的研究工作分析如何由位置控制转换为压力控制最为合理。

本文首先在研究非对称液压缸伸出和内缩时的不同传递函数的基础上, 分别仿真了该系统中的电液位置伺服控制和电液压力伺服控制。然后在整定两种控制方式的不同PID参数的基础上, 提出了并联位置压力复合控制策略, 为实现平滑无冲击的转换提供了一种解决方案。最后仿真结果表明, 所提出的控制策略可行且有效。

1 二氧化铀粉末成型系统的工作原理

根据二氧化铀粉末成型工作过程, 二氧化铀粉末成型系统的工作原理如图1所示。

1—压力表;2—蓄能器;3—伺服阀;4—过滤器;5—单向阀;6—溢流阀;7—安全阀;8—泵;9—散热器;10—油箱;11—阴模;12—冲头;13—压力传感器;14—液压缸;15—位置传感器

图1中, 油箱中的液压油被泵入该系统中, 经过过滤器、单向阀和伺服阀后进入液压缸的无杆腔中, 液压油推动液压缸活塞杆外伸, 从而将二氧化铀粉末压制成为所需燃料芯块。与此同时, 位移传感器检测活塞杆的位移, 压力传感器检测活塞杆端部的压力, 检测出的位移和压力数值经过数据采集卡传至计算机处理, 然后由计算机发出控制信号经数据采集卡和伺服放大器控制伺服阀来实现位置和压力伺服控制, 这样就形成了闭环控制系统。

系统原理图中液压缸为非对称液压缸, 是该系统的被控对象。其基本控制方式为:首先, 系统处于位置控制模式中, 非对称液压缸的位移量由位移传感器检出并与目标位置值比较, 从而控制液压缸的前行。而当位置控制使得液压缸活塞杆端部冲头与二氧化铀粉末有了接触时, 液压缸活塞杆端部冲头给二氧化铀粉末施加压制力。在不断的加压过程中, 计算机在某一时刻发出指令使得该系统由位置控制转换为压力控制, 以便精确控制压制力以保障二氧化铀压制芯块的密度。

2 系统数学方程

在如图1所示的对称阀控非对称缸系统中, 伺服阀和非对称液压缸组成了四通对称阀控非对称缸动力机构, 如图2所示。

由于液压缸两腔的有效面积不相等, 使得流经液压缸两腔的流量不相等, 而对称阀的四个控制边是相同的, 这样就使得伺服阀的两对节流窗口的阀压降不同, 造成活塞杆伸出、内缩两个方向运动时的流量增益不等, 造成活塞正、反向运动时传递函数不一致[1]。因此在建立动力机构基本方程时需要分别加以考虑。

2.1 阀控非对称缸动力机构方程

对如图2所示的四通对称阀控非对称缸动力机构进行流体力学分析, 得到如下方程:

a) 当活塞运动速度大于零, 即阀芯位移xv>0时:

式中:qL———负载流量;

Kq1———活塞正向运动时阀开口系数;

Xv———阀芯位移;

Kc1———活塞正向运动时负载压力系数;

pL———负载压力;

A1———液压缸无杆腔活塞面积;

Vt———有效容积;

t n———液压缸活塞面积比 (n<1) ;

βe———液体弹性模量;

Ct c———泄露系数;

Ctc1———总泄露系数;

ps———油源压力;

m———负载与活塞杆与冲头总质量;

y———活塞位移;

Bc———粘性阻尼系数;

K———负载弹性系数。

b) 当活塞运动速度小于零, 即阀芯位移xv<0时:

式中:Kq2———活塞反向运动时阀开口系数;

Kc2———活塞反向运动时负载压力系数。

2.2 系统动力机构的活塞位移传递函数

将动力机构方程经拉氏变换并简化后可得该系统动力机构的活塞位移传递函数如下:

a) 当活塞运动速度大于零, 即阀芯位移xv>0时:

式中:ω2———负载刚度与液压阻尼之比;

ωr———液压弹簧刚度和负载弹簧串联耦合时的刚度与阻尼系数之比;

ζ0———动力机构阻尼比;

ω0———动力机构固有频率。

b) 当活塞运动速度小于零, 即阀芯位移xv<0时:

2.3 系统负载压力传递函数

将动力机构方程经拉氏变换并简化后可得该系统动力机构的负载压力传递函数如下:

a) 当活塞运动速度大于零, 即阀芯位移xv>0时:

式中:ζm———负载阻尼比;

ωm———机械固有频率;

Kce———总的流量--压力系数。

b) 当活塞运动速度小于零, 即阀芯位移xv<0时:

2.4 伺服阀的传递函数

电液伺服阀将输入的微小电气信号转换为大功率的液压信号 (流量和压力) 输出, 其传递函数视动力机构固有频率的大小而定。考虑到液压固有频率较大, 将电液伺服阀的传递函数近似为二阶振荡环节, 其传递函数为:

式中:Ksv———伺服阀的开环放大系数;

ζn———伺服阀的阻尼比;

ωn———伺服阀的频率。

2.5 伺服放大器的放大系数

由于伺服放大器的固有频率高, 响应速度快, 在液压控制系统中, 一般将伺服放大器等效为一个比例环节, 其传递函数为:[2]

式中:Ka———伺服放大器系数。

2.6 阀控非对称缸系统传递函数

综合分析可以得出非对称液压缸在不同的运动情况下, 阀控非对称缸系统位置控制和压力控制的传递函数。

a) 位置控制模式下, 当非对称液压缸活塞外伸时, 系统传递函数为:

b) 位置控制模式下, 当非对称液压缸活塞内缩时, 系统传递函数为:

c) 压力控制模式下, 当非对称液压缸活塞外伸时, 系统传递函数为:

d) 压力控制模式下, 当非对称液压缸活塞内缩时, 系统传递函数为:

3 系统位置控制和压力控制仿真分析

3.1 仿真参数的确定

由于金属粉末的特殊性, 一般在外力作用下金属粉末的压缩过程要经过三个阶段:1) 粉末的填充阶段, 此时, 金属粉末从稀疏不规则排列到紧密排列。2) 粉末颗粒弹性变形阶段 (同时也会有塑性变形和加工硬化) 。3) 粉末的碎裂阶段, 此时粉末颗粒由于受力过大而碎裂[3]。一般这三个阶段没有明确的分界, 同时三个阶段中金属粉末的三种变化在各个阶段也是或多或少的存在的。由于性质不同, 各种金属粉末的压制特性曲线也不一样。其中, 系统压制对象二氧化铀粉末 (32T9506) 的压制特性曲线[3]如图3所示。

系统在压制二氧化铀粉末时, 其压力未达到100 MPa, 结合图3和金属粉末的压缩过程可以认为, 该成型系统压制二氧化铀粉末的过程处于粉末的压缩过程三个阶段中的第一阶段, 然后结合巴尔申推导压制方程[4]的思路和图3压制特性曲线, 可以将压制二氧化铀粉末的过程看成下压一个弹性负载的过程, 因此该系统的负载可以简化为一个大刚度弹簧。

根据压制要求, 压制力为50 k N, 压制行程为40 mm左右。如上分析, 由于金属粉末的压制特性, 将压制过程简化为加载一个硬质弹簧, 弹性系数为:K=1.25×106N/mm。

本控制系统的液压参数见表1。

3.2 二氧化铀粉末成型系统位置控制仿真

电液位置伺服控制时, 控制系统的方框图如图4所示。

由于非对称缸在其活塞杆外伸和内缩时存在动态不对称性, 被控系统传递函数也因此不同。

利用Z-N整定法, 整定位置控制时液压缸活塞杠运动时的PID参数如下:

液压缸活塞外伸时的PID参数为:

液压缸活塞内缩时的PID参数为:

根据表1可以得出非对称液压缸在不同的活塞运动情况下的位置传递函数。为了真实地仿真分析非对称缸的位移阶跃响应特性曲线, 在液压缸伸出和内缩的时候分别使用对应的系统传递函数Gs1和Gs2并切换至分别与之对应的PID参数, 得到非对称缸的位移阶跃响应曲线如图5所示。

3.3 二氧化铀粉末成型系统压力控制仿真

电液力伺服控制时, 整个系统的框图如图6所示。

利用Z-N整定法, 整定压力控制时液压缸活塞杠运动时的PID参数如下:

液压缸活塞外伸时的PID参数为:

液压缸活塞内缩时的PID参数为:

根据表1可以得出非对称液压缸在不同的活塞运动情况下的压力传递函数。为了更真实地仿真分析非对称缸的压力阶跃响应特性曲线, 在液压缸伸出和内缩的时候分别使用对应的系统传递函数Gf1和Gf2并切换至与之分别对应的PID参数, 得到非对称缸的压力阶跃响应曲线如图7所示。

由图7可以得出, 为了使得非对称缸的压力响应比较好, 应当使得起始压力值最好大于最终压力值的50%, 即25 k N的压制力。

虽然图4和图6的两个系统框图看起来相似, 实际上它们完全不同。电液位置伺服控制和力伺服控制对象有着本质上的差别, 因而不能用同一个控制器来统一控制两种控制系统。

4 复合控制策略方式设计与仿真分析

现有的复合控制策略有如下几种:基于位置设定值的开关转换复合控制策略, 串联转换复合控制策略 (包括有位置外环、压力内环和压力外环、位置内环两种组合) 串并联混合控制方式等[5,6,7]。

本文提出一种并联位置压力复合控制策略, 可以通过改变压力的设定值, 在不同情况下, 实现该系统由位置控制向压力控制的转换。提出该复合控制策略的原因为:1) 因为该控制系统必须采用不同的PID控制参数, 而采用该控制策略可以不影响两种控制方式各自的控制特性, 能实现比较平滑的过渡;2) 采用设定压力控制值来实现系统由位置控制向压力控制的转换, 可以减小甚至消除图7中所示的阶跃响应曲线前部分的小幅度振荡, 对系统的平稳运行有较大帮助;3) 在系统的填料机构往阴模添加二氧化铀粉末时, 由于每次的填料量不可能做到完全一致, 所以采用设定压力控制值能够使得二氧化铀芯块压坯密度一致, 能满足压制产品的工艺要求, 即密度为50%-60%TD, 每批芯块密度变化为:ΔΡp≤±0.05 g/cm3。

因此, 所提出的并联位置压力复合控制原理图如图8所示。

由图8所知, 开始时系统处于位置控制模式下, 设定一个预期位置值, 其最小值一般为阴模顶端与冲头之间的距离, 最大值在阴模低端与冲头之间的距离。这样可以保证在液压缸冲头处的压力没有达到设定压力控制值的情况下, 液压缸持续快速伸出, 也可以避免过冲。在这个过程中, 压力传感器工作, 将液压缸冲头处的压力值传输给模式选择器。如果压力没有达到切换模式的设定压力控制值, 模式选择器不切换, 位置控制模式一直保持运行;如果压力传感器传回压力值达到了模式选择器设定压力控制值, 模式选择器将系统从位置控制模式切换到压力控制模式。这样, 整个系统处于压力控制模式, 可以精确控制液压缸产生的压制力。这样的控制策略不会使液压缸发生过冲, 对系统有保护作用, 而且能够满足压制产品的工艺要求。

当给控制器设定压力控制值为25 k N时, 仿真位移响应结果如图9所示。

由图9可以看出, 在设定压力控制值为25 k N时, 非对称液压缸的位置阶跃响应不到90%, 在这之后, 模式选择器起作用, 二氧化铀粉末成型系统的控制方式转为压力控制模式, 非对称液压缸的位置变化变得相对位置控制时缓慢起来, 压力成为被控对象, 位置量成为扰动量。基本不存在位置超调等情况的发生, 故可以顺利平滑的过渡。而且压力设定控制值在小于目标压力值50 k N时, 不管是25 k N或者更高, 非对称液压缸的位置阶跃响应都不会有振荡。

在压力设定控制值为50%, 70%, 90%的目标压力值情况下, 阶跃响应图形分别如图10~图12所示。

由图10~图12的对比分析可知, 在初始反馈压力为设定目标值的50%~90%这一逐步增加的过程中, 压力响应曲线的平滑性越来越好, 超调越来越小, 但调整时间略有增加。

在初始反馈压力为目标压力值的50%的时候, 它的阶跃响应曲线的前一小部分明显有振荡的情况出现, 但它的调整时间, 即进入图示小区域的时间只为0.04 s左右, 超调量为4.8%左右。在初始反馈压力为目标压力值的70%的时候, 它的阶跃响应曲线的前一小部分振荡情况有所好转, 但它的调整时间增加, 需要0.05 s左右, 超调量减少了, 为3%左右。在初始反馈压力为目标压力值的90%的时候, 它的阶跃响应曲线的前一小部分振荡情况消失, 但是会先下降到某个压力值然后上升, 其调整时间增加, 需要0.06 s左右, 超调量减少了, 为2%左右。

在实际工作中, 电液伺服系统的压力设定值可以按照产品的需要来设定, 本二氧化铀粉末成型控制系统选用的即为90%的目标压力值的设定, 实际运行时效果良好, 可以满足芯块的密度要求。

5 结语

二氧化铀粉末成型系统的液压缸是非对称缸, 其工作过程中, 活塞杆伸出和内缩过程的传递函数不一样。为了使仿真结果更贴近实际情况, 在MATLAB中编写该系统离散化程序, 在液压缸活塞杆伸出和内缩时, 切换成对应的传递函数和合适的PID参数, 仿真液压缸分别在位置控制和压力控制的阶跃响应。因为采用同一个伺服阀控制一个电液伺服系统的位置和压力, 由于控制机理和特性不同, 必须采用不同的PID控制参数。

依照整定的PID参数值以及位置和压力控制分别的阶跃响应情况, 提出一个并联压力位置复合控制策略。可以通过改变设定压力值, 在不同的情况下, 实现该系统由位置控制向压力控制的转换。采用该控制策略可以不影响两种控制方式各自的控制特性, 能实现比较平滑的过渡。

参考文献

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[6]吴晓明, 栾海英, 张强, 等.热轧带钢地下卷取机踏步系统的应用研究[J].液压与气动, 2003 (10) :46-48.