博创智能装备股份有限公司 广东广州 511340
摘要：在塑料加工行业，电能消耗是塑料加工厂商生产成本的主要组成部分，而注塑机是其主要能耗设备之一，因此降低注塑机的能耗成为注塑行业降低成本、提高产品竞争力的有效途径之一。注塑机制造厂家为了满足市场这种不断变化的需求，积极地朝着开发节能环保注塑机的方向发展，注塑机节能控制技术受到广泛的重视，围绕节能控制技术的创新活动也有了较快发展。
关键词：注塑机；节能；控制技术
注塑机是一种塑料加工工业的主要生产设备，各类塑料加工，具有良好的适应性，对一个复杂形状、尺寸精度或有金属插入的质地好、关闭成型塑料制品，及其生产能力高，容易实现自动化，因此成为增长最快的塑料机械，生产最多的模型之一。据统计，全球注塑机总数约占整个塑料成型设备的一半左右，塑料制品约占塑料制品总量的30%左右，注塑机已成为塑料加工厂设备的主要能源消耗。进入21世纪以来，随着塑料工业的发展，用户对节能环保的要求越来越高。注塑机的节能控制技术得到了广泛的重视。
一、变频液压控制系统
1.变频液压控制技术的节能原理是通过变频器对定量泵电动机进行转速调节，实现注塑机液压系统工作流量的实时控制，使定量泵输出的流量刚好满足注塑工艺要求的流量，从而基本达到无溢流损耗的目的。目前变频液压注塑机的动力源主要有两种变频驱动方式：一种为普通异步电动机通过变频调速与定量泵组成动力源；另一种为用高响应的交流（AC）伺服电动机驱动定量泵作为动力源。注塑机专用变频器通过获取比例流量阀、比例压力阀的电流控制信号及注塑机工艺流程信号来控制电机的转速。针对注塑机液压系统特有的大负荷超载、响应要求高、低速转矩大、AC异步电动机加减速时间长的特点，在控制过程中应用PLC控制器引入各电液换向阀的信号，由PLC根据这些信号来鉴别注塑机的工艺流程，提前对变频器给出加速和减速指令，实现工艺过程与调速控制的最佳配合，可基本保证系统原有的动态响应与调速精度，从而较好地解决以前变频调速系统因采用通用型变频器造成的系统响应速度慢的缺点，既能大幅降低注塑机液压系统的溢流损耗，又能较好地保持原来阀控系统的快速响应性，从而达到高效节能的目的。当采用AC伺服电动机驱动定量泵作为动力源时，电动机成本较高，但AC伺服电动机响应速度快、过载能力高，压力和流量均可通过改变电动机转速来进行闭环控制，适合于动态响应要求高的场合。
2.变频液压控制系统的特点是，能基本消除高压节流能量损失，节电率达到25%~60%；将电网功率因素由0.6~0.8提高到0.95以上，提高电网质量和供电效率；使用变频器可实现电动机完全意义上的软启动，且启动平滑无冲击，延长电动机、机械和模具的使用寿命；减少液压油发热，降低冷却水的消耗量，减缓液压元器件的老化速度；设备故障率降低，设备可靠性提高。
3.注塑机变频液压控制系统的主要问题为：一是油泵存在最低稳定转速限制使得低速节能效果不理想。如果液压泵的转速过低，自吸能力下降，则容易造成吸油不充分而形成气蚀，引起噪音和流量脉动，影响速度的稳定性及液压泵的寿命；二是低速过载能力差，特别是电动机制动时速度慢，不能很好满足控制系统的要求。解决前者的办法是，变频控制装置可通过获取比例压力阀的控制电流信号得到当前系统压力，与预先存储的电机在不同压力下的最低可靠稳定运行转速曲线相比较，得到在当前压力下电机运行的最低频率，从而避免出现压力脉动的情况。因此，油泵存在一个最低稳定转速限制问题，使得变频液压系统在小流量的状态下节能效果并不理想。如何解决后者尚未得出结论。
二、比例变量泵系统
1.采用变量泵供油的阀控泵电液比例控制系统，执行机构的运动速度由流经比例节流阀的流量和变量泵来加以控制，这样虽然可以消除定量泵 + PQ阀控制存在的与流量有关的能量损失，但由于比例节流阀存在固定的工作压差，所以存在着较大的节流损失，特别是在高速阶段这一损失就很大。消除这一部分能量损失的方法是采用压力、流量直接闭环控制的高响应比例变量泵作为动力源来改节流调速为容积调速，实现注塑机液压系统由阀控向泵控这种 DFR型轴向柱塞斜盘变量泵采用了高响应的比例阀直接对泵的变量活塞进行位置闭环控制，它主要由斜盘式变量柱塞泵、变量活塞、高速比例阀、比例先导节流阀、压力反馈阀等组成。系统工作时，通过改变加在比例控制阀 - 比例先导节流阀上的两个输入电信号的大小使变量活塞产生相应的位移，从而对比例变量泵的斜盘倾角进行控制和调整，使其排量发生变化，因此变量泵的输出流量能连续按比例地随输入信号的大小而改变。
2.比例变量泵系统的节能效果比普通定量泵 +PQ比例阀系统好，相同功率的设备可使注射速率提高 25%以上，系统发热降低，但是比例变量泵对油的清洁度要求较高，工作 噪音也较大。图 1是A10VSO系列排量为 45 cm3 的 DFR型比例变量泵的驱动功率曲线。
1模具开闭AC电机；2加热器；3计量AC电机；4注射AC电机；5射台移动AC电机；6顶出AC电机；7模厚调整电机
图2 全电动注塑机结构图
由于AC伺服电动机运转时无流动损失、控制损失等，且待机时不转动，所以能耗低，且与速度无关，加之它使用滚珠螺杆将AC伺服电动机的旋转运动转换成直线运动，而滚珠螺杆的摩擦阻力远低于油压缸，且无任何冷却系统，因此整体效率远远超过油压机械。全电动注塑机比同等的传统液压式设备可省电1/3（包括加热部分，如不包括加热部分，其耗电仅是传统注塑机的1/8~1/10）。以一台合模力为800 kN、注射量为100 g的注塑机为例，液压式注塑机生产一个60 g的ABS制品，每分钟3模，耗电约9 kW/h；而生产同样制品、同样效率的全电动注塑机的耗电约为6.5 kW（其中加热功率均为6 kW）。
2.新型全电动注塑机的其它优势为：①采用AC伺服电机和滚珠丝杠驱动，精度高、重复性好；速度控制范围宽，响应性好，能极大地提高生产效率；②全电动的设计克服了液压油特性随温度的变化对操作、控制精度带来的影晌，控制系统的精度及可靠性大为提高；③生产环境优良，驱动系统全电动化，排除了液压油的污染，消除了操作噪声，可获得最佳的环保型作业环境；④性能价格比高，在获得高性能的同时，使电力、冷却水量等能源消耗及运转经费大幅降低。
总之，比例变量泵系统液压注塑机占据了国内注塑机生产的主流，而全电动注塑机在环保、节能、控制等方面具有独特的优势。未来巨大的发展空间代表了注塑机节能技术的总体发展趋势。然而，我国全电动注塑机的研发起步较晚，伺服电机、专用控制器等核心技术尚未掌握。整个技术水平与日本等发达国家相比仍有较大差距。因此，中国的注塑机节能控制技术研究和开发重点应该在改进，提高比例变量泵系统水平的同时，积极引进和开发高科技含量的全电动注塑机，努力降低生产成本的全电动注塑机，尽快建立中国注塑机生产能力。
参考文献：
[1]饶远，浅谈注塑机节能控制技术的最新发展与应用.2017.
[2]钟涛.李世鹏，注塑机变量泵系统的应用与发展.2017.
论文作者:黄国良
论文发表刊物:《防护工程》2019年第6期
论文发表时间:2019/6/26
标签：注塑机论文; 变量论文; 比例论文; 电动机论文; 节能论文; 系统论文; 流量论文; 《防护工程》2019年第6期论文;