基于AMESim預塑背壓閥的壓力特性研究

劉立柱，高杰林，高世權，王興天,2，莊 儉

(1.海天塑機集團有限公司，浙江 寧波 315801；2.北京化工大學機電工程學院，北京 100029)

0 前言

近些年來隨著塑料制品應用領域的不斷擴大，對注塑機的要求逐漸提高，研究人員對注塑機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下螺桿出現后退的情況，控制系統會給予螺桿方向相反的壓力，通過注塑機的液壓控制系統來實現穩定的背壓。

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

AMESim軟件是法國IMAGINE公司研發的建模、仿真分析軟件。作為專業的液壓仿真軟件，AMESim軟件是根據液壓原理圖，進行原理分析，將原理圖中各部件譯成AMESim模型庫中相對應的子模型，并進行建模仿真。AMESim軟件的不斷完善和接口的不斷擴展，其完善且綜合性強的仿真環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閥與主閥壓力曲線的變化情況，并對改進前后進行了比較分析。

1 預塑背壓閥方案改進分析

1.1 預塑背壓閥的結構改進

液壓系統的泄露方式分為2種：外泄漏和內泄漏。滑閥閥芯的泄漏屬于內泄漏，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，更改背壓閥閥體結構，保證系統的正常工作。主要是通過增加阻尼孔以及調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構示意圖。

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

1.2 背壓改進原理分析

1—注射油缸 2—管路 3—液控方向閥的先導閥 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部結構進行分析，通過增加阻尼孔以及調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)與藍色部分(深色)通過阻尼孔相互導通。當主系統起壓，做中子、頂出、開關模以及調模等系統動作時，注射閥滑閥發現泄漏到注射有桿腔的油液，通過溢流閥先導閥的回油通道(先導閥上增加的“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在得電狀態下，做注射、保壓動作時，注射閥先導閥3切換到左位，增加的泄油通道轉換成壓力通道，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速度。電磁鐵D101在得電狀態下，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生誤動作。電磁鐵D100、D101在均不得電的狀態下，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節。選擇內孔為0.5 mm的阻尼7，保證控制油口上下的壓差，使得在儲料狀態下做背壓用的溢流閥能夠正常工作。

2 預塑背壓閥仿真模擬

2.1 搭建仿真模型

為進一步研究注塑機中滑閥換向閥的泄露導致預塑背壓閥壓力上升的原理，通過對增設阻尼孔以及阻尼孔大小對預塑壓力的參數進行AMESim模型的仿真分析。利用AMESim軟件搭建改進前后預塑背壓閥的仿真模型，系統的仿真模型如圖3所示。

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

2.2 仿真結果曲線分析

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

(a)先導壓力腔上P1口壓力曲線 (b)主閥芯腔曲線圖4 先導壓力腔上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

為進一步研究注塑機中滑閥換向閥的泄露導致預塑被壓閥壓力上升的原理，通過對主閥芯彈簧剛度、先導閥芯彈簧剛度、增設阻尼孔以及阻尼孔大小對預塑壓力的參數進行AMESim模型的仿真分析。首先對主閥芯和先導閥芯彈簧剛度進行仿真，溢流閥型號選用HRF-G06系列，查詢北部精機溢流閥樣本參數及其出廠測試標準可知，該溢流閥主閥彈簧剛度范圍為8～12 N/mm，先導閥彈簧剛度范圍為40～110 N/mm，仿真曲線如圖5所示。可以看出，主閥芯彈簧剛度從10 N/mm增加到40 N/mm時，預塑背壓閥的壓力幾乎沒有變化(曲線重合)。先導閥芯的彈簧剛度從10 N/mm增加到250 N/mm時，預塑背壓閥的壓力變化值最大可達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)先導閥芯圖5 主閥芯和先導閥芯彈簧剛度曲線圖Fig.5 Spring stiffness curve of the main valve and pilot valve

為進一步探究先導閥彈簧剛度對預塑背壓閥壓力的影響，對不同先導閥彈簧剛度下，預塑背壓壓力上升情況進行了仿真分析如圖6所示。可以看出，隨著時間的推移，當預塑背壓閥的先導閥彈簧剛度從200 N/mm減小到50 N/mm時，先導控制口的壓力變化相對較大，可達3 MPa以上，即背壓閥主閥芯越容易打開。因此，適當減小先導閥的彈簧剛度可以改善預塑背壓系統中壓力上升的問題。

先導閥彈簧剛度/N·mm-1：■—50 ●—100 ▲—150 ▼—200圖6 先導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

通過進一步分析其原理圖以及背壓閥的結構可以通過開阻尼孔連接油箱來降低預塑背壓中的壓力，如圖7所示為主閥上、下腔開設阻尼孔連通油箱背壓閥壓力變化的情況。可以看出，當阻尼孔直徑由2 mm減小到0.5 mm時，預塑背壓閥上、下腔的壓力變化不大，均在0.02 MPa以內，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 結論

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

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

(3)當阻尼孔直徑由2 mm減小到0.5 mm時，預塑背壓閥上、下腔的壓力變化均在0.02 MPa以內，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。

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