注塑機(jī)和液壓站節(jié)能方案

1 節(jié)能原理

1.1 注塑機(jī)及液壓站的能耗狀況

    注塑機(jī)，即塑料注射成型機(jī)，是重要的工業(yè)機(jī)械。它的功能是將塑料（或尼龍等）顆粒進(jìn)行熔融后，注入模具，再經(jīng)過(guò)冷卻，脫出，獲得所需的制品。從注塑機(jī)的發(fā)展過(guò)程來(lái)看，經(jīng)歷了定量泵液壓式、變量泵液壓式、全電伺服式等發(fā)展階段。

    由于我國(guó)注塑機(jī)（液壓站）行業(yè)的自身特點(diǎn)，以及制造成本等因素的限制，目前占市場(chǎng)份額最大的仍然是定量泵液壓式注塑機(jī)。并且，定量泵液壓式注塑機(jī)在制品的光潔度、致密度等方面的固有優(yōu)勢(shì)，以及技術(shù)成熟度、制造簡(jiǎn)易性等方面仍有優(yōu)勢(shì)，因此其產(chǎn)量仍然較大。但該機(jī)型的一個(gè)弊端是耗電量大，用戶(hù)的使用成本高。

    對(duì)于已經(jīng)裝備的注塑機(jī)，可進(jìn)行節(jié)能改造。同時(shí)，也可對(duì)注塑機(jī)廠家進(jìn)行配套，將注塑機(jī)升級(jí)為變量泵液壓式注塑機(jī)。因此，迫切需要一種性能優(yōu)良、穩(wěn)定可靠、成本適中的注塑機(jī)節(jié)能升級(jí)方案。

    對(duì)于定量泵液壓式注塑機(jī)，其基本的工作原理是：由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)油泵供油，經(jīng)比例壓力閥和比例流量閥對(duì)油壓和流量進(jìn)行限制，再用液壓油驅(qū)動(dòng)各個(gè)油馬達(dá)，從而完成各個(gè)部件的規(guī)定動(dòng)作。相應(yīng)的部件包括射臺(tái)、注射、開(kāi)合模、調(diào)模、托模、抽插芯、絞牙、加料等。由計(jì)算機(jī)編程，對(duì)整個(gè)工作過(guò)程進(jìn)行順序控制。

1.2 注塑機(jī)及液壓站的節(jié)能空間

    注塑機(jī)在加工時(shí)，不斷地重復(fù)規(guī)定的動(dòng)作流程。但在流程中的每個(gè)步驟，所需的壓力和流量是很不相同的。例如注射段所需的壓力和流量都較大，而冷卻段所需的壓力和流量都很小。

    但注塑機(jī)采用定量泵時(shí)，油泵始終在以工頻（最快速度）工作，泵出最大數(shù)量的油。由于各步驟需要的油有限，多余的油則通過(guò)比例壓力閥溢流回到油缸。溢流后的油失去了壓力，其壓力能量大大減少，而熱能明顯上升。然后油泵又不斷地把油從油缸吸上來(lái)，并泵出，再回流，再產(chǎn)生熱能。在這個(gè)過(guò)程中，許多電能轉(zhuǎn)化為毫無(wú)用處的熱能，因此耗電量大，油溫高。

    各段步驟中實(shí)際需要的油泵功率是變化的，但油泵總是以最大泵出量運(yùn)行，因此，通過(guò)溢流浪費(fèi)掉的油泵功率，也就是理論上的節(jié)能空間。

    如果冷卻時(shí)間長(zhǎng)，則折線最低的部分所占的時(shí)間較長(zhǎng)，因此節(jié)能空間大。同理，當(dāng)模具較小，需要的壓力和流量較小，折線的位置較低，則節(jié)能空間也大。一般節(jié)能空間在20%~60%之間。

1.3 以往節(jié)能方案的比較

    針對(duì)注塑機(jī)的能耗狀況，人們開(kāi)發(fā)出多種節(jié)能方案，現(xiàn)在對(duì)以往方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較：

    1、軟啟動(dòng)式節(jié)電器。這種方案主要是利用冷卻的時(shí)間來(lái)節(jié)能，方法是：在冷卻段將電機(jī)停止，在其余時(shí)段再將電機(jī)起動(dòng)。這種節(jié)電器實(shí)際上是一臺(tái)軟啟動(dòng)器。優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低廉。缺點(diǎn)是：（1）電機(jī)頻繁啟動(dòng)對(duì)油泵沖擊大；（2）對(duì)于冷卻段以外的各段，由于仍然是工頻運(yùn)行，因此不能節(jié)能，并且電機(jī)頻繁啟動(dòng)造成的耗電也很大，因此節(jié)電效果差。（3）噪音大，操作性能差。

    2、變頻器+比例信號(hào)采集。這種方案的主要原理是：根據(jù)比例壓力和比例流量信號(hào)，計(jì)算電機(jī)的合理轉(zhuǎn)速，并用變頻器控制，輸出合理的轉(zhuǎn)速，使定量泵輸出可變的揚(yáng)程。計(jì)算的方法有2種：（1）取壓力和流量信號(hào)的加權(quán)平均；（2）取壓力和流量信號(hào)的較大者。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是輸出平滑，噪音小。缺點(diǎn)也很明顯：從壓力和流量信號(hào)計(jì)算出轉(zhuǎn)速的過(guò)程缺乏理論依據(jù)，僅僅是一種概略估計(jì)，因此，輸出的轉(zhuǎn)速很難真正貼合實(shí)際的需求量，往往造成制件品質(zhì)下降、產(chǎn)量下降的后果。

    3、變頻器+比例信號(hào)采集+控制信號(hào)采集。這種方法主要是為了彌補(bǔ)方案2的不足，即：在不能準(zhǔn)確計(jì)算合適的轉(zhuǎn)速的情況下，再引入注塑機(jī)計(jì)算機(jī)的控制信號(hào)，判斷當(dāng)前究竟屬于哪個(gè)步驟，再根據(jù)當(dāng)前的步驟來(lái)決定是否降低速度。例如，為保證制件品質(zhì)，則保壓段不降低速度；為了保證產(chǎn)量，則注射段不降低速度等。優(yōu)點(diǎn)是控制更為合理。缺點(diǎn)是：（1）接線相當(dāng)繁瑣，并且對(duì)于不同型號(hào)、不同年限的注塑機(jī)沒(méi)有相同的接線方法，特別是對(duì)于老舊的注塑機(jī)，現(xiàn)場(chǎng)操作很難；（2）需要使用PLC，成本上升；（3）由于過(guò)于復(fù)雜，故障點(diǎn)多、可靠性差。由于上述缺點(diǎn)，方案3很少采用。

1.4 分析和結(jié)論

    分析：對(duì)現(xiàn)有3種方案進(jìn)行分析，我們可以得出以下結(jié)論：

    （1）方案1由于技術(shù)落后，效果差，不推薦；

    （2）方案2是可行的，但它的主要缺陷是：輸出不是偏大就是偏小。若偏大，則節(jié)能效果差；若偏小，則質(zhì)量和產(chǎn)量都下降。其原因在于，不能使油泵的輸出真正貼合實(shí)際的需求。其根本的原因是缺乏對(duì)實(shí)際需求的準(zhǔn)確計(jì)算，采用的是粗估的方法。

    （3）方案3采用增加硬件和線路的方法，試圖改進(jìn)方案2的不足，但卻引入了新問(wèn)題，極為復(fù)雜，導(dǎo)致應(yīng)用難度極大，不可取。

    結(jié)論：應(yīng)該采用更為準(zhǔn)確計(jì)算的方法，將方案2進(jìn)行改進(jìn)，使輸出轉(zhuǎn)速更為合理，從而同時(shí)保證節(jié)電率和品質(zhì)、產(chǎn)量。

    因此，我們?cè)诳偨Y(jié)以往方案的基礎(chǔ)上，通過(guò)理論推導(dǎo)，得到準(zhǔn)確的計(jì)算方法，并提出了注塑機(jī)精確節(jié)能方案。

    注塑機(jī)精確節(jié)能方案的原則是，準(zhǔn)確計(jì)算需要的轉(zhuǎn)速，使得油泵輸出的油量恰好等于工頻運(yùn)行時(shí)實(shí)際有用的油量，即：用多少出多少。對(duì)于油泵后方的各個(gè)油馬達(dá)來(lái)說(shuō)，它們得到的工作條件與工頻時(shí)沒(méi)有任何不同，其響應(yīng)速度也完全一樣，因此對(duì)質(zhì)量和產(chǎn)量都沒(méi)有任何影響。同時(shí)，由于油泵沒(méi)有輸出過(guò)多的油量，因此不再溢流，不存在能源浪費(fèi)，可達(dá)到最大節(jié)電率。

2 注塑機(jī)和液壓站的精確節(jié)能方案

    北京時(shí)代科儀根據(jù)伯努利方程，通過(guò)發(fā)明專(zhuān)利技術(shù)，對(duì)液壓站真實(shí)所需的輸出壓頭進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，并控制注塑機(jī)和液壓站運(yùn)行在最佳的狀態(tài)下，所供即所需。

    上述所有的計(jì)算是在注塑機(jī)擴(kuò)展卡中進(jìn)行的。用注塑機(jī)擴(kuò)展卡，可以完成比例信號(hào)采集、計(jì)算等全部任務(wù)，再配合時(shí)代高品質(zhì)變頻器，可以組成注塑機(jī)專(zhuān)用變頻器和注塑機(jī)專(zhuān)用變頻節(jié)電柜。經(jīng)過(guò)實(shí)際使用測(cè)試，在任何情況下都能將節(jié)能潛力挖掘出90%，并且制品質(zhì)量和產(chǎn)量沒(méi)有任何變化，平均節(jié)電率35%左右，電機(jī)溫度下降5℃左右，油溫下降15℃左右。

    上述技術(shù)可以?xún)?yōu)先使用在注塑工廠、鍛壓工廠、全液壓鉆井的領(lǐng)域。