基于AMESim的注塑機(jī)電液比例壓力—流量系統(tǒng)仿真分析

劉 軍，劉軍營，譚志峰，王建香

（山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東淄博255091）

隨著塑料工業(yè)的飛速發(fā)展，注塑機(jī)械的生產(chǎn)制造日益受到人們的重視．對于大型的注塑機(jī)來說，液壓驅(qū)動是其主要的驅(qū)動方式，然而傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)不能完全滿足注塑機(jī)的工況和節(jié)能要求，人們一直在尋求一種新的液壓系統(tǒng)來取代傳統(tǒng)的注塑機(jī)液壓系統(tǒng)．近年來，隨著電液比例控制技術(shù)、電液伺服控制技術(shù)的逐漸成熟，壓力－流量復(fù)合比例控制系統(tǒng)已逐漸成為大型注塑機(jī)普遍使用的系統(tǒng)，它不但能夠滿足注塑機(jī)的工況要求，而且還具有良好的節(jié)能效果．由于電液比例控制系統(tǒng)對工作介質(zhì)清潔度無特殊要求，制造成本較低，能量損失較低，穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性足以滿足大部分工程控制的要求，因此贏得了比電液伺服系統(tǒng)更為廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域［1－2]．

1 系統(tǒng)方案及調(diào)節(jié)原理

1．1 系統(tǒng)方案

注塑機(jī)液壓系統(tǒng)是一種典型的多級壓力－流量系統(tǒng)．注塑機(jī)的工藝過程一般分為合模、注射、保壓、冷卻等幾個(gè)階段，各個(gè)階段所需要的壓力和流量是各不相同的．傳統(tǒng)的注塑機(jī)定量泵液壓系統(tǒng)，在注塑機(jī)的一個(gè)工作循環(huán)中，由于泵的輸出流量始終不變，因此存在很大的節(jié)流和溢流損失．由于注塑機(jī)生產(chǎn)的產(chǎn)品不同，所以要求其保壓壓力可以調(diào)節(jié)．

根據(jù)注塑機(jī)的工況和節(jié)能要求，設(shè)計(jì)了如圖1所示的電液比例壓力－流量系統(tǒng)方案，與傳統(tǒng)的定量泵液壓系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)能夠自適應(yīng)負(fù)載壓力和流量變化的要求，使泵的輸出功率與負(fù)載所需要的功率相匹配，大大降低了能耗損失［3－5]．

圖1 注塑機(jī)電液比例壓力－流量系統(tǒng)方案

1．2 系統(tǒng)調(diào)節(jié)原理

如圖1所示，比例節(jié)流閥5和負(fù)載敏感閥7構(gòu)成了系統(tǒng)的流量控制回路，前置式節(jié)流器D、比例壓力閥8和恒壓閥6構(gòu)成了系統(tǒng)的壓力控制回路．在最靠近變量大缸的恒壓閥A－T通路之間，并聯(lián)了一個(gè)帶液阻R1的通路以及相應(yīng)帶液阻R2的通路和R3的通路．這種布局，給變量控制及系統(tǒng)運(yùn)行在快速性、穩(wěn)定性等多方面帶來有利的影響［6]．

流量調(diào)節(jié)以泵的實(shí)際輸出流量為控制目標(biāo)，此時(shí)除了在比例節(jié)流閥一定的輸入信號下，泵輸出相應(yīng)的流量而不受負(fù)載壓力變化的影響外，還能通過比例節(jié)流閥改變其輸入信號，使泵輸出的流量按照一定規(guī)律變化，以適應(yīng)負(fù)載速度的要求．液壓泵提供與執(zhí)行負(fù)載相匹配的壓力和流量，液壓系統(tǒng)中不產(chǎn)生壓力和流量的過剩，因而系統(tǒng)具有顯著的節(jié)能效果．

系統(tǒng)處于流量控制工況時(shí)，負(fù)載變化使比例節(jié)流閥5兩端的壓差ΔP增大或減小，從而推動負(fù)載敏感閥7閥芯右移或左移，使泵的輸出流量減小或增大，最后泵的輸出流量保持恒定．比例節(jié)流閥閥口調(diào)定后，系統(tǒng)即處于恒流狀態(tài)，負(fù)載變化不影響系統(tǒng)流量．泵的輸出壓力僅比負(fù)載壓力高出比例節(jié)流閥5兩端的壓差ΔP．

注塑機(jī)注射完畢進(jìn)入保壓狀態(tài)時(shí)，在前置式節(jié)流器D的作用下，恒壓閥6的閥芯右移，使變量泵的排量迅速降低到接近于0，此時(shí)系統(tǒng)在高壓小流量下工作，從而避免了傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)高壓溢流損失．同時(shí)，泵的輸出壓力不再上升，避免了設(shè)備的損壞，保護(hù)了系統(tǒng)元件．各工作順序中壓力和流量值的設(shè)定、保壓和動作轉(zhuǎn)換的時(shí)間都可以通過計(jì)算機(jī)來控制．

2 系統(tǒng)仿真模型及相關(guān)參數(shù)設(shè)置

2．1 系統(tǒng)仿真模型的建立

根據(jù)圖1所示的系統(tǒng)方案，利用AMESim軟件建立如圖2所示的注塑機(jī)電液比例壓力－流量系統(tǒng)仿真模型．其中負(fù)載敏感閥、恒壓閥、變量缸由HCD（液壓元件設(shè)計(jì)庫模塊）構(gòu)建而成．

圖2 注塑機(jī)電液比例壓力－流量系統(tǒng)仿真模型

2．2 相關(guān)參數(shù)的設(shè)置

通過反復(fù)調(diào)試仿真模型，將其優(yōu)化參數(shù)設(shè)置如下：電機(jī)額定轉(zhuǎn)速1 000r／min、變量泵最大排量100L／min、比例節(jié)流閥設(shè)定壓差1．5MPa、恒壓閥閥芯直徑6．5mm、負(fù)載敏感閥閥芯直徑6．5mm、負(fù)載敏感閥彈簧預(yù)壓力49．75N、恒壓閥彈簧預(yù)緊力5N、變量大缸直徑50mm、變量小缸直徑20mm、液壓油工作溫度40℃、液壓油密度850kg／m3．

3 系統(tǒng)仿真分析

3．1 系統(tǒng)比例調(diào)節(jié)特性仿真研分析

圖3（a）所示為比例節(jié)流閥的輸入信號，其變化范圍為0～1，0表示比例節(jié)流閥閥口完全關(guān)閉，1表示比例節(jié)流閥閥口完全打開．當(dāng)比例節(jié)流閥閥口完全打開時(shí)，通過的流量為100L／min．由圖3（b）可以看出，泵的輸出流量能夠根據(jù)比例節(jié)流閥的輸入信號按比例調(diào)節(jié)，使泵的輸出流量幾乎按照負(fù)載所需輸出，避免了流量的浪費(fèi)．

圖3 系統(tǒng)流量調(diào)節(jié)特性

首先調(diào)節(jié)圖2中的負(fù)載壓力設(shè)置閥，使負(fù)載壓力由0～20MPa線性增大，設(shè)定圖2中比例壓力閥的開啟壓力（保壓壓力）為15MPa，設(shè)定圖2中的比例節(jié)流閥閥口完全打開．比例壓力閥的開啟壓力可以根據(jù)注塑機(jī)生產(chǎn)的產(chǎn)品不同，按比例進(jìn)行設(shè)置．如圖4（a）所示，泵的輸出壓力根據(jù)負(fù)載壓力的變化而變化，而且在負(fù)載壓力達(dá)到保壓壓力之前，泵的輸出壓力始終比負(fù)載壓力大一個(gè)很小的固定值（1．5 MPa），因此系統(tǒng)的節(jié)流損失很?。?dāng)負(fù)載壓力大于保壓壓力時(shí)，泵的輸出壓力為定值．如圖4（b）所示，當(dāng)負(fù)載壓力大于保壓壓力時(shí)，泵的輸出流量迅速下降到接近于0，此時(shí)系統(tǒng)處在高壓小流量的保壓狀態(tài)．

3．2 保壓壓力可調(diào)特性仿真研究

一般注塑機(jī)生產(chǎn)的產(chǎn)品不同，因此要求其保壓壓力能夠根據(jù)產(chǎn)品的要求而相應(yīng)地調(diào)節(jié)．利用AMESim仿真軟件的批處理仿真功能，設(shè)定圖2中比例壓力閥的開啟壓力（保壓壓力）為10MPa、15MPa和18MPa，設(shè)定圖2中比例節(jié)流閥閥口完全打開．由圖5（a）可以看出，系統(tǒng)的保壓壓力可以根據(jù)具體要求進(jìn)行設(shè)置，滿足了注塑機(jī)保壓壓力可調(diào)的要求．由圖5（b）可以看出，當(dāng)負(fù)載壓力大于比例壓力閥的開啟壓力時(shí)，泵的輸出流量在短時(shí)間內(nèi)迅速下降到接近于0，系統(tǒng)在高壓小流量下工作，從而避免了傳統(tǒng)注塑機(jī)液壓系統(tǒng)的高壓溢流損失，同時(shí)泵的輸出壓力不再上升，避免了設(shè)備的損壞，保護(hù)了系統(tǒng)元件［7]．

圖4 系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)特性

3．3 恒壓閥彈簧剛度對保壓過程的影響

注塑機(jī)工作過程中，保壓壓力的穩(wěn)定對產(chǎn)品質(zhì)量具有重要意義，因此要求注塑機(jī)在保壓過程中保壓壓力不要出現(xiàn)波動，否則會影響產(chǎn)品質(zhì)量．

利用AMESim仿真軟件的批處理仿真功能，設(shè)定圖2中恒壓閥的彈簧剛度分別為5N／mm、10N／mm、15N／mm、30N／mm，設(shè)定圖2中比例節(jié)流閥閥口完全打開，仿真結(jié)果如圖6和圖7所示．由圖7可以看出，系統(tǒng)保壓過程中，恒壓閥彈簧剛度由小變大時(shí)，泵輸出流量由不穩(wěn)定變得穩(wěn)定，泵輸出流量的穩(wěn)定有利于系統(tǒng)保壓壓力的穩(wěn)定，但是反應(yīng)時(shí)間隨著彈簧剛度的增加變得滯后．

如圖8和圖9所示，曲線1、2、3、4表示所對應(yīng)的恒壓閥彈簧剛度為5N／mm、10N／mm、15N／mm、30N／mm時(shí)，泵輸出壓力的變化．由圖9可以看出，系統(tǒng)保壓過程中，恒壓閥彈簧剛度由小變大時(shí)，系統(tǒng)壓力由不穩(wěn)定變得穩(wěn)定，因此恒壓閥的彈簧剛度不宜選取過?。?/p>

圖5 系統(tǒng)保壓壓力可調(diào)特性

圖6 泵的輸出流量

圖7 圖6的局部放大圖

圖8 泵的輸出壓力

圖9 圖8的局部放大圖

4 結(jié)論

（1）該系統(tǒng)可以根據(jù)注塑機(jī)的工況和節(jié)能要求，按比例控制系統(tǒng)的壓力和流量，而且調(diào)節(jié)過程對系統(tǒng)的沖擊小，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時(shí)避免了不必要的壓力流量損失．

（2）該系統(tǒng)滿足注塑機(jī)所要求的保壓可調(diào)特性，可根據(jù)不同的生產(chǎn)產(chǎn)品調(diào)節(jié)系統(tǒng)的保壓壓力．

（3）恒壓閥的彈簧剛度應(yīng)該根據(jù)保壓過程中壓力和流量的要求選擇．

（4）仿真結(jié)果驗(yàn)證了模型的正確性，為電液比例壓力－流量系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)打下了良好的基礎(chǔ)．

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