隨著能源供應(yīng)日趨緊張、價(jià)格高揚(yáng)，節(jié)能型注塑機(jī)、壓鑄機(jī)需求將越來越大，促使眾多生產(chǎn)企業(yè)更加注重節(jié)能技術(shù)的研發(fā)。目前，在通用機(jī)基礎(chǔ)上，經(jīng)過發(fā)展創(chuàng)新，技術(shù)含量得到不斷提升。注塑機(jī)、壓鑄機(jī)的節(jié)能改造，就目前情況看，正在從過去的流量比例和壓力比例控制走向變量控制或定量控制。變頻調(diào)速控制、伺服控制的注塑機(jī)、壓鑄機(jī)。能耗比傳統(tǒng)設(shè)備可降低30%。油泵馬達(dá)耗電量占整個(gè)設(shè)備耗電量的比例高達(dá)50%～65%，因而也極具節(jié)能潛力。目前國內(nèi)注塑機(jī)、壓鑄機(jī)大致應(yīng)用定量泵、大小泵、變量泵、變頻技術(shù)四種泵和電機(jī)組合，正確選擇油泵和電機(jī)可以減少資源浪費(fèi)。設(shè)計(jì)與制造新一代節(jié)能型注塑機(jī)、壓鑄機(jī)，已成為相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)追求的目標(biāo)。
一. 注塑機(jī)
注塑機(jī):是以高分子塑膠材料為加工對(duì)象,及螺桿運(yùn)動(dòng)進(jìn)行工作。工藝過程一般分為鎖模、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，注塑過程在幾個(gè)階段的負(fù)載總是處于變化狀態(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，多余的液壓油通過溢流閥回流，此過程稱為高壓節(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%。傳統(tǒng)的注塑機(jī)沒有對(duì)機(jī)器的驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行調(diào)整，即只要機(jī)器通電，電機(jī)就始終以額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行。由于電機(jī)與油泵同軸，油泵將以額定排量將油吸入液壓系統(tǒng)中，當(dāng)系統(tǒng)需要的流量小于油泵所提供的流量時(shí)，多余的油將被回流，這勢(shì)必極大浪費(fèi)。在注塑機(jī)的幾個(gè)動(dòng)作階段中，只有鎖模、射膠、熔膠、開模三個(gè)階段是需要對(duì)控制對(duì)象實(shí)施速度控制的，保壓階段僅需要進(jìn)行壓力控制。
變量泵工作原理：在轉(zhuǎn)速不變的情況下，通過改變液壓泵排量，同時(shí)電機(jī)負(fù)載也會(huì)隨著排量而改變，達(dá)到省電的目的。變量泵與標(biāo)準(zhǔn)定量泵的主要區(qū)別是輸出功率不同，變量泵的輸出功率是隨負(fù)載的變化而變化，而定量泵的輸出功率相對(duì)恒定，在小流量動(dòng)作情況下，變量泵的輸出功率很低，而定量泵的輸出功率基本恒定。配備高響應(yīng)功率匹配比例變量泵系統(tǒng)令注塑機(jī)液壓系統(tǒng)輸出與整機(jī)運(yùn)行所需功率匹配，無高壓節(jié)流溢流能量損失，特別在射膠工序、熔膠、冷卻工序的節(jié)電效果較高，平均可達(dá)30-50%的節(jié)電效果。對(duì)射膠保壓時(shí)間較長(zhǎng)的厚身或大型制品，節(jié)電的優(yōu)越性更加明顯。同時(shí)，相同電機(jī)功率可配用更大排量油泵，令整機(jī)速度加快。
變量泵注塑機(jī)一般情況下用于小型機(jī)，對(duì)于中、大型注塑機(jī)來講，采用變量泵對(duì)設(shè)備成本增加太多，很不經(jīng)濟(jì)。中、大型注射機(jī)一般均采用多個(gè)定量泵聯(lián)合工作的方式來達(dá)到變換動(dòng)作速度的目的，通過泵的加載、卸載和匹配，能源消耗也能夠得到合理的控制。另外變量泵對(duì)油的清潔度要求較高，這增加了變量泵注射機(jī)的使用成本，進(jìn)而限制了其應(yīng)用。
二. 壓鑄機(jī)
壓鑄機(jī)工藝過程一般分為鎖模、壓射、保壓、冷卻、開模等幾個(gè)階段。
壓鑄機(jī)的生產(chǎn)周期中，鎖?！獌?chǔ)能—壓射—增壓—冷卻—開?！斸樀雀麟A段需要的流量和壓力都不同。
但是定量泵壓鑄機(jī)的油泵電機(jī)一直處在高速運(yùn)行狀態(tài)，提供恒定的流量，多余的液壓油通過溢流閥回流到油箱，造成了大量的能量損失。
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，多余的液壓油通過溢流閥回流，此過程稱為高壓節(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%。傳統(tǒng)的壓鑄機(jī)沒有對(duì)機(jī)器的驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行調(diào)整，即只要機(jī)器通電，電機(jī)就始終以額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行。
由于電機(jī)與油泵同軸，油泵將以額定排量將油吸入液壓系統(tǒng)中，當(dāng)系統(tǒng)需要的流量小于油泵所提供的流量時(shí)，多余的油將被回流，這勢(shì)必極大浪費(fèi)。在壓鑄機(jī)的幾個(gè)動(dòng)作階段中，只有鎖模、壓射、保壓三個(gè)階段是需要對(duì)控制對(duì)象實(shí)施速度控制的，保壓階段僅需要進(jìn)行壓力控制。
三.伺服電機(jī)如何節(jié)能
伺服電機(jī)是指在伺服系統(tǒng)中控制機(jī)械元件運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)，是一種補(bǔ)助馬達(dá)間接變速裝置。伺服電機(jī)可使控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確，可以將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。
伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)圖
伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號(hào)控制，并能快速反應(yīng)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機(jī)電時(shí)間常數(shù)小、線性度高、始動(dòng)電壓等特性，可把所收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。
分為直流和交流伺服電動(dòng)機(jī)兩大類，其主要特點(diǎn)是，當(dāng)信號(hào)電壓為零時(shí)無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。
伺服系統(tǒng)是使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標(biāo)（或給定值）的任意變化的自動(dòng)控制系統(tǒng)。伺服主要靠脈沖來定位，基本上可以這樣理解，伺服電機(jī)接收到1個(gè)脈沖，就會(huì)旋轉(zhuǎn)1個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的角度，從而實(shí)現(xiàn)位移，因?yàn)椋欧姍C(jī)本身具備發(fā)出脈沖的功能，所以伺服電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，都會(huì)發(fā)出對(duì)應(yīng)數(shù)量的脈沖，這樣，和伺服電機(jī)接受的脈沖形成了呼應(yīng)，或者叫閉環(huán)，如此一來，系統(tǒng)就會(huì)知道發(fā)了多少脈沖給伺服電機(jī)，同時(shí)又收了多少脈沖回來，這樣，就能夠很精確的控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)精確的定位，可以達(dá)到0.001mm。直流伺服電機(jī)分為有刷和無刷電機(jī)。有刷電機(jī)成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍寬，控制容易，需要維護(hù)，但維護(hù)不方便（換碳刷），產(chǎn)生電磁干擾，對(duì)環(huán)境有要求。因此它可以用于對(duì)成本敏感的普通工業(yè)和民用場(chǎng)合。
伺服系統(tǒng)應(yīng)用在注塑機(jī)或壓鑄機(jī)上時(shí)，主要是使油泵的供油量與電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比，因此我們可以通過降低電機(jī)在各個(gè)動(dòng)作時(shí)的轉(zhuǎn)速，使油泵的供油量與壓鑄機(jī)的實(shí)際流量需求相一致，冷卻的時(shí)候讓電機(jī)停下來，幾乎消除溢流現(xiàn)象，以達(dá)到節(jié)能的目的。
對(duì)于某一型號(hào)的注塑機(jī)或者壓鑄機(jī)而言，由于油缸的活塞面積已經(jīng)固定，且油泵的參數(shù)也已知，因此油泵的流量與電機(jī)的轉(zhuǎn)速為線性關(guān)系，且油路內(nèi)的壓力也正比于電機(jī)的輸出扭矩。所以，對(duì)于伺服電機(jī)而言，只要精確控制電機(jī)的輸出扭矩和轉(zhuǎn)速，那么就是精確控制了注塑機(jī)在工作時(shí)的流量和壓力
具體控制思路為，可讓伺服系統(tǒng)工作在帶力矩限制的速度模式下，此時(shí)，如果油路內(nèi)的壓力在設(shè)定壓力以下，電機(jī)將在最短時(shí)間內(nèi)（十至百毫秒級(jí)）加速或減速到給定的速度，使油路達(dá)到下一個(gè)工作狀態(tài)所需要的壓力，到達(dá)力矩限制值以后，電機(jī)停止或以很低的轉(zhuǎn)速工作，從而可快速準(zhǔn)確地控制油路壓力和流量，沒有任何的卸流，達(dá)到節(jié)能的功效。
四．節(jié)能效果分析
以電液伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為主要特征的混合型注塑機(jī)，以既具有全電機(jī)的節(jié)能效果，又具有液壓機(jī)優(yōu)異動(dòng)力性能的特點(diǎn)，近年來發(fā)展異常迅速。 電液伺服系統(tǒng)與傳統(tǒng)的液壓機(jī)比較，優(yōu)異的節(jié)能效果是這一技術(shù)受到市場(chǎng)青睞的很重要的因素。下圖是伺服油泵系統(tǒng)、變量泵系統(tǒng)、定量泵系統(tǒng)三種方式的能耗對(duì)比圖。
伺服油泵系統(tǒng)、變量泵、定量泵三種方式的能耗對(duì)比圖
從圖3中可以很明顯的看出采用伺服油泵系統(tǒng)，節(jié)能效果十分顯著。伺服系統(tǒng)響應(yīng)速度快，壓力上升時(shí)間和流量上升時(shí)間快至30ms，提高了液壓系統(tǒng)的響應(yīng)速度，減少了動(dòng)作轉(zhuǎn)換時(shí)間，加快了整機(jī)的運(yùn)行節(jié)拍；更為重要的是，伺服系統(tǒng)給注塑機(jī)帶來的不僅僅是節(jié)電，還有高效和精密，這意味著在單位時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)出更多的產(chǎn)品，不良品率更低。這兩方面節(jié)約的成本雖然不容易計(jì)算，但其效果更加可觀。
下面以實(shí)例來說明，經(jīng)過實(shí)際改裝，并對(duì)改裝前后的用電情況進(jìn)行了測(cè)試，具體數(shù)據(jù)如下：
制品加工周期：109.8s；
日工作時(shí)間：24小時(shí)；
日產(chǎn)750模1500件；
改造前日耗電量:287度
改造后日耗電量：127.2度
節(jié)電效果達(dá)55%。
該套系統(tǒng)總價(jià)格40890元，電費(fèi)按平均0.8元/度計(jì)算，每天可節(jié)約127.8元。僅從節(jié)約用電上計(jì)算，320天即可回收投資。
五、結(jié)束語
中國目前電力消耗量居世界第二位，僅次於美國，產(chǎn)值能耗卻為世界平均水平的三倍，是世界上產(chǎn)值能耗最高的國家之一，所以，節(jié)能減排已經(jīng)上升到中國之基本國策的高度。
在塑料行業(yè)，中國的塑料機(jī)械和塑料加工業(yè)的數(shù)量占全球的三分之一。按照中國目前規(guī)模以上企業(yè)塑料制品的年產(chǎn)量6600萬噸，加工每噸塑料制品耗電300度計(jì)算，中國每年僅塑料加工業(yè)就需耗用198億度電，所消耗的電能極為巨大。業(yè)內(nèi)專家估算，中國每年塑料機(jī)械的市場(chǎng)銷售容量達(dá)10萬臺(tái)，年產(chǎn)值約400億元，按電加熱消耗占整機(jī)產(chǎn)值的5%計(jì)算，電加熱消耗的年產(chǎn)值接近20億元。若考慮歷年已經(jīng)投入使用的將近50多萬臺(tái)套的塑機(jī)節(jié)能改造的市場(chǎng)容量，中國塑料加工市場(chǎng)節(jié)能潛力之大可以想像。
當(dāng)伺服節(jié)能控制技術(shù)的概念剛剛在國內(nèi)興起的時(shí)候，我們使用的伺服電控系統(tǒng)以進(jìn)口的國外品牌為主，雖然性能得到了保證，但是國外伺服系統(tǒng)成本較高，企業(yè)的投資回報(bào)期較長(zhǎng)，市場(chǎng)很少大批量采購。為了更好的貼近市場(chǎng)，降低注塑機(jī)的成本，在提高了整個(gè)注塑機(jī)的運(yùn)行精度的同時(shí)大幅的降低了整機(jī)的能耗，而且生產(chǎn)成本只有進(jìn)口機(jī)的三分之一，大大滿足了國內(nèi)伺服注塑機(jī)市場(chǎng)的需求
綜上所述，無論是變量泵注塑機(jī)，還是伺服電機(jī)泵注塑機(jī)，甚至全電動(dòng)注塑機(jī)，它們都是朝著提升注塑機(jī)的節(jié)能技術(shù)和節(jié)能效果的方向發(fā)展。由于，中國塑機(jī)市場(chǎng)的特殊性，變量泵和伺服電機(jī)泵注塑機(jī)均有發(fā)展的空間，只是伺服電機(jī)泵注塑機(jī)在綜合性能上更優(yōu)于變量泵注塑機(jī)。不管怎樣，節(jié)能型注塑機(jī)已是中國塑機(jī)發(fā)展史上的一個(gè)重要里程碑，它必將給社會(huì)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益和良好的社會(huì)責(zé)任。
(摘自壓鑄注塑裝備能效提升研討會(huì)會(huì)刊)
