基于AMESim的注塑机电液比例压力—流量系统仿真分析

刘 军，刘军营，谭志峰，王建香

（山东理工大学机械工程学院，山东淄博255091）

随着塑料工业的飞速发展，注塑机械的生产制造日益受到人们的重视．对于大型的注塑机来说，液压驱动是其主要的驱动方式，然而传统的液压系统不能完全满足注塑机的工况和节能要求，人们一直在寻求一种新的液压系统来取代传统的注塑机液压系统．近年来，随着电液比例控制技术、电液伺服控制技术的逐渐成熟，压力－流量复合比例控制系统已逐渐成为大型注塑机普遍使用的系统，它不但能够满足注塑机的工况要求，而且还具有良好的节能效果．由于电液比例控制系统对工作介质清洁度无特殊要求，制造成本较低，能量损失较低，稳态和动态特性足以满足大部分工程控制的要求，因此赢得了比电液伺服系统更为广泛的应用领域［1－2]．

1 系统方案及调节原理

1．1 系统方案

注塑机液压系统是一种典型的多级压力－流量系统．注塑机的工艺过程一般分为合模、注射、保压、冷却等几个阶段，各个阶段所需要的压力和流量是各不相同的．传统的注塑机定量泵液压系统，在注塑机的一个工作循环中，由于泵的输出流量始终不变，因此存在很大的节流和溢流损失．由于注塑机生产的产品不同，所以要求其保压压力可以调节．

根据注塑机的工况和节能要求，设计了如图1所示的电液比例压力－流量系统方案，与传统的定量泵液压系统相比，该系统能够自适应负载压力和流量变化的要求，使泵的输出功率与负载所需要的功率相匹配，大大降低了能耗损失［3－5]．

图1 注塑机电液比例压力－流量系统方案

1．2 系统调节原理

如图1所示，比例节流阀5和负载敏感阀7构成了系统的流量控制回路，前置式节流器D、比例压力阀8和恒压阀6构成了系统的压力控制回路．在最靠近变量大缸的恒压阀A－T通路之间，并联了一个带液阻R1的通路以及相应带液阻R2的通路和R3的通路．这种布局，给变量控制及系统运行在快速性、稳定性等多方面带来有利的影响［6]．

流量调节以泵的实际输出流量为控制目标，此时除了在比例节流阀一定的输入信号下，泵输出相应的流量而不受负载压力变化的影响外，还能通过比例节流阀改变其输入信号，使泵输出的流量按照一定规律变化，以适应负载速度的要求．液压泵提供与执行负载相匹配的压力和流量，液压系统中不产生压力和流量的过剩，因而系统具有显著的节能效果．

系统处于流量控制工况时，负载变化使比例节流阀5两端的压差ΔP增大或减小，从而推动负载敏感阀7阀芯右移或左移，使泵的输出流量减小或增大，最后泵的输出流量保持恒定．比例节流阀阀口调定后，系统即处于恒流状态，负载变化不影响系统流量．泵的输出压力仅比负载压力高出比例节流阀5两端的压差ΔP．

注塑机注射完毕进入保压状态时，在前置式节流器D的作用下，恒压阀6的阀芯右移，使变量泵的排量迅速降低到接近于0，此时系统在高压小流量下工作，从而避免了传统液压系统高压溢流损失．同时，泵的输出压力不再上升，避免了设备的损坏，保护了系统元件．各工作顺序中压力和流量值的设定、保压和动作转换的时间都可以通过计算机来控制．

2 系统仿真模型及相关参数设置

2．1 系统仿真模型的建立

根据图1所示的系统方案，利用AMESim软件建立如图2所示的注塑机电液比例压力－流量系统仿真模型．其中负载敏感阀、恒压阀、变量缸由HCD（液压元件设计库模块）构建而成．

图2 注塑机电液比例压力－流量系统仿真模型

2．2 相关参数的设置

通过反复调试仿真模型，将其优化参数设置如下：电机额定转速1 000r／min、变量泵最大排量100L／min、比例节流阀设定压差1．5MPa、恒压阀阀芯直径6．5mm、负载敏感阀阀芯直径6．5mm、负载敏感阀弹簧预压力49．75N、恒压阀弹簧预紧力5N、变量大缸直径50mm、变量小缸直径20mm、液压油工作温度40℃、液压油密度850kg／m3．

3 系统仿真分析

3．1 系统比例调节特性仿真研分析

图3（a）所示为比例节流阀的输入信号，其变化范围为0～1，0表示比例节流阀阀口完全关闭，1表示比例节流阀阀口完全打开．当比例节流阀阀口完全打开时，通过的流量为100L／min．由图3（b）可以看出，泵的输出流量能够根据比例节流阀的输入信号按比例调节，使泵的输出流量几乎按照负载所需输出，避免了流量的浪费．

图3 系统流量调节特性

首先调节图2中的负载压力设置阀，使负载压力由0～20MPa线性增大，设定图2中比例压力阀的开启压力（保压压力）为15MPa，设定图2中的比例节流阀阀口完全打开．比例压力阀的开启压力可以根据注塑机生产的产品不同，按比例进行设置．如图4（a）所示，泵的输出压力根据负载压力的变化而变化，而且在负载压力达到保压压力之前，泵的输出压力始终比负载压力大一个很小的固定值（1．5 MPa），因此系统的节流损失很小．当负载压力大于保压压力时，泵的输出压力为定值．如图4（b）所示，当负载压力大于保压压力时，泵的输出流量迅速下降到接近于0，此时系统处在高压小流量的保压状态．

3．2 保压压力可调特性仿真研究

一般注塑机生产的产品不同，因此要求其保压压力能够根据产品的要求而相应地调节．利用AMESim仿真软件的批处理仿真功能，设定图2中比例压力阀的开启压力（保压压力）为10MPa、15MPa和18MPa，设定图2中比例节流阀阀口完全打开．由图5（a）可以看出，系统的保压压力可以根据具体要求进行设置，满足了注塑机保压压力可调的要求．由图5（b）可以看出，当负载压力大于比例压力阀的开启压力时，泵的输出流量在短时间内迅速下降到接近于0，系统在高压小流量下工作，从而避免了传统注塑机液压系统的高压溢流损失，同时泵的输出压力不再上升，避免了设备的损坏，保护了系统元件［7]．

图4 系统压力调节特性

3．3 恒压阀弹簧刚度对保压过程的影响

注塑机工作过程中，保压压力的稳定对产品质量具有重要意义，因此要求注塑机在保压过程中保压压力不要出现波动，否则会影响产品质量．

利用AMESim仿真软件的批处理仿真功能，设定图2中恒压阀的弹簧刚度分别为5N／mm、10N／mm、15N／mm、30N／mm，设定图2中比例节流阀阀口完全打开，仿真结果如图6和图7所示．由图7可以看出，系统保压过程中，恒压阀弹簧刚度由小变大时，泵输出流量由不稳定变得稳定，泵输出流量的稳定有利于系统保压压力的稳定，但是反应时间随着弹簧刚度的增加变得滞后．

如图8和图9所示，曲线1、2、3、4表示所对应的恒压阀弹簧刚度为5N／mm、10N／mm、15N／mm、30N／mm时，泵输出压力的变化．由图9可以看出，系统保压过程中，恒压阀弹簧刚度由小变大时，系统压力由不稳定变得稳定，因此恒压阀的弹簧刚度不宜选取过小．

图5 系统保压压力可调特性

图6 泵的输出流量

图7 图6的局部放大图

图8 泵的输出压力

图9 图8的局部放大图

4 结论

（1）该系统可以根据注塑机的工况和节能要求，按比例控制系统的压力和流量，而且调节过程对系统的冲击小，提高了系统的稳定性，同时避免了不必要的压力流量损失．

（2）该系统满足注塑机所要求的保压可调特性，可根据不同的生产产品调节系统的保压压力．

（3）恒压阀的弹簧刚度应该根据保压过程中压力和流量的要求选择．

（4）仿真结果验证了模型的正确性，为电液比例压力－流量系统的优化设计打下了良好的基础．

［1] 李壮云，葛宜远．液压元件与系统［M] ．北京：机械工业出版社，1999．

［2] 路甬祥，胡大纮．电液比例控制技术［M] ．北京：机械工业出版社，1988．

［3] 耿令新，刘钊，吴仁智，等．工程机械负载敏感技术节能原理及应用［J] ．机械传动，2008，32（5）：85－87．

［4] 黄新年，张志生，陈忠强．负载敏感技术在液压系统中的应用［J] ．流体传动与控制，2007，（5）：28－30．

［5] 张友根．注塑机节能液压系统的应用分析与研究［J] ．流体传动与控制，2008，（1）：44－47．

［6] 吴根茂，邱敏秀，王庆丰，等．新编实用电液比例技术［M] ．杭州：浙江大学出版社，2006．

［7] 付玉林，陈远玲，程志青，等．负载敏感技术在甘蔗联合收割机上的应用［J] ．农机化研究，2009（3）：14－17．