注塑机液压系统的改进设计.pdf

2 0 1 3年 1 0月 第 4 1卷 第2 0期 机床与液压 MACHI NE T 00L HYDRAUL I CS 0c t ． 2 01 3 Vo 1 ． 41 No ． 2 0 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 2 0 ． 0 3 1 注塑机液压系统的改进设计 吴敏 ，王劲 ，王正才 宁波职业技术 学院海天学院，浙江宁波 3 1 5 8 0 0 摘要对某型注塑机液压系统进行改进设计 ，将该型注塑机顶模机构的液压中子并联起来。对改进后的注塑机液压系 统进行 A ME S i m仿真实验和改进实验，均验证了改进后的注塑机可以缩短注塑成型周期，并可实现二级调速。此改进方法 不增加其他液压阀，方法简单且成本低廉 ，可以提高企业的生产效益。 关键词注塑机；液压中子；改进设计；二级调速 中图分类号T H 1 3 7 文献标识码B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 2 0 0 9 6 3 I mp r o v e me n t De s i g n f o r Hy d r a u l i c S y s t e m o f I n j e c t i o n Mo l d i n g Ma c h i n e WU Mi n．WAN G J i n ．WANG Z h e n g c a i N i n g b o P o l y t e c h n i c ， N i n g b o Z h e j i a n g 3 1 5 8 0 0， C h i n a A b s t r a c t A n o p t i m a l d e s i g n f o r a n i n j e c t i o n m o l d i n g m a c h i n e h y d r a u l i c s y s t e m w a s m a d e ． T h e h y d r a u l i c n e u t r o n s o f t o p m o l d o f t h e i n j e c t i o n m o l d i n g m a c h i n e w e r e p a r al l e l e d ．S i m u l a t i o n e x p e ri me n t s b a s e d o n A ME S i m s o f t w a r e a n d p r a c t i c al i m p r o v e d e x p e ri m e n t w e r e m a d e ．The e x p e r i me n t al r e s u l t s v e ri f y u s i n g t h e i m p r o v e d i n j e c t i o n mo l d i n g m a c h i n e ， i n j e c t i o n m o l d i n g c y c l e c a n b e s h o r t e n e d ， a n d t wo s t e p s p e e d r e g u l a t i o n c a n b e r e a l i z e d ．Ad o p t i n g t h i s i mp r o v e d me t h o d，o t h e r h y d r a u l i c v a l v e s R r e n o t n e e d e d ．T h e me t h o d i s s i mp l e a n d h a s l o w c o s t ，e n t e r p ris e s p r o d u c t i o n e ff i c i e n c y c a n b e i mp r o v e d ． ， Ke y wo r d s I n j e c t i o n m o l d i n g ma c h i n e ； H y d r a u l i c n e u t r o n ；I m p r o v e me n t d e s i g n ；T w o s t e p s p e e d r e gul a t i o n 科学技术进步 E t 新月异，塑料在国民经济的各个 领域成为不可缺少的重要材料 ，塑料注射成型机是 实 现塑料加工最 主要 的一种机械设 备 。注塑成型的 周期一般 由四部分构成 注射时间、冷却时间 、开闭 模时间、辅助时间。其中辅助时间包括产品顶出时间 和抽插芯时间等。对大 中型复杂模具 ，辅 助时间约 占 整个成型周期 的 1 0 ％ ～1 5 ％ 。在 注塑成 型 生产过 程中，注塑周期各阶段动作存在先后顺序关系，也存 在重叠关系，从而可使成型周期缩短。但是各个动作 重叠关 系是 有 限 的 ，因此 无 法 高效 地 缩 短 成 型 周 期 。现有 的注塑 机改进 一 般都是 采 用液 压 比例技 术 、双泵供油 、蓄能器 、机械方式 、电液 比例控制技 术 、伺服 电机 、外接液压站控制等提高产 品的生产周 期 。 ，但是 采 用 这 些 方 法 成本 相 对 较 高 。因此 ， 在原有注塑机 的基础 上 ，如何应用 普通 的液压元件 ， 对现有的注塑机进行优化设计，提高产品的生产周 期 ，对提高企业效益 、确保产品质量具有重要意义 。 作 者对某注 塑机进行改进设计 ，将 注塑机 的两组 液压 中子换 向阀进行并联 ，液压 中子油路并联后 的出 油 口连接顶 出缸的进油腔 ，中子 的出油 口连接顶出缸 的回油腔 。通过改进注塑机的液压 中子 ，不仅可以缩 短成型时间， 提高注塑成型的效率，同时使抽芯机构 实现二级速度 ，当中子1 个电磁换向阀工作时实现慢 速顶出，当中子 2 个电磁换向阀同时工作时实现快速 顶出。注塑机顶模改进前如图 1 所示 ，注塑机顶模改 进后如 图 2所示。 顶 出缸 图 1 注塑机顶模改进前图 顶 出缸 图 2 注塑机顶模改进后图 1 基本液压元件热力学特性 基本液压元件分为3种 容性元件、阻性元件 、 收稿 日期 2 0 1 2 0 9 0 3 基金项 目浙江省教育厅科研资助项 目 Y 2 0 1 1 2 0 3 8 1 ；宁波职业技术学院科研课题 N Z 1 1 0 1 4 作者简介吴敏 1 9 7 9 一 ，女，硕士，讲师，主要从事液压与气压传动的教学与研究工作。Em a i l 5 3 7 6 0 0 1 2 q q ． c o rn。 第 2 0期 吴敏 等 注 塑机 液压 系统的改进设 计 9 7 感性 元件 。容 性 兀件 内部 有液 压 答 腔 ，阻 性兀 件 内 部没有容腔 ，所有液压元件都 由一个或者多个基本液 压元件组成 。其 中液压缸属于容性元件 ，液压 阀属 于阻性元件 。 基本液压元件 内流体遵守质量守恒定律 ，要求控 制体 c v 内 质 量 的 变 化 率 与 流 出 控 制 体 表 面 c s 的质量流量之和等于零 ，即 啬 s 0 c 1 由式 1 得流量的连续方程为 ∑ 一∑ 2 式中∑m 为流人控制体积的 流体的 质量流量； ∑m 为流出控制体积的 流体的 质量流量。 流体 的密度为 m 3P 将 式 3 两边取导得 一 生 d t P d t 4 d t 密度是压力和温度 的函数 ，可表示为 Pp p ， 5 对密度取微分得 d p 嚣 d p 券 d 6 由式 6 ，流量连续方程可表达为 ] 7 ＼O p， 流体体积弹性模量表达式为 ， 裔 ＼ 3 p， 流体体积膨胀系统表达式为 一古 9 将式 8 、 9 代入式 7 得 卢 【 d T ] 0 由式 4 和 1 0 得 警一 p 】 1 l ， 当不考虑温度特性时 ，认为 ；0 ，则 f 一 Td VP 1 1 2 I 一 J 则 d m 1 3 式中m 为第 i 条通路流入控制体积的质量流量。 将式 1 3 代人式 1 2 得 g ； 一 d V 4 其中 为体积流量，可与其他流量一起考虑 ，所 以式 1 4 可表达为 韭 d t V ∑q 一 1 5 式 1 5 说明压力的导数等于 乘以流量和 。阻 性元件 的质量流量为 m 即A 卸 1 6 式 中K与液阻的过流通 道形状 和液体 的性质有关 ； A为液阻过流截面积 ； n为指数 ，与液阻结构形式有关” 。 不考虑温度变化 ，则 gK A △ p 1 7 通过式 1 5 可以看 出，流人液压缸的流量等 于各支路流量 的总和。通过式 1 7 可 以看 出，液 压 阀的流量与过流截面积有关 ，通过调节过流截面积 可以控制液压 阀的流量 大小 。从 图 1可以看 出 ，流入 液压缸液体的流量等于单个换 向阀流出的液体流量； 从 图 2可 以看 出，流入液压缸的液体流量 等于两个换 向阀流出液体流量的和。由于液压缸的速度 ， 因此注塑机改 进后 的顶 出缸 运动速度要 比改进前 的顶 出缸运动速度快 。 2 A M E S i m仿真试验 随着计算机技术的发展，仿真技术得到不断发 展 ，仿 真技术 提 高 了科 学研 究 水平 ，缩短 了研 究 周 期，降低了科学研究成本及风险，促进了各个不同领 域的融合 ，加速了科研成果转化为生产力的进程 。 首选应用 A M E S i m软件对液压系统进行仿真 ，验 证改进方案是否可行 。A ME S i m是最早 由法 国 I m a g i n e 公 司于 1 9 9 5年推 出的多学科 领域 复杂 系统建模仿 真 平台 。A M E S i m为用户提供了一个时域仿真建模环 境 ，可使用已有模型和 或建立新的子模型元件 ， 构建优化设计所需 的实 际原型 ，采用易于识别的标 准 1 5 0图标和简单直观的多端 口框图，方便用户建立复 杂系统及用户所需的特定应用实例，可修改模型和仿 真参数 ，进行稳态及动态仿真 、绘制 曲线并分析仿 真 结果 ，界 面 比较 友 好 、操 作 非 常 方 便 。A M E S i m 使用户能够借助其友好 的、面 向实际应用的方案， 研究 任何元 件或 回路 的动力 学特 性 。这 可通 过模 型 库 的概念 来实现 ，而模型 库 可通过 客 户化来 不 断升 级 和改进 。 9 8 机床与液压 第 4 1 卷 2 ． 1 A ME S i m 系统建模 在 A M E S i m草图模式 S k e t c h M o d e 下构建注塑 机顶模改进前 和改 进后 的系统 ，如 图 3所 示 为改进 前系统图。其中普通机械、液压部分组件及传感器直 接 由 A ME S i m 液压 ④ ⋯ 一 ⋯ 图3 注塑机顶模改进前系统图 在参数模式 P a r a m e t e r M o d e 下进行液压元件 和机械部件的参数设定 泵排量 1 0 0 m L／ r ； 安全阀开 启压力 1 5 M P a ；顶出缸 行程 0 ． 6 m；顶 出缸活塞杆直 径 3 5 m m，顶出缸 内径 6 0 m m，负 载 2 5 0 0 N；电磁 换 向阀进 出油 口流量 1 L／ m i n ；油管的长度根据 注塑 机实际 情况 设 定 ，钢 管 壁 厚 3 m m，软 管 弹 性模 量 2 ． 0 6 1 0 M P a ，壁厚 5 m m，内径设置 为 1 5 m m；其 他参数保持默认值 。 图 4为注塑机顶模 改进后 系统 图 ，系统的参数设 定与改进前相同。 ④ ④一 - 图4 注塑机顶模改进后系统图 2 ． 2仿 真分析 对系统模型进行仿真，仿真时间设置为 1 s ，改 进前的系统液压活塞杆的运动速度即顶出缸顶出速度 仿真曲线如图5所示。可以看出活塞杆在 t 0 ． 1 S 后匀速运动 ，运动速度 为 0 ． 1 m ／ s 。图 6为注塑 机顶 模改进后顶出杆速度仿真 曲线 ，此时两个换向阀的最 大流量设 置 为 0 ． 7 L ／ m i n ，可 以看 出 活塞 杆在 t 0 ． 3 s 后 系统匀速运 动 ，运动速 度为 0 。 1 8 m ／ s 。通过 对 图 5和图 6的分析可 以看出 ，改进后活塞杆 的速度 为改进前速度 的 1 ． 8倍 。 0． 14 0． 12 0． 10 0． 08 邑0 ． 0 6 0． 04 0． 02 0． 00 0 ． 35 0 ． 30 0． 25 0 ． 2 0 曼0 ． 1 s 0 ． 1 0 O 05 0 ．0 0 0 ． 0 0 ． 4 0 ． 8 1 ． 2 0 ． 0 0 ． 4 0 ． 8 1 ． 2 t ／ s t ／ s 图5 注塑机顶模改进 图6 注塑机顶模改进 前顶出杆速度 后顶出杆速度 将改进后 的系统 中的 2 个节流 阀最大流量调低 至 0 ． 1 L ／ ra i n ，此 时顶 出杆 的速 度 为 0 ． 1 5 m ／ s ，如 图 7 所示 ，这说 明通过调节节流阀的流量 可以控制液压缸 的运动速度 。将节 流阀 1的最大流量调至 0 ． 7 L ／ m l n ， 将右边电磁换 向阀 2断电后 ，顶 出杆 的运动速度约为 0 ． 0 9 2 m ／ s ，如图 8所 示。 由于 电磁换 向 阀并 联后 能 量损失相对 单个换 向阀稍微偏多 ，因此改进后单个换 向阀使用的速度相对改进前慢0 ． 0 0 8 u v s 。通过以上 结果可以看 出 通过控制 电磁换向阀的通断 电，改进 后的系统可以实现二级调速，并通过调节节流阀流量 也可实现液压缸的速度控制 。 0 ． 1 2 0． 1 0 ，0 ． 0 8 1 o ．0 6 0 ． 0 4 0． 0 2 0 ． 0 O 图 7 节流阀流量调低后 图8 关闭一个电磁换向阀 的顶出杆运动速度 后顶出杆运动速度 3注塑机的改进实验 对 H T F 3 8 0型注塑机进行改进 ，通过注塑 5 0 0 m L 饮料瓶 的瓶坯 进 行试 验 验 证 。材 料 采 用 P E T塑 料 ， 瓶身外 径 为 0 ⋯ m m，底 部为 S R I O m m，壁 厚 3 m m，瓶坯高 9 0 m m。采 用 1模 1 2腔 热 流道 模 具 结 构 ，自动脱模结构 ，注射压力 4 0 5 0 M P a 。 为了保证产品脱模时不被损坏，产品脱模时的顶 出速度要慢，但当产品脱离模具后速度便可加快，推 杆回程的速度也可以加快 。但是，一般注塑机的顶 出机构只采用如图 1 所示的一组液压 中子油路 ，当 产 品脱离模具后的速度还是不变 的，回程的速度也 同 样是不变 的。 现将两组液压 中子油路进行并联 ，将 两组油路 同时工作时与油路未改进前 的脱模时间进行 比较。产 品慢 速顶 出时 采用 一组 液压 油路 ，当产 品脱离模 具 后，并联油路开始工作，实现快速运动，回程时油路 也采用并联油路，实现快退。实验结果如表 1 所示。 下 转 第 1 0 2页 L～ 卜 1 0 2 机床与液压 第 4 1 卷 由图 2可 以看 出 径 向变 形量 为 6 0 ． 3 4 9 m m． 满足设计要求。 3 ． 2二级缸 体 变形量 在 A N S Y S环 境 建 模 ，弹 性 模 量 设 置 为 2 ． 6 1 0 ，泊松 比设 置为 0 ． 3 ，D 。 0 ． 3 8 m m；D 0 ． 4 7 m E，对所建模型进行网格划分，对缸筒两端施加全 约束，在缸筒 内部施加 P1 ． 2 51 ． 7 3 1 3 4 21 0 N ／ m 均布压力载荷 ，求解得 到变形量 和应力情 况结 果如图 3所示 。 图 3 二级缸筒变形量 由图 3可 以看 出径 向变 形 量 为 0 ． 4 2 m m， 满足设计要求 。 4结论 把 M A T L A B应用于大缸径立柱 的设计 工作 中， 所做的工作总结如下 1 介绍 了大缸径立 柱 的结构 特点和 在掩 护式 液压支架 中的应用原理 ； 2 分析了双伸缩立柱等负载下，活塞腔内工 作压力 的特点 ，确定 了缸筒工作压力和采用大流量安 全阀的理论依据； 3 利用 M A T L A B编 程 ，实 现 了变 参数 下缸 筒 验算 、压力极限值 和爆破压力计算过程 ； 4 应用 A N S Y S对缸筒 变形量进行 了有 限元分 析 。 文 中介绍 的方法 可 以用 于复 杂产 品设 计 的全过 程 。 参考文献 【 1 】徐祖辉， 樊军， 李吉堂， 等． 缸径液压支架立柱的优化设 计[ J ] ． 煤矿机械， 2 0 1 1 ， 3 2 1 3 9 4 1 ． 【 2 】程居山， 曹连民． 液压支架双伸缩立柱的结构型式和性 能分析[ J ] ． 煤矿机械， 2 0 0 2 1 1 3 4 3 7 ． 【 3 】程居山， 宋志安． 矿山机械液压传动[ M] ． 北京 中国矿 业 大学出版社 ， 2 0 0 7 ． 【 4 】宋志安． M A T L A B ／ S i m u l i n k与机电控制系统仿真[ M] ． 2 版． 北京 国防工业 出版社 ， 2 0 1 1 ． 【 5 】刑福康． 煤矿支护手册[ M] ． 北京 煤炭工业出版社， 1 9 93． 【 6 】许贤良 液压缸及其设计[ M] ． 北京 国防工业出版社 ， 2 01 1 上接第 9 8页 表 1 注塑机顶模机构改进前与改进后的时间对 比 推程时 间／ s回程时间／ s成 型总时间／ s 通过表 1 可以看 出 注塑机顶模机构 改进后 ，不 仅可 以实现二级调速 ，同时缩短 了整个成型时间。总 成 型时间缩短 了 3 ． 8 S ，提 高了 1 0 ． 3 ％。 4结论 将注塑机的两组 液压 中子进行并联改进 ，可 以缩 短注塑机 的成型周期 ，加快注塑机 的顶模 速度 ，同时 可以实现顶模机构的二级调速。此改进方法不增加其 他液压阀，方法简单且成本低廉 ，可以提高企业的生 产效益。 参考文献 【 l 】马海舟， 潘晓铭， 潘道波． 塑料注塑机快速注射部分设计 与应用[ J ] ． 液压与气动， 2 0 0 7 2 8 9 ． 【 2 】杜建铭， 谢金铎． 基于 A M E S i m的注塑机锁模系统设计 与仿真[ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 1 ， 3 9 2 3 1 2 71 2 9 ． 【 3 】王正才， 王劲． 一种 改进型注塑机 中 国 B 2 9 C 4 5 ／ 7 6 [ P ] ． 2 0 1 1 0 31 6 ． 【 4 】吴红． 小型注塑机液压系统优化设计研究[ J ] ． 南宁职 业技术学 院学报 ， 2 0 0 9 1 4 9 2 9 4 ． 【 5 】 王成恩， 万贤杞． 3 0 0 e m 双注射注塑机液压系统设计 研究[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 4 2 1 0 01 0 1 ． 【 6 】吕 超珍． 聚丙烯薄壁餐具注射成型液压系统改进 [ J ] ． 工程塑料应用 ， 2 0 0 9 ， 3 7 6 6 9 7 2 ． 【 7 】 马海舟， 潘晓铭， 潘道波． 塑料注塑机快速注射部分设计 与应用 [ J ] ． 液压与气动 ， 2 0 0 7 2 8 9 ． 【 8 】徐志娟， 林雪春， 林峰， 等． 复杂箱体抽芯结构模具试模 过程中对注塑机的改造 [ J ] ． 塑料， 2 0 0 9 ， 3 8 1 1 0 9 11 1 ． 【 9 】 李成功， 和彦淼． 液压系统建模与仿真分析[ M] ． 北京 航空工业 出版社 ， 2 0 0 8 1 21 9 ． 【 1 0 】余佑官， 龚国芳 ， 胡 国良 A ME S i m仿真技术及其在液 压 系统 中的应用 [ J ] ． 液压气动与 密封 ， 2 0 0 5 3 2 8 3 0． 【 1 1 】付永领， 齐海涛． L M S I m a g i n e ． L a b A ME S i m系统建模 和仿真 实例教程 [ M] ． 北京 北京航空航天大学出版 社 ． 2 01 1 ．