基于AMESim注塑机负载敏感系统仿真分析

2012-07-23刘军营谭志峰王建香

山东理工大学学报（自然科学版） 2012年2期

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）

注塑机最主要的耗能部分是动力驱动系统，传统的定量泵液压系统在注塑机的一个生产周期内有着很大的溢流和节流损失，这与节能环保的生产要求相违背，所以注塑机节能日益成为人们关注的焦点．负载敏感液压系统的出现使得这一问题得到解决，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［1－4]．

虽然目前负载敏感泵在国内企业得到大量的应用，但是很多都依赖从国外进口，国产的负载敏感泵在技术水平方面与国外存在着一定的差距．本文根据注塑机的工况和节能要求建立AMESim仿真模型，通过对参数的反复调试运行，得出符合注塑机工况要求的相关参数，对负载变化对系统恒流特性的影响和负载敏感阀阀芯面积对系统动态性能的影响进行仿真研究，为负载敏感泵的设计和参数优化提供理论依据和参考．

1 负载敏感系统的构建及其节能原理

传统定量泵液压系统的功率消耗主要由三部分组成：负载消耗功率、节流损失功率和溢流损失功率［2]．负载所消耗功率为有用功率，节流和溢流所损失的功率为无用功率．由此可见，要想提高系统的效率，必须降低系统的节流损失和溢流损失．节流损失主要是由节流阀两端的压差（泵的出口压力与负载压力之差）所造成的，溢流损失主要是由泵输出的流量相对负载所需要的流量产生过剩而引起的［1－2]．如果泵所输出的压力和流量能够根据负载所需要的压力和流量的变化而变化，而不产生过剩，也就是说泵的输出功率与负载所需要的功率相匹配，就可以大大降低系统的能量损失［1－4]．结合注塑机的工况要求，建立的负载敏感系统方案如图1所示．

图1 负载敏感系统方案

该系统的主要优点是流量调节和压力调节分别采用了负载敏感阀和恒压阀，可以根据不同的要求合理选取参数，所以具有良好的稳态控制特性，而且该系统还可以实现保压压力可调．

（1）负载压力小于比例压力阀的设定压力，系统处于恒流阶段．流量调节是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的规律变化，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．

当系统处于流量控制工况时，若负载变化使比例节流阀5两端的压差ΔP增大或减小，就会导致负载敏感阀7阀芯右移或左移，使泵的输出流量相应变化，最终泵的输出流量保持恒定．比例节流阀调定后，系统即处于恒流状态，负载变化不影响系统流量［4]．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．

（2）负载压力大于比例压力阀的设定压力，系统处于恒压阶段．当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［5]．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［6－7]．

（3）在复合调节过程中液阻R1、R2、R3的调节原理．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的通路以及相应的带液阻R2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影响．例如在恒压控制情况下，当P－A连通时，即排量减少的控制过程，变量控制油进入变量大缸可视为C型半桥控制，先经恒压阀阀口可变液阻，并联一个由R1、R2、R3三者串并联形成的固定液阻的控制，适当降低了控制增益，提高了稳定性．当A－T连通时，即排量增大的控制过程，变量大缸排出的油液经恒压阀阀口与R1、R2、R3三者串并联形成的液阻，提高了快速性和稳定性．当进行压力流量复合控制时，特别是在压力流量的交叉点，恒压阀可能经常会出现左右位过渡转换，或可能暂停于中位．如图1所示的布局，来自负载敏感阀这种置于恒压阀前面的控制阀来的信号，由于存在从E点经液阻R1到A口的通道，就可不受恒压阀T－A口的遮盖、过渡情况等的影响，实现了改善性能的准零遮盖效应［8]．

2 负载敏感系统的AMESim仿真模型及参数设置

根据图1所示的方案，建立如图2所示的负载敏感系统仿真模型，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，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 负载敏感系统仿真分析

3．1 负载压力变化时，系统恒流特性仿真分析

首先调节图2中负载压力设置阀9，使负载压力变化如图3所示，在0．3s时负载压力由10MPa上升到12MPa，在0．6s时负载压力由12MPa下降到10MPa，设定比例节流阀开口度为60%，此时负载所需要的流量和为60L／min，仿真时间为1s，开始仿真．由图4可以看出当负载压力在0．3s和0．6s发生变化时，泵的输出流量经过短暂的调整后又恢复到原来的恒流值，所以比例节流阀开度设定后，负载压力变化不影响泵的输出流量，可以实现系统流量的恒定，满足负载对速度的要求．

图2 负载敏感系统仿真模型

3．2 负载敏感阀阀芯面积对系统动态性能的影响

首先设定负载压力为10MPa，比例节流阀开度为60%，此时负载所需流量为60L／min，负载敏感阀阀芯直径分别为6．5mm、8mm、10mm、12mm，利用软件的批处理运行功能对泵的输出流量进行仿真，仿真时间为0．5s．

图3 负载压力的变化

为了便于分析，对图5泵的输出流量曲线进行局部放大得到图6所示的放大图．图5和图6中曲线1、2、3、4分别表示负载敏感阀阀芯直径为6．5mm、8mm、10mm、12mm时泵的输出流量的变化曲线．由图6可以看出当负载敏感阀阀芯直径由6．5mm、8mm、10mm、12mm依次增大时调整时间逐渐增大，泵的输出流量由稳定变得不稳定，当负载敏感阀直径增大到12mm时出现等幅震荡．由此可以看出，负载敏感阀阀芯面积对系统的稳定性有重要的影响．由图6可知负载敏感阀阀芯直径不宜选取过大，一般取6mm左右，否则影响系统的稳定，本文选取6．5mm．