膈膜油缸快速加壓過程的數(shù)值仿真與實(shí)驗(yàn)研究

梅曉宇 ，項(xiàng)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(dòng)模板和定模板,拉桿與鎖模活塞連接；動(dòng)模板與四根拉桿自由通過，通過滑腳導(dǎo)向，動(dòng)模板在快速油缸的作用下快速移動(dòng)，當(dāng)動(dòng)模板移動(dòng)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(shí)現(xiàn)高壓鎖模。反之，高壓油進(jìn)入開模腔，實(shí)現(xiàn)開模動(dòng)作。由于鎖模活塞與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，增大了鎖模活塞和鎖模油缸筒之間的間隙，造成漏油。高壓開模時(shí)，在模具脫離脹模力的瞬間，動(dòng)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(gè)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(tái)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(dòng)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(shí)自動(dòng)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)猓瑲怏w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(dòng)活塞，實(shí)現(xiàn)高壓鎖模的同時(shí)壓縮高壓氮?dú)猓环粗邏河托箟海诟邏旱獨(dú)獾淖饔孟拢钊笸耍瑢?shí)現(xiàn)開模的同時(shí)，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(shí)，氣腔沖入一定壓力的氣體。合模時(shí)，伺服泵對膈膜沖液使膈膜膨脹，推動(dòng)活塞，壓縮氣腔的高壓氣體。實(shí)現(xiàn)合模的同時(shí)，為開模儲(chǔ)存動(dòng)力。保壓結(jié)束，需要開模時(shí)，壓縮空氣推動(dòng)活塞有桿腔，帶動(dòng)公模，實(shí)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(dòng)，經(jīng)單向閥給膈膜沖液，實(shí)現(xiàn)合模。開模時(shí)，油泵停止輸出，壓縮空氣推動(dòng)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(shí)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(shí)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(shí)刻活塞未動(dòng)，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(shí)，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(shí)，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(shí)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(shí)間的變化

圖6 油缸行程隨時(shí)間的變化規(guī)律

圖7 回油背壓隨時(shí)間的變化規(guī)律

3 膈膜油缸實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)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(shí)驗(yàn)測試的數(shù)據(jù)，從而驗(yàn)證膈膜油缸是否在可控范圍之內(nèi)。

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為獲得與實(shí)際使用工況同等的實(shí)驗(yàn)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(tái)包括動(dòng)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(gè)截止閥實(shí)現(xiàn)合模、開模、增壓、沖液等動(dòng)作；快速移模單元，模擬快速油缸，實(shí)現(xiàn)移模動(dòng)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(jì)時(shí)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(gè)模型測試。目標(biāo)鎖模力為100kN。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1 鎖模力實(shí)際值

表2為鎖模力實(shí)際值和計(jì)算值，測試與計(jì)算基本接近。從額定鎖模力實(shí)際值可以發(fā)現(xiàn)，其較計(jì)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(gè)參數(shù)選擇和理論值有差別。

表2 鎖模力實(shí)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。可以發(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(shí)驗(yàn)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(shí)際壓力沖擊最大值比較，如表4所示。可以發(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?yàn)椋海?）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(shí)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(tái)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(shí)際控制問題的方法，通過設(shè)計(jì)開模背壓控制的試驗(yàn)仿真測試，獲得控制減小沖擊的背壓數(shù)據(jù)。

（2）初始時(shí)刻活塞未動(dòng)，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(shí)現(xiàn)從高壓鎖模到開模背壓的零跳躍。

（3）依托實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)，對比數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果，驗(yàn)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(jià)值。

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