劉 軍，劉軍營，譚志峰，王建香

（山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東淄博255091）

注塑機(jī)最主要的耗能部分是動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，傳統(tǒng)的定量泵液壓系統(tǒng)在注塑機(jī)的一個(gè)生產(chǎn)周期內(nèi)有著很大的溢流和節(jié)流損失，這與節(jié)能環(huán)保的生產(chǎn)要求相違背，所以注塑機(jī)節(jié)能日益成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)．負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)的出現(xiàn)使得這一問題得到解決，與傳統(tǒng)的定量泵液壓系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)能夠自適應(yīng)負(fù)載壓力和流量的要求，使泵的輸出功率與負(fù)載所需要的功率相匹配，大大降低了能耗損失［1－4]．

雖然目前負(fù)載敏感泵在國內(nèi)企業(yè)得到大量的應(yīng)用，但是很多都依賴從國外進(jìn)口，國產(chǎn)的負(fù)載敏感泵在技術(shù)水平方面與國外存在著一定的差距．本文根據(jù)注塑機(jī)的工況和節(jié)能要求建立AMESim仿真模型，通過對(duì)參數(shù)的反復(fù)調(diào)試運(yùn)行，得出符合注塑機(jī)工況要求的相關(guān)參數(shù)，對(duì)負(fù)載變化對(duì)系統(tǒng)恒流特性的影響和負(fù)載敏感閥閥芯面積對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響進(jìn)行仿真研究，為負(fù)載敏感泵的設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)化提供理論依據(jù)和參考．

1 負(fù)載敏感系統(tǒng)的構(gòu)建及其節(jié)能原理

傳統(tǒng)定量泵液壓系統(tǒng)的功率消耗主要由三部分組成：負(fù)載消耗功率、節(jié)流損失功率和溢流損失功率［2]．負(fù)載所消耗功率為有用功率，節(jié)流和溢流所損失的功率為無用功率．由此可見，要想提高系統(tǒng)的效率，必須降低系統(tǒng)的節(jié)流損失和溢流損失．節(jié)流損失主要是由節(jié)流閥兩端的壓差（泵的出口壓力與負(fù)載壓力之差）所造成的，溢流損失主要是由泵輸出的流量相對(duì)負(fù)載所需要的流量產(chǎn)生過剩而引起的［1－2]．如果泵所輸出的壓力和流量能夠根據(jù)負(fù)載所需要的壓力和流量的變化而變化，而不產(chǎn)生過剩，也就是說泵的輸出功率與負(fù)載所需要的功率相匹配，就可以大大降低系統(tǒng)的能量損失［1－4]．結(jié)合注塑機(jī)的工況要求，建立的負(fù)載敏感系統(tǒng)方案如圖1所示．

圖1 負(fù)載敏感系統(tǒng)方案

該系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是流量調(diào)節(jié)和壓力調(diào)節(jié)分別采用了負(fù)載敏感閥和恒壓閥，可以根據(jù)不同的要求合理選取參數(shù)，所以具有良好的穩(wěn)態(tài)控制特性，而且該系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)保壓壓力可調(diào)．

（1）負(fù)載壓力小于比例壓力閥的設(shè)定壓力，系統(tǒng)處于恒流階段．流量調(diào)節(jié)是以泵的實(shí)際輸出流量為控制目標(biāo)，此時(shí)除了在比例節(jié)流閥一定的輸入信號(hào)下泵輸出相應(yīng)的流量而不受負(fù)載壓力變化的影響外，還能通過比例節(jié)流閥改變其輸入信號(hào)，使泵輸出的流量按照一定的規(guī)律變化，以適應(yīng)負(fù)載速度的要求．液壓泵提供與執(zhí)行負(fù)載相匹配的壓力和流量．液壓系統(tǒng)中不產(chǎn)生壓力和流量的過剩，因而系統(tǒng)具有顯著的節(jié)能效果．

當(dāng)系統(tǒng)處于流量控制工況時(shí)，若負(fù)載變化使比例節(jié)流閥5兩端的壓差ΔP增大或減小，就會(huì)導(dǎo)致負(fù)載敏感閥7閥芯右移或左移，使泵的輸出流量相應(yīng)變化，最終泵的輸出流量保持恒定．比例節(jié)流閥調(diào)定后，系統(tǒng)即處于恒流狀態(tài)，負(fù)載變化不影響系統(tǒng)流量［4]．泵的輸出壓力僅比負(fù)載壓力高出比例節(jié)流閥5兩端的壓差ΔP．

（2）負(fù)載壓力大于比例壓力閥的設(shè)定壓力，系統(tǒng)處于恒壓階段．當(dāng)注塑機(jī)注射完畢進(jìn)入保壓狀態(tài)時(shí)，在前置式節(jié)流器D的作用下，恒壓閥6的閥芯右移，使變量泵的排量迅速降低到接近于0，此時(shí)系統(tǒng)在高壓小流量下工作，從而避免了傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)高壓溢流損失，同時(shí)泵的輸出壓力不再上升，避免了設(shè)備的損壞，保護(hù)了系統(tǒng)元件［5]．各工作順序中壓力和流量值的設(shè)定、保壓和動(dòng)作轉(zhuǎn)換的時(shí)間都可以通過計(jì)算機(jī)來控制［6－7]．

（3）在復(fù)合調(diào)節(jié)過程中液阻R1、R2、R3的調(diào)節(jié)原理．在最靠近變量大缸的恒壓閥A－T通路之間，并聯(lián)了一個(gè)帶液阻R1的通路以及相應(yīng)的帶液阻R2和R3的通路．這種布局，給變量控制及系統(tǒng)運(yùn)行在快速性、穩(wěn)定性等多方面帶來有利影響．例如在恒壓控制情況下，當(dāng)P－A連通時(shí)，即排量減少的控制過程，變量控制油進(jìn)入變量大缸可視為C型半橋控制，先經(jīng)恒壓閥閥口可變液阻，并聯(lián)一個(gè)由R1、R2、R3三者串并聯(lián)形成的固定液阻的控制，適當(dāng)降低了控制增益，提高了穩(wěn)定性．當(dāng)A－T連通時(shí)，即排量增大的控制過程，變量大缸排出的油液經(jīng)恒壓閥閥口與R1、R2、R3三者串并聯(lián)形成的液阻，提高了快速性和穩(wěn)定性．當(dāng)進(jìn)行壓力流量復(fù)合控制時(shí)，特別是在壓力流量的交叉點(diǎn)，恒壓閥可能經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)左右位過渡轉(zhuǎn)換，或可能暫停于中位．如圖1所示的布局，來自負(fù)載敏感閥這種置于恒壓閥前面的控制閥來的信號(hào)，由于存在從E點(diǎn)經(jīng)液阻R1到A口的通道，就可不受恒壓閥T－A口的遮蓋、過渡情況等的影響，實(shí)現(xiàn)了改善性能的準(zhǔn)零遮蓋效應(yīng)［8]．

2 負(fù)載敏感系統(tǒng)的AMESim仿真模型及參數(shù)設(shè)置

根據(jù)圖1所示的方案，建立如圖2所示的負(fù)載敏感系統(tǒng)仿真模型，其中負(fù)載敏感閥、恒壓閥、變量缸由HCD（液壓元件設(shè)計(jì)庫模塊）構(gòu)建而成，通過反復(fù)調(diào)試仿真模型，將其優(yōu)化參數(shù)設(shè)置如下：電機(jī)額定轉(zhuǎn)速1 000r／min、變量泵最大排量100L／min、比例節(jié)流閥設(shè)定壓差1．5MPa、恒壓閥閥芯直徑6．5mm、負(fù)載敏感閥閥芯直徑6．5mm、負(fù)載敏感閥彈簧預(yù)壓力49．75N、恒壓閥彈簧預(yù)緊力5N、變量大缸直徑50mm、變量小缸直徑20mm、液壓油工作溫度40℃、液壓油密度850kg／m3．

3 負(fù)載敏感系統(tǒng)仿真分析

3．1 負(fù)載壓力變化時(shí)，系統(tǒng)恒流特性仿真分析

首先調(diào)節(jié)圖2中負(fù)載壓力設(shè)置閥9，使負(fù)載壓力變化如圖3所示，在0．3s時(shí)負(fù)載壓力由10MPa上升到12MPa，在0．6s時(shí)負(fù)載壓力由12MPa下降到10MPa，設(shè)定比例節(jié)流閥開口度為60%，此時(shí)負(fù)載所需要的流量和為60L／min，仿真時(shí)間為1s，開始仿真．由圖4可以看出當(dāng)負(fù)載壓力在0．3s和0．6s發(fā)生變化時(shí)，泵的輸出流量經(jīng)過短暫的調(diào)整后又恢復(fù)到原來的恒流值，所以比例節(jié)流閥開度設(shè)定后，負(fù)載壓力變化不影響泵的輸出流量，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)流量的恒定，滿足負(fù)載對(duì)速度的要求．

圖2 負(fù)載敏感系統(tǒng)仿真模型

3．2 負(fù)載敏感閥閥芯面積對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響

首先設(shè)定負(fù)載壓力為10MPa，比例節(jié)流閥開度為60%，此時(shí)負(fù)載所需流量為60L／min，負(fù)載敏感閥閥芯直徑分別為6．5mm、8mm、10mm、12mm，利用軟件的批處理運(yùn)行功能對(duì)泵的輸出流量進(jìn)行仿真，仿真時(shí)間為0．5s．

圖3 負(fù)載壓力的變化

為了便于分析，對(duì)圖5泵的輸出流量曲線進(jìn)行局部放大得到圖6所示的放大圖．圖5和圖6中曲線1、2、3、4分別表示負(fù)載敏感閥閥芯直徑為6．5mm、8mm、10mm、12mm時(shí)泵的輸出流量的變化曲線．由圖6可以看出當(dāng)負(fù)載敏感閥閥芯直徑由6．5mm、8mm、10mm、12mm依次增大時(shí)調(diào)整時(shí)間逐漸增大，泵的輸出流量由穩(wěn)定變得不穩(wěn)定，當(dāng)負(fù)載敏感閥直徑增大到12mm時(shí)出現(xiàn)等幅震蕩．由此可以看出，負(fù)載敏感閥閥芯面積對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性有重要的影響．由圖6可知負(fù)載敏感閥閥芯直徑不宜選取過大，一般取6mm左右，否則影響系統(tǒng)的穩(wěn)定，本文選取6．5mm．

圖4 泵輸出流量的變化

圖5 泵的輸出流量

圖6 圖5的局部放大圖

4 結(jié)束語

由仿真分析可知：當(dāng)比例節(jié)流閥開口一定時(shí)，系統(tǒng)的流量不受負(fù)載變化的影響，具有良好的恒流特性，滿足負(fù)載速度的要求．負(fù)載敏感閥閥芯面積對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有重要的影響，閥芯直徑不宜選取過大，一般取6mm左右，否則影響系統(tǒng)的穩(wěn)定．理論和仿真分析可以為以后負(fù)載敏感系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)．

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