注塑機(jī)節(jié)能液壓系統(tǒng)的分析研究

1、注塑機(jī)節(jié)能液壓系統(tǒng)的分析研究注塑機(jī)節(jié)能液壓系統(tǒng)的分析研究注塑機(jī)的最主要的能耗即是動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng), 注塑機(jī)節(jié)能的重點(diǎn)即是提高動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)本身的能耗效率及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出功率與執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行功率達(dá)到自適應(yīng)調(diào)節(jié)匹配 , 兩者之間的能量利用率越高 , 即系統(tǒng)節(jié)能率越高, 達(dá)到節(jié)省能源的功 效。注塑機(jī)節(jié)能動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是把有關(guān)節(jié)能驅(qū)動(dòng)技術(shù)運(yùn)用于注塑機(jī)上的技術(shù)。 節(jié)能動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是注塑機(jī)節(jié)能的主要研發(fā)課題。注塑機(jī)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一般有以下三種 : 液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)； 全電子驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)； 液電混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 長(zhǎng)期以來(lái)， 注塑機(jī)節(jié)能液壓系統(tǒng)是重點(diǎn)研究的節(jié)能動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 注塑 機(jī)節(jié)能液壓系統(tǒng), 正在從過(guò)去的流量比例和壓力比例的雙

2、控制走向負(fù)載敏感自適應(yīng)控制，走向變頻調(diào)速控制、伺服控制及伺服閉環(huán)控制。節(jié)能液壓驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)注塑機(jī)的工藝過(guò)程一般分為鎖模、射膠、熔膠、保壓、冷卻、開模等幾個(gè)階段， 各個(gè)階段需要不同的壓力和流量。 對(duì)于油泵馬達(dá)而言， 注塑過(guò)程是處于變化的負(fù)載狀態(tài)，在定量泵的液壓系統(tǒng)中，油泵馬達(dá)以恒定的轉(zhuǎn)速提供恒定的流量， 多余的液壓油通過(guò)溢流閥回流， 此過(guò)程稱為高壓節(jié)流。 據(jù)統(tǒng)計(jì)由高壓節(jié)流造成的能量損失高達(dá)36%-68%。 減少節(jié)流損失， 提高能量效率， 成為液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)節(jié)能的發(fā)展方向。流量比例和壓力比例控制的雙比例控制與定量泵組成節(jié)能動(dòng)力控制系統(tǒng)流量比例和壓力比例控制的雙比例控制的節(jié)能技術(shù)是隨著注射成型技術(shù)的發(fā)

3、展及控制性能的提高而發(fā)展起來(lái)的。 開關(guān)閥與定量泵組成的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不能滿足注射成型性能的要求，比例閥達(dá)到了無(wú)級(jí)靈活調(diào)節(jié)，同時(shí)顯示出了節(jié)能的性能，在推廣應(yīng)用過(guò)程中，又不斷提高其節(jié)能的性能。中、小型注塑機(jī)的P/Q復(fù)合電液比例技術(shù)與定量泵組成節(jié)能動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)， 是國(guó)內(nèi)注塑機(jī)制造單位普遍使用的節(jié)能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 中、 小型注塑機(jī)的液壓泵源一般為單泵或雙泵，液壓泵排出流量全部經(jīng)過(guò)P/Q閥進(jìn)行比例調(diào)速。P/Q復(fù)合比例閥的技術(shù)特征是用三通型的比例調(diào)速閥控制速度， 再在其上迭加比例壓力先導(dǎo)閥控制系統(tǒng)壓力。 同最初采用分離元件構(gòu)成的系統(tǒng)相比， 該系統(tǒng)雖可大大減少元件數(shù)量、 簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)， 減少管路能耗損失及節(jié)流能耗損失

4、。 但因采用定量泵供油， 工作過(guò)程中始終存在與流量有關(guān)的能量損失， 特別是保壓過(guò)程中， 這部分的流量能耗處于最大值。 系統(tǒng)的應(yīng)用， 提高了注塑機(jī)的自動(dòng)控制技術(shù)及注射成型性能 , 在成型制品工藝周期過(guò)程中所需冷卻時(shí)間長(zhǎng)的注射成型，節(jié)能明顯，在節(jié)能與性價(jià)比方面具有一定優(yōu)勢(shì)，國(guó)產(chǎn)注塑機(jī)幾乎全部應(yīng)用了 P/Q 復(fù)合電液比例技術(shù)。大型注塑機(jī)的比例技術(shù)與定量泵組成節(jié)能動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 大型注塑機(jī)的液壓泵源由多個(gè)定量泵組成， 以達(dá)到系統(tǒng)工作所需流量。 對(duì)于多泵與比例閥的如何搭配， 直接關(guān)系到系統(tǒng)的能耗的高低。 多泵與比例閥搭配有兩種形式： 一種是采用中、小型注塑機(jī)的P/Q復(fù)合電液比例技術(shù)與定量泵組成節(jié)能動(dòng)力驅(qū)

5、動(dòng)系統(tǒng)的形式，總流量全部通過(guò)P/Q比例閥（或傍路P/Q比例閥），不論那個(gè)泵的工作流量必須通過(guò)比例流量閥進(jìn)入系統(tǒng)， 這樣， 造成了流量壓差能量損失， 特別在大流量情況下，能量損失較大；另一種形式是僅對(duì)其中一個(gè)小流量泵進(jìn)行比例調(diào)速， 其于泵的流量根據(jù)工況與比例調(diào)速小泵的流量組合疊加， 形成一條流量比例斜線，各個(gè)工況所需流量可在比例斜線上選取，這種比例流量調(diào)速，除比 例調(diào)速的小泵外， 其于泵的工作流量進(jìn)入系統(tǒng)中， 均沒(méi)有第一種搭配形式的能量損失，提高了能量利用率。作者設(shè)計(jì)的合模力8000kN注塑機(jī)為例，泵源由五個(gè)定量泵組，分別為 : 比例調(diào)速小泵的排量為 76, 其余兩個(gè)為排量76/152 的雙泵。

6、 兩個(gè)雙泵的四個(gè) 泵的流量根據(jù)工況與比例調(diào)速小泵組合疊加，形成一條流量比例斜線，各個(gè)工況所需流量可在比例斜線上選取， 這種比例流量調(diào)速， 除比例調(diào)速的小泵外，其于泵的工作流量進(jìn)入系統(tǒng)中， 基本上沒(méi)有流量的能量損失， 提高了能量利用率。系統(tǒng)還可根據(jù)需要, 減少工作泵的數(shù)量, 不影響系統(tǒng)的調(diào)速性能。節(jié)能負(fù)載敏感控制系統(tǒng)在注塑機(jī)上應(yīng)用注塑機(jī)節(jié)能最有效的措施是動(dòng)力機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩者之間流量的自適應(yīng)調(diào)節(jié)匹配。 變量泵和電液比例閥結(jié)合的負(fù)載敏感泵節(jié)能控制系統(tǒng)， 整個(gè)控制機(jī)構(gòu)由差壓控制型徑向變量柱塞泵、 含位置閉環(huán)的高速比例閥、 以及壓力傳感器和位移傳感器組成， 提高了動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。 控制流量由比例閥與檢測(cè)

7、變量泵偏心量的位移傳感器構(gòu)成的位置閉環(huán)系統(tǒng)完成。 通過(guò)壓力傳感器補(bǔ)償因泄漏造成的流量損失，使泵輸出的流量在010V內(nèi)與設(shè)定值信號(hào)成線性比例?？刂葡到y(tǒng)壓力由比例閥與壓力傳感器構(gòu)成的電閉環(huán)回路完成， 壓力與流量?jī)煞N控制狀態(tài)的分離與轉(zhuǎn)換由電子放大器根據(jù)設(shè)定信號(hào)自動(dòng)完成。系統(tǒng)的輸出流量由 0 增大到90時(shí)， 響應(yīng)時(shí)間約為50ms； 而由90輸出流量減小為0 時(shí)， 響應(yīng)時(shí)間約為30ms，系統(tǒng)壓力的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間當(dāng)負(fù)載容腔為4L時(shí)，小于200ms均與高性能的比例閥相當(dāng)， 因而完全適合于注塑機(jī)的過(guò)程控制。負(fù)載敏感比例泵節(jié)能液壓系統(tǒng)，液壓動(dòng)力輸出隨負(fù)載而同步化， 其差值達(dá)到最小， 基本上沒(méi)有能量浪費(fèi)， 與定量系

8、統(tǒng)相比，節(jié)能達(dá)到（ 30-60 ） %，是理想的節(jié)能液壓系統(tǒng)。設(shè)定的負(fù)載敏感泵輸出流量, 不一定能與需精確調(diào)節(jié)流量匹配, 系統(tǒng)中還須增加流量調(diào)節(jié)閥 , 造成節(jié)流能耗損失。負(fù)載敏感泵與伺服閥組成閉環(huán)控制系統(tǒng) , 可消除節(jié)流及管路的能耗損失, 并且較大幅度提高了整機(jī)性能。國(guó)內(nèi)大多數(shù)單位 , 僅從節(jié)能方面考慮, 用負(fù)載敏感泵取代定量泵與P/Q 雙比例閥 , 而沒(méi)有進(jìn)一步從 負(fù)載敏感泵能提高整機(jī)性能方面考濾 , 系統(tǒng)的控制性能及節(jié)能特性沒(méi)有得到進(jìn)一步發(fā)揮。國(guó)際上先進(jìn)的負(fù)載敏感泵控制系統(tǒng), 在塑化注射油路部分設(shè)置伺服閥 , 目的 是與負(fù)載敏感泵共同組成一個(gè)高性能的閉環(huán)節(jié)能控制系統(tǒng), 在節(jié)能的同時(shí)， 提高

9、注射性能， 但在國(guó)內(nèi)塑機(jī)制造單位基本上沒(méi)有得到推廣應(yīng)用。 作者在 1985 年設(shè)計(jì) 的負(fù)載敏感泵與伺服閥組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)的注塑機(jī), 經(jīng)實(shí)際應(yīng)用證明 , 在節(jié)能及性能兩方面都取得了良好效果。 MouldsNET.COM國(guó)內(nèi)為研發(fā)負(fù)載敏感泵做了大量的工作。 陜西秦川機(jī)床廠在上世紀(jì)八十年代中與上海第一塑料機(jī)械廠共同開發(fā)了負(fù)載敏感泵, 并成功在注塑機(jī)上得到應(yīng)用。近年來(lái)，重慶邦助工業(yè)有限公司研制出的BK系列注塑機(jī)專用負(fù)載敏感比例泵， 其價(jià)格與定量泵和 P/Q 閥的總價(jià)差不多， 從根本上解決了負(fù)載敏感比例泵價(jià)高難以推廣的障礙 , 已得到批量應(yīng)用 , 取得了較好的效果。海特克液壓有限公司引進(jìn)日本先進(jìn)技術(shù)批

10、量制造出負(fù)載感應(yīng)泵。 定量泵加變頻調(diào)速電機(jī)電液節(jié)能控制系統(tǒng)變頻調(diào)節(jié)技術(shù)通過(guò)調(diào)節(jié)液壓泵的轉(zhuǎn)速，使動(dòng)力機(jī)構(gòu)的性能類似于比例泵節(jié)能系統(tǒng)， 達(dá)到動(dòng)力機(jī)構(gòu)輸出的流量與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的流量相匹配， 使流量的損失降低。變頻調(diào)節(jié)技術(shù)是利用注塑機(jī)同步信號(hào)及電氣控制系統(tǒng)，根據(jù)注塑成型的工藝要求， 將電液比例控制系統(tǒng)， 模擬成負(fù)載跟蹤控制系統(tǒng)， 使油泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速與注塑機(jī)工作所需液壓 的流量與壓力乘積成正比，將傳統(tǒng)的定量泵改造成變頻變量驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)， 從而使溢流閥的回油流量降到最小， 無(wú)高壓節(jié)流能量損失，進(jìn)而將傳統(tǒng)有高壓節(jié)流的“耗能型 ”注塑機(jī)升級(jí)為無(wú)高壓節(jié)流的“節(jié)能型”注塑機(jī)， 節(jié)能型注塑機(jī)除了節(jié)能功能之主要特性外， 依據(jù)其

11、節(jié)能原理， 還具有附加系列的優(yōu)點(diǎn)，包括：減輕開、鎖模沖擊， 延長(zhǎng)機(jī)械和模具使用壽命；延長(zhǎng)油路系統(tǒng) （密封組件等） 使用壽命， 減少維修次數(shù)、 節(jié)省維護(hù)費(fèi)用； 降低噪音、改善工作環(huán)境；系統(tǒng)油溫大幅降低，冷卻用水量可節(jié)省 30%以上；對(duì)電機(jī)具有過(guò)壓、過(guò)流、缺相等多種保護(hù)；注塑機(jī)原有的控制方式及油路不變。將注塑機(jī)改造升級(jí)為“節(jié)能型”注塑機(jī)，其投資（主要是變頻器）在一年內(nèi)可通過(guò)節(jié)約的電費(fèi)收回。 浙江慈溪市從去年開始大力推廣注塑機(jī)節(jié)能技術(shù)， 在注塑機(jī)上安裝變頻節(jié)能器后，單機(jī)節(jié)能效果達(dá)到30%- 60%慈溪市200多家企業(yè)為注塑機(jī)安裝節(jié)能器后，年省電達(dá)6000 萬(wàn)千瓦時(shí)左右。深圳市奧宇控制系統(tǒng)有限公司節(jié)能

12、事業(yè)部主要從事注塑機(jī)變頻節(jié)能控制系統(tǒng), 為深圳市龍華富士康多家塑膠廠安裝該公司的注塑機(jī)變頻節(jié)能控制系統(tǒng)，油泵電機(jī)平均節(jié)電率達(dá)到45；為上海宜新集團(tuán)公司改造100 多臺(tái)注塑機(jī)。油泵電機(jī)平均節(jié)電率 41。注射成形各階段頻繁的速度變化，使液壓泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)頻繁處于加減速工況下， 由于磁滯效應(yīng)及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的影響， 變頻調(diào)節(jié)技術(shù)通過(guò)調(diào)節(jié)液壓泵的轉(zhuǎn)速，響應(yīng)速度慢（比例泵響應(yīng)時(shí)間在100ms之內(nèi)，變頻調(diào)速響應(yīng)時(shí)間需800m腔1000m§ ,導(dǎo)致了注射循環(huán)周期時(shí)期的增加，降低了生產(chǎn)效率，對(duì)高要求的制品難以 成型。電機(jī)轉(zhuǎn)子質(zhì)量比變量泵變量的斜板的質(zhì)量大許多，所以前者流量改變的響應(yīng)時(shí)間大于后者的響應(yīng)時(shí)間，不能

13、適應(yīng)多級(jí)速度變化的快速注射。通過(guò)實(shí)現(xiàn)變頻器的 輸出頻率和輸出轉(zhuǎn)矩解耦調(diào)節(jié)，達(dá)到變頻器與注射過(guò)程各動(dòng)作的最佳配合， 以達(dá)到提高應(yīng)答反映性能。 注塑機(jī)是否采用變頻調(diào)速， 主要看加工制品的要求。變頻調(diào)速 節(jié)能的本質(zhì)就是在電機(jī)轉(zhuǎn)速低于設(shè)置的最高轉(zhuǎn)速情況下起到節(jié)能效果， 低速的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間越長(zhǎng)， 節(jié)能的效果越明顯。 厚壁制品的保壓時(shí)間及冷卻時(shí)間長(zhǎng)，是應(yīng)用變頻調(diào) 速設(shè)備的首選。高響應(yīng)的交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)定量泵系統(tǒng)高響應(yīng)的交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)定量泵系統(tǒng)解決了變頻調(diào)節(jié)技術(shù)通過(guò)調(diào)節(jié)液壓泵的轉(zhuǎn)速，響應(yīng)速度慢的性能, 同時(shí)由于其本身的運(yùn)轉(zhuǎn)的特性提高了電力的利用效率。伺服 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，由于伺服電機(jī)不使用永久磁鐵結(jié)構(gòu)，且由于轉(zhuǎn)

14、矩及慣量的密切配合下， 又在低慣量的轉(zhuǎn)子的配合下， 免除了脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩,在速度范圍內(nèi)有著良好的加減速度動(dòng)態(tài)反應(yīng)特性。 因轉(zhuǎn)矩是由感應(yīng)式電流產(chǎn)生,具有完滿磁性分布之高密度磁通所生, 在 2000r/min 速度范圍內(nèi) , 輸出高比例 （可達(dá)到 2.8 倍） 的額定轉(zhuǎn)矩情況下 , 能保持非常低的轉(zhuǎn)矩波動(dòng) , 在非常低的速度下也可有大的定轉(zhuǎn)矩區(qū) , 達(dá)到衡定的流量輸出。轉(zhuǎn)速隨系統(tǒng)流量需求而改變，反應(yīng)速度比伺服閥快千分之4 秒，液壓系統(tǒng)基本上不需冷卻水，對(duì)于保壓及冷卻時(shí)間長(zhǎng)的制品，節(jié)能可達(dá)80%。設(shè)定電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制流量, 沒(méi)有節(jié)流損失。可極大地減少保壓工況及空轉(zhuǎn)工況（等待周期）的 流量損失。保壓時(shí)電機(jī)處于

15、停轉(zhuǎn)狀態(tài)， 比負(fù)載敏感泵節(jié)能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)更節(jié)能。 高響應(yīng)的交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)定量泵系統(tǒng)與伺服閥組成閉環(huán)控制系統(tǒng) , 更能發(fā)揮出節(jié)能特性 , 提高系統(tǒng)的精密控制性能。日進(jìn)精密股份有限公司的一臺(tái)隆亨SN-220D伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的注塑機(jī)，據(jù)該公司介紹，成型電腦底座，材料為 ABS重量118g,成型周期48秒，以普通電機(jī)驅(qū)動(dòng) 定量泵的隆亨NC220II注塑機(jī)能耗耗電20kW/h為基準(zhǔn)，負(fù)載敏感泵驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)耗 電10kW/h節(jié)能50%,全電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)耗電3.2kW/h節(jié)能84%伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系 統(tǒng)耗電4kW/h節(jié)能80%日精公司2006年在美國(guó)芝加哥展出了融合了伺服電動(dòng) 機(jī)驅(qū)動(dòng)和變量泵的“X泵” 6臺(tái)注塑機(jī)，X泵是

16、新型FNXEcoject的核心部件，X泵能使其與全電式機(jī)器相媲美， X 泵有節(jié)能作用，因?yàn)樗欧R達(dá)只在需要時(shí)才會(huì)運(yùn)轉(zhuǎn)液壓泵，在不需要時(shí)，馬達(dá)處于停止?fàn)顟B(tài)。日精 的“X泵”的FNXS塑機(jī)所使用的能源只是該公司標(biāo)準(zhǔn)注塑機(jī)的30%£右,FNXa塑機(jī)少用41%勺液壓油。X 泵的速度和準(zhǔn)確度都很高，甚至能夠立刻變換方向。注塑升溫速度45 毫秒，與全電式機(jī)器相同。注塑速度可高達(dá)每秒300 毫米，是該公司其他注塑機(jī)的一倍。交流伺服電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速可達(dá)4000r/min, 從理論上講, 與之相配的液壓泵的排量可根據(jù)最高轉(zhuǎn)速選擇, 選用比一般系統(tǒng)中應(yīng)用的更小排量的液壓泵 , 降低 系統(tǒng)中應(yīng)用液壓泵的成本

17、。但目前一般液壓泵的最高轉(zhuǎn)速為1800r/min, 同時(shí) , 考慮到液壓泵的高速工作噪音及使用壽命, 選用液壓泵的工作轉(zhuǎn)速低于 1800r/min 、 較大排量的液壓泵與伺服電機(jī)組成動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) , 所以還不能充分發(fā)揮交流伺服電機(jī)能高速運(yùn)轉(zhuǎn)的優(yōu)良特性, 提高了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的成本。高響應(yīng)的交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)定量泵系統(tǒng)在注塑機(jī)上的推廣應(yīng)用 , 有待于高速低噪音液壓泵的研發(fā) , 以降低制造成本。如單純從節(jié)能角度來(lái)推廣應(yīng)用高響應(yīng)的交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)定量泵系統(tǒng), 由于成本太高 , 達(dá)不到效果。 如把高響應(yīng)的交流伺服電機(jī) 驅(qū)動(dòng)定量泵系統(tǒng), 應(yīng)用于普通注塑機(jī)上, 僅體現(xiàn)出節(jié)能效果, 那肯定是敗筆之作 , 只能當(dāng)展品 , 不能成為商品。 應(yīng)把伺服電機(jī)高速靈敏反應(yīng)的特性與精密注射成形結(jié) 合起來(lái) , 創(chuàng)新出一種新的高性能的注射成型, 能對(duì)高端的塑料制品進(jìn)行特定加工 , 才能使之應(yīng)用越來(lái)越廣。節(jié)能動(dòng)力驅(qū)動(dòng)與注射成型變頻節(jié)能技術(shù), 應(yīng)用于保壓時(shí)間長(zhǎng)的制品的注射成型, 才顯示出節(jié)能的特性, 如應(yīng)用于高速成型, 由于其反應(yīng)速度相對(duì)較慢, 不但不能適應(yīng)注射成型的要求, 而且不 能顯示出節(jié)能特性。 前些時(shí)候 , 變頻技術(shù)興起的時(shí)候, 有的同行把變頻技術(shù)作為注塑機(jī)上萬(wàn)能的節(jié)能技術(shù)來(lái)推廣 , 實(shí)踐證明 , 事不如愿。