注塑機和液壓站節能方案

1 節能原理

1.1 注塑機及液壓站的能耗狀況

    注塑機，即塑料注射成型機，是重要的工業機械。它的功能是將塑料（或尼龍等）顆粒進行熔融后，注入模具，再經過冷卻，脫出，獲得所需的制品。從注塑機的發展過程來看，經歷了定量泵液壓式、變量泵液壓式、全電伺服式等發展階段。

    由于我國注塑機（液壓站）行業的自身特點，以及制造成本等因素的限制，目前占市場份額最大的仍然是定量泵液壓式注塑機。并且，定量泵液壓式注塑機在制品的光潔度、致密度等方面的固有優勢，以及技術成熟度、制造簡易性等方面仍有優勢，因此其產量仍然較大。但該機型的一個弊端是耗電量大，用戶的使用成本高。

    對于已經裝備的注塑機，可進行節能改造。同時，也可對注塑機廠家進行配套，將注塑機升級為變量泵液壓式注塑機。因此，迫切需要一種性能優良、穩定可靠、成本適中的注塑機節能升級方案。

    對于定量泵液壓式注塑機，其基本的工作原理是：由電動機帶動油泵供油，經比例壓力閥和比例流量閥對油壓和流量進行限制，再用液壓油驅動各個油馬達，從而完成各個部件的規定動作。相應的部件包括射臺、注射、開合模、調模、托模、抽插芯、絞牙、加料等。由計算機編程，對整個工作過程進行順序控制。

1.2 注塑機及液壓站的節能空間

    注塑機在加工時，不斷地重復規定的動作流程。但在流程中的每個步驟，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。

    但注塑機采用定量泵時，油泵始終在以工頻（最快速度）工作，泵出最大數量的油。由于各步驟需要的油有限，多余的油則通過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，并泵出，再回流，再產生熱能。在這個過程中，許多電能轉化為毫無用處的熱能，因此耗電量大，油溫高。

    各段步驟中實際需要的油泵功率是變化的，但油泵總是以最大泵出量運行，因此，通過溢流浪費掉的油泵功率，也就是理論上的節能空間。

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

1.3 以往節能方案的比較

    針對注塑機的能耗狀況，人們開發出多種節能方案，現在對以往方案的優缺點進行比較：

    1、軟啟動式節電器。這種方案主要是利用冷卻的時間來節能，方法是：在冷卻段將電機停止，在其余時段再將電機起動。這種節電器實際上是一臺軟啟動器。優點是價格低廉。缺點是：（1）電機頻繁啟動對油泵沖擊大；（2）對于冷卻段以外的各段，由于仍然是工頻運行，因此不能節能，并且電機頻繁啟動造成的耗電也很大，因此節電效果差。（3）噪音大，操作性能差。

    2、變頻器+比例信號采集。這種方案的主要原理是：根據比例壓力和比例流量信號，計算電機的合理轉速，并用變頻器控制，輸出合理的轉速，使定量泵輸出可變的揚程。計算的方法有2種：（1）取壓力和流量信號的加權平均；（2）取壓力和流量信號的較大者。這種方案的優點是輸出平滑，噪音小。缺點也很明顯：從壓力和流量信號計算出轉速的過程缺乏理論依據，僅僅是一種概略估計，因此，輸出的轉速很難真正貼合實際的需求量，往往造成制件品質下降、產量下降的后果。

    3、變頻器+比例信號采集+控制信號采集。這種方法主要是為了彌補方案2的不足，即：在不能準確計算合適的轉速的情況下，再引入注塑機計算機的控制信號，判斷當前究竟屬于哪個步驟，再根據當前的步驟來決定是否降低速度。例如，為保證制件品質，則保壓段不降低速度；為了保證產量，則注射段不降低速度等。優點是控制更為合理。缺點是：（1）接線相當繁瑣，并且對于不同型號、不同年限的注塑機沒有相同的接線方法，特別是對于老舊的注塑機，現場操作很難；（2）需要使用PLC，成本上升；（3）由于過于復雜，故障點多、可靠性差。由于上述缺點，方案3很少采用。

1.4 分析和結論

    分析：對現有3種方案進行分析，我們可以得出以下結論：

    （1）方案1由于技術落后，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，則節能效果差；若偏小，則質量和產量都下降。其原因在于，不能使油泵的輸出真正貼合實際的需求。其根本的原因是缺乏對實際需求的準確計算，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，試圖改進方案2的不足，但卻引入了新問題，極為復雜，導致應用難度極大，不可取。

    結論：應該采用更為準確計算的方法，將方案2進行改進，使輸出轉速更為合理，從而同時保證節電率和品質、產量。

    因此，我們在總結以往方案的基礎上，通過理論推導，得到準確的計算方法，并提出了注塑機精確節能方案。

    注塑機精確節能方案的原則是，準確計算需要的轉速，使得油泵輸出的油量恰好等于工頻運行時實際有用的油量，即：用多少出多少。對于油泵后方的各個油馬達來說，它們得到的工作條件與工頻時沒有任何不同，其響應速度也完全一樣，因此對質量和產量都沒有任何影響。同時，由于油泵沒有輸出過多的油量，因此不再溢流，不存在能源浪費，可達到最大節電率。

2 注塑機和液壓站的精確節能方案

    北京時代科儀根據伯努利方程，通過發明專利技術，對液壓站真實所需的輸出壓頭進行實時計算，并控制注塑機和液壓站運行在最佳的狀態下，所供即所需。

    上述所有的計算是在注塑機擴展卡中進行的。用注塑機擴展卡，可以完成比例信號采集、計算等全部任務，再配合時代高品質變頻器，可以組成注塑機專用變頻器和注塑機專用變頻節電柜。經過實際使用測試，在任何情況下都能將節能潛力挖掘出90%，并且制品質量和產量沒有任何變化，平均節電率35%左右，電機溫度下降5℃左右，油溫下降15℃左右。

    上述技術可以優先使用在注塑工廠、鍛壓工廠、全液壓鉆井的領域。