注塑行業正面臨著一個飛速發展的機遇,然而在注塑產品的成本構成中,電費佔了相當的比例,依據立式注塑機裝置工藝的需求,立式注塑機油泵馬達耗電佔整個裝置耗電量的比例高達50%~65%,因而設計與製造新一代“節能型”立式注塑機,就成為迫切需要關注和解決的問題。
立式注塑機的電能消耗主要表現在以下幾個部分:液壓系統油泵的電能消耗;加熱器的電能消耗;迴圈冷卻水泵的電能消耗。立式注塑機的節能技術,實際上主要包涵三個方面:一是節能注射成型技術,二是節能的執行機構,三是節能的動力驅動系統。立式注塑機最主要的能耗即是動力驅動系統,立式注塑機節能的重點即是提高動力驅動系統本身的能耗效率及驅動系統輸出功率與執行機構執行功率達到自適應調節匹配,兩者之間的能量利用率越高,即系統節能率越高,達到節省能源的功效。節能動力驅動系統是立式注塑機節能的主要研發課題。
1 立式注塑機動力驅動系統分析
動力驅動系統一般有以下三種:液壓驅動系統、全電子驅動系統和液電混合驅動系統。液壓驅動系統是立式注塑機泛使用的動力驅動系統,是節能動力驅動系統重點研究物件。從節能角度來說,全電子驅動系統和電液混合驅動系統是對液壓驅動系統能量利用率不高的創新發展,是兩種理想的節能驅動系統。長期以來,立式注塑機節能液壓系統是重點研究的節能動力驅動系統。
目前立式注塑機供油泵的驅動主要有三種方式:普通電機加變數泵、變頻電機加定量泵和變頻電機加變數泵。變轉速控制的效率比變排量控制的效率高,而用變排量和變轉速複合控制的效率比變轉速控制的效率高。變轉速控制的響應比變排量的響應快。儘管非同步電機的控制技術也日漸完善,但其自身的功率因數、效率以及發熱問題始終無法克服。同步電機技術越來越成熟,製造成本上也與非同步電機越來越接近,正在越來越多的場合取代非同步電機。同步電機在立式注塑機上的應用將成為趨勢。
2 立式注塑機控制系統分析
立式注塑機控制系統=驅動系統+電子控制器,立式注塑機的驅動系統根據其控制的形式可以分為三類,即液壓控制式、電動控制式與電動/液壓複合控制。
2.1 採用泵供油複合控制閥調節的控制系統
採用定量泵供油,通過流量/壓力複合控制閥調節式的缺點在於以下幾點:第一是控制精度不高。整個控制其實是一個開關控制,由於開關閥的啟閉有數十到數百毫秒的延時,所以對注射位置、開合模位置的控制精度不高,並且使運動速度難以提高。第二是能源耗費大。採用P/Q閥後,雖然壓力可以隨著工藝過程的不同而改變,但是定量泵所輸出的流量一定,而不同的工藝流程需要的流量不同,多餘的流量就通過溢流閥,造成了很大的溢流損失,特別是在高壓、小流量的保壓過程時損耗更大。同時,依靠流量閥的節流來獲得不同的流量,其節流損失也相當大。溢流損失及節流損失最終都體現在液壓油的發熱上,而立式注塑機液壓系統由於空間所限,油箱體積不能很大,必須配置油液的冷卻系統來保證液壓系統的正常工作。第三是噪聲大。高速執行的大功率電動機與液壓泵噪聲很大,使得工作環境惡劣。
採用變數泵節能型液壓控制系統。在立式注塑機液壓控制系統中,其能量損失是由節流損失與溢流損失兩大部分組成的,節能的關鍵就在於減少這兩類的損失。採用變數泵是一個很好的辦法。它通過調節泵的排量,從而使泵輸出的流量、壓力與系統的要求相適應,最大限度地減少液壓系統的溢流損失與節流損失,可以顯著節能。採用比例變數泵系統的全液壓式立式注塑機是目前國內立式注塑機生產廠家的主流產品,技術比較成熟。採用變數泵的缺點在於變數泵價格昂貴、結構複雜、除錯維護不易和易受油液汙染的影響。若採用比例/伺服變數泵,價格要比定量泵貴得多,而且較易受到油液汙染的影響。
2.2 採用電液伺服閥控制的控制系統
高速液壓控制系統對於一些需要快速運動的迴路,如開合模、注射迴路,採用電液伺服閥代替開關閥,利用電液伺服閥的快速響應能力實現對運動的高速、精確控制,可以對立式注塑機的流量與壓力形成閉環控制,獲得對位置的精確控制。它的缺點在於價格昂貴與抗油汙能力差,這也是由於電液伺服閥本身的特點所決定的。大流量的電液伺服閥及其放大器均較昂貴,並且對液壓油的汙染非常敏感,而立式注塑機的工作場合一般均較為惡劣,如果不能對液壓油的汙染進行控制,極易發生閥卡的故障。
2.3 變頻器節能型液壓控制系統
目前變頻液壓立式注塑機的動力源主要有兩種變頻驅動方式:一種為普通非同步電動機通過變頻調速與定量泵組成動力源;另一種為用高響應的交流(AC)伺服電動機驅動定量泵作為動力源。當採用AC伺服電動機驅動定量泵作為動力源時,電動機成本較高,但AC伺服電動機響應速度快、過載能力高,壓力和流量均可通過改變電動機轉速來進行閉環控制,適合於動態響應要求高的場合。
採用變頻器控制普通的三相非同步電動機,從而驅動定量液壓泵,通過變頻器改變電動機的轉速,達到改變液壓泵輸出流量的目的。在國內,變頻液壓技術主要用於對原有立式注塑機液壓系統進行改造。立式注塑機變頻調速存在的問題:立式注塑機液壓系統必須嚴格按照注塑工藝要求提供所需的流量和壓力,並應具有較高的重複精度和靈敏度,否則將對製品的質量有極大的影響。從目前國內外在立式注塑機上應用變頻液壓技術的研究結果看,尚存在諸如低速特性差,動態響應慢,調速精度不易保證等問題。
2.3.1 低速穩定性
在 立式注塑機液壓系統中,如果液壓泵的轉速過低,自吸能力下降,容易造成吸沒不充分而形成氣蝕,引起噪聲和流量脈動,影響速度的穩定性。二是低速過載能力差,特別是電動機制動時速度慢,不能很好滿足控制系統的要求。因此,油泵存在一個最低穩定轉速限制問題,使得變頻液壓系統在小流量的狀態下節能效果並不理想。另外,低頻力矩不足和非同步電動機低頻執行時固有的不穩定性,電動機轉動部分與逆變器直流中間環節中濾波,貯能元件之間能量交換中產生的諧振現象,無功功率的影響等都是引起轉速不穩定的可能原因解決低速穩定性,可以從選擇低速效能好的泵和高效能變頻器或伺服控制器來考慮,但需要付出較高的成本,可以採用合理的控制結構和好的控制演算法,通過軟體補償的辦法來優化系統引數,提高系統的動態品質和低速穩定性,使變頻液壓系統滿足注塑工藝過程,達到預期的節能和系統優化效果。
