立式注塑機(jī)驅(qū)動節(jié)能技術(shù)分析
注塑行業(yè)正面臨著一個飛速發(fā)展的機(jī)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(jī)設(shè)備工藝的需求,立式注塑機(jī)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(jī),就成為迫切需要關(guān)注和解決的問題。
立式注塑機(jī)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(jī)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(jī)構(gòu),三是節(jié)能的動力驅(qū)動系統(tǒng)。立式注塑機(jī)最主要的能耗即是動力驅(qū)動系統(tǒng),立式注塑機(jī)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(jī)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(jī)節(jié)能的主要研發(fā)課題。
1 立式注塑機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)供油泵的驅(qū)動主要有三種方式:普通電機(jī)加變量泵、變頻電機(jī)加定量泵和變頻電機(jī)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(jī)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(jī)技術(shù)越來越成熟,制造成本上也與異步電機(jī)越來越接近,正在越來越多的場合取代異步電機(jī)。同步電機(jī)在立式注塑機(jī)上的應(yīng)用將成為趨勢。
2 立式注塑機(jī)控制系統(tǒng)分析
立式注塑機(jī)控制系統(tǒng)=驅(qū)動系統(tǒng)+電子控制器,立式注塑機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)是目前國內(nèi)立式注塑機(jī)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(hù)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(jī)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(jī)的工作場合一般均較為惡劣,如果不能對液壓油的污染進(jìn)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(jī)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(jī)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(jī)驅(qū)動定量泵作為動力源。當(dāng)采用AC伺服電動機(jī)驅(qū)動定量泵作為動力源時,電動機(jī)成本較高,但AC伺服電動機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速來進(jìn)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(jī),從而驅(qū)動定量液壓泵,通過變頻器改變電動機(jī)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(jī)液壓系統(tǒng)進(jìn)行改造。立式注塑機(jī)變頻調(diào)速存在的問題:立式注塑機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)低頻運行時固有的不穩(wěn)定性,電動機(jī)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(bǔ)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(jī)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(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速來改變液壓系統(tǒng)的流量。由于一般的異步電動機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)振蕩。另外采用高響應(yīng)的交流伺服電動機(jī)代替一般的異步電動機(jī),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(jī)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(jī)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(bǔ)償和滑差補(bǔ)償,在負(fù)載變化時適當(dāng)調(diào)節(jié)泵的(電動機(jī)的)轉(zhuǎn)速,即可適度補(bǔ)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(jī)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(jī)加滾珠絲桿傳動方式的全電動控制式立式注塑機(jī)。它特別適用于小型的高速精密立式注塑機(jī)。據(jù)統(tǒng)計,目前北美立式注塑機(jī)市場中有25%為全電動立式注塑機(jī)。全電動立式注塑機(jī)將成為注射機(jī)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(jī),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(jī)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(jī),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(jī)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(jī)要求環(huán)境清潔,以保證其控制電路、電動機(jī)等的正常運轉(zhuǎn)。第三是構(gòu)成大型立式注塑機(jī)較困難。由于缺乏經(jīng)濟(jì)的大型伺服電動機(jī),全電動立式注塑機(jī)的大型化受到限制。第四是受機(jī)械傳動部件的限制。由于傳動部分為機(jī)械傳動,磨損問題較為突出,整機(jī)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(jī)是集液壓和電驅(qū)動于一體的新型立式注塑機(jī),它融合了全液壓式立式注塑機(jī)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(jī)已成為立式注塑機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)加定量泵可進(jìn)一步減少空轉(zhuǎn)能耗及噪聲,更具競爭性,但應(yīng)進(jìn)一步提高其動態(tài)快速性。
伺服電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng),由于伺服電機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)驅(qū)動定量泵系統(tǒng)在立式注塑機(jī)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(jī)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(jī)驅(qū)動定量泵系統(tǒng),應(yīng)用于普通立式注塑機(jī)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(jī)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(jìn)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(jī)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(bǔ)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(jī)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(jī)構(gòu)都有獨立的伺服電機(jī)驅(qū)動,能進(jìn)行復(fù)合動作,電動立式注塑機(jī)市場迅速發(fā)展,國內(nèi)制造商目前仍只能提供樣機(jī),開發(fā)出的全電動驅(qū)動系統(tǒng)立式注塑機(jī),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(jī)的高性能的綜合技術(shù)優(yōu)勢。全電動立式注塑機(jī)在國內(nèi)的研究開發(fā)起步較晚,伺服電機(jī)、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(jìn)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(jī)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(jī),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(jī)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(jī)。
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