恒壓變流量供油注塑機液壓系統的研究

廖輝，王青林，黃崇林

(1.廣東石油化工學院，廣東茂名525000;2.商丘技師學院，河南商丘476000)

液壓系統是注塑機最常用的動力驅動系統。為了保證注塑機各階段的準確動作，利用比例閥控制液壓缸作為液壓驅動系統，可得到較高的壓力和流量控制精度，并且目前市場上注塑機大多數均采取這樣一種控制方式，這種傳統的比例閥控制液壓缸的液壓驅動系統能量消耗巨大。

采取比例閥控液壓系統是在恒定流量情況下對系統參數進行控制，實現液壓系統的位移和壓力的快速調整，其響應速度快。但是要保持恒定流量時，油泵電機需要定速運行，定量泵提供的液壓油在高壓和大流量狀態下會消耗大量的系統能量。為了降低注塑機運行過程中的能耗，注塑機節能控制技術一直是該領域研究的重點［1－4］。國內的注塑機液壓系統將閥控改為泵控，即是把液壓注塑機液壓系統改為伺服電機或變頻電機驅動定量泵控制，使系統在不同的工況其流量輸出得到滿足而不造成過多的浪費［5－6］。但泵控方式不能解決油缸的低壓高速運動或者高壓低速移動問題。如注塑機在大扭矩移動的快速鎖模和保壓、射膠低速大扭矩移動等工藝中，伺服定量泵的流量與壓力控制難以有效地分解，使系統的流量和壓力難以得到準確的控制，使系統控制不能滿足工藝要求。

1 定量泵注塑機

目前，多數注塑機采取液壓作為動力驅動系統，屬于液壓傳動注塑機。液壓傳動系統中由電機驅動油泵進行供油，當泵的輸出量不可改變時，油泵輸出量與轉速成正比［7］。根據注塑成型工藝，其注塑過程可分為鎖模、射膠、保壓、熔膠、冷卻、開模和頂出等［8］。由于注塑保壓和射膠的需要，不同注塑工藝需要相應的流量和壓力，注塑過程中液壓驅動系統是處于壓力和流量變化的狀態。因此，在不同的工序下，注塑系統需要對不同的流量和壓力進行控制。如在快速合模時，液壓泵輸出的油液是低壓力、大流量，如采取如圖1所示的液壓系統，需要將節流閥打開以達到最大的供油量;而在慢速、高壓合模時需要油液壓力高、流量小，此時，需要將節流閥閥口減小，以達到減小系統供油量的目的，系統多余的高壓油液便通過溢流閥流回油箱，造成能量損失。

圖1 注塑機定量泵供油系統

2 恒壓力變流量液壓泵系統

為了減少定量泵在不需要大流量供給時造成的能量損失，目前，多采取容積式調速，即是對系統輸出流量進行控制，這種調控方式多采取變量泵作為注塑機的驅動元件。這種調控方式對于定量泵注塑機有明顯的節能效果。如圖2，該系統由負載敏感型比例變量柱塞泵、比例溢流閥、比例調速閥、壓力反饋閥、流量反饋閥等部分組成。

圖2 變流量液壓泵系統

變量泵在電機的驅動下實現流量的控制，并在此基礎上增加壓力調節環節，使供油系統可根據系統需要輸出所需要的流量，并經過壓力控制環節對泵輸出的壓力進行調節，實現對不同流量的恒定壓力供油輸出。

考慮到恒壓力變量泵反應的快速性，恒壓供油系統采用比例電磁鐵控制閥，其中一端與閥剛性連接，通過控制比例電磁鐵的輸出力控制油源的輸出壓力，另一端與調壓彈簧相連，利用調壓彈簧調節油源輸出壓力大小，其結構如圖2所示。

恒壓力變量供油系統能夠根據系統流量要求調節泵源輸出壓力。當要求較小供油壓力時，系統輸出相應的控制電流，驅動電磁閥閥芯運動，此時，調壓彈簧的彈簧力和電磁鐵輸出力的合力小于流量控制閥控制油源的液壓力，閥芯右移，壓力油進入活塞左端，推動泵的變量機構，使變量泵的排量減小，輸出流量減小，從而降低泵源的工作壓力。當流量控制閥控制油源的壓力等于電磁鐵輸出力與彈簧力的合力時，流量控制閥關閉，調壓過程結束。當系統要求供油壓力增加時，泵源輸出壓力升高。

由于注塑機在不同的工序要求得到不同的壓力和流量，恒壓力變量泵將兩者結合起來，減小油路中的節流及溢流油液的損失，從而減小系統的能量損失，并可根據壓力和流量的要求對供油壓力和流量進行精確的控制。系統如圖3所示。

圖3 恒壓力變量泵結構

3 定量供油與恒壓力變量供油系統耗能比較

在系統不需要供油時，大量的油液經過溢流閥流回油箱，浪費了大量的能源。而調壓型智能泵可根據負載的大小對輸出油源壓力和流量進行調節，保證液壓油的壓力和流量可滿足負載的需要。為了研究這兩種供油方式的壓力及流量的關系，根據供油原理圖1和圖2 建立仿真模型。仿真模型如圖4所示。

圖4 變流量泵供油系統仿真模型

根據注塑機工作壓力的實際情況，設定注塑泵在進行工作，液壓缸的直徑為35 mm，溢流閥設定壓力為2 MPa，負載為4 000 N，其仿真結果如圖5所示。

圖5 定量泵供油系統壓力與時間的關系

圖5 表明:負載出現周期性變化時，系統的輸出壓力也隨之變化，但在負載很小時，系統的壓力只能通過溢流閥釋放掉。

當采取調壓型智能泵對系統進行供油時，其輸出壓力如圖6所示。可以看出:壓力在各個時間段均是變化的，在開始階段(0～2 s)，由于彈簧的存在，使得系統供油壓力有一個快速上升過程，到達最高壓力時，系統能量消耗下降，主要是由于系統的供油輸出減少，因此，系統能量消耗減小。

圖6 變量泵供油系統功率的變化

4 結論

采取定量泵和恒壓力變量泵兩種方案的能耗對比試驗表明:恒壓力變量供油是在壓力滿足使用條件下對輸出的流量進行控制，減少了流量的消耗，從而使得系統的能量消耗大大減少;而定量泵供油的方式能耗較大，尤其是耗能較大的注塑機消耗大量的能源。恒壓力變量泵采用變流量控制系統的流量，實現了驅動功率與執行機構自適應匹配控制，消除了溢流損耗和節流損耗。

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