塑行業(yè)正面臨著一個飛速發(fā)展的機遇,然而在注塑產(chǎn)品的成本構(gòu)成中,電費占了相當(dāng)?shù)谋壤?依據(jù)立式注塑機設(shè)備工藝的需求,立式注塑機油泵馬達(dá)耗電占整個設(shè)備耗電量的比例高達(dá)50%~65%,因而設(shè)計與制造新一代“節(jié)能型”立式注塑機,就成為迫切需要關(guān)注和解決的問題。
立式注塑機的電能消耗主要表現(xiàn)在以下幾個部分:液壓系統(tǒng)油泵的電能消耗;加熱器的電能消耗;循環(huán)冷卻水泵的電能消耗。立式注塑機的節(jié)能技術(shù),實際上主要包涵三個方面:一是節(jié)能注射成型技術(shù),二是節(jié)能的執(zhí)行機構(gòu),三是節(jié)能的動力驅(qū)動系統(tǒng)。立式注塑機最主要的能耗即是動力驅(qū)動系統(tǒng),立式注塑機節(jié)能的重點即是提高動力驅(qū)動系統(tǒng)本身的能耗效率及驅(qū)動系統(tǒng)輸出功率與執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行功率達(dá)到自適應(yīng)調(diào)節(jié)匹配,兩者之間的能量利用率越高,即系統(tǒng)節(jié)能率越高,達(dá)到節(jié)省能源的功效。節(jié)能動力驅(qū)動系統(tǒng)是立式注塑機節(jié)能的主要研發(fā)課題
。
1 立式注塑機動力驅(qū)動系統(tǒng)分析
動力驅(qū)動系統(tǒng)一般有以下三種:液壓驅(qū)動系統(tǒng)、全電子驅(qū)動系統(tǒng)和液電混合驅(qū)動系統(tǒng)。液壓驅(qū)動系統(tǒng)是立式注塑機泛使用的動力驅(qū)動系統(tǒng),是節(jié)能動力驅(qū)動系統(tǒng)重點研究對象。從節(jié)能角度來說,全電子驅(qū)動系統(tǒng)和電液混合驅(qū)動系統(tǒng)是對液壓驅(qū)動系統(tǒng)能量利用率不高的創(chuàng)新發(fā)展,是兩種理想的節(jié)能驅(qū)動系統(tǒng)。長期以來,立式注塑機節(jié)能液壓系統(tǒng)是重點研究的節(jié)能動力驅(qū)動系統(tǒng)。
目前立式注塑機供油泵的驅(qū)動主要有三種方式:普通電機加變量泵、變頻電機加定量泵和變頻電機加變量泵。變轉(zhuǎn)速控制的效率比變排量控制的效率高,而用變排量和變轉(zhuǎn)速復(fù)合控制的效率比變轉(zhuǎn)速控制的效率高。變轉(zhuǎn)速控制的響應(yīng)比變排量的響應(yīng)快。盡管異步電機的控制技術(shù)也日漸完善,但其自身的功率因數(shù)、效率以及發(fā)熱問題始終無法克服。同步電機技術(shù)越來越成熟,制造成本上也與異步電機越來越接近,正在越來越多的場合取代異步電機。同步電機在立式注塑機上的應(yīng)用將成為趨勢。
2 立式注塑機控制系統(tǒng)分析
立式注塑機控制系統(tǒng)=驅(qū)動系統(tǒng)+電子控制器,立式注塑機的驅(qū)動系統(tǒng)根據(jù)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/液壓復(fù)合控制。
2.1 采用泵供油復(fù)合控制閥調(diào)節(jié)的控制系統(tǒng)
采用定量泵供油,通過流量/壓力復(fù)合控制閥調(diào)節(jié)式的缺點在于以下幾點:第一是控制精度不高。整個控制其實是一個開關(guān)控制,由于開關(guān)閥的啟閉有數(shù)十到數(shù)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,并且使運動速度難以提高。第二是能源耗費大。采用P/Q閥后,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,多余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(jié)流來獲得不同的流量,其節(jié)流損失也相當(dāng)大。溢流損失及節(jié)流損失最終都體現(xiàn)在液壓油的發(fā)熱上,而立式注塑機液壓系統(tǒng)由于空間所限,油箱體積不能很大,必須配置油液的冷卻系統(tǒng)來保證液壓系統(tǒng)的正常工作。第三是噪聲大。高速運行的大功率電動機與液壓泵噪聲很大,使得工作環(huán)境惡劣。
采用變量泵節(jié)能型液壓控制系統(tǒng)。在立式注塑機液壓控制系統(tǒng)中,其能量損失是由節(jié)流損失與溢流損失兩大部分組成的,節(jié)能的關(guān)鍵就在于減少這兩類的損失。采用變量泵是一個很好的辦法。它通過調(diào)節(jié)泵的排量,從而使泵輸出的流量、壓力與系統(tǒng)的要求相適應(yīng),最大限度地減少液壓系統(tǒng)的溢流損失與節(jié)流損失,可以顯著節(jié)能。采用比例變量泵系統(tǒng)的全液壓式立式注塑機是目前國內(nèi)立式注塑機生產(chǎn)廠家的主流產(chǎn)品,技術(shù)比較成熟。采用變量泵的缺點在于變量泵價格昂貴、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、調(diào)試維護不易和易受油液污染的影響。若采用比例/伺服變量泵,價格要比定量泵貴得多,而且較易受到油液污染的影響。
2.2 采用電液伺服閥控制的控制系統(tǒng)
高速液壓控制系統(tǒng)對于一些需要快速運動的回路,如開合模、注射回路,采用電液伺服閥代替開關(guān)閥,利用電液伺服閥的快速響應(yīng)能力實現(xiàn)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(huán)控制,獲得對位置的精確控制。它的缺點在于價格昂貴與抗油污能力差,這也是由于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,并且對液壓油的污染非常敏感,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污染進行控制,極易發(fā)生閥卡的故障。
2.3 變頻器節(jié)能型液壓控制系統(tǒng)
目前變頻液壓立式注塑機的動力源主要有兩種變頻驅(qū)動方式:一種為普通異步電動機通過變頻調(diào)速與定量泵組成動力源;另一種為用高響應(yīng)的交流(AC)伺服電動機驅(qū)動定量泵作為動力源。當(dāng)采用AC伺服電動機驅(qū)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(yīng)速度快、過載能力高,壓力和流量均可通過改變電動機轉(zhuǎn)速來進行閉環(huán)控制,適合于動態(tài)響應(yīng)要求高的場合。
采用變頻器控制普通的三相異步電動機,從而驅(qū)動定量液壓泵,通過變頻器改變電動機的轉(zhuǎn)速,達(dá)到改變液壓泵輸出流量的目的。在國內(nèi),變頻液壓技術(shù)主要用于對原有立式注塑機液壓系統(tǒng)進行改造。立式注塑機變頻調(diào)速存在的問題:立式注塑機液壓系統(tǒng)必須嚴(yán)格按照注塑工藝要求提供所需的流量和壓力,并應(yīng)具有較高的重復(fù)精度和靈敏度,否則將對制品的質(zhì)量有極大的影響。從目前國內(nèi)外在立式注塑機上應(yīng)用變頻液壓技術(shù)的研究結(jié)果看,尚存在諸如低速特性差,動態(tài)響應(yīng)慢,調(diào)速精度不易保證等問題。
2.3.1 低速穩(wěn)定性
在 立式注塑機液壓系統(tǒng)中,如果液壓泵的轉(zhuǎn)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(wěn)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(tǒng)的要求。因此,油泵存在一個最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速限制問題,使得變頻液壓系統(tǒng)在小流量的狀態(tài)下節(jié)能效果并不理想。另外,低頻力矩不足和異步電動機低頻運行時固有的不穩(wěn)定性,電動機轉(zhuǎn)動部分與逆變器直流中間環(huán)節(jié)中濾波,貯能元件之間能量交換中產(chǎn)生的諧振現(xiàn)象,無功功率的影響等都是引起轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定的可能原因解決低速穩(wěn)定性,可以從選擇低速性能好的泵和高性能變頻器或伺服控制器來考慮,但需要付出較高的成本,可以采用合理的控制結(jié)構(gòu)和好的控制算法,通過軟件補償?shù)霓k法來優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù),提高系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)和低速穩(wěn)定性,使變頻液壓系統(tǒng)滿足注塑工藝過程,達(dá)到預(yù)期的節(jié)能和系統(tǒng)優(yōu)化效果。
2.3.2 響應(yīng)快速性
從立式注塑機的特點和注塑的工藝過程來看,需要系統(tǒng)的響應(yīng)快,否則會影響注塑制品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率,因此響應(yīng)的快速性是立式注塑機驅(qū)動控制系統(tǒng)的一個重要的性能指標(biāo)之一。
變頻容積液壓控制系統(tǒng)是通過改變電動機轉(zhuǎn)速來改變液壓系統(tǒng)的流量。由于一般的異步電動機的轉(zhuǎn)動慣量大于液壓泵的轉(zhuǎn)動慣量以及由于變頻器的過載能力有限,影響了加速性能。因此一般變頻容積控制系統(tǒng)比傳統(tǒng)容積控制系統(tǒng)的響應(yīng)要慢。在立式注塑機變頻液壓驅(qū)動系統(tǒng)中選擇性能好的變頻器可以提高立式注塑機驅(qū)動控制系統(tǒng)響應(yīng)的快速性。在矢量型變頻器中,通過設(shè)定速度調(diào)節(jié)器的比例增益P和積分時間I,可以改變矢量控制的速度響應(yīng)特性,這個速度響應(yīng)特性直接影響到立式注塑機成型周期的快慢和執(zhí)行動作的力度.其調(diào)節(jié)的方法是既要加快響應(yīng)特性,同時避免產(chǎn)生電動機振蕩。另外采用高響應(yīng)的交流伺服電動機代替一般的異步電動機,可以很大地提高響應(yīng)速度,可使用在動態(tài)響應(yīng)高的注塑生產(chǎn)場合。當(dāng)既要求大范圍調(diào)速,又要求響應(yīng)速度較快時,可采用綜合調(diào)速控制。既充分利用變轉(zhuǎn)速容積控制系統(tǒng)調(diào)速范圍大,節(jié)能效果顯著的特點,又保留閥控缸或閥控馬達(dá)響應(yīng)快的優(yōu)點,組成復(fù)合調(diào)速系統(tǒng)變頻系統(tǒng)交流電動機速度在變頻器的控制下隨負(fù)載變化而變化,受磁滯效應(yīng)及轉(zhuǎn)動慣量的影響,響應(yīng)速度慢(800~1000ms)。
2.3.3 控制精度
影響調(diào)速精度的一個主要原因是速度剛度。所謂速度剛度是指執(zhí)行器的速度不隨負(fù)載變化的能力;另一個主要原因是系統(tǒng)的慢時變特性,如液壓系統(tǒng)中的油液溫度、油液黏性和泄漏量的大小等都會隨著時間呈非線性變化,從而影響系統(tǒng)的輸出特性,影響調(diào)速精度。為消除或減弱負(fù)載對轉(zhuǎn)速的影響以及液壓系統(tǒng)的慢時變特性對系統(tǒng)輸出的影響,需要從兩個方面來考慮,一個方面是要確保電動機轉(zhuǎn)速不隨負(fù)載變化而變化,另一個方面是要消除或減小液壓系統(tǒng)的慢時變特性對系統(tǒng)輸出的影響,對變頻器設(shè)定合適的轉(zhuǎn)矩補償和滑差補償,在負(fù)載變化時適當(dāng)調(diào)節(jié)泵的(電動機的)轉(zhuǎn)速,即可適度補償回路泄漏的流量,維持執(zhí)行器轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性,保證其速度剛度得以較大提高,符合注塑工藝過程和注塑產(chǎn)品所需要的控制精度。
2.4 全電動控制系統(tǒng)
由于伺服電動機在功率及響應(yīng)方面均有較大的提高,且伺服控制器的功率及控制精度也有提高,即出現(xiàn)了驅(qū)動部分采用伺服電動機加滾珠絲桿傳動方式的全電動控制式立式注塑機。它特別適用于小型的高速精密立式注塑機。據(jù)統(tǒng)計,目前北美立式注塑機市場中有25%為全電動立式注塑機。全電動立式注塑機將成為注射機市場的主流。電動控制式的優(yōu)點有四方面。第一是節(jié)能。全電動控制式為目前最為節(jié)能的驅(qū)動方式。它的電力消耗僅為液壓式的1/3左右,而且越是大型機,節(jié)能越明顯。第二是無污染。由于不使用液壓油,電動式立式注塑機不需要冷卻液壓油的設(shè)備,節(jié)省了資源,無漏油、漏水現(xiàn)象,可以保持工作場地的清潔。第三是易于控制。電動控制系統(tǒng)的可控性好,所以穩(wěn)定性高,控制精度高。第四是成型周期短。與液壓式系統(tǒng)不同,它有多個驅(qū)動電動機,從而使各動作相對獨立,可以實現(xiàn)部分動作的復(fù)合動作,縮短成型周期。缺點有:第一是價格昂貴。由于伺服電動機及其驅(qū)動器價格昂貴,目前全電動式的要比液壓式的價格高約2~3成。第二是對環(huán)境要求高。全電動式立式注塑機要求環(huán)境清潔,以保證其控制電路、電動機等的正常運轉(zhuǎn)。第三是構(gòu)成大型立式注塑機較困難。由于缺乏經(jīng)濟的大型伺服電動機,全電動立式注塑機的大型化受到限制。第四是受機械傳動部件的限制。由于傳動部分為機械傳動,磨損問題較為突出,整機后期維修費用相對較高。
2.5 電動/液壓復(fù)合控制式
電動液壓復(fù)合控制式的優(yōu)點在于融合了全電動與全液壓式兩者的優(yōu)點,即可以利用液壓系統(tǒng)功率大的優(yōu)點,又可以利用電動系統(tǒng)節(jié)能、快速的特點。同時由于采用了多個驅(qū)動器,也可以實現(xiàn)部分動作的復(fù)合動作,縮短成型周期。缺點在于結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,控制困難,要協(xié)調(diào)電動與液壓兩個不同系統(tǒng)的工作。電動-液壓式立式注塑機是集液壓和電驅(qū)動于一體的新型立式注塑機,它融合了全液壓式立式注塑機的高性能和全電動式的節(jié)能優(yōu)點,這種電動-液壓相結(jié)合的復(fù)合式立式注塑機已成為立式注塑機技術(shù)發(fā)展方向。
3 國內(nèi)外發(fā)展情況及未來展望
應(yīng)用變量泵與比例閥構(gòu)成的負(fù)載感應(yīng)系統(tǒng),是電液控制中最基本的節(jié)能方法,已在國外的工程機械中被廣泛應(yīng)用,不足的是仍存在與流量有關(guān)的能量損失;p/Q復(fù)合泵與變頻調(diào)速電機驅(qū)動的定量泵均不存在任何節(jié)流量損失。相比之下,應(yīng)用調(diào)頻電機加定量泵可進一步減少空轉(zhuǎn)能耗及噪聲,更具競爭性,但應(yīng)進一步提高其動態(tài)快速性。
伺服電機驅(qū)動系統(tǒng),由于伺服電機使用永久磁鐵結(jié)構(gòu),且由于轉(zhuǎn)矩及慣量的密切配合下,又在低慣量的轉(zhuǎn)子的配合下,免除了脈動轉(zhuǎn)矩,在速度范圍內(nèi)有著良好的加減速度動態(tài)反應(yīng)特性。因轉(zhuǎn)矩是由感應(yīng)式電流產(chǎn)生,具有完滿磁性分布之高密度磁通所生,在2000r/min速度范圍內(nèi),輸出高比例(可達(dá)到218倍)的額定轉(zhuǎn)矩情況下,能保持非常低的轉(zhuǎn)矩波動,在非常低的速度下也可有大的定轉(zhuǎn)矩區(qū),達(dá)到衡定的流量輸出。轉(zhuǎn)速隨系統(tǒng)流量需求而改變,反應(yīng)速度比伺服閥快01004s,液壓系統(tǒng)基本上不需冷卻水,對于保壓及冷卻時間長的制品,節(jié)能可達(dá)80%。交流伺服電機的最高轉(zhuǎn)速可達(dá)4000r/min,從理論上講,與之相配的液壓泵的排量可根據(jù)最高轉(zhuǎn)速選擇,選用比一般系統(tǒng)中應(yīng)用的更小排量的液壓泵,降低系統(tǒng)中應(yīng)用液壓泵的成本。但目前一般液壓泵的最高轉(zhuǎn)速為1800r/min,同時,考慮到液壓泵的高速工作噪音及使用壽命,選用液壓泵的工作轉(zhuǎn)速低于1800r/min、較大排量的液壓泵與伺服電機組成動力驅(qū)動系統(tǒng),所以還不能充分發(fā)揮交流伺服電機能高速運轉(zhuǎn)的優(yōu)良特性,提高了驅(qū)動系統(tǒng)的成本。高響應(yīng)的交流伺服電機驅(qū)動定量泵系統(tǒng)在立式注塑機上的推廣應(yīng)用,有待于高速低噪音液壓泵的研發(fā),以降低制造成本。如單純從節(jié)能角度來推廣應(yīng)用高響應(yīng)的交流伺服電機驅(qū)動定量泵系統(tǒng),由于成本太高,達(dá)不到效果。如把高響應(yīng)的交流伺服電機驅(qū)動定量泵系統(tǒng),應(yīng)用于普通立式注塑機上,僅體現(xiàn)出節(jié)能效果,只能當(dāng)展品,不能成為商品。應(yīng)把伺服電機高速靈敏反應(yīng)的特性與精密注射成型結(jié)合起來,創(chuàng)新出一種新的高性能的注射成型,能對高端的塑料制品進行特定加工,才能使之應(yīng)用越來越廣。特別對電子類薄壁產(chǎn)品注射成型,更顯示出高性能高精度注射成型的優(yōu)勢。
變量泵和電液比例閥結(jié)合的負(fù)載敏感泵節(jié)能控制系統(tǒng),整個控制機構(gòu)由差壓控制型徑向變量柱塞泵、含位置閉環(huán)的高速比例閥、以及壓力傳感器和位移傳感器組成,提高了動態(tài)響應(yīng)速度。控制流量由比例閥與檢測變量泵偏心量的位移傳感器構(gòu)成的位置閉環(huán)系統(tǒng)完成。通過壓力傳感器補償因泄漏造成的流量損失,使泵輸出的流量在0~10V內(nèi)與設(shè)定值信號成線性比例。控制系統(tǒng)壓力由比例閥與壓力傳感器構(gòu)成的電閉環(huán)回路完成,壓力與流量兩種控制狀態(tài)的分離與轉(zhuǎn)換由電子放大器根據(jù)設(shè)定信號自動完成。系統(tǒng)的輸出流量由0增大到90%時,響應(yīng)時間約為50ms;而由90%輸出流量減小為0時,響應(yīng)時間約為30ms,系統(tǒng)壓力的動態(tài)響應(yīng)時間當(dāng)負(fù)載容腔為4L時,小于200ms,均與高性能的比例閥相當(dāng),因而完全適合于立式注塑機的過程控制。負(fù)載敏感比例泵節(jié)能液壓系統(tǒng),液壓動力輸出隨負(fù)載而同步化,其差值達(dá)到最小,基本上沒有能量浪費,與定量系統(tǒng)相比,節(jié)能達(dá)到30%~60%,是理想的節(jié)能液壓系統(tǒng)。
全電動驅(qū)動系統(tǒng),由于各個執(zhí)行機構(gòu)都有獨立的伺服電機驅(qū)動,能進行復(fù)合動作,電動立式注塑機市場迅速發(fā)展,國內(nèi)制造商目前仍只能提供樣機,開發(fā)出的全電動驅(qū)動系統(tǒng)立式注塑機,注射成型的技術(shù)性能低國際上幾個擋次,體現(xiàn)不出全電動驅(qū)動系統(tǒng)立式注塑機的高性能的綜合技術(shù)優(yōu)勢。全電動立式注塑機在國內(nèi)的研究開發(fā)起步較晚,伺服電機、專用控制器等核心技術(shù)還沒掌握,整體技術(shù)上與日本等先進國家相比還存在著較大的差距。技術(shù)與成本將是中國制造商開發(fā)全電動機面對的最大問題。然而,即便克服了技術(shù)瓶頸,成功開發(fā)出電動式立式注塑機,成本高昂問題仍將困擾著歐美日以外的電動式立式注塑機制造商。因為與歐美日相近甚至更高的零件成本、加上沒有特色的控制系統(tǒng),難以說服客戶采用國內(nèi)制造的電動式立式注塑機。
因此,在電價節(jié)節(jié)揚升、企業(yè)要求壓縮成本的情況下,節(jié)能環(huán)保型立式注塑機代表了塑機發(fā)展方向,誰先走一步,誰必定搶得市場先機。正是看到這一點,越來越多的生產(chǎn)企業(yè)將產(chǎn)品節(jié)能研發(fā)置于重要位置。
盡管我國 立式注塑機企業(yè)已經(jīng)具備了研發(fā)節(jié)能立式注塑機的實力,但從用戶反映的情況來看,目前國內(nèi)節(jié)能立式注塑機在質(zhì)量、技術(shù)方面仍參差不齊,尤其是高端節(jié)能型立式注塑機市場還是國外產(chǎn)品占主流。節(jié)能型立式注塑機可以說是全世界塑機企業(yè)研究的重點,我國既然已經(jīng)有能力自行研發(fā),就更應(yīng)該加快發(fā)展步伐。
聚砜醫(yī)療干粉吸入...
塑料包裝材料的減...
汽車功能鍵觸摸蓋I...
高性能注塑聚丙烯...
