高 俊，韓 昌

(1.武漢工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430205；2.武漢商學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430056)

引言

注塑機(jī)是生產(chǎn)塑膠產(chǎn)品的主要機(jī)械設(shè)備，但其電量消耗大、能量損失嚴(yán)重等問題一直困擾著生產(chǎn)企業(yè)[1]，在生產(chǎn)成本中注塑機(jī)的電費(fèi)成本占據(jù)了很大比例，這極大地影響了塑膠產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)的效益，也造成了電力資源的極大浪費(fèi)。隨著市場對節(jié)能型注塑機(jī)的關(guān)注，由交流伺服電機(jī)驅(qū)動液壓泵的新型泵控液壓動力源應(yīng)用到了注塑機(jī)中[2]。在保壓和冷卻等環(huán)節(jié)中伺服電機(jī)和液壓泵低速運(yùn)轉(zhuǎn)，大大減少了液壓系統(tǒng)的溢流損失，其節(jié)能效果得到注塑機(jī)設(shè)計(jì)制造人員和注塑機(jī)使用單位的廣泛關(guān)注[3]。

1 異步伺服電機(jī)泵控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)注塑機(jī)液壓系統(tǒng)由定頻交流異步電機(jī)驅(qū)動定量泵組成[4]。該液壓系統(tǒng)提供恒定的流量，注塑機(jī)液壓系統(tǒng)多余的油液通過溢流閥回油箱，因此造成系統(tǒng)大量的溢流損耗[5],能量損失高達(dá)36%～68%。為解決液壓系統(tǒng)溢流造成的能量損失，目前在注塑機(jī)液壓系統(tǒng)中開始使用伺服電機(jī)驅(qū)動的液壓動力源系統(tǒng)[6]。

由于注塑機(jī)液壓系統(tǒng)瞬時(shí)流量會很大，對液壓動力源的流量響應(yīng)要求較高，也就要求伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)要很快。為滿足這一要求，通常使用永磁同步電機(jī)作為動力源[7]。永磁同步電機(jī)雖然有響應(yīng)快、損耗小、效率高等一系列優(yōu)點(diǎn)，但由于使用稀土永磁材料造成其價(jià)格昂貴，限制了其在注塑機(jī)上的應(yīng)用。

而采用變頻器控制普通三相異步電機(jī)驅(qū)動液壓系統(tǒng)的方案，由于其響應(yīng)速度慢、控制精度低等問題，無法滿足注塑機(jī)對液壓系統(tǒng)壓力和流量的控制要求[8-9]。

為實(shí)現(xiàn)注塑機(jī)伺服電機(jī)泵控系統(tǒng)大流量、低成本、高精度的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)了如圖1所示的基于三相異步電機(jī)的伺服雙泵液壓動力單元。

圖1 異步伺服電機(jī)驅(qū)動的雙泵液壓系統(tǒng)簡圖

為適應(yīng)伺服控制的需要，在普通三相異步電機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行如下改進(jìn)：

(1)由于流量與轉(zhuǎn)速之間存在如下關(guān)系：

q=Vn

(1)

式中，q—— 流量

V—— 泵的排量

n—— 泵的轉(zhuǎn)速

對使用定量泵的系統(tǒng)，只需要在與泵相連的電機(jī)主軸上安裝編碼器，通過向控制器反饋電機(jī)轉(zhuǎn)速，就可以實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)流量信息的反饋。

(2)電機(jī)應(yīng)使用獨(dú)立的散熱風(fēng)扇，以防止在低轉(zhuǎn)速時(shí)散熱能力不夠；

(3)電機(jī)內(nèi)置熱敏電阻，對電機(jī)起過載保護(hù)作用；

(4)相對普通四極電機(jī)定頻時(shí)1500 r/min的轉(zhuǎn)速，伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速可能達(dá)到2000 r/min以上，電機(jī)軸承應(yīng)使用高速耐磨軸承。

為滿足注塑機(jī)對液壓系統(tǒng)瞬時(shí)大流量輸出的要求，使用了串聯(lián)的雙齒輪泵通過合流閥塊后輸出到注塑機(jī)液壓系統(tǒng)，閥塊中安裝有壓力傳感器以實(shí)現(xiàn)對壓力的閉環(huán)控制[10]。

2 節(jié)能理論計(jì)算

如圖2所示為一個(gè)注塑機(jī)主油缸典型工作循環(huán)，下面分別在傳統(tǒng)定量泵和伺服電機(jī)驅(qū)動的定量泵兩種模式下進(jìn)行能耗的理論計(jì)算。

圖2 注塑機(jī)主油缸典型工作循環(huán)

由于定量泵的特點(diǎn)，系統(tǒng)無論在任何工作狀態(tài)下，定轉(zhuǎn)速電機(jī)都會帶動定量泵轉(zhuǎn)動。因此，排出泵的壓力油流量將不會有較大變化，基本維持在一個(gè)恒定值。而利用伺服泵控的方式，t0～t1時(shí)段快進(jìn)時(shí)，泵以指定的流量q1輸出；t1～t2時(shí)段慢進(jìn)時(shí)，伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速變慢，從而使定量泵排出流量減少，設(shè)此時(shí)流量為q2；t2～t3時(shí)段保壓時(shí)，伺服電機(jī)以極低的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，泵排出流量q3幾乎為0；t3～t4時(shí)段，活塞桿返回，泵以系統(tǒng)所需要的流量q4供油；t4～t5時(shí)段原位停止時(shí)，泵又以極低轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，排出流量q5幾乎為0。

由此，可以計(jì)算出t0～t1時(shí)段中，伺服電機(jī)泵所消耗的能量W11：

(2)

式中，a—— 修正系數(shù)

p1—— 快進(jìn)時(shí)的系統(tǒng)壓力

q1—— 快進(jìn)時(shí)的系統(tǒng)流量

V—— 泵排量

n1—— 快進(jìn)時(shí)與泵連接的伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速

通過分析可知，t2～t3時(shí)段為保壓，泵排出流量幾乎為0，伺服電機(jī)以極低的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，即n3≈0，故W13≈0。同理，在原位停止時(shí)n5≈0,故W13≈0?？梢杂?jì)算出t0～t5整個(gè)工作循環(huán)中，伺服電機(jī)泵所消耗的能量W1：

W1=W11+W12+W14

(3)

式中,a—— 修正系數(shù)

V—— 泵排量

其他物理量意義如表1所示。

表1 各行程系統(tǒng)參數(shù)

對于定量泵，t0～t1時(shí)段中，定量泵所消耗的能量W21為：

(4)

式中，a—— 修正系數(shù)

p1—— 快進(jìn)時(shí)的系統(tǒng)壓力

V—— 泵排量

n0—— 快進(jìn)時(shí)定量泵的轉(zhuǎn)速

同理，依次類推可以計(jì)算出t0～t5整個(gè)工作循環(huán)中，定量泵所消耗的能量W2：

W2=W21+W22+W23+W24+W25

(5)

式中,a—— 修正系數(shù)

V—— 泵排量

其他物理量意義如表1所示。

綜上所述，相比與定量泵，伺服電機(jī)泵可節(jié)約的能量ΔW為：

ΔW=W2-W1

(6)

通過上式可以看出，保壓時(shí)的能量損失W23基本上完全由定量泵產(chǎn)生。對于大流量的液壓泵，其所產(chǎn)生的能量損失更大。同時(shí)，保壓時(shí)間越長，所造成的能量損失也越大。

和保壓時(shí)一樣，機(jī)器中液壓系統(tǒng)執(zhí)行元件停止時(shí)，如取件、加料等工序時(shí)，定量泵的連續(xù)工作同樣也造成非常大的能量損失W25。且時(shí)間越長，泵流量越大，造成的能量損失越大。

對于大流量的液壓系統(tǒng)，流量q增大將成比例的增大耗能。因此大流量的液壓設(shè)備若利用伺服泵控系統(tǒng)將有很大的節(jié)能效果。

3 新液壓動力源對傳統(tǒng)注塑機(jī)的改造

為測試異步伺服電機(jī)驅(qū)動串聯(lián)雙齒輪泵在注塑機(jī)上運(yùn)行的性能，同時(shí)驗(yàn)證其節(jié)能效果，對一臺HTF450X2型注塑機(jī)進(jìn)行改造。將該注塑機(jī)中三相異步交流電機(jī)驅(qū)動的柱塞泵液壓動力源更換為伺服電機(jī)驅(qū)動的串聯(lián)雙齒輪泵液壓動力源[11-12]。進(jìn)行改造后HTF450X2型注塑機(jī)的液壓主回路如圖3所示。

圖3 搭載異步伺服電機(jī)泵控動力源的注塑機(jī)液壓系統(tǒng)

改造注塑機(jī)所使用的電機(jī)控制器、制動單元、制動電阻如圖4所示，使用的三相交流電機(jī)如圖5所示，其中制動單元和制動電阻的作用為消耗電機(jī)減速反轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的逆向電能，電機(jī)控制器將根據(jù)注塑機(jī)的壓力流量指令，結(jié)合壓力、流量反饋信號控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)對注塑機(jī)壓力和流量的閉環(huán)控制。

圖4 電機(jī)控制器系統(tǒng)

圖5 電機(jī)泵系統(tǒng)

4 改造后液壓系統(tǒng)的性能分析

由于注塑機(jī)對液壓系統(tǒng)流量和壓力的響應(yīng)要求較高，因此對改造后系統(tǒng)流量響應(yīng)和壓力響應(yīng)進(jìn)行了測試。流量響應(yīng)測試結(jié)果如圖6所示，測試數(shù)據(jù)顯示注塑機(jī)輸出流量從0到最大輸出值的響應(yīng)時(shí)間約為90 ms。

圖6 改造后注塑機(jī)流量響應(yīng)圖

同樣，對改造后注塑機(jī)的壓力響應(yīng)進(jìn)行測試，結(jié)果如圖7所示。測試數(shù)據(jù)顯示改造后注塑機(jī)輸出壓力從0到最大指定壓力值的響應(yīng)時(shí)間約為100 ms。

圖7 改造后注塑機(jī)壓力響應(yīng)圖

5 節(jié)能實(shí)驗(yàn)研究

為驗(yàn)證改造后注塑機(jī)在電力消耗方面的性能，對改造前后注塑機(jī)的電力消耗情況進(jìn)行了測試。在注塑機(jī)改造前后，分別使用模具1和模具2生產(chǎn)兩種不同類型的產(chǎn)品。

模具1生產(chǎn)的厚壁型塑膠產(chǎn)品如圖8所示，該產(chǎn)品長1000 mm，寬500 mm，高150 mm，最大壁厚5 mm。

圖8 模具1生產(chǎn)的厚壁型產(chǎn)品

使用模具1生產(chǎn)厚壁型塑膠產(chǎn)品時(shí)，分別對傳統(tǒng)液壓動力源和電控雙泵液壓源消耗電能情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其電力消耗測試統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 使用模具1時(shí)不同動力源消耗電力統(tǒng)計(jì)

在60 min時(shí)間內(nèi)，注塑機(jī)共注塑生產(chǎn)了27次，改造前使用傳動液壓動力系統(tǒng)時(shí)電力消耗為42 kW/h，同樣情況下改造后使用電控雙泵液壓源時(shí)電力消耗為18 kW/h，相比改造前節(jié)能57%。

模具2生產(chǎn)的薄壁型塑膠產(chǎn)品如圖9所示，產(chǎn)品長1000 mm，寬500 mm，高10 mm，最大壁厚2 mm。

圖9 模具2生產(chǎn)的薄壁型產(chǎn)品

使用模具2生產(chǎn)薄壁型塑膠產(chǎn)品時(shí)，分別對傳統(tǒng)液壓動力源和電控雙泵液壓源消耗電能情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其電力消耗測試統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 模具2不同動力源消耗電力統(tǒng)計(jì)

改造前在60 min時(shí)間內(nèi)注塑機(jī)共注塑生產(chǎn)了88次，電力消耗30 kW/h。改造后測試時(shí)，以相同注塑生產(chǎn)次數(shù)88次進(jìn)行測試，電力消耗為17.5 kW/h，相比改造前節(jié)能41.7%。

6 結(jié)論

(1)通過壓力流量反饋形成閉環(huán)控制，控制器驅(qū)動機(jī)電和液壓泵可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的壓力流量控制，其壓力響應(yīng)與流量響應(yīng)等性能可以滿足注塑機(jī)工作的需要；

(2)通過雙連齒輪泵合流輸出，可以滿足注塑機(jī)液壓系統(tǒng)瞬時(shí)大流量輸出的要求，且具有顯著的成本優(yōu)勢；

(3)利用交流異步電機(jī)驅(qū)動雙連齒輪泵組成的新型液壓動力源，在注塑機(jī)生產(chǎn)作業(yè)時(shí)具有非常明顯的節(jié)能效果。