注塑机节能技术浅析

作者：震德塑料机械有限公司技术中心 黄俊军

欢迎访问e展厅 展厅 1 注塑机展厅 注塑机, 立式注塑机, 二手注塑机, 真空成型机, 发泡注塑机, ... 注塑机各环节能耗分析 在整个注塑生产过程中， 除注塑机本身产生能耗外， 其它辅助设备如冷水机、机械手、运输带等都会产生能耗。 如只单看注塑机本身的能耗，则需了解注塑机是何种驱动系统。 液压驱动系统的能耗分析 对于液压驱动的注塑机，主要能耗来自于两部份。分别是射台料筒的发热部份及液压驱动系统，也是俗称的发热圈及油泵电机。 普通注塑机通常采用液压传动，其结构包含注射装置、开合模装置、液压传动装置和电气控制装置。后者的作用是保证注塑机预定工序的要求（压力、速度、温度、时间、位置）和动作程序准确有效地工作。 在传统的注塑机中，液压传动装置主要由油泵、液压控制阀、压力电磁比例阀、流量电磁比例阀、各种不同的动作油缸、油泵电机及其它液压附件和管道组成，液压传动系统中的动力由电机带动油泵提供。其中，油泵绝大部分是定量油泵，电动机通常提供额定功率和转速，油泵将电动机所输入的机械能转变为压力能，然后向液压系统的液压元件输送具有一定压力和流量的液压油，满足液压执行机构驱动负载所需能量的要求。 注塑机成型工艺是一个按照预定的周期性动作过程，即以合模 - 射嘴前进 - 射胶 - 保压 - 融胶、冷却 - 开模 - 取出制品 - 将被注塑件放入模具中 - 合模等加工工序达到某件产品成型。 各个过程所需的速度和压力因不同工艺而不同，即所需的液压油流量不同，因而注塑机整个动作过程对油泵电机来说是个变负载过程。在定量泵注塑机液压系统中，油泵电机始终以恒定转速提供恒定流量的液压油，各个动作中相应多余的液压油则通过溢流阀回流，从而造成电能的浪费。虽然早有变量泵的设计，以减低对溢流所产生的耗损，但溢流所产生的耗损只能减低，却不能减除。 发热圈方面， 主要以电阻加热及金属传热方法，把热量传至料筒内，从而达至把塑料加热目的。 但在另一面，却因为发热圈外露于空气中，故对料筒加热的同时，也把部份热量散失于空气中，从而产生耗损。虽然市面上有所谓的保温罩设计，但其实际目的不是在于保温，而是安全设计。主要是避免人手触碰料筒而烫伤。 但不论保温罩如何理想，随空气散失热量仍会不断发生。 除以上两种主要能耗， 对于液压系统来说，还有一个能耗来源。 因为液压油在运作一段时间后， 因为压力变化、油管磨擦、管径大小改变、溢流等原因， 液压油温度会随着时间不断累升。油温上升引至液压油粘度变化，最终影响产品质量。 故此，需加入油冷却器， 把冷水引入，从而把液压油的过多热量带走。 但冷水的引入，也意味着虽要加入水泵， 水泵的运作本身也会产生能耗。 电驱动系统的能耗分析 电驱动系统也就是以伺服电机驱动，从而进行合模、射胶、保压、熔胶、开模、顶出等动作。 整台机的每个动作均是由电机驱动， 故也称全电机。 因为没有液压驱动，故此液压系统所产生的耗损（例如：溢流、油管孔径改变、油管摩擦、油管方向改变、油泵效率、冷却水所需的水泵等等）都不再发生。 因此，对于全电机来说，主要的能耗来自于发热圈部份。 当然，伺服电机本身的效率及滚珠丝杆所产生的磨擦在运作过程中会产生一定的能耗， 但与传统液压系统比较，这部份所产生的能耗低很多。 注塑机现有的能耗水平 经过测试，一般单台传统注塑机能耗和所占比例分别是：液压系统的耗能60-75%；加热系统的耗能15-25%；冷却系统的耗能5-10%；控制组件的耗能1-5%。 之前提及，全电机没有液压系统所产生的能耗。故以上传统注塑机能耗中的液压系统及冷却系统对全电机来说，可说是不存在的。只有加热系统及控制组件的能耗。故此较液压系统低很多。 故与传统的液压系统比较，全电机的节能效果可高达至约85%。 国际同类产品的能耗水平 早在国内仍使用定量泵时代，国际上先进国家已开始研发以减低能耗为目标的全电机。目前，节能型注塑机在欧洲和日本得到了较大和较快的发展，主要的形式有： ● 普通标准电机+变量泵控制； ● 普通标准电机+定量泵和变量泵组合控制； ● 变频电机+变频器； ● 伺服电机+伺服驱动器； ● 全电动。 虽然我国也有以上各类产品的生产，但在能耗方面仍较高。原因如下： ● 国内所制作的电机，本身效率、质量及寿命较外国品牌低； ● 油泵方面，国内所制作的较外国品牌在内泄方面较大，从而使能耗增加； ● 全电机的滚珠丝杆制作，质量上仍未达至国际标准。故而较易产生磨损，从而降低效率。 因而在耐用性上，也比外国品牌低。 即使在传统液压系统注塑机上，使用外国与国产的油泵，也有达10%的能耗及使用寿命上的差异。 节能技术种类、原理及效果 如上所说， 主要产生能耗的地方在于驱动系统及发热系统。故此，节能技术一直也以这两部份为重点。 驱动系统 变量泵驱动 上面介绍的传统注塑机驱动方式带来很大的能耗，故此早年业界推出变量泵驱动的注塑机，该系统由变量泵代替原有的定量泵。 改用变量泵的最大优点在于：系统处于保压时，虽然电机高速运转但变量泵会根据系统压力的大小来调整自己的排量，即当系统压力达到设定值时，变量泵会切换成小排量，从而减少保压时泵的输出流量，以减少电机的输出扭矩，达到了减少电机功率输出， 同时，也因减少流量，使溢流所产生的耗损降低，最终实现节能效果。 此种节能技术较原来的定量系统可节能高达至40% 变频器驱动 变频器驱动是变量泵的同期产品，主要是增加变频器以改变电机的转速，从而改变排量。 改用变频器来驱动电机最大的优点是当系统处于保压时，注塑机控制器会给一个比例流量信号给变频器告诉变频器现在要执行低速运转，这时变频器就驱动电机以很低的转速运转，从而实现节能的效果。但是，由于变频器在启动和停止时都有加减速时间，所以注塑机的运行周期要比没有加变频器要慢，因此对于保压时间短和工作时间短的产品不适合用变频器。虽然此种节能技术较原来的定量系统也可节能高达至40%， 但因为响应速度过慢及对电机寿命的减短，使变频器驱动系统不及变量泵系统那么普及。 全电机 这是一个彻底的改变。把原来的液压系统均改为伺服电机驱动系统。整个驱动系统由4部份组成。锁模部份（伺服电机驱动）；注射部份（伺服电机驱动）；顶针部份（伺服电机驱动）； 射移部份（一般交流电机驱动）。 如前文所说，全电机因不是使用液压传动，故没有液压系统带来的能耗。伺服电机与滚珠丝杆的连接，籍着电机的转动，带动在丝杆另一端的模板或螺杆进行往复前后动作。 虽然电控部份的电能增加，但整体上的能耗却大大降低。加上没有冷却水所需的水泵， 此种节能技术较原来的定量系统可节能高达至85% 伺服驱动液压系统 这是近年内国内较为关注的一个节能系统。 主要是把传统的液压系统与全电机两者合而为一。 此系统仍沿用液压传动，与传统的定量泵系统唯一分别则是使用伺服电机代替原有的交流电机，并配上一个伺服驱动系统，以闭环控制式控制伺服电机的转速及扭力变化。 因为是使用液压系统，故油管摩擦、油管口径改变、油管方向改变等所产生的耗能仍然存在。 但相较变量泵系统，在溢流及冷却水泵所产生的能耗却进一步降低。 因为伺服电机能于很短时间内作出高低转速的变化，并且是闭环控制， 故此在每个动作所需的流量能作出精确的控制。 因此，产生溢流的情况降至最低。 从而使溢流所产生的损耗大大降低。 另外，因为整个注塑周期中， 保压及冷却占了2/3或更多的时间。 在这期间内，伺服电机的转速是以十分缓慢地转动 （保压时只有每分钟几十转， 冷却时每分钟只有10转甚至更低）。 在这情况下，因油泵电机传递至液压油的升温大大减低。 另外，这段时间内，液压油在油管内慢速流动或甚至不动，也有利减低摩擦，减低管径变化等所产生的升温。故此，此系统下，较传统定量泵及变量泵系统，液压油的工作温度大大降低。 据资料显示，若工作环境不超过40℃，可以不用油冷却器，也就意味可以减除冷却水泵所产生的能耗。也因此减低注塑机对液压油量的需求，也可加长液压油的使用寿命。 此种节能技术较原来的定量系统可节能高达至75%。 表1是各种节能系统与传统定量泵系统的节能比较。这只是参考值， 实际上的节能视乎使用的组件及注塑工艺而定。 发热系统 传统的发热系统使用电阻式发热圈。 原理是把发热圈套在料筒上，籍着电流通过电阻，产生热能，从而把热能经料筒表面传递至料筒内的塑料中。 这样装置虽然效果不错，制作容易及成本低。 但因为发热圈外露于空气中，故加热同时，也有部份热能散失于空气中。 虽有保温罩，但仍不能避免热能流失。 新一代的发热装置改用电磁加热。电磁控制器利用变频原理来加热. 将来自继电器的交流电整流变成直流电，再将直流电利用斩波(晶集管开关)转换成频率为20-30KHz的高频高压电，当高频高压电流流过线圈(耐高温电线)会产生高速变化的交变磁场，这磁场透过保温层作用在与线圈接触的料筒部分，使其内部产生无数的小涡流，即是高频电子碰撞。最后使料筒本身自行高速发热传统发热圈因金属外壳与料筒表面接触，散热速度较快。但电磁感应发热圈则是整个料筒用保温棉包着，大大减少因热传递所引致的功率损耗。 此外，减少了热传导损失和热量对空气的散失, 提高了热效率。据资料显示，电磁加热较传统发热圈节能30%以上。 此外，电磁加热也有以下优点： ● 车间工作温度较低 — 因减少了对空气传导的热量，特别是夏季对车间的温度影响； ● 温控较精确 — 传统发热圈从加热、传导至料筒内部，再经热电偶反馈至电脑。因部份热能在空气中散失，以及热传导的延迟， 故发热圈所产生的温度变化未能即时到达料筒内部。但电磁发热则因热能产生在料筒内，加上隔温棉，故在温度控制上较传统的发热圈更准确； ● 寿命较长 — 因本身温度低, 不因高温引致发热圈老化问题，寿命长很多， 故而减低成本及增加生产效率； ● 提高操作安全 — 因与金属接触才产生热能，另外料筒表面加上一保温层，故表面温度一般不超过50度, 避免因接触而引起烫伤。 因这电磁加热装置是把料筒表面加保温层，对PVC、 POM等热敏性材料不能有效地散热。故这个技术问题一直未能改善，加上仍未能有效降低电磁波的影响，故仍未能使这项装置全面普及。 节能测算 由中国塑料机械工业协会和全国塑机行业专家委员会组织的塑料注射成型机能耗检测方法研讨会，于2009年7月2日至3日在宁波市海天公园举行。 会议中通过对塑机行业第一部关于产品节能方面的标准 —《塑料注射成型机能耗检测方法》，以及有关积极实施行业节能标准化的具体措施。 这是我国在注塑机节能方面首次定出的标准及检测方法。 在此标准中，定出对不同的注塑量，配合指定大小的模具进行生产。 模具的形状、尺寸大小按注塑机大小有一定的规范要求，并要求成品的外观不超出指定的公差变化。在此要求下来调整注塑工艺，待产品质量稳定后，进行能耗测试， 从而得出该机的节能是否符合标准。根据标准制品每千克质量的耗电量，判定该产品的能耗等级见表2。 当标准制品每千克质量的耗电量低于0.55kW.h/kg（即节能等级不超过2）时，判定该产品的能耗指标符合节能产品认证的技术要求。虽然此检测方法视乎生产时，注塑工艺占有很大的变数。 明确核心部件 推进产业化 从以上可知，产生能耗最主要来自于驱动系统。 而全电机是众多节能产品中效果最好的一种。 但因成本问题以及性价比的考虑， 全电机一直未能全面代替原来的液压系统。 为达到节能效果理想， 注塑机在驱动系统这部份由原来的定量泵改至早年的变量泵，及至改为近年火红的、以伺服电机带动的伺服驱动油泵系统，也是原由于此。相信在一定的时间内，以伺服电机带动的伺服驱动油泵系统将会是国内注塑机技术的主要发展方向。 如要打开海外市场，尤其是欧洲市场，则要先解决由电磁波产生的对其它辅件及人体的影响，方能进军海外。 另外，发热部份也是一样。为了减低这部份所产生的能耗，近年来市场上也有电磁加热的发热装置。 虽然这种设计有助于减低能耗，但本身仍有电磁波问题尚未解决。另外，对某些热敏性塑料需要散热而非保温，这类产品现时仍未能解决相关问题。 故此，在电磁加热技术上仍有很大的改进空间。 因此， 在传统液压系统配合伺服驱动系统和电磁加热装置， 相信是未来一段时间行业内的主要节能技术方向。(end)

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