摘    要：本文分析了采用定量泵和節流調速回路的硫化機開合模液壓系統，利用AMESim軟件對開合模液壓系統進行了仿真分析，指出了采用定量泵加節流調速回路的硫化機開合模液壓系統，在慢速開模、慢速合模過程中存在較大的節流損失和溢流損失，導致系統容積效率不高，為硫化機液壓系統的設計與優化提供了理論與技術參考。

關鍵詞：硫化機;開合模;液壓系統;節流調速;AMESim;

硫化機是一種對各種橡塑制品進行硫化的機器，具有定時鎖模、自動補壓、自動計時、自動控溫、到時報警等功能，是現代橡膠制品（如橡膠輪胎、膠囊）等生產加工過程中一個很重要的環節。隨著工業的發展，硫化機也由機械式硫化機過渡到液壓式硫化機[1]。國內外對硫化工藝的創新發展也進行了大量研究，主要以節能、高效、高性能為發展方向[2]。同傳統的機械式硫化機相比，采用液壓系統的硫化機機體結構緊湊，剛性較好；開合模時，上模部分僅作垂直上下運動，可保持很高的對中精度和重復精度；各動作快速平穩，大大減少了硫化機輔助時間；上下合模力均勻，不受工作溫度影響；整機質量減輕，僅為機械式硫化機的三分之一[3]。

開合模系統是硫化機中最重要的組成部分，硫化機開合模動作過程中，行程較大，速度變化也大，是整個系統中壓力流量需求變化最大，動作工況最惡劣的一環[4]。開合模液壓系統的主要功能是由液壓驅動開合模油缸實現活絡模具的上升和下降，為減少設備振動、確保生產安全及運動精度，開合模需具有快速和慢速的開合功能[5]。本文對采用定量泵與節流調速回路的硫化機液壓開合模系統進行了分析，利用AMESim軟件[6]對開合模液壓系統進行仿真分析，探討開合模液壓系統的功率特性，為進一步優化設計硫化機液壓系統提供理論與技術支持。

1 基于定量泵與節流調速的開合模液壓系統

以某輪胎硫化機為例，該液壓硫化機液壓系統由電機驅動定量液壓泵工作，開合模液壓系統采用節流調速回路實現流量調節，以滿足開合模的工作過程中的快速開模、慢速開模、快速合模和慢速合模動作需求。在開模、合模動作中，液壓缸運動前段采用快速開合，運動后段則采用慢速開合直至終點。液壓系統如圖1所示。

液壓系統相關元件的參數如表1所示，定量液壓泵輸出流量為90 L/min，以滿足快速開模和快速合模的高速運動需求，調速閥5、6通流流量設置為60 L/min，用于慢速開模和慢速合模的低速運動需求。

表1 主要液壓元件參數

圖1 硫化機開合模液壓系統原理圖

1—油箱；2—定量液壓泵；3—溢流閥；4—Y型三位四通換向閥；5、6—調速閥；7、8—兩位兩通換向閥；9—平衡閥；10—液壓缸

開合模液壓回路的動作參數如表2。當硫化機開始合模時，1Y、3Y、4Y得電，高壓油液經過換向閥4后從換向閥8、順序閥9流入液壓缸無桿腔，液壓缸有桿腔油液經換向閥7回油，實現快速合模；當合模快結束時，3Y斷電，回油油液經過節流閥5回油，開啟回油節流調速，實現慢速合模。當硫化機進入開膜動作時，2Y、3Y、4Y得電，高壓油液經過換向閥后從換向閥流入液壓缸有桿腔，液壓缸無桿腔油液經順序閥、換向閥回油，實現快速開模；當開膜快結束時，4Y斷電，回油油液經過節流閥6回油，開啟回油節流調速，實現慢速開模。由理論計算可知，液壓缸在快速合模、慢速合模、快速開模、慢速開模時的運動速度速度分別為：0.191 m/s、0.127 m/s、0.26 m/s、0.17 m/s。

2 開合模液壓系統仿真分析

2.1 仿真原理圖搭建

根據圖1原理圖，在AMESim軟件中的草圖（SKETCH）界面，從液壓元件庫中選擇液壓油標識及相應的液壓元件并連接起來，在信號庫和機械庫中選擇與之相匹配的信號元件與相應液壓元件連接，如圖2所示。圖中3、11號元件屬于機械庫中的元件，電機3與液壓泵相連為液壓泵提供相應的轉速，力傳導11與液壓缸相連，將接受到的設置信息轉化為負載力輸送給液壓缸。6、12號元件屬于信號庫中的元件，正弦信號6與電磁閥相連，可以按設定的時間控制電磁閥的移動，負載信號12與力傳導相連，用于給定液壓缸負載信息。

表2 液壓系統動作參數

2.2 仿真參數設置

搭建好仿真原理圖后進入子模（SUBMODEL）界面，點擊首選子模型（Premier submodel）系統會自動選擇出匹配的子模型，若有特殊需要可雙擊該模型后選擇所需要的子模型，再點擊首選子模型完成剩余模型的匹配。設置好子模型后進入參數設置（PARAMETER）界面，按照各元件對應的參數對元件參數進行設置，根據表2中的動作要求及順序表設置系統中三個方向控制閥對應的正弦信號參數，如表3所示。

圖2 硫化機開合模液壓系統仿真原理圖

1—油箱；2—定量泵；3—電機；4—溢流閥；5—三位四通換向閥；6—正弦信號；7—兩位兩通換向閥；8—節流閥；9—平衡閥；10—液壓缸；11—力傳導；12—負載；13—液壓油

表3 仿真參數設置

在該系統仿真運行參數中，設置系統仿真時間（Final time）為30 s，采樣時間（Print interval）為0.001s，仿真的類型為single run，其余參數保持默認設置，如圖3所示。

圖3 系統仿真運行參數設置

2.3 仿真結果分析

圖4為液壓缸的位移圖。由圖可知，液壓缸在0～6 s內做快速合模運動，6～12.8 s內做慢速合模運動直至運動到最大位移2 m處，隨后進入暫停；在18～24 s內做快速開模運動，24～26.5 s內做慢速合模直至液壓缸完全退回。

圖4 液壓缸位移圖

圖5為液壓缸的運動速度曲線圖，仿真結果顯示：快速合模、慢速合模、快速開模和慢速開模時液壓缸的速度分別為0.189 61 m/s、0.127 02 m/s、0.252 3m/s和0.190 3 m/s。對比表2可知，仿真結果與理論計算結果吻合。

圖5 液壓缸運動速度圖

圖6為定量液壓泵的輸出功率圖，由圖可知，該系統在快速合模運行時，液壓泵的輸出功率為2.1kW，該過程泵出口壓力等于負載壓力，泵出口高壓油液全部進入液壓缸參與對外做功，系統功率損失很少，容積效率高。系統在慢速合模運行時所需功率減小，但液壓泵的輸出功率高達5.7 kW，原因是此時液壓缸所需流量60 L/min小于定量泵輸出流量90 L/min，節流回路接入系統工作，泵出口的溢流閥開啟溢流，此時系統出現大量調速閥節流功率損失功率和溢流閥溢流功率損失，系統容積效率嚴重降低。同理，系統在快速開模運行時，液壓泵輸出功率小，系統功率損失小，容積效率高；而在慢速開模運行時也將產生大量調速閥節流功率損失功率和溢流閥溢流功率損失，使系統容積效率變低。

圖6 液壓泵輸出功率圖

3 結論

本文分析了采用定量泵和節流調速回路的硫化機開合模液壓系統，介紹了采用AMESim進行液壓系統仿真的方法，并對開合模液壓系統的功率特性進行了分析，結果表明，這種采用定量泵加節流調速回路的硫化機開合模液壓系統，在慢速開合模過程中，為了適應工作流量變小的需求，存在較大的節流損失和溢流損失，導致系統效率不高。在后續的開合模液壓系統優化設計中可采用伺服控制系統來適應流量變化需求，保持系統高容積效率，降低能源消耗。

參考文獻

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[2] 吳畏，伍先安，楊衛民，等.輪胎硫化設備及工藝研究進展[J].橡膠工業，2018,65(06):711-716.

[3] 鄒炳燕，楊健，李穎，等.80 MN膠囊硫化機液壓系統設計[J].機床與液壓，2016,44(08):34-36.

[4] 王超群.航空子午胎硫化機伺服液壓系統中開合模控制的優化設計思路[J].橡塑技術與裝備，2019,45(21):54-61.DOI:10.13520/j.cnki.rpte.2019.21.011.

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[6] 劉曉蓮，李坤，趙雄鵬.液壓支架上升回路的AMEsim建模和仿真[J].機械工程師，2020(12):153-155.

文章來源橡塑技術與裝備. 2023,49(05)