錢 丹，陳巧智

（沙洲職業(yè)工學(xué)院，江蘇 蘇州215600）

注塑機(jī)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)控制的節(jié)能降耗探討

錢 丹，陳巧智

（沙洲職業(yè)工學(xué)院，江蘇 蘇州215600）

注塑機(jī)的節(jié)能降耗是國內(nèi)塑機(jī)企業(yè)提高自身產(chǎn)品競爭優(yōu)勢的重要方向。介紹了注塑機(jī)的工作過程和特點(diǎn)，闡述了注塑機(jī)能源消耗的主要形式，并針對注塑機(jī)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)控制環(huán)節(jié)的能量損耗進(jìn)行了分析和總結(jié)，提出了注塑機(jī)節(jié)能降耗的發(fā)展方向。

注塑機(jī)；AC伺服系統(tǒng)；液壓泵

注塑機(jī)全稱塑料注射成型機(jī)，是我國整個(gè)塑料機(jī)械行業(yè)中產(chǎn)量最高、應(yīng)用最廣的塑機(jī)品種。傳統(tǒng)注塑機(jī)是機(jī)電液傳動(dòng)的典型產(chǎn)品，其使用成本中90%以上是電能消耗成本。注塑機(jī)的電能消耗主要體現(xiàn)在動(dòng)力驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)和塑化加熱系統(tǒng)兩方面。注塑機(jī)的工作性能參數(shù)是以最大負(fù)載來設(shè)計(jì)和標(biāo)定的，但在實(shí)際生產(chǎn)中，注塑機(jī)正常工作時(shí)都是周期性的規(guī)律動(dòng)作，一個(gè)周期內(nèi)各個(gè)步驟所需能耗差別很大，有的時(shí)段電機(jī)處于空載狀態(tài)。這表明在傳統(tǒng)注塑機(jī)的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)中電能浪費(fèi)突出，因此，非常有必要對注塑機(jī)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能降耗研究。

1　注塑成型和注塑機(jī)組成

臥式注塑機(jī)是最常見的類型，主要由動(dòng)力裝置、塑化裝置、注塑合模裝置、回轉(zhuǎn)升降脫模裝置、控制裝置組成。傳統(tǒng)注塑機(jī)通常有六個(gè)主要運(yùn)動(dòng)軸向：射出、進(jìn)料、座進(jìn)退、開關(guān)模、調(diào)模、頂出（拔心、轉(zhuǎn)牙）等［1］。

注塑成型的原理是利用塑料的熱物理性質(zhì)使物料在料筒中熔融，熔融的物料在螺桿的作用下向前輸送并壓實(shí)、在外加熱和螺桿剪切的雙重作用下逐漸塑化和均勻化，并推送到螺桿頭部，同時(shí)，螺桿在物料的反作用下后退，使螺桿頭部形成儲(chǔ)料空間，完成塑化過程，然后，螺桿在注射油缸活塞推力的作用下以高速高壓將塑化的物料注射到模具中，經(jīng)過保壓、冷卻、固化定型后，開啟模具，并通過脫模裝置把定型好的制品從模具頂出落下。如圖1所示。

圖1　臥式注塑機(jī)組成

注射成型又稱注射模塑成型，是一個(gè)周期性循環(huán)的過程，主要?jiǎng)幼靼ㄟM(jìn)料、合模、注射、保壓、冷卻、定型、開模、頂出等，制品取出后再閉模進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)［2］。

2　動(dòng)力驅(qū)動(dòng)控制能量損耗

傳統(tǒng)注塑機(jī)通過動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和各種控制閥的復(fù)合作用實(shí)現(xiàn)將電網(wǎng)的電能轉(zhuǎn)化為電機(jī)的機(jī)械能、再轉(zhuǎn)化為液壓能，然后再轉(zhuǎn)換為所需的機(jī)械能，這是典型的將電能間接轉(zhuǎn)化為所需機(jī)械能的能量轉(zhuǎn)化形式。其電能浪費(fèi)主要體現(xiàn)在動(dòng)力驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)的電能虛置和液壓控制環(huán)節(jié)的能量損失，因此，傳統(tǒng)注塑機(jī)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)控制的節(jié)能降耗可以從兩方面考慮：

（1）提高動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主動(dòng)力源本身的電能利用率，降低因電機(jī)處于低載或空載而產(chǎn)生的電能浪費(fèi)；

（2）動(dòng)力執(zhí)行機(jī)構(gòu)與主動(dòng)力源的良好匹配，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力執(zhí)行機(jī)構(gòu)的無損耗化或低損耗化，使主動(dòng)力源的輸出功率與動(dòng)力執(zhí)行機(jī)構(gòu)的執(zhí)行效率達(dá)到自適應(yīng)調(diào)節(jié)匹配。兩部分的能量利用率越高，系統(tǒng)越節(jié)能。

3　動(dòng)力驅(qū)動(dòng)控制節(jié)能降耗發(fā)展

注塑機(jī)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)控制的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下過程：

第一代注塑機(jī)的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)控制形式為普通三相異步電機(jī)與定量泵組合，采用比例閥控制定量泵的排量和壓力。動(dòng)力驅(qū)動(dòng)控制存在控制精度不高、噪聲大、電能消耗大的缺點(diǎn)，其電能損耗主要有三相異步電機(jī)的電能利用率低和定量泵的閥控能量損失大兩大部分組成。

第二代注塑機(jī)的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)控制形式為普通三相異步電機(jī)與變量泵組合，將第一代注塑機(jī)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)控制的定量泵及流量壓力比例控制升級(jí)為負(fù)載敏感型比例變量泵［1］，減少了比例閥的控制環(huán)節(jié)，達(dá)到減少節(jié)流損失與溢流損失兩大能量損失的目的，電能損耗顯著降低。其電能損耗主要以三相異步電機(jī)的電能利用率低為主。但實(shí)際生產(chǎn)中注塑一般產(chǎn)品、薄壁產(chǎn)品時(shí)的節(jié)能效果并不明顯，只有在生產(chǎn)需要長時(shí)間高保壓的產(chǎn)品時(shí)這一節(jié)能效果才明顯。機(jī)械式變量泵注塑機(jī)造價(jià)較低、適用領(lǐng)域較寬，但變量泵易磨損且對油路系統(tǒng)的抗污性較差，對液壓油的清潔度要求較高，需定期更換液壓油，維護(hù)成本較高，變量泵不能由原定量泵改造［3］。

第三代注塑機(jī)的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)控制以變頻技術(shù)在主動(dòng)力源中的應(yīng)用為主要發(fā)展方向，動(dòng)力執(zhí)行機(jī)構(gòu)呈多樣化發(fā)展，主要有全電子驅(qū)動(dòng)控制和液電復(fù)合驅(qū)動(dòng)控制。

全電子驅(qū)動(dòng)控制采用AC伺服電機(jī)與伺服控制器組合，各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)都由獨(dú)立的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，能進(jìn)行復(fù)合動(dòng)作。因AC伺服電機(jī)的負(fù)載范圍寬，且功率因數(shù)能保持接近于1，其能量轉(zhuǎn)換率高，可通過改變電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制壓力和流量，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，幾乎無噪聲污染、實(shí)現(xiàn)了伺服電機(jī)在注射成形冷卻階段的零轉(zhuǎn)速和零能耗［4］。能量消耗形式為從電網(wǎng)獲取所需電能直接轉(zhuǎn)化為所需的機(jī)械能，AC伺服電機(jī)的電能利用率高且動(dòng)力執(zhí)行機(jī)構(gòu)沒有中間能量轉(zhuǎn)化及能量傳遞損失，節(jié)能效果好。在注塑機(jī)的使用過程中，全電子驅(qū)動(dòng)控制響應(yīng)速度非?？臁⒖刂凭雀?、無噪聲污染、無油泵污染，包括節(jié)能在內(nèi)的整體性能優(yōu)勢在小鎖模力噸數(shù)的注塑機(jī)機(jī)種中非常明顯，但造價(jià)很高，適合需要高潔凈度產(chǎn)品如醫(yī)療器材、食品器材、電費(fèi)昂貴的地區(qū)［2］。

液電復(fù)合驅(qū)動(dòng)控制融合了全電式與全液壓式兩種動(dòng)力驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)，采用多個(gè)驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)部分動(dòng)作的復(fù)合，縮短成型周期。液電復(fù)合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的主動(dòng)力源有主要有兩種變頻驅(qū)動(dòng)方式：一種通過變頻器使普通三相異步電機(jī)與油壓泵組合，另一種采用AC伺服電機(jī)與油壓泵組合。主動(dòng)力源采用變頻器改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，能達(dá)到減少電能消耗的目的，但該系統(tǒng)對注塑工藝所需的流量和壓力要求嚴(yán)格，對重復(fù)精度和靈敏度要求嚴(yán)格。與AC伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)相比，其節(jié)能降耗效果略差，其最大的優(yōu)勢在于電機(jī)的變頻技術(shù)投入成本低。液電復(fù)合驅(qū)動(dòng)控制的優(yōu)點(diǎn)在于既具備全電式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制精度高、響應(yīng)速度快、節(jié)能明顯的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還具備液壓驅(qū)動(dòng)推力大、鎖模力較大的特點(diǎn)。缺點(diǎn)在于:結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，控制困難，要協(xié)調(diào)電動(dòng)與液壓兩個(gè)不同系統(tǒng)的工作［4］。液電混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化方式為電能直接轉(zhuǎn)化為所需機(jī)械能和電能間接轉(zhuǎn)化為所需機(jī)械能共存，電能的利用率較高，存在部分動(dòng)力執(zhí)行能量損失，其節(jié)能效果優(yōu)于全液式驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，僅次于全電式驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。

4　結(jié)束語

提高注塑機(jī)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)控制的能量利用率、提高性價(jià)比仍是我國注塑機(jī)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)節(jié)能降耗的主要發(fā)展方向；發(fā)展伺服系統(tǒng)能量回收再，實(shí)現(xiàn)能量可持續(xù)利用是節(jié)能降耗的新方向［5］。

［1］王梵志.全電式注塑機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀［J］.塑料與包裝，2011，（3）：50.

［2］張濤，李斌禮，李子玉.基于液壓泵伺服驅(qū)動(dòng)的注塑機(jī)節(jié)能技術(shù)研究.機(jī)電工程技術(shù)，2010，39（08）：73-75.

［3］汪文忠.節(jié)能技術(shù)在塑料機(jī)械中的應(yīng)用［J］.塑料包裝，2015，40（2）：122-125.

［4］宋春華.高檔注塑機(jī)的發(fā)展方向［J］.機(jī)床與液壓，2012，40 （2）：122-125.

［5］張友根.注塑機(jī)交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究［J］.流體傳動(dòng)與控制，2010，43（6）：9-15.

Discussion on Energy Saving and Consumption Reduction in the Drive Control of Plastic Injection Molding Machine

QIAN Dan，CHEN Qiao-zhi
（Shazhou Professional Institute of Technology，Suzhou Jiangsu 215600，China）

An important direction to improve the competitive advantage of domestic machinery companies is to develop energy saving and consumption reduction.The working process and the characteristics，the main form of energy consumption of the plastic injection molding machine were introduced，the energy loss in the drive control of plastic injection molding machine was analyzed and summarized.The development trend of energy saving and consumption reduction of plastic injection molding machine was put forward.

plastic injection molding machine；AC servo system；hydraulic pump

TQ320

B

1672-545X（2016）07-0201-03

2016-04-27

錢丹（1980-），女，江蘇蘇州人，碩士研究生，講師，研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化技術(shù)。