劉立柱, 高杰林, 高世權, 王興天,2, 莊 儉

(1.海天塑機集團有限公司，浙江 寧波 315801；2.北京化工大學機電工程學院，北京 100029)

雙色注塑機開合模液壓動態(tài)穩(wěn)定性的研究

劉立柱1, 高杰林1, 高世權1, 王興天1,2, 莊 儉2*

(1.海天塑機集團有限公司，浙江 寧波 315801；2.北京化工大學機電工程學院，北京 100029)

建立了2種不同雙色注塑機的開合模液壓系統(tǒng)，通過實驗與模擬的方法，對不同液壓系統(tǒng)進行了穩(wěn)定性分析以及優(yōu)化。結果表明，改進的IA1600Ⅱbj新型雙色注塑機開合模液壓系統(tǒng)，開模定位精度由1.87 %提高到了0.67 %，開模重復精度則由0.096 %提高到了0.052 %，新合模油路液壓保險響應時間縮短了28 %，改進后的IA1600Ⅱbj新合模油路液壓保險安全性能得到明顯改善。

雙色注塑機；開合模精度；液壓控制系統(tǒng)；動態(tài)穩(wěn)定性；動態(tài)仿真

0 前言

隨著多色塑料制品的發(fā)展，利用單色注塑機成型時，其后續(xù)加工工序費時、費力又繁復，而且這種后續(xù)加工工藝又影響塑料制品品質(zhì)，因此該工藝已經(jīng)不滿足于生產(chǎn)。雙色注射成型工藝指的是將2種不同顏色的物料同時或順序注入同一個塑料模具中，能夠制造出2種不同色澤的制件，該工藝省時省力且改善制件的美觀性和實用性。對于雙色注射成型設備，液壓控制系統(tǒng)是雙色注射成型設備不可或缺的核心控制組成部分，同時，雙色注塑機的合模裝置的性能優(yōu)劣，直接影響到雙色成型制品的品質(zhì)和精度[1]。因此，發(fā)展開合模運行更平穩(wěn)、重復精度更高的液壓合模系統(tǒng)已經(jīng)迫在眉睫。

國內(nèi)外科研單位和企業(yè)針對液壓控制系統(tǒng)性能進行了多方面研究。劉軍營等[2]用AMESim軟件對鎖模液壓系統(tǒng)進行了模擬仿真，得出了最優(yōu)的鎖模液壓系統(tǒng)。杜建銘等[3]利用AMESim仿真軟件對注塑機鎖模系統(tǒng)進行了仿真分析，分析了引起鎖模液壓系統(tǒng)壓力、速度波動的原因，并且得出了改進后的優(yōu)化系統(tǒng)。Renn等[4]成功研制出了一種新型的比例式開關，并將其應用于液壓機的非常規(guī)比例流量控制閥中。Chiang等[5]采用解耦模糊滑?？刂品椒?，實現(xiàn)了液壓注塑機的集成控制。Chaing等[6]開發(fā)了一種新型的由交流伺服電機驅動的電液泵控制系統(tǒng)，并將其用在注塑機上。結果表明，該系統(tǒng)可以同時實現(xiàn)高能量效率和高響應速度對于液壓注塑機的控制。盡管注塑機液壓系統(tǒng)研究不斷深入[7-10]，但合模液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性還有待進一步提高。

本文建立了2種不同雙色注塑機合模液壓系統(tǒng)，通過實驗與模擬的方法，對這2種不同液壓系統(tǒng)進行了穩(wěn)定性分析以及優(yōu)化設計，對這2種合模液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性進行了對比分析。

1 合模液壓系統(tǒng)原理圖及數(shù)學模型建立

1.1 雙色注塑機合模液壓系統(tǒng)原理圖

建立了2種不同雙色注塑機的合模液壓系統(tǒng)原理圖，如圖1所示。圖1(a)為IA1600bj雙色注塑機的合模液壓系統(tǒng)原理圖，圖1(b)為IA1600Ⅱbj新型雙色注塑機的合模液壓系統(tǒng)原理圖。圖1中新型雙色注塑機液壓控制系統(tǒng)動力源由伺服電機與定量泵組合，主要是由伺服電機(PMU1)、傳感器(F0)和(F6)、安全閥(V1)組成構成。通過伺服控制器控制變頻電機的轉速和轉矩，進行輸出的壓力與流量的閉環(huán)控制。采用這種液壓控制原理，不僅徹底消除節(jié)流損失，同時由于在保壓工況及空轉工況時電機處于低轉速運行狀態(tài)，因此可以極大地減少能耗，極大地降低了噪聲。

(a)IA1600bj雙色注塑機 (b)IA1600Ⅱbj新型雙色注塑機圖1 不同雙色注塑機的合模液壓系統(tǒng)原理圖Fig.1 Hydraulic system principle diagram of different double color injection molding machines

與IA1600bj雙色注塑機相比，改進后的液壓原理稱為IA1600Ⅱbj，正常工作狀態(tài)下，軟件新程序做以下更改：開模時，D300不動作、D201動作；合模時，D300動作、D201、D203根據(jù)是否差動可選；開門狀態(tài)下開模時，D300不動作、D201動作。

1.2 液壓系統(tǒng)數(shù)學模型的建立

伺服電機驅動定量泵是通過改變轉速變來實現(xiàn)對流量的控制，則通過泵口的流量為：

QC=Vωr/2π

(1)

式中QC——泵出口流量，L·rad/s

ωr——轉子機械角速度，rad/s

V——定量泵排量，L

分析閥控非對稱缸的伯努利方程，即可求得方向閥的流量方程、油缸的流量連續(xù)性方程[11]，建立分析閥控非對稱缸物理模型，可以推導出油缸與負載的受力平衡方程，從而能夠推導出閥控非對稱缸的控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)。假設換向閥為零遮蓋滑閥結構，節(jié)流控制開口具有對稱的布置，系統(tǒng)壓力(ps)恒定，回油負載(p0)忽略不計。

在換向閥額定壓差(Δp0) (Pa)，具有的額定流量(Q0)滿足式(2)：

(2)

式中Cd——油液的流量系數(shù)

A0(x)——額定壓差Δp0下閥口的有效通流面積

ρ——油液密度，普通液壓油的密度為600～1000 kg/m3之間

則流入合模液壓缸無桿腔的流量：

(3)

ΔpA=pA-ps

同理可知，流經(jīng)換向閥回到油箱的流量(QB)：

(4)

ΔpB=pB-p0

液壓管路中的體積(VC)的伯努利流量連續(xù)性方程：

(5)

式中PC——液壓泵出口到換向閥的管路壓力，Pa

VC——液壓泵出口至控制閥的液壓管路容腔體積

E——油液的剛度

Ccp——管路中油液外泄漏的系數(shù)

由于生產(chǎn)實踐中具有很好的密封性，因此基本不會出現(xiàn)管路外泄漏的情況[12]，則Ccp=0。同時考慮到開合模液壓缸存在密封件密封，缸的內(nèi)部泄漏和外部泄漏可以忽略不計，可以看作為零[13]，即有Cip=0，Cep=0。則開合模油缸有桿腔、無桿腔控制體積流量連續(xù)性方程為：

(6)

(7)

式中v——開合模油缸活塞速度，m/s

AA——開合模油缸活塞無桿腔的有效面積，m2

AB——開合模油缸活塞有桿腔的有效面積，m2

VA——液壓控制閥至開合模油缸無桿腔的容腔體積，m3

VB——液壓控制閥至開合模油缸有桿腔的容腔體積，m3

PA——雙色機開合模油缸無桿腔的工作負載壓力，Pa

PB——雙色機開合模油缸有桿腔的工作負載壓力，Pa

由于合模裝置為剛性連接，彈性負載可以忽略不計[14]，因此，合模過程中的負載彈簧的系數(shù)K=0。注塑機合模油缸與負載的受力平衡方程可以簡化為：

(8)

式中Fg——合模油缸形成的推力，N

Mt——總體合模油缸活塞和負載的質(zhì)量，kg

Bp——雙色機合模油缸阻尼系數(shù)

FL——作用在開合模油缸活塞上的負載力，N

2 開合模過程液壓系統(tǒng)的動態(tài)仿真

2.1 IA1600bj型雙色注塑機液壓系統(tǒng)的動態(tài)仿真

由上述對IA1600bj型雙色注塑機開合模液壓控制系統(tǒng)的分析和負載模型的建立可知，其液壓控制系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性可通過對已建立的數(shù)學模型和液壓回路工作原理進行動態(tài)仿真求出。IA1600bj型雙色注塑機液壓系統(tǒng)的參數(shù)表如表1所示。

根據(jù)雙色機液壓系統(tǒng)參數(shù)表1數(shù)據(jù)可知，開合模由系統(tǒng)1控制，泵的輸出流量為73 L/min，其中合模油缸行程340 mm、活塞桿直徑55 mm、油缸內(nèi)徑90 mm，低壓模保的插裝閥的開啟壓力0.08 MPa。為簡化速度控制，將非線性的雙色注塑機合模液壓控制系統(tǒng)設定為比例控制環(huán)節(jié)、一階慣性環(huán)節(jié)和延遲環(huán)節(jié)的有效組合。對雙色注塑機合模液壓控制系統(tǒng)預定速度的零位追蹤，需要以階躍信號作為速度的輸入，并且采用PID控制器即可完成[15]。

IA1600bj型雙色注塑機合模控制液壓系統(tǒng)運行過程中采用速度控制方式，控制系統(tǒng)僅受慣性負載，系統(tǒng)壓力恒定不變。由此可建立雙色機液壓合模原理的AMESim仿真模型，如圖2所示。IA1600bj系統(tǒng)仿真曲線如圖3所示。

1、3、5—實際值 2、4—設定值 (a)動模板速度曲線 (b)壓力曲線圖3 動模板速度、位移及合模油缸壓力隨時間的變化曲線Fig.3 Dynamic template velocity, displacement and clamping cylinder pressure against time

由圖3可知，動模板從一段到五段的合模速度、動作位置切換以及在運動過程中的系統(tǒng)壓力變化均符合雙色注塑機工況，能夠較好地完成預設動作要求，各動作之間的切換點重復精度非常高，同時由于剎車閥能夠在低壓段控制在一個較低的壓力值，從而實現(xiàn)低壓模保功能。由圖3可以得出，模板速度在開始時出現(xiàn)一個滯后波動狀態(tài)。其原因是合模過程中高壓油液經(jīng)過液壓保險插裝閥時，需要克服主閥芯復位彈簧阻力使其閥芯開啟然后進入合模油缸。這個滯后量可以通過適當?shù)臏p小閥芯彈簧剛度數(shù)值得到減小，但是閥芯彈簧剛度不可以過渡減小否則會影響液壓保險的復位時間而出現(xiàn)報警。

在開模過程中，差動閥V4閥芯在液動力作用力下抵抗彈簧變形使得閥芯關閉，閥芯回移使得液壓油以較大壓差進入回油并進入剎車閥V3/V6，從而使得動模板受到較大的速度沖擊。特別是在開模過程中，高壓大流量輸出時會使得開模產(chǎn)生的背壓過大，導致開模由慢轉為快時模板出現(xiàn)運動不平穩(wěn)現(xiàn)象，分析原因是差動閥閥芯彈簧剛度較小，單通道通油時的穩(wěn)態(tài)液動力引起了閥芯關閉。因此，若需要降低該沖擊，需要適當增大差動閥V4的控制功率域，提高其通油能力，或者重新設計液壓系統(tǒng)結構，或者增大差動閥復位彈簧剛度。因此，為使設計及加工成本降至最低，選擇增大差動閥復位彈簧剛度來減少速度沖擊。從圖4可以看出，差動閥復位彈簧L=8 mm時，復合位彈簧剛度增大后復位能力得到增強，復位速度沖擊明顯減小。

2.2 IA1600Ⅱbj型雙色注塑機液壓系統(tǒng)的動態(tài)仿真

通過對IA1600bj型注塑機的仿真分析可得，盡管選擇增大差動閥復位彈簧剛度，可以減少其引起的沖擊，但卻因液動力也會影響方向閥閥芯，因此仍會存在

L/mm，k/N·mm-1：1—8，2000 2—12，1500 3—8，1500圖4 不同復位彈簧的差動閥復位速度響應曲線Fig.4 Response curve of differential valve reset at different reset spring rate

失衡的潛在危險，因此為了得到性能更好的液壓系統(tǒng)，同時為減低壓力波動，液壓保險由插裝閥改用滑閥式，對IA1600Ⅱbj型雙色注塑機液壓系統(tǒng)進行了改進。改進后的IA1600Ⅱbj仿真模型如圖5所示,仿真結果如圖6所示。

圖5 改進后的IA1600Ⅱbj注塑機液壓系統(tǒng)的AMESim模型Fig.5 AMESim model of improved hydraulic systems of IA1600Ⅱbj injection molding machines

IA1600Ⅱbj注塑機液壓系統(tǒng)采用外循環(huán)外差動雙通道連接的形式，這樣能夠通過使得作用在閥芯2個方向的液動力相互抵消而平衡，有效的將不利因素變成有利因素。由圖6可知，IA1600Ⅱbj注塑機動模板動態(tài)響應以及沖擊得到明顯改善。對于采用外差動外循環(huán)回路，當啟動時間為0.5 s之后，動模板的速度達到穩(wěn)定，而且速度波動較小，速度曲線波動在穩(wěn)定速度的5 %以內(nèi)，最大速度與最小速度差為0.01 m/s。而對于采用外差動內(nèi)循環(huán)回路，啟動時間為0.7 s之后，動模板的速度達到穩(wěn)定，而且速度波動較大，速度達到最高以后，最大速度與最小速度差為0.06 m/s。

1—外差動內(nèi)循環(huán)回路的動模板沖擊曲線 2—外差動外循環(huán)回路的動模板沖擊曲線圖6 采用外差動內(nèi)外循環(huán)回路的動模板沖擊對比曲線Fig.6 Impact contrast of outer loop differential dynamic templates

3 開合模液壓系統(tǒng)的實驗測試

3.1 實驗裝置

1—負載壓力 2—模板位移 (a)IA1600bj型合模油路開模 (b)IA1600Ⅱbj新合模油路圖10 不同類型的合模油路開模負載對比曲線Fig.10 Opening load of various oil circuits for mold clamping

為了驗證仿真結果的正確性，對改進前后的2種機器分別進行現(xiàn)場測試。改進前后的物理樣機實物圖如圖7和圖8所示。通過對開合模平穩(wěn)性及開模定位、重復精度的測試驗證油路的優(yōu)劣，同時對比IA1600bj和IA1600IIbj合模液壓系統(tǒng)的性能。與改進前的雙色注塑機相比，改進后的IA1600IIbj新型注塑機的合模閥板取消了液壓保險行程閥，用行程開關檢測安全門開關，管路結構更加簡單，安裝維修更方便。

(a)改進前的液壓保險行程閥 (b)合模閥板圖圖7 改進前的液壓保險行程閥、合模閥板圖Fig.7 Unmodified hydraulic safety valve and closing valve plate

圖8 改進后的合模閥板圖Fig.8 Modified mold closing valve plate

3.2 測試方法

根據(jù)塑料注射成型機性能測試規(guī)范。使機器全自動運行，當油溫達到30 ℃時，在模擬用戶使用情形下，調(diào)整好合模參數(shù)。合模參數(shù)設置如圖9所示。

圖9 合模參數(shù)設置畫面Fig.9 Clamping parameter setting screen

3.3 實驗結果及結果分析

開模最大距離設定為240 mm，開模壓力除五段設定為3 MPa外其余設定為14 MPa，因此通過實驗所得的開合模負載壓力曲線如圖10和圖11所示。

1—負載壓力 2—模板位移 (a)IA1600bj舊合模油路 (b)IA1600Ⅱbj新合模油路圖11 不同類型的合模油路合模負載對比曲線Fig.11 Clamping load of various oil circuits for mold clamping

(1)開模負載測試對比。由圖10(a)可得，IA1600bj舊合模油路開模背壓為10 MPa，開模初始有一個壓力波動，如前所述這是由于差動閥閥芯彈簧剛度較小，單通道通油時的穩(wěn)態(tài)液動力引起的芯關閉，從而引起動模板有抖動現(xiàn)象，因此需要采用外循環(huán)外差動雙通道連接的形式，這樣可以通過作用在閥芯2個方向的液動力相互抵消而平衡，有效的將不利因素變成有利因素。由圖10(b)可知，IA1600Ⅱbj動模板動態(tài)沖擊得到明顯改善。從而驗證仿真分析結論的正確性。另外，改進后的IA1600Ⅱbj新合模油路，開模背壓達到12 MPa，而剎車性能得到提高，從曲線動態(tài)走向可以看得出開模穩(wěn)定性得到有效的提高。

(2)合模負載測試對比。由圖11(a)和(b)可知，IA1600bj舊合模油路合模模背壓為11.5 MPa，而改進后的IA1600Ⅱbj新合模油路背壓為9 MPa，這是因為2種液壓保險配置不一樣，同時剎車閥阻尼配比不一樣所致。對于改進后的IA1600Ⅱbj新合模油路，從曲線動態(tài)走向可以看得出合模壓力沖擊得到改善，穩(wěn)定性得到很好的提高。而且造價更為低廉的滑閥式安全閥正常狀態(tài)下不通電，因此不會出現(xiàn)由于油液殘質(zhì)生成物導致的閥芯卡死或無法快速切換從而影響使用壽命的情況，同時，當開門狀態(tài)下開模時，安全閥與開模閥同步動作，由于采用了滑閥結構，當開模閥閥芯卡死時，繼續(xù)開模也不會出現(xiàn)合模誤動作，消除了舊合模油路存在的安全隱患。

(3)測試數(shù)據(jù)匯總對比。開模定位重復精度計算公式為:

(9)

測試中，在模擬用戶使用情形下，調(diào)整好合模參數(shù)，并且讓IA1600Ⅱbj機和IA1600bj參數(shù)盡可能一致，數(shù)據(jù)匯總對比如表2所示，由表2可知，IA1600bj老油路,平均干周期T1=4.66 s；IA1600IIbj新油路中平均干周期T2=4.48 s，新的合模油路干周期縮短了4 %，說明新的合模油路效率得到有效提高。IA1600bj舊合模油路開模終點在244 mm左右；IA1600Ⅱbj新合模油路開模終點在241 mm左右，可知新合模油路開模定位精度較高。結果表明，IA1600Ⅱbj新合模油路定位精度、重復精度都有所提升。

(4)液壓保險安全性能測試。調(diào)整好合模參數(shù)，設定IA1600Ⅱbj機和IA1600bj參數(shù)盡可能一致，使機器全自動運行，在模擬用戶使用狀態(tài)下迅速打開安全門，檢測液壓保險響應狀況。合模油路液壓保險安全性能測試，如圖12(a)和(b)所示。

表2 測試數(shù)據(jù)匯總對比表Tab.2 Test data

1—液壓保險響應時間 2—模板移動位移曲線 (a)IA1600bj舊合模油路 (b)IA1600Ⅱbj新合模油路圖12 不同類型的合模油路液壓保險安全性能測試Fig.12 Hydraulic safety performance test of various oil circuits for mold clamping

由圖12可得，IA1600bj舊合模油路響應時間為140 ms，改進后的IA1600Ⅱbj新合模油路響應時間為100 ms, 新合模油路液壓保險響應時間縮短了28 %，可說明改進后的IA1600Ⅱbj新合模油路液壓保險安全性能得到明顯改善。

4 結論

(1)IA1600Ⅱbj注塑機動模板動態(tài)響應以及沖擊得到明顯改善；對于采用外差動外循環(huán)回路，速度曲線波動在穩(wěn)定速度的5 %以內(nèi)，最大速度與最小速度差為0.01 m/s；而對于采用外差動內(nèi)循環(huán)回路，速度達到最高以后，最大速度與最小速度差為0.06 m/s；

(2)IA1600bj舊合模油路合模背壓為11.5 MPa，而改進后的IA1600Ⅱbj新合模油路背壓為9 MPa，IA1600Ⅱbj新合模油路合模壓力沖擊得到改善，穩(wěn)定性得到很好的提高；

(3)新型的IA1600Ⅱbj液壓控制合模原理中，開模定位精度由1.87 %提高到了0.67 %，開模重復精度則由0.096 %提高到了0.052 %。改進后的IA1600Ⅱbj新合模油路響應時間為100 ms, 新合模油路液壓保險響應時間縮短28 %，說明安全閥復位更快，開合模運行更平穩(wěn)。

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DynamicStabilityofClampingHydraulicControlSystemsofTwoColorInjectionMoldingMachines

LIU Lizhu1, GAO Jielin1, GAO Shiquan1, WANG Xingtian1,2, ZHUANG Jian2*

(1.Haitian Plastic Machinery Group Co, Ltd, Ningbo 315801, China; 2.College of Mechanical and Electrical Engineering, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China)

This paper established a clamping hydraulic system in two color injection molding machines. Stability of different hydraulic systems was analyzed and optimized by means of experimental and simulating methods. The results indicated that, after a modification was performed on the clamping hydraulic system of IA1600Ⅱ bj new color injection molding machines, the mold positioning accuracy was improved from 1.87 % to 0.67 %. Moreover, the model repeatability also increased from 0.096 % up to 0.052 %, and the response time of new mold oil hydraulic insurance was shortened by 28 %. The oil hydraulic safety performance of the updated IA1600Ⅱbj new insurance clamping was improved significantly.

color injection molding machine; mold opening and closing precision; hydraulic control system; dynamic stability; dynamic simulation

TQ320.66+2

B

1001-9278(2017)10-0123-09

10.19491/j.issn.1001-9278.2017.10.021

2017-05-20

*聯(lián)系人，vipzhuangjian@163.com