基于AMESim注塑機負載敏感系統仿真分析

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）

注塑機最主要的耗能部分是動力驅動系統，傳統的定量泵液壓系統在注塑機的一個生產周期內有著很大的溢流和節流損失，這與節能環保的生產要求相違背，所以注塑機節能日益成為人們關注的焦點．負載敏感液壓系統的出現使得這一問題得到解決，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［1－4]．

雖然目前負載敏感泵在國內企業得到大量的應用，但是很多都依賴從國外進口，國產的負載敏感泵在技術水平方面與國外存在著一定的差距．本文根據注塑機的工況和節能要求建立AMESim仿真模型，通過對參數的反復調試運行，得出符合注塑機工況要求的相關參數，對負載變化對系統恒流特性的影響和負載敏感閥閥芯面積對系統動態性能的影響進行仿真研究，為負載敏感泵的設計和參數優化提供理論依據和參考．

1 負載敏感系統的構建及其節能原理

傳統定量泵液壓系統的功率消耗主要由三部分組成：負載消耗功率、節流損失功率和溢流損失功率［2]．負載所消耗功率為有用功率，節流和溢流所損失的功率為無用功率．由此可見，要想提高系統的效率，必須降低系統的節流損失和溢流損失．節流損失主要是由節流閥兩端的壓差（泵的出口壓力與負載壓力之差）所造成的，溢流損失主要是由泵輸出的流量相對負載所需要的流量產生過剩而引起的［1－2]．如果泵所輸出的壓力和流量能夠根據負載所需要的壓力和流量的變化而變化，而不產生過剩，也就是說泵的輸出功率與負載所需要的功率相匹配，就可以大大降低系統的能量損失［1－4]．結合注塑機的工況要求，建立的負載敏感系統方案如圖1所示．

圖1 負載敏感系統方案

該系統的主要優點是流量調節和壓力調節分別采用了負載敏感閥和恒壓閥，可以根據不同的要求合理選取參數，所以具有良好的穩態控制特性，而且該系統還可以實現保壓壓力可調．

（1）負載壓力小于比例壓力閥的設定壓力，系統處于恒流階段．流量調節是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的規律變化，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．

當系統處于流量控制工況時，若負載變化使比例節流閥5兩端的壓差ΔP增大或減小，就會導致負載敏感閥7閥芯右移或左移，使泵的輸出流量相應變化，最終泵的輸出流量保持恒定．比例節流閥調定后，系統即處于恒流狀態，負載變化不影響系統流量［4]．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．

（2）負載壓力大于比例壓力閥的設定壓力，系統處于恒壓階段．當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［5]．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［6－7]．

（3）在復合調節過程中液阻R1、R2、R3的調節原理．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的通路以及相應的帶液阻R2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影響．例如在恒壓控制情況下，當P－A連通時，即排量減少的控制過程，變量控制油進入變量大缸可視為C型半橋控制，先經恒壓閥閥口可變液阻，并聯一個由R1、R2、R3三者串并聯形成的固定液阻的控制，適當降低了控制增益，提高了穩定性．當A－T連通時，即排量增大的控制過程，變量大缸排出的油液經恒壓閥閥口與R1、R2、R3三者串并聯形成的液阻，提高了快速性和穩定性．當進行壓力流量復合控制時，特別是在壓力流量的交叉點，恒壓閥可能經常會出現左右位過渡轉換，或可能暫停于中位．如圖1所示的布局，來自負載敏感閥這種置于恒壓閥前面的控制閥來的信號，由于存在從E點經液阻R1到A口的通道，就可不受恒壓閥T－A口的遮蓋、過渡情況等的影響，實現了改善性能的準零遮蓋效應［8]．

2 負載敏感系統的AMESim仿真模型及參數設置

根據圖1所示的方案，建立如圖2所示的負載敏感系統仿真模型，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，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 負載敏感系統仿真分析

3．1 負載壓力變化時，系統恒流特性仿真分析

首先調節圖2中負載壓力設置閥9，使負載壓力變化如圖3所示，在0．3s時負載壓力由10MPa上升到12MPa，在0．6s時負載壓力由12MPa下降到10MPa，設定比例節流閥開口度為60%，此時負載所需要的流量和為60L／min，仿真時間為1s，開始仿真．由圖4可以看出當負載壓力在0．3s和0．6s發生變化時，泵的輸出流量經過短暫的調整后又恢復到原來的恒流值，所以比例節流閥開度設定后，負載壓力變化不影響泵的輸出流量，可以實現系統流量的恒定，滿足負載對速度的要求．

圖2 負載敏感系統仿真模型

3．2 負載敏感閥閥芯面積對系統動態性能的影響

首先設定負載壓力為10MPa，比例節流閥開度為60%，此時負載所需流量為60L／min，負載敏感閥閥芯直徑分別為6．5mm、8mm、10mm、12mm，利用軟件的批處理運行功能對泵的輸出流量進行仿真，仿真時間為0．5s．

圖3 負載壓力的變化

為了便于分析，對圖5泵的輸出流量曲線進行局部放大得到圖6所示的放大圖．圖5和圖6中曲線1、2、3、4分別表示負載敏感閥閥芯直徑為6．5mm、8mm、10mm、12mm時泵的輸出流量的變化曲線．由圖6可以看出當負載敏感閥閥芯直徑由6．5mm、8mm、10mm、12mm依次增大時調整時間逐漸增大，泵的輸出流量由穩定變得不穩定，當負載敏感閥直徑增大到12mm時出現等幅震蕩．由此可以看出，負載敏感閥閥芯面積對系統的穩定性有重要的影響．由圖6可知負載敏感閥閥芯直徑不宜選取過大，一般取6mm左右，否則影響系統的穩定，本文選取6．5mm．

圖4 泵輸出流量的變化

圖5 泵的輸出流量

圖6 圖5的局部放大圖

4 結束語

由仿真分析可知：當比例節流閥開口一定時，系統的流量不受負載變化的影響，具有良好的恒流特性，滿足負載速度的要求．負載敏感閥閥芯面積對系統的穩定性具有重要的影響，閥芯直徑不宜選取過大，一般取6mm左右，否則影響系統的穩定．理論和仿真分析可以為以后負載敏感系統參數的優化設計提供一定的理論和實驗基礎．

［1] 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（5）：85－87．

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［4] 吳曉光，宋海濤，殷新勝，等．基于AMESim的鉆機負載敏感液壓系統仿真分析［J] ．機床與液壓．2008，36（3）：163－164，195．

［5] 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．

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

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