基于定量泵与节流调速的硫化机开合模液压系统仿真

摘    要：本文分析了采用定量泵和节流调速回路的硫化机开合模液压系统，利用AMESim软件对开合模液压系统进行了仿真分析，指出了采用定量泵加节流调速回路的硫化机开合模液压系统，在慢速开模、慢速合模过程中存在较大的节流损失和溢流损失，导致系统容积效率不高，为硫化机液压系统的设计与优化提供了理论与技术参考。

关键词：硫化机;开合模;液压系统;节流调速;AMESim;

硫化机是一种对各种橡塑制品进行硫化的机器，具有定时锁模、自动补压、自动计时、自动控温、到时报警等功能，是现代橡胶制品（如橡胶轮胎、胶囊）等生产加工过程中一个很重要的环节。随着工业的发展，硫化机也由机械式硫化机过渡到液压式硫化机[1]。国内外对硫化工艺的创新发展也进行了大量研究，主要以节能、高效、高性能为发展方向[2]。同传统的机械式硫化机相比，采用液压系统的硫化机机体结构紧凑，刚性较好；开合模时，上模部分仅作垂直上下运动，可保持很高的对中精度和重复精度；各动作快速平稳，大大减少了硫化机辅助时间；上下合模力均匀，不受工作温度影响；整机质量减轻，仅为机械式硫化机的三分之一[3]。

开合模系统是硫化机中最重要的组成部分，硫化机开合模动作过程中，行程较大，速度变化也大，是整个系统中压力流量需求变化最大，动作工况最恶劣的一环[4]。开合模液压系统的主要功能是由液压驱动开合模油缸实现活络模具的上升和下降，为减少设备振动、确保生产安全及运动精度，开合模需具有快速和慢速的开合功能[5]。本文对采用定量泵与节流调速回路的硫化机液压开合模系统进行了分析，利用AMESim软件[6]对开合模液压系统进行仿真分析，探讨开合模液压系统的功率特性，为进一步优化设计硫化机液压系统提供理论与技术支持。

1 基于定量泵与节流调速的开合模液压系统

以某轮胎硫化机为例，该液压硫化机液压系统由电机驱动定量液压泵工作，开合模液压系统采用节流调速回路实现流量调节，以满足开合模的工作过程中的快速开模、慢速开模、快速合模和慢速合模动作需求。在开模、合模动作中，液压缸运动前段采用快速开合，运动后段则采用慢速开合直至终点。液压系统如图1所示。

液压系统相关元件的参数如表1所示，定量液压泵输出流量为90 L/min，以满足快速开模和快速合模的高速运动需求，调速阀5、6通流流量设置为60 L/min，用于慢速开模和慢速合模的低速运动需求。

表1 主要液压元件参数

图1 硫化机开合模液压系统原理图

1—油箱；2—定量液压泵；3—溢流阀；4—Y型三位四通换向阀；5、6—调速阀；7、8—两位两通换向阀；9—平衡阀；10—液压缸

开合模液压回路的动作参数如表2。当硫化机开始合模时，1Y、3Y、4Y得电，高压油液经过换向阀4后从换向阀8、顺序阀9流入液压缸无杆腔，液压缸有杆腔油液经换向阀7回油，实现快速合模；当合模快结束时，3Y断电，回油油液经过节流阀5回油，开启回油节流调速，实现慢速合模。当硫化机进入开膜动作时，2Y、3Y、4Y得电，高压油液经过换向阀后从换向阀流入液压缸有杆腔，液压缸无杆腔油液经顺序阀、换向阀回油，实现快速开模；当开膜快结束时，4Y断电，回油油液经过节流阀6回油，开启回油节流调速，实现慢速开模。由理论计算可知，液压缸在快速合模、慢速合模、快速开模、慢速开模时的运动速度速度分别为：0.191 m/s、0.127 m/s、0.26 m/s、0.17 m/s。

2 开合模液压系统仿真分析

2.1 仿真原理图搭建

根据图1原理图，在AMESim软件中的草图（SKETCH）界面，从液压元件库中选择液压油标识及相应的液压元件并连接起来，在信号库和机械库中选择与之相匹配的信号元件与相应液压元件连接，如图2所示。图中3、11号元件属于机械库中的元件，电机3与液压泵相连为液压泵提供相应的转速，力传导11与液压缸相连，将接受到的设置信息转化为负载力输送给液压缸。6、12号元件属于信号库中的元件，正弦信号6与电磁阀相连，可以按设定的时间控制电磁阀的移动，负载信号12与力传导相连，用于给定液压缸负载信息。

表2 液压系统动作参数

2.2 仿真参数设置

搭建好仿真原理图后进入子模（SUBMODEL）界面，点击首选子模型（Premier submodel）系统会自动选择出匹配的子模型，若有特殊需要可双击该模型后选择所需要的子模型，再点击首选子模型完成剩余模型的匹配。设置好子模型后进入参数设置（PARAMETER）界面，按照各元件对应的参数对元件参数进行设置，根据表2中的动作要求及顺序表设置系统中三个方向控制阀对应的正弦信号参数，如表3所示。

图2 硫化机开合模液压系统仿真原理图

1—油箱；2—定量泵；3—电机；4—溢流阀；5—三位四通换向阀；6—正弦信号；7—两位两通换向阀；8—节流阀；9—平衡阀；10—液压缸；11—力传导；12—负载；13—液压油

表3 仿真参数设置

在该系统仿真运行参数中，设置系统仿真时间（Final time）为30 s，采样时间（Print interval）为0.001s，仿真的类型为single run，其余参数保持默认设置，如图3所示。

图3 系统仿真运行参数设置

2.3 仿真结果分析

图4为液压缸的位移图。由图可知，液压缸在0～6 s内做快速合模运动，6～12.8 s内做慢速合模运动直至运动到最大位移2 m处，随后进入暂停；在18～24 s内做快速开模运动，24～26.5 s内做慢速合模直至液压缸完全退回。

图4 液压缸位移图

图5为液压缸的运动速度曲线图，仿真结果显示：快速合模、慢速合模、快速开模和慢速开模时液压缸的速度分别为0.189 61 m/s、0.127 02 m/s、0.252 3m/s和0.190 3 m/s。对比表2可知，仿真结果与理论计算结果吻合。

图5 液压缸运动速度图

图6为定量液压泵的输出功率图，由图可知，该系统在快速合模运行时，液压泵的输出功率为2.1kW，该过程泵出口压力等于负载压力，泵出口高压油液全部进入液压缸参与对外做功，系统功率损失很少，容积效率高。系统在慢速合模运行时所需功率减小，但液压泵的输出功率高达5.7 kW，原因是此时液压缸所需流量60 L/min小于定量泵输出流量90 L/min，节流回路接入系统工作，泵出口的溢流阀开启溢流，此时系统出现大量调速阀节流功率损失功率和溢流阀溢流功率损失，系统容积效率严重降低。同理，系统在快速开模运行时，液压泵输出功率小，系统功率损失小，容积效率高；而在慢速开模运行时也将产生大量调速阀节流功率损失功率和溢流阀溢流功率损失，使系统容积效率变低。

图6 液压泵输出功率图

3 结论

本文分析了采用定量泵和节流调速回路的硫化机开合模液压系统，介绍了采用AMESim进行液压系统仿真的方法，并对开合模液压系统的功率特性进行了分析，结果表明，这种采用定量泵加节流调速回路的硫化机开合模液压系统，在慢速开合模过程中，为了适应工作流量变小的需求，存在较大的节流损失和溢流损失，导致系统效率不高。在后续的开合模液压系统优化设计中可采用伺服控制系统来适应流量变化需求，保持系统高容积效率，降低能源消耗。

参考文献

[1] 艾同辉，姚宁，张令，等．HFST伺服液压系统在轮胎硫化机中的应用研究[J]．橡塑技术与装备，2016,42(19):60-66.

[2] 吴畏，伍先安，杨卫民，等.轮胎硫化设备及工艺研究进展[J].橡胶工业，2018,65(06):711-716.

[3] 邹炳燕，杨健，李颖，等.80 MN胶囊硫化机液压系统设计[J].机床与液压，2016,44(08):34-36.

[4] 王超群.航空子午胎硫化机伺服液压系统中开合模控制的优化设计思路[J].橡塑技术与装备，2019,45(21):54-61.DOI:10.13520/j.cnki.rpte.2019.21.011.

[5] 韩青，叶选林，任杉，等.液压轮胎定型硫化机液压系统设计与仿真[J].机床与液压，2014,42(01):116-119.

[6] 刘晓莲，李坤，赵雄鹏.液压支架上升回路的AMEsim建模和仿真[J].机械工程师，2020(12):153-155.

文章来源橡塑技术与装备. 2023,49(05)