油缸驱动肘杆机构合模部件开模瞬时停顿的研究

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

The Research of Open M old Instantaneous Halt for theOil Cylinder Driver Toggle Clamping PartZHANG You-gen(Ningbo Haida Plastic Machinery Co.，Ltd.，Ningbo 3 1 5200，China)Abstract： The oil cylinder driving elbow lever mechanism clamping parts touched momentary pause in the injection molding moldcontinuous motion of the toggle institutions mold parts of the elastic deformation energy in real term s from the theory and examples of theinstantaneous pause discontinuous motion of the demonstration，the main reason is caused due to the dynamic perform ance does not matchthe hydraulic power driven system with toge agencies clamping parts of elasticity between the two，The institutions combination ofthe transmission system with the oil motor-bal screw-toggle，the proposed change to the flexibility of the mold parts to restore the energyconversion type， to achieve the flexibility to restore the non-interference in mold velocity， continuous movement of the mold；transmission system composed of the type changes， clamping parts of the fuel tank driving elbow lever mechanism to break the drivetransmission system increasing power than the design limits can be increased by about 20 times to about 100 times， institutions toggleclamping parts energy saving drive breakthrough in expanding the sports performance optimization of the design space。

Key words：injection molding machines； hydraulic drive； the transmission mechanism of the mold； sports performance；energy savingU 日IJ舌油缸驱动肘杆机构是注塑机合模部件广泛应用的节能高效的传动型式Ⅲ(图 1为油缸驱动的双曲肘斜排列内翻式五支点肘杆机构合模部件)，但在注塑成型的开模过程中出现的瞬时停顿的不连续运动的动态性能，影响开模定位精度及速度的有效控制。对于模内贴标等对开模定位精度和速度有严格要求的注塑新工收稿日期：2012-06-11作者简介：张友根(1947-)，男，上海人，教授级高级工程师，大学本科 ，现主要从事塑料机械的科学发展工作。

72艺，研究开模的动态性能越发显得重要，以实现开模的精密定位精度及速度控制。本文从肘杆机构合模部件的弹性力学角度，分析了合模部件的弹性变形能及行程的动态变化特性、弹性变形能量转化特性，结合实例研究了油缸动力驱动系统与肘杆机构合模部件弹性力学两者之间的动态性能特点，提出了油马达-滚珠丝杆-肘杆机构等组合的液压动力驱动型式，消除油缸驱动肘杆机构的合模部件开模瞬间停顿的不连续运动现象.同时增力比由传统的约 2O倍可增大到约 100倍.进-步降低了驱动能耗，拓展了运动性能优化设计空间。

Hydraulics Pneumatics& Seals/NO.02.201 3l-拉杆 2油缸 3-调模螺母 4-合模油缸活塞 杆 5-调节模板(尾板)6-推力座 7-摆杆 8-后连杆 9-大销轴 1O-前连杆11-二板(移动模板) 12-模具 13-固定模板(头板) 14-拉杆螺母图 1 油缸驱动的双曲肘斜排列内翻式五支点肘杆机构合模部件1 肘杆机构合模部件弹性变形能[2]肘杆机构合模部件是-个弹性变形的力封闭系统。整个合模部件中，拉杆、上下(左右)两排连杆是主要的弹性变形件，模板，模具等其余件相对于拉杆、上下(左右)两排连杆是刚性件。

肘杆机构合模部件有两个关注的弹性变形点：1)临界角合模运动，模具接触并合紧，此点为临界变形点，后连杆两大锁轴孔中心连线与锁紧位置之间的夹角称之为临界角。

2)锁那运动越过临界角，肘杆机构增力比增大。液压推力逐渐增至最大，此点的后连杆两大锁轴孑L中心连线与锁紧位置之间的夹角称之谓为锁那，此点处的变形力(锁模力)与油缸活塞推力之比称之谓增力比。越过锁那至锁尼束，增力比趋向无穷大，油缸活塞推力逐渐降低。

肘杆机构增力比与速度比互为倒数。合模运动中，从始点到临界角的运动中，没有增力比，所以也没有速度比，但存在行程比。

锁模过程中，合模部件在液压动力驱动下，从临界角开始，整个合模部件产生弹性变形，锁尼束 ，达到额定锁模力，储存锁模过程中产生的全部弹性变形能：r r ' 'ETI dxJ Kxdx 1 (1)6 6式中 --系统弹性变形力，kN；- - 系统弹性变形能，kN·m；合模部件刚度。kN/m：- - 合模部件弹性变形量，m。

开模运动，部件释放弹性变形能。弹性变形能释放是部件 自然性能，而转化为何种能量，根据其动力驱动机构的型式而定-模始点(启模)，由于机构具有-个趋近于无穷大的增力比，液压动力系统只要给予-个微小的驱动力，就能使前后肘杆铰接点(D点)在液压动力驱动下♀除自锁。

2 油缸驱动肘杆机构合模部件开模瞬时停顿理论分析油缸驱动肘杆机构合模部件开模瞬时停顿的不连续运动现象是在负载(注塑成型)工况下发生的≌运载中无此现象发生，因为空运载只有移模运动，没有锁模和开模。合模部件在负载(注塑成型)工况下，具有锁模与开模。表明开模瞬时停顿现象与肘杆机构合模部件弹性变形能直接相关。

开模具有三个工序：①解锁：压力油进人油缸有杆开模工作腔，实现肘杆机构瞬间解锁；②部件释放储存的弹性变形能，推动油缸活塞运动至临界角位置；③活塞带动肘杆机构，实现二板开模移模至设定位置。工序①和②，二板不移动。

弹性恢复是合模部件本身具有的自然性能。瞬间完成。注塑结束 ，模腔内成型制品经冷却，压力油进人油缸有杆工作腔，活塞带动肘杆机构，解除前后肘杆铰接点(图 1中D点)自锁，实现启模。前后肘杆铰接点-旦解除自锁，储存的弹性变形内能立即释放，推动小连杆-推力座-活塞。弹性能量释放转变为推动油缸活塞运动的动能，活塞-推力座在合模部件弹性力的推动下，产生运动加速度：(2)油缸活塞-肘杆为柔性系统，锁模储存的弹性恢复能释放转变为推动推力座-活塞系统运动的动能：- ÷my (3)肘杆机构在临界点处，没有速度比，所以l临界点处的弹性恢复速度即为活塞-推力座的运动速度：、/ (4) zJ -- 斗JVm 弹性恢复时间：拄103V 2Xa二 (5)以上四式中 。--推力座-活塞系统运动的动能；弹性恢复加速度，m/s ；- - 弹性恢复时间，ms；m--合模部件质量，kg；- - 锁模活塞弹性恢复运动速度，m/s。

开模各段工序液压系统压力变化及与弹性恢复运动之间关系：73液压 气动 与密 封/2013年 第 02期(1)解锁压力。-般为额定压力的0.1。

(2)弹性恢复阶段压力。活塞在弹性恢复力产生加速度的高速推动下，运动速度瞬问上升，并大幅超过液压系统所能提供的活塞运动速度，活塞运动被弹性恢复释放能驱动，而不是由系统的液压驱动能驱动，液压系统处于无负载状态下工作，工作压力时间降为零。根据伯努利流体力学定律，油缸有杆工作腔液压油压力在活塞异常高速带动下瞬间释放而降低 .无杆回油腔液压油瞬间压缩而压力增高.由于液压系统具有弹性连接高压胶管，油缸工作腔不会产生吸空现象，活塞仍可被弹性恢复力驱动。这种瞬间压力变动的工况可从系统压力表上直接反映出。从弹性恢复开始。系统解锁压力从 0.1额定压力下降至弹性恢复的零压力，压力变化区域小，而且系统中没有任何液压元件工作。所以液压系统的动态反映时间仅为几毫秒。

(3)启模压力。二板从停止状态进入克服的静摩擦力的启模运行。启模压力-般为额定压力的0.3～0.4。弹性恢复结束，油缸有杆工作腔需要重新建立压力，才能推动活塞带动二板运动。系统从弹性恢复的零压力跃升到启模压力，相对于解锁压力 ，跃升幅度较大，建压的时间长-点。系统建立压力过程阶段，肘杆机构(锁模活塞)处于瞬间停顿状态，这个建立压力时间也是锁模活塞从弹性恢复结束转入启模的瞬间停顿时间。

(4)移模压力。二板-经启动，进人克服动摩檫力的移模运行。移模压力-般为额定压力的0.2～0.3。

压力表上明显反映了开模各段工序液压系统压力变化过程。图2为开模各段工序液压系统压力变化曲线示意图锁 恢复图 2 开模各段工序 液压 系统压力变化曲线示意图活塞运动速度与弹性恢复速度之间关系。活塞正常运动速度是在系统液压动力驱动控制下实现。弹性恢复能力释放是合模部件的自然性能.合模部件弹性恢复能量瞬间释放完毕，活塞运动至临界点并弹性恢复运动速度达到最高.同时由于临界点处的弹性恢复内力全部释放.活塞的弹性恢复产生的加速度和速度两者瞬时降为零。图3为开模各段工序活塞速度与时间关系的速度特性曲线示意图。图4为开模各段工序活塞速度与位置关系的速度特性曲线示意图。

74弹图 3 开模各段工序活塞速度与时间关系的速度特性 曲线示意图弹性恢复结束点活塞速度移模运动活塞速度启模速度0弹性恢复结束点 移尼束点 开横括 移模始点 塞行程图4 开模各段工序活塞速度与位置关系的速度特性曲线示意图上述对开模运动工况的分析，开模瞬时停顿现象主要是合模部件弹性力学的自然性能与油缸活塞开模的运动学和动力学的性能不匹配而产生的。小规格设备的弹性恢复速度与移模速度之比歇模瞬时停顿不明显；大规格设备的弹性恢复速度与移模速度之比大，开模瞬时停顿较为明显。

开模瞬时停顿与液压系统容积-模弹性恢复阶段，液压系统中的各个液压元件无任何动作 ，所以液压系统的角频率直接与系统的油液容积相关，设备规格大，其液压系统的油液容积大，系统的角频率降低.动态反映性能差。不同规格的设备，由于液压系统的容积各不相同，角频率也不同，从弹性恢复结束至移模的压力跃升动态反映时间也各不相同，小规格设备其油液容积小，瞬间停顿不明显；大规格设备其油液容积大。

油缸活塞开模行程与二板行程。油缸活塞开模行程包含弹性恢复行程和移模行程，当合模部件空运转情况下，只有移模行程。油缸活塞在弹性恢复行程阶段运行，二板没有运行。油缸活塞行程是-个恒定值.不同注塑成型工况下，活塞的弹性恢复行程和移模行程两者是随成型加工设定的锁模力大小而变化。锁模力小 ，弹性变形量小，其负载行程也小，而移模行程相应增大。二板行程仅为移模行程 ，成型加工情况下.二板移模行程是-个动态变化量，随弹性变形能而变化。

弹性变形能与油缸结构。从油缸驱动肘杆机构合模部件开模瞬时停顿理论分析，合模部件储存弹性变形能阶段二板处于无移动状态，而活塞还在继续运动，所以活塞运动结束不会对二板(模具)产生冲击。从这- 锁模运动方式.油缸的活塞锁模运动到底不需要缓Hydraulics Pneumatics＆ Seals/No.02.2013冲结构或缓冲装置-模的移模运动，活塞与二板同步运动，二板(模具)质量大，为减小惯性力的冲击 ，油缸需设置缓冲结构或缓冲装置。

3 油缸驱动肘杆机构合模部件开模瞬时停顿实例分析锁模力为 14 000kN的液压油缸驱动的肘杆机构的合模部件，合模部件质量 m4 800kg；合模部件刚度 K2.989 2x10kN/m；肘杆机构增力比i22.8；液压动力驱动活塞开模运动速度 21m/min；弹性变形量 4.682xlOm。；l临界角4.40：锁那 2.850；锁模活塞所处临界角位置至锁模终点距离 S127.68ram。液压系统额定工作压力 16MPa。

由式(1)，系统弹性变形能：ET Kx÷x2.989 2x10 X(4.69x10 )32.87kN·m由式(4)，活塞～推力座的运动速度：- / 4.69x10-3m / V V 斗6 UU 1.17m/s70.2m/min由式(2)，弹性恢复加速度： 233m/s 0由式(5)，弹性恢复时间：0 、/等： o / ：63ms本例计算可以看出，锁模活塞弹性恢复终点速度达到 70.2m/min是液压动力驱动锁模活塞移模速度21m/min的约3.3倍。活塞速度由肘杆机构解锁到弹性恢复瞬间加速，油缸有杆工作腔内液压油压力由 2MPa瞬间被下降接近于零。活塞弹性恢复终点(临界角)速度，由于弹性变形力的消失.活塞运动速度由最高瞬间降为零并停止运动。弹性恢复结束，锁模缸工作腔再次建立工作压力，工作压力由零上升到移模压力，才能带动肘杆机构进人移模运动〃立移模压力需要 160～200ms的动态响应时间，这个时间即为瞬间停顿时间。

待锁模缸有杆工作腔压力达到 4MPa，二板克服静摩檫力实现启模 ，工作压力瞬间下降到 3MPa，二板克服动摩檫力投人移模运动。

4 油马达驱动肘杆机构合模部件开模连续运动的传动系统上述分析表明，油缸驱动肘杆机构的合模部件传动在开模过程中出现的瞬时停顿的不连续运动的性能，主要原因是锁模活塞运动速度受到弹性恢复产生的锁模活塞移动速度的干扰。锁模油缸活塞运动副是- 个柔性系统，在弹性恢复运动阶段，受到两个外部因素牵制，-个是弹性恢复运动速度，另-个是液压系统的驱动速度，由于弹性恢复速度几倍于液压驱动速度，弹性恢复能起到推动锁模活塞运动的主导作用。要消除锁模活塞开模过程中的瞬时停顿的不连续运动的现象。就要使液压动力驱动传动系统由柔性系统变为刚性系统，达到液压驱动速度不受弹性恢复速度的干扰，按系统设定的参数运动。

交流伺服电机驱动注塑机肘杆机构的合模部件传动系统p 为我们提供了有益的启示 ，图5为传动系统方块图。同样的肘杆机构的合模部件，采用交流伺服电机驱动，肘杆机构在弹性恢复的启淖段没有瞬时停顿现象，启模至移模的速度按系统设定的参数运动。技术关键是交流伺服电机与肘杆机构之间的动力传动为滚珠丝杆转动副，而不是油缸驱动的活塞杆直线移动副。滚珠丝杆副为刚性系统，运动不受外界因素干扰。

合模部件弹性恢复对滚珠丝杆只产生冲击力。不能干扰滚珠丝杆运动速度，即合模部件储存的弹性变形能不能转变为动能。只能转变为对滚珠丝杆开模附加-个冲击力矩，弹性恢复结束，附加的冲击力矩消失。针对滚珠丝杆开模所需承受冲击力矩的动力学特性 .锁模丝杆副为专用的加强型，不同于普通的传动丝杆副。

增力比i1 增力比f2L 总增力lilXi2图 5 交流伺服电机动力驱动合模部件传动系统方块 图根据以上对交流伺服电机驱动注塑机肘杆机构的合模部件刚性系统的分析.常规的液压缸驱动肘杆机构的合模部件的驱动装置用液压马达取代液压缸 .在油马达与肘杆机构之间的传动部件用滚珠丝杆副取代活塞杆运动部件，整个合模部件的动力传动系统为液压马达传动滚珠丝杆驱动肘杆机构推动二板运动的刚性系统，图6为传动系统方块图。系统中由于滚珠丝杆刚性传动件的加入，达到具有与交流伺服电机驱动注塑机肘杆机构的系统同样的启模动态性能，彻底消除了弹性恢复结束的瞬间停顿现象。

增力比i1 增力比i2L 总增力比flXi2j图6 油马达动力驱动合模部件传动系统方块图油马达驱动肘杆机构传动系统实现传统的油缸驱动肘杆机构系统节能降耗和提高性能的革命性创新。

7S液压 气动 与密 封/2013年第 02期液压马达传动相比于交流伺服电机传动。具有显著的性能成本优势，在某些的注塑领域内，具有较强的竞争力。油缸驱动系统活塞运动到底能使推力座达到正确的机械定位，液压马达驱动系统由于本身没有定位设置，需附加-个推力座正确的机械定位装置。

传动系统增力比革命性突破，凸显节能降耗。图 7为传统的油缸动力驱动肘杆机构合模部件传动系统 ，系统中仅有肘杆机构的-个增力比.由于肘杆系统的增力比受到结构的限制，通过提高增力比达到进-步降低运动能耗已无计可施。油马达驱动肘杆合模部件系统中具有与交流式电机驱动肘杆机构合模部件同样的具有增力比的滚珠丝杆副传动机构，实现了增力比几倍的增长，例如肘杆机构的增力比为 20，滚珠丝杆的增力比为 5。则传动机构的增力比为 20x5100，达到传统的油缸动力驱动肘杆机构合模部件传动系统不可能实现的增力比，大幅降低了液压驱动能耗，例如 ，原增力比为 20的图 7合模部件传动系统，需 1000kN的液压驱动力，改为图5合模部件传动系统，增力比达到100，只需 200kN的液压驱动力。由于降低了液压驱动力，相应减小了液压驱动元件的规格，有利于降低液压系统组成成本。图5～图7为三种合模部件传动系统的增力比组成比较图。

增力比i1 增力比i2L 总增力比ilXi2-图 7 油缸动力驱 动合模部件传动系统方块 图(上接第 71页)工作油液输出。

出H提高运动速度性能。油马达驱动肘杆机构的增力比不成为机构增力比的设计重点.机构设计不必过多考虑增力比，重点放在提高机构的运动速度性能，为合模部件运动速度性能的升级提供了更为广泛的优化设计空间。

增大移模行程。肘杆机构的增力比与行程比是矛盾的，油马达驱动的肘杆机构的增力比下降为矛盾的重要方面，在机构容许的情况下，着力扩大机构的行程比，达到扩大机构的成型加工能力。

5 结语本文对油缸驱动肘杆机构合模部件注塑成型的开模过程中出现的瞬时停顿的不连续运动现象的研究说明，任何-种结构，都有拓展的空间。每种结构都有其内在的不足之处，把有关的结构进行组合，发挥各自的长处，达到更完善的运动特性，提高其加工性能和扩展功能的可持续发展生命力。