摘要：本文分析了大型注塑机液压驱动系统能耗的主要特点，指出了其节能的研究开发重点，提出并分析了几种多泵液压驱动源的节能特点及性能，探讨了新颖的节能液压驱动系统。
关键词：注塑机 液压 节能 研究 展望
Analysis and Forecast of save enengy technologe of hydraulic dyive system in large injection molding machine
Zhang Yougen
( NingBo Haida Plastic Machinery Manufacture Co.,Ltd. NingBo 315200 )
Abstract: The paper analyses the major characteristic of hydraulic drive system energy consumption in large injection molding machine, and pointes out the research and development of his the save energy focal point, and puts forward and analyses several kinds of many pumps hydraulic save energy characteristic and properties of drive source，researches the new and original save energy hydraulic drive system.
Key words: injection molding machine； hydraulic ； save energy；Research ；Forecast
0 引言
大型注塑机的能耗主要表现在液压动力驱动系统，提高液压动力驱动系统的效率，降低液压动力驱动系统的装载功率，减少无效能耗，是大型注塑机节能的主要研究重点。大型注塑机的液压动力驱动系统主要特点是由有多个液压动力驱动单元组成，不同于单一液压驱动单元的中、小型注塑机，所以，大型注塑机节能的液压动力驱动系统的开发，是对整个液压动力驱动系统的分析研究。本文根据作者对大型注塑机节能的液压动力驱动系统开发研究的一些成果，进行进一步的探讨，并对大型注塑机节能液压动力驱动系统的科技进步，提出一些作者的观点。
1 大型注塑机液压动力驱动系统能耗分析
注塑机的加工工作循环周期，一般分为低压移模、高压锁模、高压开模、变速（压）注射、多级压力保压、多级速度塑化、顶出（退）、制品冷却、抽芯、制品取出等几个阶段，各个阶段所需的工作压力与工作流量相差很大，处于周期性的不断变化负载的工况，例如，塑化阶段，一般需要系统的最大流量，制品冷却时间，不需要系统的动力供给。大型注塑机成形大形制品，工作压力与工作流量周期性变化范围更大，特别是制品的保压及冷却时间更长，所以节能对大型注塑机尤为重要。大型注塑机动力驱动系统的装载功率很大，至少有55kW， 甚至达到近400kW。执行机构的动力来自液压动力驱动系统，使液压动力驱动系统提供的动力匹配于执行机构所需的动力，尽量减少能量的损失，系统即达到最佳的节能状态。
2 大型注塑机多泵液压动力驱动泵源节能系统
大型注塑机液压动力驱动系统的节能是大型注塑机液压系统节能的最主要研究对象。大型注塑机的液压动力驱动泵源一般由多个液压驱动泵源系统组成，以达到系统工作所需流量。系统中，其中一个小泵为成形周期中一直工作的动力驱动主泵，其余间歇工作的辅助多泵与主泵组合，达到系统各步成形速度的要求。所以，对大型注塑机液压动力驱动系统的节能的分析研究，主要是对驱动小泵的节能分析研究，以及对辅助多泵和驱动小泵之间节能匹配的分析研究，其次对辅助多泵自身的节能分析研究。本文以较为典型的四泵液压动力驱动泵源作为大型注塑机多泵液压动力驱动泵源节能系统的分析研究对象。
2.1 主驱动小泵的节能系统分析研究
主驱动小泵的节能分析研究是大型注塑机多泵液压动力驱动泵源节能系统的主要研究对象，直接关系到系统的能耗性能和系统的低速性能。不管多大的注塑机，不间断工作的必定是小泵作为主驱动。提高驱动性能，主要在主驱动小泵源系统上科技进步。对多泵液压动力驱动泵源节能系统的分析研究，首先从主驱动小泵源系统的节能上切入分析研究，然后再考虑整个多泵液压动力驱动泵源系统的节能。通过节能的科技进步，达到提高液压动力驱动泵源系统和整即的性能。
2.1.1 多泵共用比例阀调速的动力组合驱动系统[1]
一般大型注塑机的液压动力驱动泵源为多个定量驱动泵源系统组成， 油路中一般采用比例阀（调速及调压），以达到系统的成形要求。图1是多个定量泵共用P/Q比例压力流量阀调速的常用动力驱动系统，其中一个为不间断工作的P1小泵为主泵，各泵的流量根据占总流量的比例按百分比排列，各泵工作时其流量通过P/Q比例阀进入系统，在比例阀两端的流量存在压差能量损失，特别在大流量情况下，能量损失较大。采用先导控制的P/Q比例阀，有助于降低ΔP。其余匹配的液压泵不工作时，在低压额定转速下卸荷，产生溢流能耗。这种系统的主驱动P1小泵的排量的选择不受限制，为适应大型注塑机成形大型制品的冷却及保压时间长的特点，P1泵的排量尽可能选得小一点，以达到更好的节能效果。P/Q比例压力流量阀，在系统压力未达到调定压力前，通过阀的流量是衡定的，仅决定于比例节流阀的开口量；当达到调定压力时，通过阀的流量为零，且系统压力保持不变，显示出了在保压阶段系统不需要流量时的良好的节能效果。
2.1.2 主驱动小流量泵比例调速的多泵动力组合驱动节能系统[1]
图2是仅对其中一个小流量P1泵比例调速，P/Q比例压力流量阀设置在主小泵的驱动回路上，其余泵的流量根据工况与比例调速小泵的流量叠加组合，形成一条流量比例斜线，各个工况所需流量可在比例斜线上选取，这种比例流量调速，除比例调速的小泵外，其于泵的工作流量进入系统中，均没有2.1.1系统的压差能量损失，提高了能量利用率。四个泵可组成六挡速度，各挡速度成算术级数排列，每挡速度根据成形需要进行比例无级调节，流量损失仅为主小泵的比例调速的节流损失，无图1系统的节流及压差损失，提高了能量利用率。由于仅对主小泵比例调速，减小了比例阀的规格，降低了成本，提高了应答灵敏度。同样的系统，流量比例阀的规格大大小于图1系统的流量比例阀的规格，大幅度降低了调速压差能耗。图3是小泵流量比例、系统压力比例的四泵动力驱动流量损耗图。同样，与图1系统一样，其余匹配的液压泵不工作时，在低压额定转速下卸荷，产生溢流能耗。
图2 小泵流量比例、系统压力比例的四泵动力驱动节能系统
2.1.3 主驱动小泵动力源负载敏感控制的多泵动力组合驱动节能系统[1][2]
负载敏感泵和定量泵结合的混合节能控制系统，利用负载敏感泵的节能性能达到系统节能，同时提高系统控制性能。负载敏感泵的整个控制由差压控制型径向变量柱塞泵、含位置闭环的高速比例阀、以及压力传感器和位移传感器组成，提高了动态响应速度。控制流量由比例阀与检测变量泵偏心量的位移传感器构成的位置闭环系统完成。通过压力传感器补偿因泄漏造成的流量损失，使泵输出的流量在0～10V内与设定值信号成线性比例。控制系统压力由比例阀与压力传感器构成的电闭环回路完成，压力与流量两种控制状态的分离与转换由电子放大器根据设定信号自动完成。系统的输出流量由0增大到90％时，响应时间约为50ms；而由90％输出流量减小为0时，响应时间约为30ms，系统压力的动态响应时间当负载容腔为4L时，小于200ms，均与高性能的比例阀相当，因而完全适合于注塑机的过程控制。负载敏感比例泵节能液压系统，液压动力输出随负载而同步化，其差值达到最小，基本上没有能量浪费，与定量系统相比，节能达到（30-60）%，是理想的节能液压系统。
负载敏感泵与伺服阀组成闭环控制系统（图3）， 可消除节流及管路的能耗损失，并且较大幅度提高了整机性能。先进的负载敏感泵控制系统，在注射油路部分设置伺服阀，目的是与负载敏感泵共同组成一个高性能的闭环节能控制系统，在节能的同时，提高注射性能。同样，与图1系统一样，其余匹配的液压泵不工作时，在低压额定转速下卸荷，产生溢流能耗。
2.1.4 主驱动小泵动力源变频调速的多泵动力组合驱动节能系统[3]
主驱动小泵改为变频调速（图4），也是一种节能及提高控制性能的措施。同样，与图1系统一样，其余匹配的液压泵不工作时，在低压额定转速下卸荷，产生溢流能耗。
大型注塑机成形制品的保压时间及冷却时间长，减少保压及冷却阶段的能耗是节能的关键。对于定量泵系统，在减少保压及冷却阶段减少能耗的关键是降低转速，以减小流量输出，达到节能。多泵的各泵采用变频调速的动力驱动系统，是节能的不错选择。大型注塑机为满足系统的流量需要及液压泵的实际，一般都采用双联泵，所以在系统还需设置比例调速，以满足成形各级速度的需要，但在保压及冷却过程中的节能效果是十分显著的。
高压变频调速由于应用了先进的电力电子技术、计算机控制技术、现代通信技术和高压电气、电机拖动等综合性领域的学科技术。变频器采用液晶显示数字界面，调整触摸式面板，可随时显示电压、电流、频率、电机转速，可非常直观地显示电机在任何时间的实时状态。精确的频率分辨率和高的调速精度，完全可以满足各种生产工艺工况的需要。高压变频器具有国际通用的外部接口，可以同可编程控制器（PLC）和工控机等各种仪表连接，并可以与原设备控制回路相连接，构成部分闭环系统，如与原DCS系统实现数据交换和联锁控制。 具有电力电子保护和工业电气保护功能，保证变频器和电机在正常运行和故障时安全可靠。 电机可实现软启动、软制动；启动电流小，小于电机的额定电流；电机启动的时间可连续可调，减少了对电网的影响。具有就地和异地操作功能，另可通过互联网实现远程监控功能。减少配件损耗，延长设备使用寿命，提高劳动生产效率。
变频调节技术通过调节液压泵的转速，使动力机构的性能类似于变量泵节能系统，达到动力机构输出的流量与执行机构的流量相匹配，使流量的损失降到最低，即提高了能量利用率，达到了十分显著的节能效果。
变频降低能耗的效果显著。由流体力学可知，耗电功率与其转速近似成立方关系，当要求调节流量Q下降时，转速成比例下降，液压泵的轴输出功率近似成立方关系下降，转速下降20%，则功率下降到51.2%;转速下降50%，则功率下降到12.5%。例如，55kW的电机，当转速下降到原转速的1/2时，其耗电量仅为6.75kW; 当转速下降到原转速的4/5时，其耗电量为28.16kW。
动态功率因素补偿节能。普通液压注塑机的电机的功率因素COSφ在0.6至0.8之间，应用了变频调速装置后，由于变频器内滤波电容的作用，使得COSφ≈1，从而减少了无功损耗，增大了电网有功功率。
软启动节能。变频器的软启动功能使电机的启动电流从零开始，实现软启动、软制动；最大值为电机的额定电流的1.5倍，减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求。启动电流小，小于电机的额定电流；电机启动的时间可连续可调，减少了对电网的影响。
延长密封件使用寿命。应用变频调速系统后，液压油温下降10~180C，延长了密封件使用寿命。
变频调速技术应用于注塑机上是实现节能的有益的尝试，并取得了一些成绩。变频调速装置是用相对较优的性能价格比取代变量泵的节能系统，但从变频调速装置与变量泵节能系统的两者的性能来看，两者的节能效果相差不多，但两者对注射成形性能的影响，差别比较大，前者的性能明显低于后者。针对变频调速技术在注塑机上应用出现的问题，不断探索研究寻找解决方案，提高适应注射成形的性能。
提高应答反映性能。注射成形各阶段频繁的速度变化，使液压泵驱动电机频繁处于加减速工况下，由于磁滞效应及转动惯量的影响，响应速度慢（比例泵响应时间在100ms之内，变频调速响应时间需800ms～1000ms），导致了注射循环周期时期的增加，降低了生产效率，对高要求的制品难以成形。电机转子质量比比例泵变量的斜板的质量大许多，所以前者流量改变的响应时间大于后者的响应时间，不能适应多级速度变化的快速注射。通过实现变频器的输出频率和输出转矩解耦调节，达到变频器与注射过程各动作的最佳配合，以达到提高应答反映性能。
变频调速运行可靠，操作简便，成本低，经济效益和社会效益显著。
2.1.5 主驱动小泵动力源高响应的交流伺服电机驱动的多泵动力组合驱动节能系统
高响应的交流伺服电机驱动定量泵系统是近年发展的一种先进的高性能节能系统（图5）。解决了变频调节技术通过调节液压泵的转速，响应速度慢的性能，同时由于其本身的运转的特性提高了电能的利用效率。高性能的伺服变速动力控制系统，在注塑机成型过程中对不同的压力流量，做出相应的频率输出，并对压力流量进行精确的闭环控制，实现伺服电机对注塑机能量需求的最佳匹配和自动调整。交流伺服电动机的特有性能特别吻合注塑机的成形特点，促进了注塑机节能的深入发展，同时达到了现有其它驱动形式无法达到的节能性能及注射成形性能。交流伺服电机在很宽的负载范围内保持接近于1的功率因数，效率同比同容量的异步电机高8%，功率密度同比同容量的异步电机高5%，力能指标提高18%。比使用负载敏感泵节能不能20～30%。交流伺服电机驱动液压泵的高效节能，带来了低噪音的优良性能，泵源噪音一般不高于65dB(A)，这是其它任何动力驱动系统达不到的。
图5 高响应的交流伺服电机驱动定量泵的多泵组合节能系统
高响应的交流伺服电机驱动定量泵系统体现在注塑机方面的主要性能特点是：1、起动转矩大：由于转子电阻大，可使临界转差率Sk＞1，这样不仅使转矩特性（机械特性）更接近于线性，而且具有较大的起动转矩，当定子一有控制电压，转子立即转动，即具有起动快、灵敏度高的特点。比异步电机的调速范围更宽。惯量小，易于提高系统的快速性。适应高速大力矩工作状态。电机加减速的动态相应时间短，一般在几十毫秒之内。提高了成形速度及压力变化的灵敏度2、无自转现象：当信号电压为零时，无自转现象。失去控制电压，在负载力矩和制动力矩的作用下使转子迅速停止。实现了伺服电机在注射成形冷却阶段的零转速、零能耗，降低液压油温，减少冷却水的用量30%以上，某些场合甚至完全不需水冷。3、噪音小：交流伺服电动机正弦波控制，转矩脉动小，运行平稳，噪音小，与低噪音液压泵组成一个低噪音泵源系统。4、调速范围宽：正弦波控制的新型的永磁交流伺服电机，尤其是低速性能优越。在极低频率下也能旋转运行。提高了注射成形的低塑性能及低速稳定性。5、使用寿命长：交流伺服电动机与直流伺服电机相比，它没有机械换向器，特别是它没有了碳刷，完全排除了换向时产生火花对机械造成的磨损，工作可靠，对维护和保养要求低。6、高速性能好：一般额定转速能达到2000～3000转。7、抗过载能力强：能承受三倍于额定转矩的负载，对有瞬间负载波动和要求快速起动的场合特别适用。8、控制性能先进：实现了位置、速度和力矩的闭环控制。相同功率下，体积和重量较小。7、精确定位：伺服电机是一个典型闭环反馈系统，减速齿轮组由电机驱动，其终端（输出端）带动一个线性的比例电位器作位置检测，该电位器把转角坐标转换为一比例电压反馈给控制系统，控制系统将其与输入的控制脉冲信号比较，产生纠正脉冲，并驱动电机正向或反向地转动，使齿轮组的输出位置与期望值相符，令纠正脉冲趋于为0，从而使伺服电机达到精确定位。速度、力矩控制灵活切换、平滑 ，减轻开、锁模冲击，延长液压油泵、机械和模具使用寿。比异步电机+定量泵节电30%- 80%，比异步电机+变量泵节电30%-50% ；响应迅捷，0-100%速度，升、降速时间≤0.1秒；0-100%压力，变化时间约为20ms，提高生产效率。同样，与图1系统一样，其余匹配的液压泵不工作时，在低压额定转速下卸荷，产生溢流能耗。
2.1.5.1 伺服系统的惯量匹配
在伺服系统选型中，惯量匹配是充分发挥伺服电机驱动液压泵系统最佳效能的前提，此点在高速高精度的系统上表现尤为突出。根据牛顿第二定律：液压泵转动所需力矩T = 系统传动惯量J × 角加速度θ，角加速度θ影响系统的动态特性，θ越小，则由控制器发出指令到系统执行完毕的时间越长，系统反应越慢。由于伺服电机选定后，最大输出T值不变，如果希望θ的变化小，则J应该尽量小。系统传动的总惯量，J＝伺服电机的旋转惯性动量JM ＋ 电机轴换算的负载惯性动量JL，负载惯量JL即液压泵转动惯量，JL则随负载改变而变化， JM为伺服电机转子惯量，伺服电机选定后，JM就为定值。传动惯量对伺服系统的精度，稳定性，动态响应都有影响，惯量大，系统的机械常数大，响应慢，会使系统的固有频率下降，容易产生谐振，因而限制了伺服带宽，影响了伺服精度和响应速度。为提高惯量伺服精度和响应速度，在不影响系统刚度的条件下，应尽量减小惯量。衡量机械系统的动态特性，惯量越小，系统的动态特性反应越好；惯量越大，伺服电机的负载也就越大，越难控制，但机械系统的惯量需和伺服电机惯量相匹配才行。不同的机构，对惯量匹配原则有不同的选择，且有不同的作用表现。JL与JM的比值小于十以内.惯量匹配较为合理。根据注塑机的成形特性，一般为提高系统的动态特性，选用小惯量伺服电机，配以小惯量的齿轮泵。
2.1.5.2 主驱动液压泵的选择
伺服电机驱动液压泵的动力源系统是高附加值的液压动力源，与伺服电机相匹配的液压泵也应具有高性能的性能，才能体现出伺服电机驱动液压泵的动力源系统的高附加值特点交流伺服电机的最高转速可达4000r/min，与之相配的液压泵的排量可根据最高转速选择，选用比一般系统中应用的更小排量的液压泵，降低系统中应用液压泵的成本。伺服电机驱动的液压泵的高性能要求主要是:高速低噪音、高效、高寿命。注塑机液压动力源的最大问题是噪音，噪音随着液压泵的转速提高而增强，特别是伺服电机驱动的液压泵系统，为充分发挥其伺服电机的高速运转的性能，提高性价比，液压泵的额定转速需达到2500r/min，甚至于达到4000r/min，在这种工况下，液压泵的高速噪音问题显的特别突出。低高速之间、高低压之间、停开之间的频繁转换，直接关系液压泵的使用寿命，所以需选用高寿命的液压泵。高的容积效率的液压泵进一步体现出节能的特性。根据以上要求，一般选用齿轮泵，也有选用螺杆泵，齿轮泵更能适应2000r/min以上高速运转。齿轮泵的结构也有好机种，总的说，性能随结构不同而有所差别，根据作者设计实际，推荐使用日本住友精密工业株式会社的QT系列齿轮泵。QT系列齿轮泵是内啮合齿轮泵，采用了特殊的三角型使啮合的容积变的非常小，压力脉动仅0.2MPa，噪音基本上与运转速度及负荷无关，在60dB左右，由于压力脉动小，让人感觉不到泵的运转声；内部结构简洁，对滑动面进行强制润滑，零件之间没有直接接触，在运转初期约200h抱合后， 以后几乎不会发生磨损，能够长期保持96%的容积效率。
2.1.5.3 伺服系统高速联轴节的结构设计
伺服系统是高速旋转结构。一般的三相交流异步电动机驱动定量泵，为降低噪音，采用六极960r/min的电动机。伺服电机驱动定量泵，为充分发挥伺服电机的性能，最高转速达到2000r/min以上，所以出现了一个问题，即直接关系到伺服系统运转寿命及性能的伺服电机与液压泵联接的高速联轴节的设计。
高速联轴节是伺服电机驱动液压泵的联接件，既具备高速运转的性能，又要具备快速启动和停止的性能，直节关系到动力源系统的性能与使用寿命，性能方面主要是噪音。因高速联轴节设计的性能不佳，导致伺服电机驱动液压泵的系统失败的例子有之，影响了伺服电机驱动液压泵系统的推广应用。低劣性能的高速联轴节不但噪音大，而且破坏了伺服电机及液压泵的性能，大大降低了系统使用寿命。联轴节为达到高速运转性能，作者认为， 高速联轴节的设计思路是尽可能把各个运行部件在微观上成为互不干扰的运行，图6是作者创新设计的伺服电机驱动液压泵的高速联轴节的系统，伺服电机通过花键带动传动套，传动套通过花键驱动液压泵。泵架内孔设计成从小到大的阶梯孔结构，以利各孔一次装夹加工完成，从工艺有效保证各孔的同轴度；传动套设计成等外园等内花键，从工艺上保证各加工处的形位公差的一致性。
1 齿轮泵 2 联轴节 3 液压泵花键齿轮 4 轴承 5 定位套 6 传动套 7 轴承 8 伺服电机花键齿轮9 伺服电机
图6 伺服电机驱动液压泵结构
花键副传动，适应速度快速转换，提高传动精度及使用寿命。微观上，传动套不受径向力作用，即使受到一点径向力，由于在设计及加工方面的保证，传动套可靠的定位，一端的花键副的传动不会干扰另一端的花键副的传动，达到了高速传动的要求。花键采用日本汽车花键，齿形定心。这种形式的高速联轴节，经过用户三个月的运转，性能优良。
2.1.5.6 各种主驱动小流量泵调速的多泵动力驱动系统节能性能比较
各种主驱动小流量泵调速的多泵调速的动力驱动系统的节能性能主要是主动力驱动小泵的节能性能，由上面对几种节能系统的分析，可以得出以下结论: 主驱动小泵动力源高响应的交流伺服电机驱动的多泵调速的动力驱动系统的节能性能为最佳，其次为主驱动小泵动力源变频调速的动力驱动系统，再次为主驱动小泵动力源负载敏感控制的多泵调速的动力驱动系统，最后为主驱动小流量泵比例调速的多泵调速的动力驱动系统。目前较多采用主驱动小流量泵比例调速的多泵调速的动力驱动节能系统。
变频调速装置是用相对较优的性能价格比取代比例泵的节能系统，但从变频调速装置与负载敏感比例泵节能系统的两者的性能来看，两者的节能效果相差不多，但两者对注射成形性能的影响，差别比较大，前者的性能明显低于后者。注射成形各阶段频繁的速度变化，使液压泵驱动电机频繁处于加减速工况下，由于磁滞效应及转动惯量的影响，响应速度慢（比例泵响应时间在100ms之内，变频调速响应时间需800ms~1000ms），导致了注射循环周期时期的增加，降低了生产效率，对高要求的制品难以成形。电机转子质量比例泵变量的斜板的质量大许多，所以前者流量改变的响应时间大于后者的响应时间，不能适应多级速度变化的快速注射。通过实现变频器的输出频率和输出转矩解耦调节，达到变频器与注射过程各动作的最佳配合，以达到提高应答反映性能。
2.2 辅助多泵和主驱动小泵的两者之间排量(流量)匹配的节能的优化组合的分析研究 [1]
上述几种节能系统中，都有一个值的研究的问题，即辅助多泵和主驱动小泵两者之间的排量(流量)如何匹配，以达到泵源的最佳能耗及最佳的调速性能。分析研究的标的是，辅助多泵在工作时，全流量输入系统，不产生溢流能耗损失，速度由最低到最高能达到连续的无级比例调节。
作者认为，小泵和大泵的排量之比为1:2的排列，能取得最佳的排量(流量) 组合效果， 辅助多泵在工作时基本上无溢流损失，即辅助多泵的各泵工作时为满流量的无节流状态下运转。2.1.2～2.1.5的系统，必须应用小泵和大泵的排量之比为1:2的排量(流量) 组合，才能保证系统在良好的速度特性下工作，见图7～8的速度特性曲线。图7和图8为小泵和大泵的排量之比为1:2的排量(流量) 组合的2.1.2～2.1.5的系统的速度-流量图，可以看出， 辅助多泵工作时无溢流损失，速度特性曲线为连续的比例的斜率不变的斜线，系统基本上无溢流能耗损失。2.1.2系统由于主驱动小泵为定量泵，所以调速时产生图7所示的溢流能耗损失。
图7 小泵和大泵的排量之比为1:2的小泵流量比例、系统压力比例的四泵动力驱动系统的速度-流量及溢流能耗
图8 小泵和大泵的排量之比为1:2的主小泵为负载敏感泵/主小泵为变频控制/主小泵为高响应的交流伺服电机驱动定量泵的三种形式的四泵组合动力驱动系统的速度-流量
上述分析研究的几种动力驱东节能系统，如不采用小泵和大泵的排量之比为1:2的排量(流量) 组合， 上述的各个动力驱动系统将会出现速度跳空，各挡速度间不连续，如图9～11所示。2.1.1的系统如不能应用小泵和大泵的排量之比为1:2的排量(流量) 组合，系统的溢流能耗损失将加大，如图11所示。如小泵和大泵的排量之比为1:2的排量(流量)不能达到1:2的优化组合，则尽量达到1:2的要求。
图9 小泵和大泵的排量为任意比的主小泵为负载敏感泵/主小泵为变频控制/主小泵为高响应的交流伺服电机驱动定量泵的三种形式的四泵组合动力驱动系统的速度-流量
图11 小泵和大泵的排量为任意比的四泵共用一个流量压力比例阀的动力驱动系统的速度-流量及溢流能耗
作者设计的合模力8000kN注塑机为例，应用2.1.2的系统原理，泵源由五个定量泵组成（图12），分别为:比例调速一个小泵（P1泵）的排量为76，其余两个为排量76/152的双联泵。两个双联泵的四个泵的流量根据工况与比例调速小泵组合叠加，形成一条流量（速度）比例斜线，各个工况所需流量可在比例斜线上选取（图13）。这种比例流量调速，除比例调速的小泵外，其余泵的工作流量进入系统中，没有节流，基本上没有节流和溢的能量损失，提高了能量利用率，降低了系统发热量。系统还可根据需要，减少工作泵的数量，不影响系统的调速性能。系统经十多年应用，证明是一种有效的可靠的节能系统。
图12 小泵流量比例、系统压力比例的五泵动力驱动
图13 小泵和大泵的排量之比为1:2的主小泵为主小泵为定量泵的五泵组合动力驱动系统的速度-流量
2.3 匹配辅助多泵的变频节能系统
以上对小流量泵调速的多泵算术级数叠加调速的动力驱动系统的分析，我们可以看到系统中存在这样一个缺点，即系统仅需主驱动小泵低速运行时，匹配的多泵仍然在低压满运转全流量情况下运转，流量通过溢流阀卸荷，产生能耗。如要改变这种情况，可采用变频调速，使匹配的多泵在低压低速情况下卸荷，达到节能。为适应变频低速运转，液压泵应选用齿轮泵或螺杆泵。采用主驱动小流量泵变频调速的匹配辅助多泵的变频节能算术级数叠加调速的动力驱动系统，匹配的多泵的变频只要满足低速及额定转速要求即可，主要解决能达到低速小流量卸荷的性能，系统中不需设置比例调速装置，无节流能耗损失，所以节能性能优于2.2节系统的节能性能。
匹配辅助多泵的变频节能系统是一种性能良好的节能系统，但制造成本高，还需综合考虑。同时给出了一个研究课题，即只需低速与额定转速变频的低价位的控制器，以满足大型注塑机液压动力驱动系统节能的特殊要求。
2.4 大型注塑机全伺服电机动力驱动泵源节能系统
大功率交流伺服电机的发展，为大型注塑机全伺服电机动力驱动泵源节能的开发提供了广阔的空间。大型注塑机采用全伺服电机动力驱动泵源，一般为单个驱动泵源。由上述2.2.4节对交流伺服电机的性能分析可以了解到， 交流伺服电机的超载性能大，而注塑机特别需要瞬时超载能力大的动力驱动装备，以降低动力驱动的装载功率，而交流伺服电机正好满足和适应了注塑机的成形要求。在注塑机上，采用三相异步电机驱动液压泵，由于三相异步电机的超载系数有限，设计驱动液压泵的功率，一般为三相异步电机额定功率的1.8倍。采用交流伺服电机驱动液压泵，设计驱动液压泵的功率可为交流伺服电机额定扭矩的2.5～3倍，这样，驱动同排量的液压泵， 交流伺服电机的额定扭矩可比三相异步电机的额定扭矩小1～2挡规格，例如，可用15kW交流伺服电机驱动原由22kW三相异步电机驱动的液压泵。由于具有这个优越特性，在某些大型注塑机上得到了节能的体现及性能的提高。例如，原由两个30kW三相异步电机驱动的动力系统，可改造为由一个45kW交流伺服电机驱动的动力系统，转速可由原来的1000r/min提高到2000r/min，不但能降低30～40%的能耗，而且节约了资源，大幅度提高了整机的性能。
3 蓄能器辅助动力驱动节能系统
大型注塑机最明显的特性是塑化注射量大，目前最大已达到14万克。为克服塑化量受螺杆直径的制约，研发出了IMC挤注混合塑化注射系统。IMC挤注混合系统是指塑化由小直径挤出螺杆完成、注射由大直径的柱塞完成。驱动小直径挤出螺杆可用较小排量的液压马达或伺服电机，减小了对液压泵源的动力的需求量。大直径注射柱塞的注射速度，需要大流量才能达到高速注射，一种方法是加大驱动泵源的输出流量，因注射仅占成形周期的约5%，这样仅为注射速度而配的驱动力，势必造成泵源动力配制的浪费；另一种方法是根据大型制品成形冷却时间长的特点，配置大容量蓄能器满足注射塑度的要求，利用冷却时间进行蓄能。例，某40000㎝3的塑化注射装置，挤出塑化螺杆直径为90mm，注射柱塞直径为160mm，单缸注射活塞直径为320mm，注射行程为2000mm，系统额定压力为32MPa，注射速度为250mm/s，要达到这样高的注射速度，如用常规的液压动力配置，液压流量需1200L/min，电机驱动功率约350kW；注射液压油路采用8个200L的蓄能器，液压泵源电机驱动功率下降为37kW，达到了注射速度要求，又节约了能源。塑化三相异步电机功率为45kW，如用伺服电机作驱动塑化，30kW的伺服电机以足够[4]。
大流量蓄能器油路选用快速响应节能的插装阀，是阀形式的唯一选择。上海704研究所的王人豪高工为我国的插装阀的推广应用做出了突出的努力，为大型注塑机插装阀的应用开辟了道路。
1 注射储料腔 2 塑化储料腔 3 挤出塑化螺杆 4 塑化驱动装置 5 注射油缸
图14 蓄能器辅助动力驱动的IMC挤注混合塑化注射节能系统
4 结论
从上述对大型注塑机液压驱动源的分析研究可以看出，节能技术永运处在不断发展中，永无止镜。根据大型注塑机的液压驱动源的特点，在提高注射成形性能的前提下，应用先进的节能技术，研发应用于系统上，不断提高节能水平。根据执行机构及成形的特点，因机制宜，开发大型注塑机液压驱动节能系统，达到进一步挖掘和提升主机的性能。
参考文献
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[2] 张友根.负载敏感泵在注塑机上的应用[J].机床与液压，1987(6)：49-55.
[4] 张友根.变频调速技术在注塑机上的应用[J].变频器世界，2005(6)：96-98.
[4] 张友根.HH-40000超大型注塑机的开发[J].MM 现代制造，2006(34)：68-69.(end)
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