（机械电子工程专业论文）基于能量调节的注塑机节能液压系统研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 注塑机的液压节能技术是注塑机科技进步过程中发展的一项新技术。液压驱动的注塑 机在各个成型阶段所需的压力和流量都是变化的，而国内原有注塑机多为定量泵系统，能 量损失非常大。本课题的主要研究目标是为注塑机设计一套有效的液压配置方案，使驱动 系统的输出功率与执行机构的消耗功率达到自适应调节匹配，提高能量利用效率，具有重 要的研究意义，及良好的应用前景。 本文的第1 章，首先说明了注塑成型机器的基本组成和结构，并介绍了一般的注塑工 艺流程。之后阐述了国内外对注塑机节能液压系统领域的研究现状和研究成果，详细列举 了四种最典型的液压节能系统方案及各自的优缺点。之后，简单说明了本课题的研究背景、 研究内容和步骤，并分析了研究意义。 第2 章对四种典型的注塑机液压系统进行了分析，采用a m e s i m 液压仿真软件，对 四种典型系统分别进行了建模仿真研究。从能耗、响应速度、系统整体性能、经济实用性 等方面进行综合的考虑和对比分析仿真结果，最终选定变量泵+ 流量压力控制阀+ 能量调节 单元形式的系统为我们的研发目标。 第3 章设计了系统实现方案，并阐述了其流量及压力控制下的工作原理。首先使用 a m e s i m 软件，建立了整个斜盘式轴向柱塞变量泵的内部结构及外控液压元件的仿真模 型，流量及压力控制的仿真结果验证了该设计的正确性和可行性。之后按照设计方案搭建 了液压及电气实验台架，并对系统中关键液压元件一一变量泵及比例方向流量阀，根据其 使用要求，进行了测试，得到其稳态及动态响应性能及元件的关键参数。试验结果与仿真 结果基本吻合，再次验证了设计方案的正确性与可行性，能够满足系统的设计目标。 第4 章提出了能量调节的控制策略，阐述了在该系统中的实现方案，并搭建了物理仿 真试验平台。详细说明了p l c 软件程序的实现流程和综合调配系统状态及能量供需关系 的计算方法。 第5 章为总结与展望，总结了本论文得出的主要研究结论，并提出了今后的规划步骤 和研究方向。 关键词：注塑机；节能液压系统；能量调节；斜盘式轴向柱塞变量泵；a m e s i m 仿真 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eh y d r a u l i ce n e r g y s a v i n gt e c h n o l o g yo fi n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n e r y ( i m m ) w a sa n e wa d v a n c e m e n td u r i n gt h ep r o g r e s so fi m mt e c h n o l o g y w ek n e wt h ef l o wr a t ea n dp r e s s u r e n e e d e di ne a c hs t e po fi m mw e r ed i f f e r e n t b u tm o s to ft h ed r i v e ns y s t e m si nr e g u l a ri m m n a t i o n a l l yw e r ef i x e dd i s p l a c e m e n tp u m p ，s ot h ep o w e rl o s ew a sc o m p a r a t i v e l yh i g h t h e r e f o r e t h em a i ns u b je c to ft h i sr e s e a r c hw a st od e s i g na ne f f e c t i v eh y d r a u l i cc o n f i g u r a t i o n ，w h i c hc o u l d s e l f - a d a p t i v ea d j u s t m e n tt h er e l a t i o nb e t w e e no u t p u tp o w e r so fd r i v e ns y s t e mw i t hi m p l e m e n t a g e n c i e sa n dt oi m p r o v ee n e r g ye f f i c i e n c y t h i sp r o j e c tw o u l do b t a i ni m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ea n d g o o da p p l i c a t i o np r o s p e c t s c h a p t e r1 i l l u s t r a t e dt h eb a s i cc o m p o n e n t sa n ds t r u c t u r e so fi m m ，a n dn o r m a li n j e c t i o n m o l d i n gp r o c e s s e sw e r ei n t r o d u c e da l s o t h e nr e s e a r c hs t a t u s e sa n dr e s u l t s i nh y d r a u l i c e n e r g y s a v i n g f i e l d so fi m mi na n da b r o a dw e r ei l l u s t r a t e d ，a n dl i s t e df o u r t y p i c a l e n e r g y s a v i n gh y d r a u l i cs y s t e ms o l u t i o n sa n dt h e i rr e s p e c t i v ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e si n d e t a i l s a sf o l l o w s ，t h er e s e a r c hb a c k g r o u n d so ft h i sp r o j e c t ，c o n t e n t sa n dp r o c e d u r e sw i t h a n a l y s i so fr e s e a r c hs i g n i f i c a n c ew e r ed e s c r i b e db r i e f l y i nc h a p t e r2 ，f o u rk i n d so ft y p i c a li m mh y d r a u l i cs y s t e m sw e r ea n a l y s i z e di nd e t a i l a m e s i mh y d r a u l i cs i m u l a t i o ns o f t w a r ew a su s e dt os i m u l a t ea n da n a l y s i st h ef o u rt y p i c a l s y s t e m s f r o mt h ee n e r g yc o n s u m p t i o n ，r e s p o n s es p e e d ，i n t e g r a t e dp e r f o r m a n c e ，a v a i l a b i l i t ya n d o t h e ra s p e c t so fe c o n o m i cc o n s i d e r a t i o n s ，w ea n a l y s i s e da n dc o m p a r e dt h es i m u l a t i o nr e s u l t s f i n a l l y , w em a d et h ed e c i s i o nt h a tt h ev a r i a b l ed i s p l a c e m e n tp u m pw i t hf l o wa n dp r e s s u r e c o n t r o lv a l v e s ，a n da d d e du pw i t ha ne n e r g yr e g u l a t i o nu n i t ( e r u ) w a so u rr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n tt a r g e t c h a p t e r3d e s c r i b e dt h es y s t e mi m p l e m e n t a t i o ns c h e m a t i ca n di t sw o r kp r i n c i p l e su n d e r f l o wa n dp r e s s u r ec o n t r o lc i r c u m s t a n c e sr e s p e c t i v e l y f i r s t l ya m e s i mh y d r a u l i cs i m u l m i o n s o f t w a r ew a sa d o p t e dt os e tu pt h es i m u l a t i o nm o d e l so fe n t i r es w a s hp l a t ea x i a lp i s t o nv a r i a b l e d i s p l a c e m e n tp u m po fi n t e r n a ls t r u c t u r ea n de x t e r n a lh y d r a u l i cc o n t r o lc o m p o n e n t s t h ef l o w r a t ec o n t r o la n dp r e s s u r ec o n t r o ls i m u l a t i o nr e s u l t sv e r i f i e dt h ec o r r e c t n e s sa n df e a s i b i l i t yo ft h i s d e s i g n t h e r e f o r ew ec o u l db u i l du pt h ea c t u a lh y d r a u l i ca n de l e c t r i c a le x p e r i m e n tr i g s a c c o r d a n c ew i t ht h ed e s i g n a n dt h e nt h ek e yc o m p o n e n t si nt h i ss y s t e m ，w h i c hw e r ev a r i a b l e i i l 浙江大学硕：上学位论文 d i s p l a c e m e n tp u m pa n dp r o p o r t i o n a ld i r e c t i o nf l o wr a t ev a l v e ，w e r eb e e nt e s t e da c c o r d i n gt o t h e i ra p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t s t h ep e r f o r m a n c e sa n dk e y p a r a m e t e r so ft h e s ec o m p o n e n t sw e r e o b t a i n e df r o ms t e a d ys t a t e sa n dd y n a m i cr e s p o n s e st e s t s e x p e r i m e n tr e s u l t sw e r eb a s i c a l l y c o n s i s t e n tw i t ht h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h e n c et h ec o r r e c t n e s sa n df l e a b i l i t yo ft h i sd e s i g nw e r e p r o v e do n c ea g a i n ，w h i c hc o u l dm e e tt h ed e s i g ng o a l so ft h i ss y s t e m c h a p t e r4p r o p o s e dt h ee n e r g yr e g u l a t i o nc o n t r o ls t r a t e g y , a n dt h ei m p l e m e n t a t i o no ft h e s y s t e mw a sd e s c r i b e d a l s o a n dp h y s i c a ls i m u l a t i o nt e s tp l a t f o r mw a sc o n s t r u c t e da sf o l l o w s i n t h i sc h a p t e ri m p l e m e n t a t i o np r o c e s s e so fp l cs o f t w a r ep r o g r a m sa n dc a l c u l a t i o nm e t h o d so f i n t e g r a t e dd e p l o y m e n to fe n e r g ys u p p l ya n dd e m a n dw e r ei l l u s t r a t e di nd e t a i l e d t h ec h a p t e r5w a st h ec o n c l u s i o n sa n dp r o s p e c t s t h em a jo rr e s e a r c hc o n c l u s i o n sa n d r e s u l t sw e r es u m m a r i z e di n t h i sc h a p t e r , a n dp r o p o s e dt h ef u t u r ep l a n n i n gs t e p sa n dr e s e a r c h d i r e c t i o n s k e yw o r d s ：i n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n e r y ；e n e r g y s a v i n gh y d r a u l i cs y s t e m ；e n e r g yr e g u l a t i o n s t r a t e g y ；s w a s hp l a t ea x i a lp i s t o nv a r i a b l ed i s p l a c e m e n tp u m p ；a m e s i ms i m u l a t i o n i v 浙江大学硕上学位论文 符号清单、术语表 比例方向流量阀阀芯直径( m m ) 变量泵控制柱塞直径( m m ) 变量泵中流量补偿器的阀芯直径( m m ) 变量泵柱塞直径( m m ) 变量泵中压力补偿器的阀芯直径( m m ) 变量泵斜盘转动轴心偏离传动轴轴心的距离( m m ) 变量泵的泄漏系数( m 3 ( p a * s ) ) 变量泵控制柱塞长度( m m ) 变量泵中流量补偿器的阀芯最大行程( m m ) 变量泵中压力补偿器的阀芯最大行程( m m ) 变量泵工作转速( r p m ) 蓄能器口实际压力( m p a ) 变量泵负载压力值( m p a ) 变量泵出口压力值( m p a ) 蓄能器输出的流量值( l m i n ) 变量泵柱塞分布圆半径( r n i n ) 变量泵的理论排量( l ) 变量泵控制柱塞运动速度( m m m s ) 变量泵中流量补偿器的阀芯运动速度( m m m s ) 变量泵中压力补偿器的阀芯运动速度( m m m s ) 变量泵柱塞腔容积( m m 3 ) 斜盘转动的角速度( o s ) 变量泵传动轴转动角速度( 。s ) 比例方向阀阀芯位移值( t o n i ) 变量泵柱塞数量( 个) 变量泵的斜盘角度( o ) 假设的变量泵内各液压元件间隙容差( m ) 实验台液压系统油液的绝对粘度( p a s ) v 肪 咖 跏印伽胁 托胁 驴咖 疗 砌 凡郎伽r 矿 啦伽晰 坳斯 z 叩 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得浙婆太堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：；苏狻彦久， 签字日期： 2 即年3 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解浙江太堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝婆太堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：磁磋承导师签名： 签字日期：2 口肜年弓月 日 签字日期：如f d 年弓月1 日 浙江大学硕士学位论文 致谢 本论文是在尊敬的导师金波副教授的悉心指导、热情关怀和鼓励下完成的，从课题的 起步，延续，到后续的总结和论文撰写阶段，金老师都给予了我精心的指导和孜孜不倦的 教诲。导师以他严谨的治学态度、求实的科研作风、渊博的知识以及为人师表的风范使我 受益匪浅，并将在以后的工作和生活中一直给我以激励。在课题进展中出现了很多难题， 金老师尽可能得想办法指导我分析解决问题，并教会我独立学习、思考分析问题的方法， 让我不断成长，这些我将永远铭记。值此论文完成之际，谨向我的导师金老师致以最诚挚 的感谢。 我还要感谢我亲爱的父母，感谢他们对我的养育和支持，在我人生的每个路1 ：3 ，是他 们给了我动力和勇气；其次，我要感谢浙江大学，及流体传动及控制国家重点实验室，提 供了良好的学习环境、试验设备和生活环境，和方便先进的实验条件。 还要特别感谢的是本课题研发团队的李林博士，王峰博士，李华凤硕士和李玮硕士， 他们对该课题的顺利完成起到了至关重要的作用，衷心的感谢他们不可或缺的工作，他们 热忱悉心的帮助和指导我，使我耳濡目染了他们渊博的知识及对所研究领域的融汇精通、 虚心学习、不断探索、解决问题的精神。在他们的激励和带动下，使我进步匪浅。 在读研的2 年多时间里，众多的师兄师姐，师弟师妹在一起，组成一个大家庭，大家 相互关心，相互帮助，使得2 年多的时间很快便过去了。衷心的感谢沈海阔博士，许明博 士，刘金榕博士，虞伟乔硕士，王勇硕士，胡厦硕士，张利建硕士，汤洁硕士，丁小川硕 士，这些熟悉名字的同门已经毕业，感谢他们对我的支持和鼓励。另外还有陈诚博士，薛 志刚硕士，李婷硕士，胡任硕士，台毅柱硕士，张继园硕士，高镇硕士，陈刚硕士，朱雅 光硕士和王玉翰硕士，这些即将毕业或继续学业，也感谢他们对我的帮助，祝他们将来一 帆风顺，取得优异的成绩。 最后，感谢所有关心和帮助过我的人。我将再接再厉，不辜负师长和学校的期望，为 更加美好的明天而奋斗! 张佳林 2 0 1 0 年1 月于浙大 * 颂i 位女 1 绪论 1 1 塑料注射成型技术概述 塑料是以合成树脂为主要成分，加入各种能够改善其；6 p f - 和使用性能的添加剂，在 一定的温度、压力等条件作用下，能够塑化流动，成型为设计要求的形状，并可在常温、 常压下继续保持此形状的一类材料f h l ，利用塑料的特点，将塑料转变为塑料制品的过程， 就被称为塑料成型加工过程塑料成型的方法很多，如模压、层压、挤出成型、注射成型、 热成型。压延成型、中空吹塑成型、发泡塑料成型等【】。 注射成型是目前塑料加工中最普遍采用的方法之一，除少数塑料外，几乎所有的塑料 都可使用注射戚型的方法来进行生产。据统计，注射成型的塑料制品约占所有模塑制品量 的l 门，注塑模约占望科模具兽量的l ，2 以上。塑料注射成型，又称注塑，是将塑料以粒 料或粉料的形式放入注塑机的料斗中，经过加热、压缩、剪切混合和输送作用，使物料 进入机筒并熔融，然后用压力注射入模具中，经冷却定型后，打开模具，取出制品，即可 得到具有一定几何形状和精度的塑料制品。 1 1 1 注塑机曲主要组成 用于注射成型的设备主要是注塑机闭一台通用型注塑机主要包括4 个部分，即台模 系统，注射系统、液压系统和电气控制系统。此外还包括机身部件、门罩系统、加热冷却 系统、润滑系统和安全保护与监测系统等。一台注塑机的整体外形见下围il 所示。 图l i 注塑机整体外形圈 接下来对四个主要部分进行介绍。 ( 1 ) 台模系统 台模系统的作用是保证成型模具的闭锁，开启并取出制品。整个机构王要由前固定模 浙江大学硕上学位论文 板、活动模板、后固定模板、拉杆油缸及模具调整机构、制品顶出机构等组成【6 1 。动模板 安装在前、后固定模板之间，后模板上固定合模油缸，动模板在合模油缸的作用下以4 根 拉杆为导向柱做启闭模运动。模具的动模装在动模板上。当模具闭合后，在合模油缸压力 作用下，锁紧模具，防止当注射高压熔融体时模具胀开。靠近安全门的机架上设有限位开 关及调节装置，以便控制动模板启闭模的限位和在运动中压力与速度的切换。为确保安全， 一般都用液压装置和电气限位开关同安全门连锁，当只有安全门关闭后，才能合模。 合模系统又由合模架、合模机构、调模装置、顶出机构等组成。 首先介绍下合模架及合模机构。合模架是合模系统的基础部分，主要由4 根导向拉杆、 后固定模板、动模板、前定模板及拉杆螺母组成的具有一定刚度和强度要求的合模框架。 动模板在合模油缸驱动下，以拉杆为导向，实现启闭模运动。合模机构有液压式、机械式 和机械液压复合式等几种类型。目前市场上主要采用的是液压曲肘连杆式，属机械 液压复合式，其结构特点是液压缸通过曲柄连杆机构驱动模板实现启闭模运动，充分 利用了曲柄连杆机构的行程、速度、力的放大特性和自锁特性，增力大，锁模可靠，达到 快速、高效和节能的效果。常用的形式有：双曲肘内翻式、双曲肘外翻式、单曲肘摆缸式， 单曲肘挂缸式和撑肘式等。 图1 2 所示是双曲肘内翻式的合模机构。这种形式的动作原理是：开始闭模时，合模 油缸进油，活塞杆推动双曲肘连杆带动模板及模具移动实现闭模运动；当模具的分型面刚 贴合时，曲肘连杆处于未伸直状态，此时合模油缸继续升压，在合模油缸推动下曲肘连杆 产生力的放大作用，强行使之成为一线排列，则合模系统因发生弹性变形而产生预应力， 此时使模具可靠锁紧，可将油缸压力卸去，因整个合模系统处在平衡自锁状态，弹性变形 不能回复，所以合模力固定。模具接触时连杆未伸直的程度是通过调模装置与合模油缸相 配合，按工艺所要求的锁模力来调整的【7 1 。整个过程可分为四个阶段：慢速合模_ 快速合 模_ 慢速合模- 高压锁模。 拉杆 图1 2 合模架及双曲肘合模机构原理图 2 - - - q p ) 阶段，我们将完全关闭比例溢流阀， 完全打开比例流量阀，并控制蓄能器打开释放油液。在这种情况下，蓄能器的压 力砌必须比注塑机液压系统压力高，这是能量调节系统的一个设计准则。 3 ，当系统需求流量小于泵所供给流量( q s q p ) 时，同样完全关闭比例溢流阀，完 全打开蓄能器控制阀以吸收多余的油液，且通过比例流量阀控制速度。多余的流 量可提高泵出口压力，使其大于蓄能器当前压力以使其吸收油液。能量储存仅发 生在泵的流量冗余时，且此时泵的输出压力要高于蓄能器。 4 ，蓄能器的预设压力应该比注塑机最大负载压力高5 0 左右。在某些阶段，如预塑 和注射过程，负载流量及压力都到达了最大值，且保持较长时间。如果压差太小， 蓄能器不能释放充足的油液。 总之，能量调节单元将会控制炒= 印的阶段，而9 缈的阶段由比例流量阀控制， 比例溢流阀控制压力保持阶段 5r - 5 3 】。在该系统中，三个主要调节元件的控制方式为： 表2 2 定量泵+ 能量调节单元系统中控制元件在注塑各阶段的状态 成型阶段传统比例流量阀比例溢流阀能量调节单元 等待、 蓄能器压力较低 关闭，给蓄能器充油 完全打开，吸收油液 关闭 冷却 蓄能器压力较高完全打开，溢流关闭 陕速开、合模；基座进退； 完全打开注塑机设定压力必须释放被控油液 注射；预塑 慢速开、合模；高压锁模； 控制输出流量注塑机设定压力压力较低时吸收油液 防流涎；顶针进退 匿如保持最小值注塑机设定压力关闭 上表中，“必须释放控制油液”阶段，蓄能器的压力必须要高于注望机系统压力。这点 应该由我们的设计确保。“压力较低时吸收油液”意味着，蓄能器压力比泵的输出压力高时， 不应该打开；直至冗余油液使泵的输出压力上升，高于蓄能器压力时，才能打开能量调节 单元吸收油液。 2 4 浙江大学硕上学位论文 为该仿真系统设计的超级元件一能量调节控制器”，就是能够实现上述功能的关键 部件。它需要实时采集当前泵供给的流量( 幼) 、注塑机系统所需流量( q s ) 、当前系统 工作压力( 印) ，及蓄能器内部压力( 砌) ，并将p a 同蓄能器预充油压力设定值( 尸c ) 进 行比较，按照上述控制策略，比较判断蓄能器是否需要打开或关闭。若需释放油液，还要 实时计算需要释放的油液量，以调节能量调节单元比例流量方向阀的开度，达到精确控制 的目的；若需吸收油液，则完全打开蓄能器，快速吸收冗余流量【5 4 】。最后得到的阀芯位移 值，由“o u t ”引脚输出到比例方向流量阀的电磁铁控制端。 算蓄能器需释放的油液 汹叮 毂。j ! 蓄能器完全打开吸收油液 否 囹2 9 超级元件“能量调节控制器”模型 2 2 5 变频器+ 定量泵+ p q 阀+ 能量调节单元的系统模型 由变频电机+ 定量泵驱动的系统，泵的排量固定，但变频器可改变泵的转速，使输出 流量适应负载变化，其a m e s i m 仿真模型如下图所示。该系统共有四个可控元件，其控 制策略比较复杂，采用下表2 3 所述方式综合调控所有元件动作。 表2 3 交频电机+ 定量泵+ 能量调节单元系统中控制元件在注塑各阶段的状态 成型阶段比例流量阀交频电机转速比例溢流阀 能量调节单元 等待、p a 较低 注塑机设定流量关闭，给蓄能器充油完全打开，吸收油液 关闭 冷却+ p a 较高 零完全打开，溢流关闭 快速开、合模；基座 完全打开注塑机设定流量 注塑机设定压力 必须释放被控油液 进退；注射；预塑 浙江大学硕： = 学位论文 慢速开、合模； 当减速时控压力较低时 高压锁模；防流涎；注塑机设定流量注塑机设定压力 制输出流量吸收油液 顶针进退 压力保持完全打开最小值注塑机设定压力关闭 上表中，“当减速时控制输出流量”意味着，在注塑机液压系统设定的压力比泵的输出 压力小时，传统的比例流量阀不应该完全打开，由其来控制流入注塑机系统的油液。直至 变频电机转速减小，使泵的输出流量减小到设定值后，才能完全打开比例流量阀，由变频 电机控制供给流量与需求流量匹配。 比例溢 器 图2 1 0 变频器+ 定量泵+ 能量调节单元系统a m e s i m 仿真模型 2 2 6 变量泵+ p q 阀+ 能量调节单元的系统 采用变量泵的系统，泵的排量可由比例流量阀及比例溢流阀的开口大小控制，故该系 统虽有四个可调元件，但我们只需控制其中三个，泵的排量便可实现随动调节【5 5 1 。能量调 节单元用于补偿变量泵响应速度慢的缺点，并可获得更高的节能效率。该系统的仿真模型 见下图，控制策略采用表2 4 中的方法。 浙江大学硕士学位论文 表2 4 变量泵+ 能量调节单元系统中控制元件在注塑各阶段的状态 成型阶段比例流量阀比例溢流阀能量调节单元 等待、 蓄能器压力较低注塑机设定流量关闭，给蓄能器充油完全打开吸收油液 冷却 蓄能器压力较高零完全打开，溢流关闭 快速开、合模；基座进退； 注塑机设定流量注塑机设定压力必须释放被控油液 注射；预塑 慢速开、合模；高压锁模；压力较低时吸收油 控制输出流量控制输出压力 防流堤；顶针进退液 压力保持最小值注塑机设定压力 关闭 比例溢 图2 1 1变量泵+ 能量调节单元系统a m e s i m 仿真模型 2 3a m e s i m 仿真结果及对比 2 3 1 塑料制品生产的关键参数 器 调研某公司某型号的注塑机，在生产不同塑料制品时，对注射成型机器的系统设定及 生产工艺的关键参数，如下表所1 5 6 1 。 浙江大学硕上学位论文 表2 5生产不同塑料制品时注塑机设定的关键技术参数 产品 眼镜架塑料瓶 脚踏板空气过滤器太阳眼镜文件夹 项目 外壳 制品材料 p cp e tp v cp pp m m a a b s 制品重量( 矿个次) 1 0 宰l2 3 + 8 5 0 * 81 0 幸14 * 92 * 4 0 系统最高压力( m p a ) 1 41 41 4 1 41 41 4 一个循环周期( s ) 8 53 01 52 0 4 02 0 合模时问( s )1 321 532 71 5 合模压力( m p a ) 9 68971 0 合模流量( 最大流量) 1 0 07 01 0 08 0 7 08 5 合模力( k n )6 5 01 2 5 09 0 01 2 8 01 2 8 01 1 0 0 锁模压力( m p a ) 1 03 69 51 07 5 注射及保压时间( s ) 2742 58 4 5 注射压力( m p a )6 585695 注射流量( 最大流量) 7 59 0 4 56 06 56 0 预塑时间( s ) 21 01 53 1 51 7 预塑压力( m p a )876596 5 预塑流量( 最大流量) 1 0 08 06 0 9 08 58 0 预塑背压( m p a ) 0l002 1 5 开模时间( s ) l4 23 532 开模压力( m p a ) 1 05 68 51 07 5 开模流量( 最大流量) 1 0 06 07 0 8 08 59 0 制品顶出力( k n ) 2 43 84 52 02 2 3 0 2 3 2 四种液压系统的仿真结果 现以生产塑料瓶制品的流程为例，比较上述四种液压系统在注塑机生产中不同的能耗 及响应情况。应用上小节介绍的a m e s i m 模型，对普通的定量泵系统进行仿真，该系统 的设定压力与实际压力、设定流量与注塑机实际消耗流量和系统总能耗可分别见下述几 图。其中，各图的能耗曲线为泵输出流量及出口压力的乘积，再按照时间积分所得的总值。 浙江大学硕二e 学位论文 r ) bar ) 510152 o2 530354 0 时间( s ) o5 3 50 。000 3 00 。000 250 00 0 嘲20 000 0 耀150 ，00 0 赶 螺10 0 ，00 o 帐 5o oo o 0 10 15 2o25 时间( s ) 0 5101 5 z0 25 30j540 时间fs ) 图2 1 2 采用定量泵系统的压力、流量及能耗曲线( 注：能耗为积分值) 图中较陡峭的尖峰值是由于注塑机在改变为其他工况时，各开关式电磁换向阀快速关 闭或打开，而流量或压力无法快速响应，而导致的较大的压力或流量的瞬时冲击。 对于第二个系统，即附加能量调节单元的定量泵系统，系统压力、流量、能耗和蓄能 器动作状态如以下几图所示。可见，蓄能器按照预定控制策略释放或吸收了油液，使定量 泵的排量可降低到平均排量以下，有一定的节能效果。 0 o o 0 0 0 o o 0 8 7 6 5 4 3 2 1 一：p r 域 0 o 0 0 o o 0 0 0 0 0 9 8 7 6 5 4 3 2 1 一口名j一蛐烬 浙江大学硕士学位论文 140 120 1oo t - - 80 d r 60 坦40 20 o ，、 三 ) 、_ 一 90 75 60 4 5 3o 15 蛔0 毽15 3o 一45 3 0 2 7 2 4 3 21 蛔18 囊 赶12 舔g 嗡6 3 0510 15 2o2530354 0 时间 ( s ) 7 、 一一一 - - 一i 3 。 - i 7 i n i l l i ii l 1 j l 。 - l ii 崔o u 一- i - l jl 一一 ； ji ，l 一 - l ， i 一： i ：一i f ； 、4 ：五i1 一 一蔓嶷注塑机系统段定流量( l，量。l ；i n ， - = 。：；：；： 量手嘉爹。际l ( m 消1 ) ( 正释放；放l 吸收) 二。吸毒j j ；芝；! ； 051o o0 00 00 00 0 o 00 o0 o o 0 o 0 0 o 1520 时间 25303540 ( s ) 0510152 o2 53 03 540 时闻( s ) 图2 1 3 采用定量泵+ 蓄能器系统的压力，流量及能耗曲线( 注：能耗为积分值) 采用变频电机+ 定量泵+ p q 阀+ 能量调节单元的第三个系统，仿真后得到的数据为下图 2 1 4 所示。 3 0 o o o 0 o o 0 o o o o 0 o o 0 o 0 o o o 浙江大学硕一i j 学位论文 、 。! i j一f ； j 1j l ； 2 ： ： ： 1 系统设定压力( b a ) ， 一一一一2泵出 口 实 际压 力() ar 一一- 一3 蓄 能器压力( bar ) o5101520253 03 540 时间 ( s ) 1 泵输出流量( l mi n ) 0510152 o 时间 吸收) 2 53 0 3540 ( s ) 051o 1 莳矛o( 孑) 5 3 o3 54 o 图2 1 4 采用变频器+ 定量泵系统的压力、流量及能耗曲线( 注：能耗为积分值) 采用变量泵系统的注塑机模型，该系统的能耗及动态响应过程见下图： 100 90 8o 70 言60 850 r40 趟30 2o 10 0 、 l 厂 木，| 27 11 系统设定 压 力( bar 一2 泵出口实际压力( bar ) 一一3 蓄 能 器 压 力( bar ) o 51o15 2025 3035 40 时间( s ) o 0 o 0 0 0 o o 0 o 0 o 1 o 9 8 7 6 5 4 3 2 1 ， (j西丘一r逍 o o o 0 o 0 o o o 0 o o 0 o 9 8 7 6 5 4 3 2 1 1 2 ， 一c一|，j一嘲爆 o o 0 o o o o 0 o o 0 0 0 o 0 o o 0 o o o o o o o o o o o 0 o o 0 o o o 0 7 4 1 8 5 2 9 6 3 2 2 2 1 1 1 一r)嘲罐螟涎蟋曦 浙江大学硕士学位论文 1泵输出流量( l mi n )一3注塑机系统实际消耗流量( l ，mi n 0510152025 3 03 540 时间 ( s ) 图2 1 5 采用变量泵系统的压力、流量及能耗曲线( 注：能耗为积分值) 2 3 3 仿真结果对比及结论 对其他产品进行同样的仿真计算，得到每个循环周期，生产一次制品时，注塑机所需 要消耗的能量，可见下表所示。 表2 6 生产不同制品的注塑机所需能量( 单位：k j ) 注：上表中的功率未包括空载时电机与泵消耗的能量。 通过对这四种液压系统的仿真对比，我们可以得出以下结论： ( 1 ) 附加的蓄能器及比例方向流量阀组成能量调节单元，可按照整体能量调节算法， 3 2 0 0 o 0 0 0 0 0 o 0 0 0 9 8 7 6 5 4 3 2 1 1 2 一ui)嘲蟪 o 0 o 0 o o 0 0 o o o 0 o 0 o o 0 0 0 o o o o o o o 0 o 0 0 o o o o 5 o 5 o 5 o 5 0 5 o 5 7 5 2 o 7 5 2 0 7 5 2 2 2 2 2 1 1 1 1 3嘲攫堪涎蕊晦 浙江大学硕士学位论文 吸收或释放油液，以更好适应不同工况下对能量的需求。当蓄能器容积较大，可释放吸 收较多流量时，对泵排量的要求可降低，可使选用定量泵的流量在平均能耗附近； ( 2 ) 采用能量调节单元，利用其流量补偿作用，还可加快系统响应速度； ( 3 ) 采用变频电机的定量泵系统，电机转速可变，进而实现输出流量的变化。制品 较厚、保压时间及冷却时间较长时，变频调速有较大的节能优势； ( 4 ) 采用变量泵的注塑机液压系统，泵的排量可随比例流量阀及比例溢流阀设定值 的不同而变化，可根据注塑机的不同工况调节输出的流量，当制品较薄时在节约能耗方面 有更好的节能效果。 变频调速及变量泵都可实现动力机构与执行机构两者之间的流量自适应调节匹配，达 到节能的目的。但对注塑机而言，其注射成型各阶段频繁变化，若使用变频调速，则液压 泵的驱动电机将频繁处于加减速工况下。由于磁滞效应及较大的转动惯量影响，变频调速 系统响应速度较慢。另外，对小流量状态，如保压、冷却时，变频电机的低速性能较差， 输出流量不稳定，会影响液压泵的寿命，调速精度很难保证，难以适应精密成型的要求。 且采用变频器的系统成本较高，不能满足中小型注塑机经济性的要求。 因此，本项目选定整套装备基于变排量泵系统，附加能量调节单元的形式，使用变量 泵和电液比例阀结合的负载敏感泵系统达到节能控制的目的，实现了注塑机液压系统由阀 控向泵控的改变，使用容积调速形式，以此适应注塑机各工况所需功率差别较大的情况。 附加能量调节单元，改善容积调速响应速度慢的缺点，加快响应速度。负载敏感变量泵系 统流量与压力控制线性度良好，且控制精度、重复性、制品的尺寸精度都较高，是更理想、 更适合注塑机生产的节能液压系统。 2 4 本章小结 本章分析比较了目前注塑机行业最普遍的四种液压系统：定量泵，定量泵+ 能量调节 单元，变频电机+ 定量泵+ 能量调节单元，变量泵+ 能量调节单元，各自的形式与特点。利 用a m e s i m 液压仿真软件，分别建立了这四种液压系统的仿真模型，模拟其用于注塑机 生产时的不同状态。利用压力、流量及能耗曲线展示了在生产同一制品时，各系统的能耗、 响应速度对比等，证明了变量泵+ 能量调节单元的方式有较好的节能效果，且动态响应速 度高，适合注塑机的生产要求。因此确定了该套装备的系统方案为变量泵+ p q 阀+ 能量调 节单元的形式。 淅大学碰l 学位论文 3 变量泵节能液压系统的设计、仿真与测试 根据四种液压系统仿真结果的对比，确定了变量泵+ p q 阀+ 能量调节单元的液压系统 在注塑机生产中具有较大的节能优势，因此我们采用某型号斜盘式轴向柱塞变量泵，研发 设计一套节能液压装备。另外，在正式进行能量调节控制系统整体试验之前，需要对该系 统的关键液压元件液压泵及用于能量调节单元的比例方由流量阀进行测试。因为它们 的性能将直接影响到整个液压系统的正常工作。所毗要通过简单的静态特性及动态特性测 试，确认这些关键元件的性能指标是否满足设计需要1 5 ”。 3 1 变量泵节能液压系统的设计 3 1 1 痕压系统的设计 选用某公司研发的斜盘式轴向柱塞变量泵，它可实现开环控制，最大排量4 83 c c 。其 内部机械结构可见圈31 所示。该泵为恒压变量负载敏感泵，内部还集成了流量补偿嚣 ( f l o wc o m p e n s a t o r ，简称f c ) 和压力补偿器( p r e s s u r ec o m p e n s a t o r ，简称p c ) ，司控制 变量柱塞机构运动，通过改变斜盘的倾角，进而改变泵的排量。初始时斜盘在变量弹簧的 预压缩力作用下，处于最大倾角，泵的排量为最大。斜盘式轴向柱塞泵，由于配油盘与缸 体、滑靴与柱塞这两对高速运动副均采用了静压支承，具有结构紧凄，零件少，工艺性好， 成本低，单位功率体积小，重量轻，变量机构布置方便，睫性小、寿命长等优点。不足之 赴是对油液污染鞍敏感，滤油精度要求较高i ”1 。 圈3 1 某型号斜盘式轴向拄塞变量泵的内部结构图 经过参考国内外资料文献，及其他汪塑机压力，流量控制的成功先例，并结合该型号 浙江人学硕：t 学位论文 泵的特性及设计原理，我们确定了基于能量调节的变量泵节能液压系统设计方案【5 9 击5 1 ，见 下图所示。图中下面的线框内为该型号泵内部液压原理机构，上面的线框为我们设计的控 制油路部分，余下的元件为外接部分，包括单向阀，负载溢流阀，蓄能器和油箱等。 1 变量泵；2 压力补偿器；3 流量补偿器；4 阻尼孔；5 压力传感器；6 比例流量阀； 7 比例溢流阀；8 安全阀；9 比例方向流量阀；1 0 蓄能器；1 1 单向阀；1 2 开关式负载溢流阀 图3 2 变量泵节能系统方案液压原理图 该系统采用比例流量阀6 设定系统输出流量，而使用比例溢流阀7 设定系统压力，并 联在比例流量阀的出口。能量调节单元也并联在负载出口。根据中小型注塑机生产要求【6 6 】 和我们实验台的条件限制，使用一个电磁开关式手调溢流阀模拟负载，代替注塑机的执行 元件( 液压缸或液压马达) ，最高负载压力可设为1 6 m p a 左右。 3 1 2 工作原理 当系统压力小于安全溢流阀8 的设定压力时，是该泵的正常工作状态，正常状态下压 力补偿器2 在弹簧力作用下处于左位( 或下位) ，其a t 口相通，连通控制柱塞左腔及流 量补偿器的控制腔。正常状态下该变量泵系统的工作原理如下： l ，当负载压力小于比例溢流阀的设定压力时，变量泵处于流量控制状态，泵排出的 油液全部通过比例流量阀流向负载溢流阀1 2 。二位二通的流量补偿器3 的位置由比例流