基于AMESim的注塑機電液比例壓力—流量系統仿真分析

劉 軍，劉軍營，譚志峰，王建香

（山東理工大學機械工程學院，山東淄博255091）

隨著塑料工業的飛速發展，注塑機械的生產制造日益受到人們的重視．對于大型的注塑機來說，液壓驅動是其主要的驅動方式，然而傳統的液壓系統不能完全滿足注塑機的工況和節能要求，人們一直在尋求一種新的液壓系統來取代傳統的注塑機液壓系統．近年來，隨著電液比例控制技術、電液伺服控制技術的逐漸成熟，壓力－流量復合比例控制系統已逐漸成為大型注塑機普遍使用的系統，它不但能夠滿足注塑機的工況要求，而且還具有良好的節能效果．由于電液比例控制系統對工作介質清潔度無特殊要求，制造成本較低，能量損失較低，穩態和動態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更為廣泛的應用領域［1－2]．

1 系統方案及調節原理

1．1 系統方案

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

根據注塑機的工況和節能要求，設計了如圖1所示的電液比例壓力－流量系統方案，與傳統的定量泵液壓系統相比，該系統能夠自適應負載壓力和流量變化的要求，使泵的輸出功率與負載所需要的功率相匹配，大大降低了能耗損失［3－5]．

圖1 注塑機電液比例壓力－流量系統方案

1．2 系統調節原理

如圖1所示，比例節流閥5和負載敏感閥7構成了系統的流量控制回路，前置式節流器D、比例壓力閥8和恒壓閥6構成了系統的壓力控制回路．在最靠近變量大缸的恒壓閥A－T通路之間，并聯了一個帶液阻R1的通路以及相應帶液阻R2的通路和R3的通路．這種布局，給變量控制及系統運行在快速性、穩定性等多方面帶來有利的影響［6]．

流量調節以泵的實際輸出流量為控制目標，此時除了在比例節流閥一定的輸入信號下，泵輸出相應的流量而不受負載壓力變化的影響外，還能通過比例節流閥改變其輸入信號，使泵輸出的流量按照一定規律變化，以適應負載速度的要求．液壓泵提供與執行負載相匹配的壓力和流量，液壓系統中不產生壓力和流量的過剩，因而系統具有顯著的節能效果．

系統處于流量控制工況時，負載變化使比例節流閥5兩端的壓差ΔP增大或減小，從而推動負載敏感閥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．比例節流閥閥口調定后，系統即處于恒流狀態，負載變化不影響系統流量．泵的輸出壓力僅比負載壓力高出比例節流閥5兩端的壓差ΔP．

注塑機注射完畢進入保壓狀態時，在前置式節流器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，此時系統在高壓小流量下工作，從而避免了傳統液壓系統高壓溢流損失．同時，泵的輸出壓力不再上升，避免了設備的損壞，保護了系統元件．各工作順序中壓力和流量值的設定、保壓和動作轉換的時間都可以通過計算機來控制．

2 系統仿真模型及相關參數設置

2．1 系統仿真模型的建立

根據圖1所示的系統方案，利用AMESim軟件建立如圖2所示的注塑機電液比例壓力－流量系統仿真模型．其中負載敏感閥、恒壓閥、變量缸由HCD（液壓元件設計庫模塊）構建而成．

圖2 注塑機電液比例壓力－流量系統仿真模型

2．2 相關參數的設置

通過反復調試仿真模型，將其優化參數設置如下：電機額定轉速1 000r／min、變量泵最大排量100L／min、比例節流閥設定壓差1．5MPa、恒壓閥閥芯直徑6．5mm、負載敏感閥閥芯直徑6．5mm、負載敏感閥彈簧預壓力49．75N、恒壓閥彈簧預緊力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 系統仿真分析

3．1 系統比例調節特性仿真研分析

圖3（a）所示為比例節流閥的輸入信號，其變化范圍為0～1，0表示比例節流閥閥口完全關閉，1表示比例節流閥閥口完全打開．當比例節流閥閥口完全打開時，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比例節流閥的輸入信號按比例調節，使泵的輸出流量幾乎按照負載所需輸出，避免了流量的浪費．

圖3 系統流量調節特性

首先調節圖2中的負載壓力設置閥，使負載壓力由0～20MPa線性增大，設定圖2中比例壓力閥的開啟壓力（保壓壓力）為15MPa，設定圖2中的比例節流閥閥口完全打開．比例壓力閥的開啟壓力可以根據注塑機生產的產品不同，按比例進行設置．如圖4（a）所示，泵的輸出壓力根據負載壓力的變化而變化，而且在負載壓力達到保壓壓力之前，泵的輸出壓力始終比負載壓力大一個很小的固定值（1．5 MPa），因此系統的節流損失很小．當負載壓力大于保壓壓力時，泵的輸出壓力為定值．如圖4（b）所示，當負載壓力大于保壓壓力時，泵的輸出流量迅速下降到接近于0，此時系統處在高壓小流量的保壓狀態．

3．2 保壓壓力可調特性仿真研究

一般注塑機生產的產品不同，因此要求其保壓壓力能夠根據產品的要求而相應地調節．利用AMESim仿真軟件的批處理仿真功能，設定圖2中比例壓力閥的開啟壓力（保壓壓力）為10MPa、15MPa和18MPa，設定圖2中比例節流閥閥口完全打開．由圖5（a）可以看出，系統的保壓壓力可以根據具體要求進行設置，滿足了注塑機保壓壓力可調的要求．由圖5（b）可以看出，當負載壓力大于比例壓力閥的開啟壓力時，泵的輸出流量在短時間內迅速下降到接近于0，系統在高壓小流量下工作，從而避免了傳統注塑機液壓系統的高壓溢流損失，同時泵的輸出壓力不再上升，避免了設備的損壞，保護了系統元件［7]．

圖4 系統壓力調節特性

3．3 恒壓閥彈簧剛度對保壓過程的影響

注塑機工作過程中，保壓壓力的穩定對產品質量具有重要意義，因此要求注塑機在保壓過程中保壓壓力不要出現波動，否則會影響產品質量．

利用AMESim仿真軟件的批處理仿真功能，設定圖2中恒壓閥的彈簧剛度分別為5N／mm、10N／mm、15N／mm、30N／mm，設定圖2中比例節流閥閥口完全打開，仿真結果如圖6和圖7所示．由圖7可以看出，系統保壓過程中，恒壓閥彈簧剛度由小變大時，泵輸出流量由不穩定變得穩定，泵輸出流量的穩定有利于系統保壓壓力的穩定，但是反應時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表示所對應的恒壓閥彈簧剛度為5N／mm、10N／mm、15N／mm、30N／mm時，泵輸出壓力的變化．由圖9可以看出，系統保壓過程中，恒壓閥彈簧剛度由小變大時，系統壓力由不穩定變得穩定，因此恒壓閥的彈簧剛度不宜選取過小．

圖5 系統保壓壓力可調特性

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 結論

（1）該系統可以根據注塑機的工況和節能要求，按比例控制系統的壓力和流量，而且調節過程對系統的沖擊小，提高了系統的穩定性，同時避免了不必要的壓力流量損失．

（2）該系統滿足注塑機所要求的保壓可調特性，可根據不同的生產產品調節系統的保壓壓力．

（3）恒壓閥的彈簧剛度應該根據保壓過程中壓力和流量的要求選擇．

（4）仿真結果驗證了模型的正確性，為電液比例壓力－流量系統的優化設計打下了良好的基礎．

［1] 李壯云，葛宜遠．液壓元件與系統［M] ．北京：機械工業出版社，1999．

［2] 路甬祥，胡大纮．電液比例控制技術［M] ．北京：機械工業出版社，1988．

［3] 耿令新，劉釗，吳仁智，等．工程機械負載敏感技術節能原理及應用［J] ．機械傳動，2008，32（5）：85－87．

［4] 黃新年，張志生，陳忠強．負載敏感技術在液壓系統中的應用［J] ．流體傳動與控制，2007，（5）：28－30．

［5] 張友根．注塑機節能液壓系統的應用分析與研究［J] ．流體傳動與控制，2008，（1）：44－47．

［6] 吳根茂，邱敏秀，王慶豐，等．新編實用電液比例技術［M] ．杭州：浙江大學出版社，2006．

［7] 付玉林，陳遠玲，程志青，等．負載敏感技術在甘蔗聯合收割機上的應用［J] ．農機化研究，2009（3）：14－17．