液压注塑机伺服泵控制节能技术

液压注塑机伺服泵控制节能技术

　　液压注塑机伺服泵控制节能技术【1】

　　摘要：介绍一种注塑机新型的液压泵伺服驱动及控制新技术，采用交流永磁同步伺服电机驱动液压油泵作为注塑机的驱动级控制系统，实现注塑机节能、动态响应快、压力控制稳定、低速性能优良等性能提升。

　　通过实际试验和应用，新的驱动控制技术对于实现注塑机的节能技术进步和控制精度提高具有重要作用。

　　关键词：注塑机 伺服泵 节能技术

　　一、注塑机的液压泵伺服的驱动和控制系统的构成

　　注塑机液压泵伺服驱动系统原理图如图1 所示，注塑机液压泵伺服控制系统主要由交流永磁同步伺服电机、伺服驱动器、液压油泵、压力传感器、编码器或旋转变压器构成。

　　这种系统提供了注塑机驱动及控制系统的新概念，能够接近全电动注塑机的节能水平。

　　系统工作时，注塑机整机控制器将机器动作的速度和压力的设定值转换为模拟信号或数字信号输出至伺服驱动器，伺服驱动器按指令信号要求驱动伺服电机带动液压油泵工作，机器动作的速度和压力控制要求，与伺服电机的转速控制和转矩控制对应。

　　图1 注塑机液压伺服驱动系统原理图

　　二、伺服泵注塑机功率消耗分析

　　伺服泵注塑机液压系统是注塑机的重要组成部分。

　　注塑机液压系统工作质量，比如系统工作的稳定性、可靠性、重复精度、灵敏性、节能效果以及低噪音性能都将直接影响注塑制品的质量，尺寸精度、塑料成型周期、生产成本，将影响工作环境、安全操作和维修工作。

　　伺服泵注塑机液压系统具有高精度、高灵敏度、低噪音、省能化、比例、伺服控制和微处理器等特点。

　　伺服泵注塑机液压控制系统在每一个注塑周期中系统的压力和流量是按照工艺要求而变化的，即在液压系统系统压力执行每一个具体程序时，如执行元件的驱动力和速度都有具体要求，因此，液压系统压力和流量必须与之相适应。

　　伺服泵注塑机液压系统的能耗输出总功率是一定的，但由于执行每一个程序时所需要消耗的功率不同，注塑机在一个周期中的功率消耗情况如图 2所示。

　　由图 2所示合模和开模系统所需油压较低，且时间较短，一般为一个工作周期的 40%～60%，时间的长短与加工工件有关，间歇期更短，这也与加工工件的情况有关，有时可以间歇期而连续加工。

　　图2 注塑周期中功率的消耗情况

　　三、液压泵伺服系统的性能测试实验

　　(一)节能效果及其影响因素

　　由于伺服电机本身的能量转换效率较高、系统流量压力输出与负载需求趋于一致、机器处于制品冷却工艺环节时伺服电机可停止转动等因素，采用液压泵伺服驱动和控制技术使注塑机节电性能明显提高。

　　与变量泵机器相比，可节电20%～50%，与定量泵机器相比，可节电30%一60%。

　　具体节电效果与不同产品成型工艺、塑料材料性能、系统配置方案相关。

　　节电性能在不同厂家生产的伺服电机和驱动控制系统之间存在差异。

　　如：伺服电机转动惯量和效率存在一定差异;驱动器制动回路的设计导致节能效果存在差异;配置的液压泵的种类对液压泵伺服驱动和控制系统节电性能有直接影响，定量齿轮泵、定量柱塞泵、定量螺杆泵、双排量柱塞泵在不同的系统中都有应用，其中以双排量柱塞泵系统的节电效果最好。

　　(二)响应速度及其影响因素

　　响应速度快是液压泵伺服驱动和控制系统的技术优势之一，使机器成型精密制品的能力和运行效率得到提升。

　　实验数据表明，系统达到最快速度和最高工作压力的响应时间在40ms-50ms范围内，而相同规格变量泵系统的响应时间在70ms一120ms。

　　高频响应伺服阀的响应时间在25ms-40ms。

　　提高响应速度的主要影响因素是系统配置的液压泵的排量和伺服电Figure机的最高转速。

　　相同规格的机器配置的液压泵排量越大，电机最大工作转速越低，系统的响应速度越快。

　　(三)压力控制精度及其影晌因素

　　在注塑机保压及高压锁模的工艺环节。

　　机器需要进行压力控制，系统进行压力控制时，伺服电机转速低至20。

　　150r/rain，低转速工作条件下，压力波动较大。

　　实际测试发现，不同系统的压力控制精度相差较大。

　　四、结束语

　　通过对液压泵伺服系统的性能测试实验，可以说明，伺服泵系统对于降低注塑机能耗，提高系统响应速度和压力控制精度，具有明显的技术优势。

　　可以预见，新的系统将取代注塑机现在配置的定量泵系统和变量泵系统，成为主流配置方案。

　　在电能供应日趋严峻的现在，节能无疑是一比较重要的话题，注塑机的能耗比较大，节能也就势在必行了。

　　参考文献：

　　[1]王兴天.注塑工艺与设备[M].北京：化学工业出版社，2009.

　　[2]王昌焱.全液压式注塑机液压系统的功率损耗[J].2007(2)

　　[3]杜青林.液压注塑机伺服泵控制方法研究.硕士学位论文.2010

　　注塑机伺服节能改造方案【2】

　　【摘 要】注塑行业正面临着一个飞速发展的机遇，如何有效地节能降耗也就成为迫切需要解决的问题，而占绝大多数比例的定量泵注塑机电能浪费情况非常严重。

　　目前市场上根据定量泵与变量泵液压系统相似原理研制出的伺服注塑机节能控制系统，可广泛应用于大、中、小各种规格，各种品牌，以液压传动的定量泵或变量泵注塑机。

　　通过对江苏春兰机械制造有限公司、泰州申视塑料有限公司分别选择一台注塑机作为改造目标设备进行改造，节电率达66%。

　　根据注塑机在具体运行过程中所需控制的压力和速度参量来专门设计的，经程序优化后，具有压力上升快，控制精确，重复定位精度高。

　　与传统的液压控制相比，具有节能、高效、废品率低等特点.

　　【关键词】注塑机;伺服电机;节能减排

　　引言

　　注塑机是塑料加工业主要设备、是有名的“电老虎”，一般注塑机的用电量要占到塑胶企业总体用电量的30～70%(在某些专业塑胶企业比重甚至超过70%)。

　　伺服系统是指以物体的位移、角度、速度为控制量组成的，能够跟踪目标任意变化的自动化控制系统，通常由伺服驱动器和伺服电机组成。

　　伺服系统是在变频技术基础上的延伸产品，除了可以进行速度与转矩控制外，还可以进行精确、快速、稳定的位置控制。

　　1 伺服电机市场

　　据了解，注塑机节能改造具有节电率高、节能效果好、投资回收快等优点。

　　例如注塑机的伺服电机能耗约占整机用电总量70%～80%，将原有的“普通电机+定量泵系统”更换成“伺服电机+齿轮泵(螺杆泵)”，节能率达40%～85%，10～18个月便可收回成本，节能效果十分理想。

　　2 伺服控制系统的组成

　　伺服系统的由伺服控制器、伺服电机、油泵、编码器、压力传感器等组成。

　　3 注塑机改造发展情况

　　在传统注塑机使用定量泵驱动方式带来巨大电能浪费的同时，注塑机的节能改造也经历了三个阶段：(1)变量泵改造;(2)变频器改造;(3)伺服改造。

　　4 伺服系统的节能原理

　　用伺服驱动器的最大优点，首先是节能因为当系统保压时注塑机控制器会同时给压力和流量信号给驱动器，驱动器会根据PID换算后将低速驱动伺服电机运转实现节能，其次是产能得到很的提高因为伺服驱动器驱动伺服电机运转相应很快，而且伺服电机一般可以运转到2000转/分以上。

　　所以注塑机在进行除保压状态外的其它工作状态时基本上执行的是速度模式其电机转速很快就可实现了注塑机运转周期加快，提高了产能，再次是系统保压时压力的稳定性很好，因为该驱动系统是个死循环控制系统，注塑机系统压力通过压力传感器传递到驱动器上并通过驱动器的PID快速调节响应，从而保证了系统压力的稳定性。

　　能耗等级为1级。

　　5 伺服电机总体技术

　　5.1 液压伺服系统技术原理

　　液压传动：它是以液压油为工作介质，通过动力元件(油泵)将原动机的机械能变为液压油的压力能，再通过控制元件，然后借助执行元件(油缸或油马达)将压力能转换为机械能，驱动负载实现直线或回转运动，且通过对控制元件遥控操纵和对流量的调节，调整执行元件的力和速度。

　　当外界对上述系统有扰动时，执行元件的输出量一般要偏离原有调定值，产生一定的误差。

　　液压控制：和液压传动一样，系统中也包括动力元件、控制元件和执行元件，也是通过油液传递功率。

　　二者不同之点是液压控制具有反馈装置，反馈装置的作用是执行元件的输出量(位移、速度、力等机械量)反馈回去与输入量(可以是变化的，也可以是恒定的)进行比较，用比较后的偏差来控制系统，使执行元件的输出随输入量的变化而变化或保持恒定。

　　它是一种构成闭环回路的液压传动系统，也叫液压随动系统或液压伺服系统。

　　5.2 项目的基本原理

　　传统的液压动力系统是通过普通三相交流电机带动定量油泵，以额定的转速运行，通过控制流量控制阀和压力控制阀开口的大小来调整系统的压力，以满足配套设备所需的压力流量(位移)。

　　由于在此系统中是通过调节阀的压力和流量来达到调节系统压力和位移的目的。

　　因此为了保证系统最大流量和压力，系统中的电机必须始终以额定转速运行。

　　由于电机耗功只与系统压力有关，当配套设备需高压低速运行时，由于电机始终以额定转速运行，所以电机消耗的功率大部分为无效功，这些无效功大部分转化为热能通过液压油经压力控制阀流回油箱，导致系统发热，在许多场合下，特别是在高压且运动速度变化很大的工况下需安装冷却系统，从而导致能耗增加。

　　伺服统采用特定的伺服电机及驱动器直接驱动专用齿轮油泵，通过动态调整伺服电机的转速、转矩，以提供配套设备所需的压力、流量(位移)。

　　由此推导出只要动态地调整伺服电机的转速、转矩，就能提供配套设备所需的压力、流量(位移)。

　　这就是基本原理。

　　6 伺服电机的应用

　　泰州供电公司对江苏春兰机械制造有限公司、泰州申视塑料有限公司进行调研及与企业进行沟通，由江苏电力节能服务有限公司对以上两公司注塑机进行了节能评估及分析，分别选择一台注塑机(24小时运行)作为改造目标设备，以使用伺服电机替代原有电机的方案进行试点节能改造。

　　具体测试方法是：选择一台改造过的注塑机和一台未改造的注塑机进行同一天标准工日、同种工料生产的对比监测，监测设备采用SY-DCS-II型移动式电能监测仪，电能数据每分钟保存一次，通过对监测得到的数据进行处理，获得改造后的一台注塑机和一台未改造的注塑机的日用电量，并计算出节电率。

　　江苏苏源高科技有限公司于2012年4月24日-25日，通过采集24小时改造后的一台注塑机和一台未改造的注塑机的日用电量，计算出节电率：

　　(改造前单位产品耗电量-改造后单位产品耗电量)/改造前单位产品耗电量=(1326.2kWh-447.2 kWh)/1326.2 kWh=66.3%。

　　预计年节电量 11.1万KW，年节电收益=项目节电量×P(其中：P为用电单位电度电价，以0.68元/千瓦时计)= 11.1×0.68=7.54万元。

　　该设备的理论使用寿命为10年。

　　改造节能量得到双方单位确认，并通过第三方泰州市经信委节能处认证。

　　此次注塑机伺服电机节能试点改造，为江苏省电力公司系统内首次成功改造案例。

　　目前已与江苏春兰机械制造有限公司商定，将其余12台注塑机进行伺服电机节能改造。

　　7 结论

　　将普通注塑机改造为伺服注塑机，虽然需要一定程度的投入，但是此种新型注塑机在节约资源，降低成本，性能提升，改善工况方面有较大优势;随着伺服技术已经成熟，伺服系统的价格下调及大家对伺服系统的深入认识，发展伺服注塑机势在必行!

　　参考文献：

　　[1]郭宗仁等.可编程序控制器应用系统设计及通讯网络技术.人民邮电出版社，2002.

　　[2]浙江大成电气有限公司内部资料，2011.

　　注塑机节能技术【3】

　　摘要：本文主要就注塑机的概述以及注塑机的节能技术进行了具体的分析研究。

　　关键词：注塑机;节能技术

　　1.注塑机的概述

　　1.1注塑机的介绍

　　目前国内的注塑机种类很多，其中应用最为广泛的是通用型注塑机，通用型注塑机又有柱塞式与螺杆式两种，本文主要对螺杆式注塑机进行了研究(如图1所示)。

　　通用型螺杆式注塑机主要由三部分组成，注射系统、合模系统、液压传动与电气控制系统。

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　　图1 螺杆式注塑机简图

　　1.2注塑机工作原理及其特点

　　注塑成型是利用塑料的热物理性质，将塑料从料斗加进机筒内，机筒外部由加热装置进行加热以熔融物料。

　　在机筒内安装有螺杆，它由液压油马达驱动旋转，物料在螺杆的驱动下沿着螺杆的螺槽向前部输送并被压实。

　　机筒内物料在外部加热和螺杆剪切双重作用下塑化熔融，螺杆转动时，物料在螺槽剪切力和摩擦力的作用下把已经熔融的物料推到螺杆的头部位置，同时，螺杆在物料的反作用力下向后退，此时螺杆的头部行成了储料空间，完成了塑化过程【1】。

　　最后螺杆在注射油缸的活塞杆推力作用下，以高压、高速把储料室内的熔融塑料通过喷嘴注射进模具的型腔中。

　　型腔内的熔料经过保压、固化定型、冷却后，模具在合模装置的作用下开启，并由顶出机构把定型好的成型制件从模具顶出、落下。

　　从注塑机的工作原理来看，注塑成型具有以下特点：机械生产效率高、易实现全自动化生产;对各种塑料的加工适应性强;能一次成型出尺寸精确、外形复杂或者带有嵌件的塑料制品。

　　1.3 注塑机螺杆的分类

　　根据不同性能聚合物的加工要求，注塑螺杆分为很多种结构形式。

　　我们使用的注塑机螺杆一般有通用型螺杆、渐变型螺杆与突变型螺杆三类。

　　一是通用型螺杆：注塑机在使用的过程中，根据制件要求，经常需要更换塑料种类，所以拆换螺杆的次数也就比较多。

　　停机调换螺杆不仅仅造成劳动强度大，同时也会影响注塑机的生产效率。

　　所以，注塑机虽备有很多种螺杆，可是在一般情况下并不常常换来换去，由此一来我们就使用适应性比较强的通用型螺杆，通过简单地调整工艺条件如螺杆转速、温度、背压等的方法，来满足不同的物料与制品的加工要求，避免了频繁更换螺杆并降低了注塑机的生产成本。

　　二是渐变型螺杆：又称长压缩段的螺杆，其特征是塑化物料时能量转换比较缓和，其主要用于加工聚氯乙烯类等。

　　三是突变型螺杆：又称短压缩段的螺杆，其特征是塑化物料时能量转换比较剧烈，主要用于加工聚烯烃类、聚酞胺等的结晶型塑料。

　　实践证明，突变型螺杆的使用效果并不理想，使用的注塑机厂家也不多。

　　1.4料筒的作用

　　料筒的作用是为塑料加热加压，所以要求料筒能够耐热、耐压、耐腐蚀、耐疲劳、传热性好。

　　螺杆式注塑机相对于柱塞式注塑机的料筒来说，因有螺杆在料筒内对物料进行搅拌作用，料层厚度较薄，传热率比较高。

　　2.注塑机的节能技术分析 　　注塑机的能量消耗一般由液压系统油泵的能量消耗、加热装置能量消耗以及冷却装置能量消耗三部分组成。

　　而液压系统油泵的能量消耗占注塑机所有能量消耗的80%以上，降低液压油泵的能量消耗是注塑机节能的关键，所以研究注塑机新型节能液压系统具有十分重要的意义。

　　2.1变频调节技术

　　变频调节技术就是通过调节液压油泵转速，以使动力机构性能相似于比例泵节能系统，实现动力机构输出流量和执行机构所耗流量相匹配，最大限度降低流量损耗。

　　变频调节技术是利用注塑机的电气控制系统与同步信号，并根据注塑成型工艺要求将电液比例控制系统模拟为负载跟踪控制系统，以使电动机转速和注塑机工作时所需要的液压流量与压力的乘积成正比例关系，将传统定量泵改造为变频控制变量驱动系统，进而使溢流阀回油量降至最小，没有高压节流能量损耗。

　　2.2比例变量泵系统

　　注塑机要实现节能最有效的措施就是做到动力机构与执行机构两者流量的自适应调节匹配。

　　变量泵十电液比例阀相结合的负载敏感泵液压系统，其控制机构由比例变量泵、高速比例阀(含位置闭环)、压力传感器以及位移传感器等几部分组成，动态响应速度高，能够很好实现动力机构与执行机构两者流量的自适应调节匹配。

　　变量泵的使用使注塑机液压系统由阀控变为泵控，将传统节流调速变为容积式调速。

　　负载敏感变量泵液压系统可使液压动力输出随负载的变化而变化，和定量泵++PQ阀相结合的液压系统相比，其节能效率可达20%}-40%。

　　主要不足点为泵控系统的响应速度比泵+能量调节单元结合的液压系统慢，且比例变量泵对油液清洁度要求高、工作噪音大。

　　2.3定量泵+比例压力流量控制阀系统

　　注塑机控制系统采用定量泵供油，经过比例压力流量控制阀(即PQ阀)，以溢流调节的方式将多余的油通过旁路回流进油箱。

　　由比例溢流阀与主溢流阀保持比例节流阀前后压差的恒定，节流阀开口大小由输入到节流阀的比例电磁铁信号控制，由流量公式。

　　可知，输出流量的大小只与比例节流阀的输入信号有关系。

　　在注塑机工作过程中电动机转速保持不变，供油量恒定，PQ阀由控制系统输入模拟控制信号并通过对PQ阀的调整来实现对注塑机系统的压力、流量连续成比例控制。

　　定量泵十PQ阀节能液压系统满足了注塑机对开合模、预塑、注射、保压等动作对压力和流量的控制要求，同时还保证了注塑成形工艺的重复性及稳定性阅。

　　因定量泵十PQ阀液压系统采用小压差来追踪负载压力以控制泵压，所以比传统的定量泵+溢流阀+节流阀的液压传动系统在节能性方面有所改进，并且控制执行机构的速度不受液压油温影响，但在实际工作过程中还是存在着较多的节流溢流损失，尤其对保压压力要求较高、保压时间要求较长的制件成型，该系统的功率损耗相当大。

　　3.结束语

　　总而言之，注塑机节能技术的应用能够使得注塑机的节能效果有了更大的提升，不仅节约了能源，还在很大程度上促进了注塑机的创新和发展，对于其未来的发展有着重要的现实意义。

　　参考文献：

　　[1]张友根. 注塑机节能液压动力驱动系统的应用分析研究[J]. 液压气动与密封，2008，03：1-5.

　　[2]张友根. 注塑机节能技术的现状和展望(二)[J]. 包装工程，2008，04：172-174.

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