注塑机节能液压系统的分析研究

注塑机的最主要的能耗即是动力驱动系统,注塑机节能的重点即是提高动力驱动系统本身的能耗效率及驱动系统输出功率与执行机构执行功率达到自适应调节匹配,两者之间的能量利用率越高,即系统节能率越高,达到节省能源的功效。注塑机节能动力驱动系统是把有关节能驱动技术运用于注塑机上的技术。节能动力驱动系统是注塑机节能的主要研发课题。
    注塑机动力驱动系统一般有以下三种:液压驱动系统；全电子驱动系统；液电混合驱动系统。长期以来，注塑机节能液压系统是重点研究的节能动力驱动系统。注塑机节能液压系统,正在从过去的流量比例和压力比例的双控制走向负载敏感自适应控制，走向变频调速控制、伺服控制及伺服闭环控制。
    节能液压驱动控制系统
    注塑机的工艺过程一般分为锁模、射胶、熔胶、保压、冷却、开模等几个阶段，各个阶段需要不同的压力和流量。对于油泵马达而言，注塑过程是处于变化的负载状态，在定量泵的液压系统中，油泵马达以恒定的转速提供恒定的流量，多余的液压油通过溢流阀回流，此过程称为高压节流。据统计由高压节流造成的能量损失高达36%-68%。减少节流损失，提高能量效率，成为液压驱动系统节能的发展方向。
    流量比例和压力比例控制的双比例控制与定量泵组成节能动力控制系统
    流量比例和压力比例控制的双比例控制的节能技术是随着注射成型技术的发展及控制性能的提高而发展起来的。开关阀与定量泵组成的动力驱动系统不能满足注射成型性能的要求，比例阀达到了无级灵活调节，同时显示出了节能的性能，在推广应用过程中，又不断提高其节能的性能。
    中、小型注塑机的P/Q复合电液比例技术与定量泵组成节能动力驱动系统，是国内注塑机制造单位普遍使用的节能驱动系统。中、小型注塑机的液压泵源一般为单泵或双泵,液压泵排出流量全部经过P/Q阀进行比例调速。P/Q复合比例阀的技术特征是用三通型的比例调速阀控制速度，再在其上迭加比例压力先导阀控制系统压力。同最初采用分离元件构成的系统相比，该系统虽可大大减少元件数量、简化结构，减少管路能耗损失及节流能耗损失。但因采用定量泵供油，工作过程中始终存在与流量有关的能量损失，特别是保压过程中，这部分的流量能耗处于最大值。系统的应用，提高了注塑机的自动控制技术及注射成型性能,在成型制品工艺周期过程中所需冷却时间长的注射成型，节能明显，在节能与性价比方面具有一定优势，国产注塑机几乎全部应用了P/Q复合电液比例技术。
    大型注塑机的比例技术与定量泵组成节能动力驱动系统。大型注塑机的液压泵源由多个定量泵组成，以达到系统工作所需流量。对于多泵与比例阀的如何搭配，直接关系到系统的能耗的高低。多泵与比例阀搭配有两种形式：一种是采用中、小型注塑机的P/Q复合电液比例技术与定量泵组成节能动力驱动系统的形式, 总流量全部通过P/Q比例阀(或傍路P/Q比例阀), 不论那个泵的工作流量必须通过比例流量阀进入系统，这样，造成了流量压差能量损失，特别在大流量情况下，能量损失较大；另一种形式是仅对其中一个小流量泵进行比例调速，其于泵的流量根据工况与比例调速小泵的流量组合叠加，形成一条流量比例斜线，各个工况所需流量可在比例斜线上选取，这种比例流量调速，除比例调速的小泵外，其于泵的工作流量进入系统中，均没有第一种搭配形式的能量损失，提高了能量利用率。
    作者设计的合模力8000kN注塑机为例，泵源由五个定量泵组,分别为:比例调速小泵的排量为76,其余两个为排量76/152的双泵。两个双泵的四个泵的流量根据工况与比例调速小泵组合叠加，形成一条流量比例斜线，各个工况所需流量可在比例斜线上选取，这种比例流量调速，除比例调速的小泵外，其于泵的工作流量进入系统中，基本上没有流量的能量损失，提高了能量利用率。系统还可根据需要,减少工作泵的数量,不影响系统的调速性能。

节能负载敏感控制系统在注塑机上应用
    注塑机节能最有效的措施是动力机构和执行机构两者之间流量的自适应调节匹配。变量泵和电液比例阀结合的负载敏感泵节能控制系统，整个控制机构由差压控制型径向变量柱塞泵、含位置闭环的高速比例阀、以及压力传感器和位移传感器组成，提高了动态响应速度。控制流量由比例阀与检测变量泵偏心量的位移传感器构成的位置闭环系统完成。通过压力传感器补偿因泄漏造成的流量损失，使泵输出的流量在0～10V内与设定值信号成线性比例。控制系统压力由比例阀与压力传感器构成的电闭环回路完成，压力与流量两种控制状态的分离与转换由电子放大器根据设定信号自动完成。系统的输出流量由0增大到90％时，响应时间约为50ms；而由90％输出流量减小为0时，响应时间约为30ms，系统压力的动态响应时间当负载容腔为4L时，小于200ms，均与高性能的比例阀相当，因而完全适合于注塑机的过程控制。负载敏感比例泵节能液压系统，液压动力输出随负载而同步化，其差值达到最小，基本上没有能量浪费，与定量系统相比，节能达到（30-60）%，是理想的节能液压系统。
    设定的负载敏感泵输出流量,不一定能与需精确调节流量匹配,系统中还须增加流量调节阀,造成节流能耗损失。负载敏感泵与伺服阀组成闭环控制系统, 可消除节流及管路的能耗损失,并且较大幅度提高了整机性能。国内大多数单位,仅从节能方面考虑,用负载敏感泵取代定量泵与P/Q双比例阀,而没有进一步从负载敏感泵能提高整机性能方面考滤,系统的控制性能及节能特性没有得到进一步发挥。国际上先进的负载敏感泵控制系统,在塑化注射油路部分设置伺服阀,目的是与负载敏感泵共同组成一个高性能的闭环节能控制系统,在节能的同时，提高注射性能，但在国内塑机制造单位基本上没有得到推广应用。作者在1985年设计的负载敏感泵与伺服阀组成的闭环控制系统的注塑机,经实际应用证明,在节能及性能两方面都取得了良好效果。
    国内为研发负载敏感泵做了大量的工作。陕西秦川机床厂在上世纪八十年代中与上海第一塑料机械厂共同开发了负载敏感泵,并成功在注塑机上得到应用。近年来,重庆邦助工业有限公司研制出的BK系列注塑机专用负载敏感比例泵，其价格与定量泵和P/Q阀的总价差不多，从根本上解决了负载敏感比例泵价高难以推广的障碍,已得到批量应用,取得了较好的效果。海特克液压有限公司引进日本先进技术批量制造出负载感应泵。 #p#分页标题#e#
    定量泵加变频调速电机电液节能控制系统
    变频调节技术通过调节液压泵的转速，使动力机构的性能类似于比例泵节能系统，达到动力机构输出的流量与执行机构的流量相匹配，使流量的损失降低。变频调节技术是利用注塑机同步信号及电气控制系统，根据注塑成型的工艺要求，将电液比例控制系统，模拟成负载跟踪控制系统，使油泵电机的转速与注塑机工作所需液压的流量与压力乘积成正比，将传统的定量泵改造成变频变量驱动系统，从而使溢流阀的回油流量降到最小，无高压节流能量损失，进而将传统有高压节流的“耗能型”注塑机升级为无高压节流的“节能型”注塑机，节能型注塑机除了节能功能之主要特性外，依据其节能原理，还具有附加系列的优点，包括：减轻开、锁模冲击，延长机械和模具使用寿命；延长油路系统（密封组件等）使用寿命，减少维修次数、节省维护费用；降低噪音、改善工作环境；系统油温大幅降低，冷却用水量可节省30%以上；对电机具有过压、过流、缺相等多种保护；注塑机原有的控制方式及油路不变。将注塑机改造升级为“节能型”注塑机，其投资（主要是变频器）在一年内可通过节约的电费收回。浙江慈溪市从去年开始大力推广注塑机节能技术，在注塑机上安装变频节能器后，单机节能效果达到30%～60%。慈溪市200多家企业为注塑机安装节能器后，年省电达6000万千瓦时左右。深圳市奥宇控制系统有限公司节能事业部主要从事注塑机变频节能控制系统, 为深圳市龙华富士康多家塑胶厂安装该公司的注塑机变频节能控制系统，油泵电机平均节电率达到45％；为上海宜新集团公司改造100多台注塑机。油泵电机平均节电率41％。
    注射成形各阶段频繁的速度变化，使液压泵驱动电机频繁处于加减速工况下，由于磁滞效应及转动惯量的影响，变频调节技术通过调节液压泵的转速，响应速度慢（比例泵响应时间在100ms之内，变频调速响应时间需800ms～1000ms），导致了注射循环周期时期的增加，降低了生产效率，对高要求的制品难以成型。电机转子质量比变量泵变量的斜板的质量大许多，所以前者流量改变的响应时间大于后者的响应时间，不能适应多级速度变化的快速注射。通过实现变频器的输出频率和输出转矩解耦调节，达到变频器与注射过程各动作的最佳配合，以达到提高应答反映性能。注塑机是否采用变频调速，主要看加工制品的要求。变频调速节能的本质就是在电机转速低于设置的最高转速情况下起到节能效果，低速的运转时间越长，节能的效果越明显。厚壁制品的保压时间及冷却时间长，是应用变频调速设备的首选。
    高响应的交流伺服电机驱动定量泵系统
    高响应的交流伺服电机驱动定量泵系统解决了变频调节技术通过调节液压泵的转速，响应速度慢的性能,同时由于其本身的运转的特性提高了电力的利用效率。伺服电机驱动系统，由于伺服电机不使用永久磁铁结构，且由于转矩及惯量的密切配合下，又在低惯量的转子的配合下，免除了脉动转矩,在速度范围内有着良好的加减速度动态反应特性。因转矩是由感应式电流产生,具有完满磁性分布之高密度磁通所生,在2000r/min速度范围内,输出高比例(可达到2.8倍)的额定转矩情况下, 能保持非常低的转矩波动,在非常低的速度下也可有大的定转矩区,达到衡定的流量输出。转速随系统流量需求而改变，反应速度比伺服阀快千分之4秒，液压系统基本上不需冷却水，对于保压及冷却时间长的制品，节能可达80%。设定电机的转速控制流量,没有节流损失。可极大地减少保压工况及空转工况（等待周期）的流量损失。保压时电机处于停转状态，比负载敏感泵节能驱动系统更节能。高响应的交流伺服电机驱动定量泵系统与伺服阀组成闭环控制系统,更能发挥出节能特性,提高系统的精密控制性能。日进精密股份有限公司的一台隆亨SN-220D伺服电机驱动的注塑机，据该公司介绍，成型电脑底座，材料为ABS，重量118g，成型周期48秒，以普通电机驱动定量泵的隆亨NC-220Ⅱ注塑机能耗耗电20kW/h为基准，负载敏感泵驱动系统耗电10kW/h节能50%，全电动驱动系统耗电3.2kW/h节能84%，伺服电机驱动系统耗电4kW/h节能80%。日精公司2006年在美国芝加哥展出了融合了伺服电动机驱动和变量泵的“X泵”6台注塑机，X泵是新型FNX Ecoject的核心部件，X泵能使其与全电式机器相媲美，X泵有节能作用，因为伺服马达只在需要时才会运转液压泵，在不需要时，马达处于停止状态。日精的“X泵”的FNX注塑机所使用的能源只是该公司标准注塑机的30%左右，FNX注塑机少用41%的液压油。X泵的速度和准确度都很高，甚至能够立刻变换方向。注塑升温速度45毫秒，与全电式机器相同。注塑速度可高达每秒300毫米，是该公司其他注塑机的一倍。
    交流伺服电机的最高转速可达4000r/min,从理论上讲,与之相配的液压泵的排量可根据最高转速选择,选用比一般系统中应用的更小排量的液压泵,降低系统中应用液压泵的成本。但目前一般液压泵的最高转速为1800r/min,同时,考虑到液压泵的高速工作噪音及使用寿命,选用液压泵的工作转速低于1800r/min、较大排量的液压泵与伺服电机组成动力驱动系统, 所以还不能充分发挥交流伺服电机能高速运转的优良特性,提高了驱动系统的成本。高响应的交流伺服电机驱动定量泵系统在注塑机上的推广应用,有待于高速低噪音液压泵的研发,以降低制造成本。如单纯从节能角度来推广应用高响应的交流伺服电机驱动定量泵系统,由于成本太高,达不到效果。如把高响应的交流伺服电机驱动定量泵系统,应用于普通注塑机上,仅体现出节能效果,那肯定是败笔之作,只能当展品,不能成为商品。应把伺服电机高速灵敏反应的特性与精密注射成形结合起来,创新出一种新的高性能的注射成型,能对高端的塑料制品进行特定加工,才能使之应用越来越广。
    节能动力驱动与注射成型
    变频节能技术,应用于保压时间长的制品的注射成型,才显示出节能的特性,如应用于高速成型,由于其反应速度相对较慢,不但不能适应注射成型的要求,而且不能显示出节能特性。前些时候,变频技术兴起的时候,有的同行把变频技术作为注塑机上万能的节能技术来推广,实践证明,事不如愿。微型精密注射，要求注射机构具备塑化及计量的精确位置，液压执行机构由于液压油介质刚性弱，并且易受温度、泄漏等干扰，难以达到精确的重复位置精度，所以再好的液压驱动技术也不能应用于微型精密注射成型，节能的全电子驱动及执行机构具备高刚性及精确重复位置精度，为微型精密注射成型的发展提供了更大的空间。 #p#分页标题#e#
    结语
    根据注射成形要求开发节能动力驱动系统。高端的动力驱动系统匹配于高端的注塑机，达到高端的注射成形。纯碎的把高端的节能驱动系统当作节能技术来推广，是没有生命力的，没有市场的。那种在普通注塑机上配上高端的伺服节能驱动系统，是没有市场价值的，成不了商品。