膈膜油缸快速加压过程的数值仿真与实验研究

梅晓宇 ，项福保 ，姜 涛

（1.同济大学 机械与能源工程学院，上海 201804；2.宁波通用塑料机械制造有限公司，浙江宁波 315155）

随着我国工业化水平的不断提高，越来越多的产品对注塑设备的响应速度及稳定性提出更高的要求[1,2]，目前采用的合模油缸结构，由于活塞与油缸筒有间隙，拉杆只是一端和活塞连接，另一端是悬空状态，这就造成拉杆的下垂，增大了活塞和油缸筒之间的间隙，造成漏油（如图1所示）。常规的油缸一般由四根拉杆穿过动模板和定模板,拉杆与锁模活塞连接；动模板与四根拉杆自由通过，通过滑脚导向，动模板在快速油缸的作用下快速移动，当动模板移动到预定位置后，抱闸螺母抱紧拉杆，高压油进入增压腔，实现高压锁模。反之，高压油进入开模腔，实现开模动作。由于锁模活塞与锁模油缸筒有密封件间隙，而另一端是悬空状态，这就造成拉杆螺纹端的下垂，增大了锁模活塞和锁模油缸筒之间的间隙，造成漏油。高压开模时，在模具脱离胀模力的瞬间，动模板冲击很大[3,4]。

图1 常规二板机合模机构

在解决漏油问题上，国内外学者进行了大量丰富的研究[5～9]。不难发现，就目前而言，大多只是通过使用性能更好的密封件和提高各个部件的加工精度来缓解泄漏的程度。较为先进的伺服节能内循环二板式合模结构，避免了大量的液压油循环引起的移模背压，以此提高快速缸的速度和减少能量损耗[10,11]，但这种控制方法也并不能解决泄漏问题，且该合模机构的结构复杂，大大降低了合模机构的强度和刚度[12]。

图2 新型二板机合模机构

针对以上研究中的不足之处，本文以某型二板式注塑机为例，采用膈膜油缸锁模单元，通过对加压过程的数值仿真，分析预冲气压和锁模力以及开模背压的关系，通过液压测试平台实验验证抗泄漏能力。

表1 膈膜油缸参数

1 膈膜油缸的结构与工作过程

1.1 膈膜油缸的结构

改进后的合模结构及锁模油缸主要由缸筒、活塞、前盖、后盖、膈膜、伞形阀、弹簧、冲液接头、补气阀、限位板等部分组成（如图2所示）。

油缸整体固定于动模板上，通过限位板与模具固定板连接。活塞与前盖构成开模腔，与缸筒构成增压腔，腔内安装膈膜。膈膜内一端连接冲液接头，另一侧与活塞做非固定接触，伞形阀固定于冲液接头油口处，通过弹簧封闭油口。在结束充液时自动关，对膈膜有保护作用，非单向阀。前盖安装充气阀，阀门与气罐连接。该膈膜油缸的具体参数如表1所示。

1.2 膈膜油缸工作过程

膈膜油缸在工作之前，开模腔预冲高压氮气，气体体积由限位板控制。当高压油进入冲液接头后，伞形阀打开，高压油进入膈膜推动活塞，实现高压锁模的同时压缩高压氮气；反之，高压油泄压，在高压氮气的作用下，活塞后退，实现开模的同时，膈膜油缸内的油被排出。利用油气增压原理，在初始位置时，气腔冲入一定压力的气体。合模时，伺服泵对膈膜冲液使膈膜膨胀，推动活塞，压缩气腔的高压气体。实现合模的同时，为开模储存动力。保压结束，需要开模时，压缩空气推动活塞有杆腔，带动公模，实现开模。在开模过程中，由比例溢流阀，按预设压力提供开模背压。预冲气压过低，则活塞无法退回到起始位置，预冲气压过高，容易造成开模的冲击。

伺服定量泵通过伺服电机驱动，经单向阀给膈膜冲液，实现合模。开模时，油泵停止输出，压缩空气推动活塞开模，由比例溢流阀提供背压。膈膜油缸控制工作原理如图3所示。

2 加压过程的AMESim仿真

2.1 系统模型构建

图4所示为采用AMESim对快速加压过程的仿真模型。为准确模拟膈膜油缸的工作性能，本次数值仿真的参数取与实际情况相同，参照表1所示，在系统建立过程中，快速加压流程按图3所示的控制工作原理。

图3 膈膜油缸控制工作原理

图4 AMESim仿真系统模型图

2.2 仿真结果分析

系统仿真的合模力、比例溢流阀压力、气腔压力及活塞的行程随时间的变化曲线如图5～7所示。

由图5~7可知，在本次仿真模型中，由于设定的控制信号是线性的，初始时刻活塞未动，系统压力急速上升到与冲气压力相同的压力值，随着压缩行程的增加，由气态方程决定，被压缩气体压力上升速度超过系统压力，2秒后在系统压力上升到164bar时，达到额定锁模力，进入保压阶段。5秒后开模，比例溢流阀从预设压力164bar，线性下降到0bar时，活塞回到起始位置，完成开模。从曲线可以看出，油液和气体的压力上升都是非线性的，背压的预设值和锁模压力相同，实现从高压锁模到开模背压的零跳跃。

图5 系统压力、气腔压力随时间的变化

图6 油缸行程随时间的变化规律

图7 回油背压随时间的变化规律

3 膈膜油缸实验

为验证仿真模型的科学性和仿真数据的准确性，需根据仿真数据设置油缸的控制参数，通过分析实验测试的数据，从而验证膈膜油缸是否在可控范围之内。

3.1 实验设计

为获得与实际使用工况同等的实验值，采取YE230W卧式应变测试系统，如图8所示。

测试系统包括被测试的模型和相关调试部件。测试台包括动力单元，快速移模单元，油温控制单元等。电机、油泵为冲液提供设定的压力和流量；各个截止阀实现合模、开模、增压、冲液等动作；快速移模单元，模拟快速油缸，实现移模动作，冷却器采用温度闭环，控制油温。数据采集设备如图9，包括锁模力感应模块，应变量测试模块，计时模块，压力传感器等。

图8 YE230W卧式应变测试系统

图9 数据采集设备

本文冲液的压力值采用压力传感器闭环控制，流量开环控制。测试系统采用伊士通软件实现自动化控制。根据仿真条件，对测试设备调定参数，对单个模型测试。目标锁模力为100kN。

3.2 实验结果分析

3.2.1 锁模力实际值

表2为锁模力实际值和计算值，测试与计算基本接近。从额定锁模力实际值可以发现，其较计算值偏小。主要原因可能为：（1）管路的压力损失，从出油口到油缸进油口，油管为通径长2m的管子连接，测试系统结构导致压力传感器测定的是泵出口压力。（2）压缩气体的各个参数选择和理论值有差别。

表2 锁模力实际值

表3 600模锁模力测试数据

表4 冲击压力最大值的比较

3.2.2 锁模力下降测试

对600模锁模力记录数据分析，如表3所示。可以发现，在保证系统压力恒定输出前提下，锁模力前期不稳定。这是由于油温不均匀所致，400模后达到稳定状态，在达到稳定状态后，实验过程中可以通过软件程序做压力补偿。

3.2.3 开模背压测试

开模背压设定值与实际压力冲击最大值比较，如表4所示。可以发现，测试数据大于仿真数值。产生该现象的主要原因为：（1）负载取值偏小，忽略了测试设备的质量。（2）阀的开启关闭有延时现象，导致压力的过冲。

4 结论

本文以某型二板式注塑机为例，采用膈膜式膈膜油缸锁模单元，通过对加压过程的数值仿真，分析预冲气压和锁模力以及开模背压的关系，通过液压测试平台实验验证抗泄漏能力。取得的主要结论有：

（1）采用膈膜油缸作为传递介质，解决膈膜油缸的实际控制问题的方法，通过设计开模背压控制的试验仿真测试，获得控制减小冲击的背压数据。

（2）初始时刻活塞未动，系统压力急速上升到与冲气压力相同的压力值，随着压缩行程的增加，油液和气体的压力上升都是非线性的，背压的预设值和锁模压力相同，实现从高压锁模到开模背压的零跳跃。

（3）依托实验测试数据，对比数值仿真计算结果，验证了论文分析结果的可靠性，将此模型以及油缸参数应用于内增压式二板机的合模机构，具有可工程化的应用价值。

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