基于AMESim預(yù)塑背壓閥的壓力特性研究

劉立柱，高杰林，高世權(quán)，王興天,2，莊 儉

(1.海天塑機(jī)集團(tuán)有限公司，浙江 寧波 315801；2.北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100029)

0 前言

近些年來隨著塑料制品應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，對注塑機(jī)的要求逐漸提高，研究人員對注塑機(jī)注射過程的研究也逐步深入[1-3]。在塑化過程中，為了防止物料在被壓實的狀態(tài)下螺桿出現(xiàn)后退的情況，控制系統(tǒng)會給予螺桿方向相反的壓力，通過注塑機(jī)的液壓控制系統(tǒng)來實現(xiàn)穩(wěn)定的背壓。

預(yù)塑背壓是注射成型工藝流程中保證產(chǎn)品品質(zhì)和性能的關(guān)鍵因素，為了實現(xiàn)穩(wěn)定的背壓，需對液壓控制系統(tǒng)有很高的要求[4-7]。目前，我國對液壓控制系統(tǒng)的研究逐漸深入，但中小型注塑機(jī)液壓系統(tǒng)中仍普遍存在泄漏油的現(xiàn)象，因泄漏引起背壓的上升而導(dǎo)致注塑機(jī)誤動作的問題一直困擾著生產(chǎn)者和使用者[8-12]。因此，改善泄露油現(xiàn)象，提高背壓的穩(wěn)定性是提高制品精度的關(guān)鍵步驟。

AMESim軟件是法國IMAGINE公司研發(fā)的建模、仿真分析軟件。作為專業(yè)的液壓仿真軟件，AMESim軟件是根據(jù)液壓原理圖，進(jìn)行原理分析，將原理圖中各部件譯成AMESim模型庫中相對應(yīng)的子模型，并進(jìn)行建模仿真。AMESim軟件的不斷完善和接口的不斷擴(kuò)展，其完善且綜合性強(qiáng)的仿真環(huán)境和靈活性的解決方案為仿真提供了符合實際的方法。

本文通過改變溢流閥阻尼孔以及調(diào)整阻尼孔大小來改善溢流閥的阻尼配比，并通過AMESim軟件搭建模型，數(shù)值模擬背壓閥在不同彈簧剛度、有無阻尼孔以及不同阻尼孔大小條件下先導(dǎo)閥與主閥壓力曲線的變化情況，并對改進(jìn)前后進(jìn)行了比較分析。

1 預(yù)塑背壓閥方案改進(jìn)分析

1.1 預(yù)塑背壓閥的結(jié)構(gòu)改進(jìn)

液壓系統(tǒng)的泄露方式分為2種：外泄漏和內(nèi)泄漏?；y閥芯的泄漏屬于內(nèi)泄漏，這種滑閥的閥芯油泄露是無法避免的，但是可以考慮采用特定的方法將泄漏油引回到回油腔的方式，更改背壓閥閥體結(jié)構(gòu)，保證系統(tǒng)的正常工作。主要是通過增加阻尼孔以及調(diào)整阻尼孔大小以改變普通溢流閥的阻尼配比，如圖1所示為背壓用溢流閥改動前后的結(jié)構(gòu)示意圖。

(a)改動前 (b)改動后圖1 背壓用溢流閥改動前后的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Back pressure relief valves before and after being changed

1.2 背壓改進(jìn)原理分析

1—注射油缸 2—管路 3—液控方向閥的先導(dǎo)閥 4—液控方向閥的主閥 5—阻尼 6—溢流閥 7—阻尼 8—壓力表(a)原理圖 (b)局部放大圖圖2 注射單元的液壓原理圖和局部放大圖Fig.2 Hydraulic principle diagram of injection units partially enlarged diagram for the hydraulic principle

對背壓用普通溢流閥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，通過增加阻尼孔以及調(diào)整阻尼孔大小來改變普通溢流閥的阻尼配比，從而改變普通溢流閥的泄露量。從圖2(a)可以看出，將溢流閥6的先導(dǎo)閥打一個孔，增加一個特定大小的阻尼7。使圖2(b)中黃色部分(淺色)與藍(lán)色部分(深色)通過阻尼孔相互導(dǎo)通。當(dāng)主系統(tǒng)起壓，做中子、頂出、開關(guān)模以及調(diào)模等系統(tǒng)動作時，注射閥滑閥發(fā)現(xiàn)泄漏到注射有桿腔的油液，通過溢流閥先導(dǎo)閥的回油通道(先導(dǎo)閥上增加的“阻尼及阻尼孔”部分)與方向閥3的B口相通，泄漏到B口的液壓油通過此特定的通道引入到回油腔，使得注射腔的壓力不再越積越大，從而解決了問題。

電磁鐵D100在得電狀態(tài)下，做注射、保壓動作時，注射閥先導(dǎo)閥3切換到左位，增加的泄油通道轉(zhuǎn)換成壓力通道，更為快捷的壓緊溢流閥主閥的閥芯，提高了控制油控制背壓閥閥芯的壓合響應(yīng)速度。電磁鐵D101在得電狀態(tài)下，做主動射退動作時，注射有桿腔為低壓油液，通過注射主閥的閥口，B與T相通，回油，溢流閥的改動不會產(chǎn)生誤動作。電磁鐵D100、D101在均不得電的狀態(tài)下，D102得電，做儲料動作時，注射有桿腔為有背壓的油液，背壓壓力通過溢流閥調(diào)節(jié)。選擇內(nèi)孔為0.5 mm的阻尼7，保證控制油口上下的壓差，使得在儲料狀態(tài)下做背壓用的溢流閥能夠正常工作。

2 預(yù)塑背壓閥仿真模擬

2.1 搭建仿真模型

為進(jìn)一步研究注塑機(jī)中滑閥換向閥的泄露導(dǎo)致預(yù)塑背壓閥壓力上升的原理，通過對增設(shè)阻尼孔以及阻尼孔大小對預(yù)塑壓力的參數(shù)進(jìn)行AMESim模型的仿真分析。利用AMESim軟件搭建改進(jìn)前后預(yù)塑背壓閥的仿真模型，系統(tǒng)的仿真模型如圖3所示。

(a)改進(jìn)前 (b)改進(jìn)后圖3 背壓閥改進(jìn)前后的仿真模型Fig.3 Simulated model of the changed and unchanged back pressure valve

2.2 仿真結(jié)果曲線分析

改進(jìn)前預(yù)塑背壓閥在實際系統(tǒng)中先導(dǎo)壓力腔與主閥芯腔的P1口壓力曲線變化如圖4所示。可以看出注塑機(jī)的液壓系統(tǒng)中滑閥換向閥的泄露油導(dǎo)致預(yù)塑背壓閥的壓力上升。

(a)先導(dǎo)壓力腔上P1口壓力曲線 (b)主閥芯腔曲線圖4 先導(dǎo)壓力腔上P1口壓力曲線和主閥芯腔曲線圖Fig.4 Pressure curve of pilot valve and main valve for P1 location

為進(jìn)一步研究注塑機(jī)中滑閥換向閥的泄露導(dǎo)致預(yù)塑被壓閥壓力上升的原理，通過對主閥芯彈簧剛度、先導(dǎo)閥芯彈簧剛度、增設(shè)阻尼孔以及阻尼孔大小對預(yù)塑壓力的參數(shù)進(jìn)行AMESim模型的仿真分析。首先對主閥芯和先導(dǎo)閥芯彈簧剛度進(jìn)行仿真，溢流閥型號選用HRF-G06系列，查詢北部精機(jī)溢流閥樣本參數(shù)及其出廠測試標(biāo)準(zhǔn)可知，該溢流閥主閥彈簧剛度范圍為8～12 N/mm，先導(dǎo)閥彈簧剛度范圍為40～110 N/mm，仿真曲線如圖5所示?？梢钥闯觯鏖y芯彈簧剛度從10 N/mm增加到40 N/mm時，預(yù)塑背壓閥的壓力幾乎沒有變化(曲線重合)。先導(dǎo)閥芯的彈簧剛度從10 N/mm增加到250 N/mm時，預(yù)塑背壓閥的壓力變化值最大可達(dá)2.5×10-8MPa，變化較為明顯。

彈簧剛度/N·mm-1：1—10 2—20 3—30 4—40 5—100 6—150 7—200 8—250(a)主閥芯 (b)先導(dǎo)閥芯圖5 主閥芯和先導(dǎo)閥芯彈簧剛度曲線圖Fig.5 Spring stiffness curve of the main valve and pilot valve

為進(jìn)一步探究先導(dǎo)閥彈簧剛度對預(yù)塑背壓閥壓力的影響，對不同先導(dǎo)閥彈簧剛度下，預(yù)塑背壓壓力上升情況進(jìn)行了仿真分析如圖6所示?？梢钥闯?，隨著時間的推移，當(dāng)預(yù)塑背壓閥的先導(dǎo)閥彈簧剛度從200 N/mm減小到50 N/mm時，先導(dǎo)控制口的壓力變化相對較大，可達(dá)3 MPa以上，即背壓閥主閥芯越容易打開。因此，適當(dāng)減小先導(dǎo)閥的彈簧剛度可以改善預(yù)塑背壓系統(tǒng)中壓力上升的問題。

先導(dǎo)閥彈簧剛度/N·mm-1：■—50 ●—100 ▲—150 ▼—200圖6 先導(dǎo)閥芯不同彈簧的剛度曲線Fig.6 Spring stiffness curve of different pilot valves

阻尼孔直徑/mm：■—0.5 ●—1 ▲—1.5 ▼—2(a)主閥上腔 (b)主閥下腔圖7 主閥上、下腔阻尼孔壓力變化曲線圖Fig.7 Damping hole pressure curve of upper cavity and bottom cavity for main valves

通過進(jìn)一步分析其原理圖以及背壓閥的結(jié)構(gòu)可以通過開阻尼孔連接油箱來降低預(yù)塑背壓中的壓力，如圖7所示為主閥上、下腔開設(shè)阻尼孔連通油箱背壓閥壓力變化的情況?？梢钥闯?，當(dāng)阻尼孔直徑由2 mm減小到0.5 mm時，預(yù)塑背壓閥上、下腔的壓力變化不大，均在0.02 MPa以內(nèi)，且壓力沒有上升的趨勢。因此，可以通過改變增加阻尼來降低背壓閥壓力上升的情況。

3 結(jié)論

(1)主閥芯彈簧剛度從10 N/mm增加到40 N/mm時，預(yù)塑背壓閥的壓力幾乎沒有變化；而先導(dǎo)閥芯彈簧剛度從10 N/mm增加到250 N/mm時，預(yù)塑背壓閥的壓力變化較為明顯，最大可達(dá)2.5×10-5kPa；

(2)當(dāng)預(yù)塑背壓閥的先導(dǎo)閥彈簧剛度從200 N/mm減小到50 N/mm時，先導(dǎo)控制口的壓力變化可達(dá)3 MPa以上，即背壓閥主閥芯越容易打開；適當(dāng)減小先導(dǎo)閥的彈簧剛度可以改善預(yù)塑背壓系統(tǒng)中壓力上升的情況；

(3)當(dāng)阻尼孔直徑由2 mm減小到0.5 mm時，預(yù)塑背壓閥上、下腔的壓力變化均在0.02 MPa以內(nèi)，且沒有壓力上升的趨勢；可以通過改變增加阻尼來降低背壓閥壓力上升的情況。

[1] J Lin, R J Lian. Self-organizing Fuzzy Controller for Injection Molding Machines[J]. Journal of Process Control, 2010, 20(5): 585-595.

[2] W Liu.The Microscopic Features of Cavitation Erosion and the Solution in the Plastic Injection Moulding Machines[J]. Engineering Failure Analysis, 2014, 36(1):253-261.

[3] P Niral, M Chauhan. FEA and Topology Optimization of 1000T Clamp Cylinder for Injection Molding Machine[J]. Procedia Engineering, 2013, 51: 617-623.

[4] L Zhao, X Liu, T Wang. Influence of Counterbalance Valve Parameters on Stability of the Crane Lifting System[C]//Mechatronics and Automation(ICMA). Xi’an, China: 2010 International Conference on IEEE, 2010: 1010-1014.

[5] H S Han. Web-based Dynamic Simulation System for Multi-body Systems[J]. Advances in Engineering Software, 2004, 35(2): 75-84.

[6] Q H Zhang, Q H Xiong, W Xiong, et al.Modeling and Simulation of a Hydraulic Reducing Valve Driven by Giant Magnetostrictive Actuator based on Matlab and AMESim[C]//6th International Conference on Manufacturing Science and Engineering(ICMSE). Guangzhou, China: AER-Advances in Engineering Research, 2016: 1410-1415.

[7] P A Nordhammer, M K Bak, M R Hansen. Controlling the Slewing Motion of Hydraulically Actuated Cranes using Sequential Activation of Counterbalance Valves[C]//12th International Conference on Control, Automation and Systems(ICCAS).JeJu Island, South Korea: IEEE, 2012. 773-778.

[8] 霍家林, 張 軍, 高 琴, 等. 基于AMEsim與Matlab/Simulink聯(lián)合仿真技術(shù)的插裝順序閥回路仿真研究[J].煤礦機(jī)械，2011, 32(4): 59-61.

Huo Jialin, Zhang Jun, Gao Qin, et al. United Simulation of Cartridged Sequence Valve Circuit Based on AMESim and Matlab/Simulink[J]. Coal Mine Machinery, 2011, 32(4): 59-61.

[9] 司癸卯, 孟小凈, 周加永. 夯實機(jī)液壓系統(tǒng)中插裝閥閥芯位置控制與仿真分析[J]. 中國工程機(jī)械學(xué)報, 2013, 11(1):51-54.

Si Guimao, Meng Xiaojing, Zhou Jiayong. Positional Control and Simulation Analysis on Cartridge Valve Spool for Tamper Hydraulic System[J]. Chinese Journal of Construction Machinery, 2013, 11(1):51-54.

[10] 溫成卓，吳張永，王 嫻，等.高速開關(guān)閥控插裝閥的特性研究[J].機(jī)床與液壓, 2012, 40(23): 61-63.

Wen Chengzhou， Wu Zhangyong, Wang Xian, et al. Performance Research of Cartridge Valve Controlled by High-speed On/Off Valve[J]. Machine Tool and Hydraulics, 2012, 40(23): 61-63.

[11] 李 婭，權(quán) 龍.二通插裝式電液比例流量閥的仿真分析[J].流體傳動與控制，2012, 53(4): 20-22.

Li Ya, Quan Long. Simulation Analysis of 2-way Cartridge Electro-hydraulic Proportional Flow Valve[J]. Fluid Power Transmission and Control, 2012, 53(4): 20-22.

[12] 馮曉迪.液壓閥動態(tài)特性試驗回路仿真研究[J].流體傳動與控制, 2009, 35(4): 12-14.

Feng Xiaodi. Simulation Research of Hydraulic Valve Dynamic Characteristics Test Circuit Based on AMEsim[J]. Fluid Power Transmission and Control, 2009, 35(4): 12-14.