膈膜油缸快速加壓過程的數(shù)值仿真與實驗研究

梅曉宇 ，項福保 ，姜 濤

（1.同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 201804；2.寧波通用塑料機(jī)械制造有限公司，浙江寧波 315155）

隨著我國工業(yè)化水平的不斷提高，越來越多的產(chǎn)品對注塑設(shè)備的響應(yīng)速度及穩(wěn)定性提出更高的要求[1,2]，目前采用的合模油缸結(jié)構(gòu)，由于活塞與油缸筒有間隙，拉桿只是一端和活塞連接，另一端是懸空狀態(tài)，這就造成拉桿的下垂，增大了活塞和油缸筒之間的間隙，造成漏油（如圖1所示）。常規(guī)的油缸一般由四根拉桿穿過動模板和定模板,拉桿與鎖模活塞連接；動模板與四根拉桿自由通過，通過滑腳導(dǎo)向，動模板在快速油缸的作用下快速移動，當(dāng)動模板移動到預(yù)定位置后，抱閘螺母抱緊拉桿，高壓油進(jìn)入增壓腔，實現(xiàn)高壓鎖模。反之，高壓油進(jìn)入開模腔，實現(xiàn)開模動作。由于鎖?；钊c鎖模油缸筒有密封件間隙，而另一端是懸空狀態(tài)，這就造成拉桿螺紋端的下垂，增大了鎖?；钊玩i模油缸筒之間的間隙，造成漏油。高壓開模時，在模具脫離脹模力的瞬間，動模板沖擊很大[3,4]。

圖1 常規(guī)二板機(jī)合模機(jī)構(gòu)

在解決漏油問題上，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量豐富的研究[5～9]。不難發(fā)現(xiàn)，就目前而言，大多只是通過使用性能更好的密封件和提高各個部件的加工精度來緩解泄漏的程度。較為先進(jìn)的伺服節(jié)能內(nèi)循環(huán)二板式合模結(jié)構(gòu)，避免了大量的液壓油循環(huán)引起的移模背壓，以此提高快速缸的速度和減少能量損耗[10,11]，但這種控制方法也并不能解決泄漏問題，且該合模機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，大大降低了合模機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度[12]。

圖2 新型二板機(jī)合模機(jī)構(gòu)

針對以上研究中的不足之處，本文以某型二板式注塑機(jī)為例，采用膈膜油缸鎖模單元，通過對加壓過程的數(shù)值仿真，分析預(yù)沖氣壓和鎖模力以及開模背壓的關(guān)系，通過液壓測試平臺實驗驗證抗泄漏能力。

表1 膈膜油缸參數(shù)

1 膈膜油缸的結(jié)構(gòu)與工作過程

1.1 膈膜油缸的結(jié)構(gòu)

改進(jìn)后的合模結(jié)構(gòu)及鎖模油缸主要由缸筒、活塞、前蓋、后蓋、膈膜、傘形閥、彈簧、沖液接頭、補(bǔ)氣閥、限位板等部分組成（如圖2所示）。

油缸整體固定于動模板上，通過限位板與模具固定板連接。活塞與前蓋構(gòu)成開模腔，與缸筒構(gòu)成增壓腔，腔內(nèi)安裝膈膜。膈膜內(nèi)一端連接沖液接頭，另一側(cè)與活塞做非固定接觸，傘形閥固定于沖液接頭油口處，通過彈簧封閉油口。在結(jié)束充液時自動關(guān)，對膈膜有保護(hù)作用，非單向閥。前蓋安裝充氣閥，閥門與氣罐連接。該膈膜油缸的具體參數(shù)如表1所示。

1.2 膈膜油缸工作過程

膈膜油缸在工作之前，開模腔預(yù)沖高壓氮?dú)?，氣體體積由限位板控制。當(dāng)高壓油進(jìn)入沖液接頭后，傘形閥打開，高壓油進(jìn)入膈膜推動活塞，實現(xiàn)高壓鎖模的同時壓縮高壓氮?dú)?；反之，高壓油泄壓，在高壓氮?dú)獾淖饔孟?，活塞后退，實現(xiàn)開模的同時，膈膜油缸內(nèi)的油被排出。利用油氣增壓原理，在初始位置時，氣腔沖入一定壓力的氣體。合模時，伺服泵對膈膜沖液使膈膜膨脹，推動活塞，壓縮氣腔的高壓氣體。實現(xiàn)合模的同時，為開模儲存動力。保壓結(jié)束，需要開模時，壓縮空氣推動活塞有桿腔，帶動公模，實現(xiàn)開模。在開模過程中，由比例溢流閥，按預(yù)設(shè)壓力提供開模背壓。預(yù)沖氣壓過低，則活塞無法退回到起始位置，預(yù)沖氣壓過高，容易造成開模的沖擊。

伺服定量泵通過伺服電機(jī)驅(qū)動，經(jīng)單向閥給膈膜沖液，實現(xiàn)合模。開模時，油泵停止輸出，壓縮空氣推動活塞開模，由比例溢流閥提供背壓。膈膜油缸控制工作原理如圖3所示。

2 加壓過程的AMESim仿真

2.1 系統(tǒng)模型構(gòu)建

圖4所示為采用AMESim對快速加壓過程的仿真模型。為準(zhǔn)確模擬膈膜油缸的工作性能，本次數(shù)值仿真的參數(shù)取與實際情況相同，參照表1所示，在系統(tǒng)建立過程中，快速加壓流程按圖3所示的控制工作原理。

圖3 膈膜油缸控制工作原理

圖4 AMESim仿真系統(tǒng)模型圖

2.2 仿真結(jié)果分析

系統(tǒng)仿真的合模力、比例溢流閥壓力、氣腔壓力及活塞的行程隨時間的變化曲線如圖5～7所示。

由圖5~7可知，在本次仿真模型中，由于設(shè)定的控制信號是線性的，初始時刻活塞未動，系統(tǒng)壓力急速上升到與沖氣壓力相同的壓力值，隨著壓縮行程的增加，由氣態(tài)方程決定，被壓縮氣體壓力上升速度超過系統(tǒng)壓力，2秒后在系統(tǒng)壓力上升到164bar時，達(dá)到額定鎖模力，進(jìn)入保壓階段。5秒后開模，比例溢流閥從預(yù)設(shè)壓力164bar，線性下降到0bar時，活塞回到起始位置，完成開模。從曲線可以看出，油液和氣體的壓力上升都是非線性的，背壓的預(yù)設(shè)值和鎖模壓力相同，實現(xiàn)從高壓鎖模到開模背壓的零跳躍。

圖5 系統(tǒng)壓力、氣腔壓力隨時間的變化

圖6 油缸行程隨時間的變化規(guī)律

圖7 回油背壓隨時間的變化規(guī)律

3 膈膜油缸實驗

為驗證仿真模型的科學(xué)性和仿真數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需根據(jù)仿真數(shù)據(jù)設(shè)置油缸的控制參數(shù)，通過分析實驗測試的數(shù)據(jù)，從而驗證膈膜油缸是否在可控范圍之內(nèi)。

3.1 實驗設(shè)計

為獲得與實際使用工況同等的實驗值，采取YE230W臥式應(yīng)變測試系統(tǒng)，如圖8所示。

測試系統(tǒng)包括被測試的模型和相關(guān)調(diào)試部件。測試臺包括動力單元，快速移模單元，油溫控制單元等。電機(jī)、油泵為沖液提供設(shè)定的壓力和流量；各個截止閥實現(xiàn)合模、開模、增壓、沖液等動作；快速移模單元，模擬快速油缸，實現(xiàn)移模動作，冷卻器采用溫度閉環(huán)，控制油溫。數(shù)據(jù)采集設(shè)備如圖9，包括鎖模力感應(yīng)模塊，應(yīng)變量測試模塊，計時模塊，壓力傳感器等。

圖8 YE230W臥式應(yīng)變測試系統(tǒng)

圖9 數(shù)據(jù)采集設(shè)備

本文沖液的壓力值采用壓力傳感器閉環(huán)控制，流量開環(huán)控制。測試系統(tǒng)采用伊士通軟件實現(xiàn)自動化控制。根據(jù)仿真條件，對測試設(shè)備調(diào)定參數(shù)，對單個模型測試。目標(biāo)鎖模力為100kN。

3.2 實驗結(jié)果分析

3.2.1 鎖模力實際值

表2為鎖模力實際值和計算值，測試與計算基本接近。從額定鎖模力實際值可以發(fā)現(xiàn)，其較計算值偏小。主要原因可能為：（1）管路的壓力損失，從出油口到油缸進(jìn)油口，油管為通徑長2m的管子連接，測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致壓力傳感器測定的是泵出口壓力。（2）壓縮氣體的各個參數(shù)選擇和理論值有差別。

表2 鎖模力實際值

表3 600模鎖模力測試數(shù)據(jù)

表4 沖擊壓力最大值的比較

3.2.2 鎖模力下降測試

對600模鎖模力記錄數(shù)據(jù)分析，如表3所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，在保證系統(tǒng)壓力恒定輸出前提下，鎖模力前期不穩(wěn)定。這是由于油溫不均勻所致，400模后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，在達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，實驗過程中可以通過軟件程序做壓力補(bǔ)償。

3.2.3 開模背壓測試

開模背壓設(shè)定值與實際壓力沖擊最大值比較，如表4所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，測試數(shù)據(jù)大于仿真數(shù)值。產(chǎn)生該現(xiàn)象的主要原因為：（1）負(fù)載取值偏小，忽略了測試設(shè)備的質(zhì)量。（2）閥的開啟關(guān)閉有延時現(xiàn)象，導(dǎo)致壓力的過沖。

4 結(jié)論

本文以某型二板式注塑機(jī)為例，采用膈膜式膈膜油缸鎖模單元，通過對加壓過程的數(shù)值仿真，分析預(yù)沖氣壓和鎖模力以及開模背壓的關(guān)系，通過液壓測試平臺實驗驗證抗泄漏能力。取得的主要結(jié)論有：

（1）采用膈膜油缸作為傳遞介質(zhì)，解決膈膜油缸的實際控制問題的方法，通過設(shè)計開模背壓控制的試驗仿真測試，獲得控制減小沖擊的背壓數(shù)據(jù)。

（2）初始時刻活塞未動，系統(tǒng)壓力急速上升到與沖氣壓力相同的壓力值，隨著壓縮行程的增加，油液和氣體的壓力上升都是非線性的，背壓的預(yù)設(shè)值和鎖模壓力相同，實現(xiàn)從高壓鎖模到開模背壓的零跳躍。

（3）依托實驗測試數(shù)據(jù)，對比數(shù)值仿真計算結(jié)果，驗證了論文分析結(jié)果的可靠性，將此模型以及油缸參數(shù)應(yīng)用于內(nèi)增壓式二板機(jī)的合模機(jī)構(gòu)，具有可工程化的應(yīng)用價值。

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