恒压变流量供油注塑机液压系统的研究

廖辉，王青林，黄崇林

(1.广东石油化工学院，广东茂名525000;2.商丘技师学院，河南商丘476000)

液压系统是注塑机最常用的动力驱动系统。为了保证注塑机各阶段的准确动作，利用比例阀控制液压缸作为液压驱动系统，可得到较高的压力和流量控制精度，并且目前市场上注塑机大多数均采取这样一种控制方式，这种传统的比例阀控制液压缸的液压驱动系统能量消耗巨大。

采取比例阀控液压系统是在恒定流量情况下对系统参数进行控制，实现液压系统的位移和压力的快速调整，其响应速度快。但是要保持恒定流量时，油泵电机需要定速运行，定量泵提供的液压油在高压和大流量状态下会消耗大量的系统能量。为了降低注塑机运行过程中的能耗，注塑机节能控制技术一直是该领域研究的重点［1－4］。国内的注塑机液压系统将阀控改为泵控，即是把液压注塑机液压系统改为伺服电机或变频电机驱动定量泵控制，使系统在不同的工况其流量输出得到满足而不造成过多的浪费［5－6］。但泵控方式不能解决油缸的低压高速运动或者高压低速移动问题。如注塑机在大扭矩移动的快速锁模和保压、射胶低速大扭矩移动等工艺中，伺服定量泵的流量与压力控制难以有效地分解，使系统的流量和压力难以得到准确的控制，使系统控制不能满足工艺要求。

1 定量泵注塑机

目前，多数注塑机采取液压作为动力驱动系统，属于液压传动注塑机。液压传动系统中由电机驱动油泵进行供油，当泵的输出量不可改变时，油泵输出量与转速成正比［7］。根据注塑成型工艺，其注塑过程可分为锁模、射胶、保压、熔胶、冷却、开模和顶出等［8］。由于注塑保压和射胶的需要，不同注塑工艺需要相应的流量和压力，注塑过程中液压驱动系统是处于压力和流量变化的状态。因此，在不同的工序下，注塑系统需要对不同的流量和压力进行控制。如在快速合模时，液压泵输出的油液是低压力、大流量，如采取如图1所示的液压系统，需要将节流阀打开以达到最大的供油量;而在慢速、高压合模时需要油液压力高、流量小，此时，需要将节流阀阀口减小，以达到减小系统供油量的目的，系统多余的高压油液便通过溢流阀流回油箱，造成能量损失。

图1 注塑机定量泵供油系统

2 恒压力变流量液压泵系统

为了减少定量泵在不需要大流量供给时造成的能量损失，目前，多采取容积式调速，即是对系统输出流量进行控制，这种调控方式多采取变量泵作为注塑机的驱动元件。这种调控方式对于定量泵注塑机有明显的节能效果。如图2，该系统由负载敏感型比例变量柱塞泵、比例溢流阀、比例调速阀、压力反馈阀、流量反馈阀等部分组成。

图2 变流量液压泵系统

变量泵在电机的驱动下实现流量的控制，并在此基础上增加压力调节环节，使供油系统可根据系统需要输出所需要的流量，并经过压力控制环节对泵输出的压力进行调节，实现对不同流量的恒定压力供油输出。

考虑到恒压力变量泵反应的快速性，恒压供油系统采用比例电磁铁控制阀，其中一端与阀刚性连接，通过控制比例电磁铁的输出力控制油源的输出压力，另一端与调压弹簧相连，利用调压弹簧调节油源输出压力大小，其结构如图2所示。

恒压力变量供油系统能够根据系统流量要求调节泵源输出压力。当要求较小供油压力时，系统输出相应的控制电流，驱动电磁阀阀芯运动，此时，调压弹簧的弹簧力和电磁铁输出力的合力小于流量控制阀控制油源的液压力，阀芯右移，压力油进入活塞左端，推动泵的变量机构，使变量泵的排量减小，输出流量减小，从而降低泵源的工作压力。当流量控制阀控制油源的压力等于电磁铁输出力与弹簧力的合力时，流量控制阀关闭，调压过程结束。当系统要求供油压力增加时，泵源输出压力升高。

由于注塑机在不同的工序要求得到不同的压力和流量，恒压力变量泵将两者结合起来，减小油路中的节流及溢流油液的损失，从而减小系统的能量损失，并可根据压力和流量的要求对供油压力和流量进行精确的控制。系统如图3所示。

图3 恒压力变量泵结构

3 定量供油与恒压力变量供油系统耗能比较

在系统不需要供油时，大量的油液经过溢流阀流回油箱，浪费了大量的能源。而调压型智能泵可根据负载的大小对输出油源压力和流量进行调节，保证液压油的压力和流量可满足负载的需要。为了研究这两种供油方式的压力及流量的关系，根据供油原理图1和图2 建立仿真模型。仿真模型如图4所示。

图4 变流量泵供油系统仿真模型

根据注塑机工作压力的实际情况，设定注塑泵在进行工作，液压缸的直径为35 mm，溢流阀设定压力为2 MPa，负载为4 000 N，其仿真结果如图5所示。

图5 定量泵供油系统压力与时间的关系

图5 表明:负载出现周期性变化时，系统的输出压力也随之变化，但在负载很小时，系统的压力只能通过溢流阀释放掉。

当采取调压型智能泵对系统进行供油时，其输出压力如图6所示。可以看出:压力在各个时间段均是变化的，在开始阶段(0～2 s)，由于弹簧的存在，使得系统供油压力有一个快速上升过程，到达最高压力时，系统能量消耗下降，主要是由于系统的供油输出减少，因此，系统能量消耗减小。

图6 变量泵供油系统功率的变化

4 结论

采取定量泵和恒压力变量泵两种方案的能耗对比试验表明:恒压力变量供油是在压力满足使用条件下对输出的流量进行控制，减少了流量的消耗，从而使得系统的能量消耗大大减少;而定量泵供油的方式能耗较大，尤其是耗能较大的注塑机消耗大量的能源。恒压力变量泵采用变流量控制系统的流量，实现了驱动功率与执行机构自适应匹配控制，消除了溢流损耗和节流损耗。

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