液电复合互补动力驱动系统的研发

作者：宁波海达塑料机械有限公司 张友根

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, ... 液电复合互补动力驱动系统，创新了传统注塑机的塑化功能和性能，拓展了注塑成型加工的应用领域，扩大了塑化原料处理的能力，进一步体现出了注塑成型的绿色技术。 研发重点 控制系统 伺服控制技术是现代伺服液电复合互补动力驱动系统的技术核心。目前伺服控制技术落后于硬件的开发和应用，整个伺服系统的运行性能还不理想，参数漂移不稳定，影响了伺服系统的应用。 交流伺服动力驱动系统是一个多变量、强耦合、非线性、变参数的复杂对象，常规的PID控制，其抗干扰和抗参数摄动的鲁棒性不够理想，难以得到满意的调速和定位性能。根据不同塑机的特定功能，针对系统给定与反馈之间的误差，开发提高系统动态响应速度和控制精度的各种专业控制算法的应用，将现代可拓、变结构等非线性控制方法引入电机磁场定向控制算法，以消除磁阻电机参数的非线性影响，且对电机与控制器进行一体优化设计，实现永磁-磁阻伺服电机输出力矩的精确控制，使系统快速响应并且超调小；开发给定非线性信号校正算法，有效解决设备的低速控制特性问题。 交流伺服电机本身动态响应性能优异，但如何使下位的连接件（联轴器）、液压泵、管路、液压缸等液压系统，达到高的动态响应性能，匹配于伺服电机的动态响应性能，使系统具备高动态响应性能，还是一个有待深入研究的课题。 应用技术 复合材料型材挤出 由图1可见，组合化连续不停地注塑，相当于连续挤出，但由于注射高压，相对于挤出成型，适应范围更广，能挤出复合材料型材，将使挤出管材、板材等产生革命性变革。 注塑挤出在线成型复合设备 挤出塑化的功能特殊性，用户可以自己混炼注塑原料，开发注射塑料原料的配方，制造某些特殊性能制品，开发拥有自己独特的产品个性，可以达到迅速地满足市场的需要。 液电复合互补驱动，打破了传统的塑化动力驱动的观念。独立塑化挤出理念，使传统注塑机向复合型挤出注塑机发展。挤出塑化设备可用单螺杆、双螺杆、三螺杆等挤出机，扩大了注射塑化原料的使用范围。 Engel公司以模块化方式把锁模力10,000kN的Duo 7050/1000二模板大型注塑机与德国Leistritz的长径比为36的直径50mm的螺杆同向混炼平行双螺杆挤出机组合成一套在线配混的挤注复合设备。东华机械有限公司与华南理工大学聚合物新型成型装备国家工程研究中心合作，把锁模力650吨、注射量3000克的注塑机，配电驱动的螺杆直径50mm的三螺杆挤出机最大挤出塑化量达到250kg，成型同样一个材料为PP加30％玻纤的制品，能耗降低45%、成型周期缩短20%，制品的力学性能得到提高。 回收料直接注塑 传统的回收料注塑，首先需把回收料经挤出造粒后才能注塑，特别是结晶性回收料，需干燥结晶后才能注塑。独立塑化，即可把注塑塑化系统设计为挤出塑化系统，从根本上改变了注塑塑化的特性，挤出塑化达到能直接进行回收料的注塑成型的绿色技术，减少废品排放量。 Remaplan公司应用同轴在线配混挤注同轴挤注复合装置，直接把粉碎的回料与PF、添加剂等混合后，注射成型加强型托盘。赫斯基HyPETTMRF瓶坯注塑机，采用液电复合互补动力驱动，无需干燥结晶，直接将PET粉碎回收料挤出塑化，经过不断改进，由使用50%比例的再生粉碎料提高到100%的再生粉碎料，实现了PET“瓶-瓶”的回收循环利用的绿色技术。 模块化组合 液电复合互补动力驱动是一种功能化动力驱动，特别是独立塑化的液电复合互补动力驱动，为发挥更优的驱动性能，整个结构设计为模块化，针对制品的不同材料、重量、成型周期，设计相对应的独立塑化的动力驱动系统及机构，使用户有更宽的选择范围及灵活的加工方式。 集约式研发 独立塑化的液电复合互补动力驱动的注塑机，实际上是一种挤出和塑化混合化的设备，集合了挤出机和注塑机的技术，特别是复合材料混炼塑化挤出，具有较高的技术难度，一般注塑机设计者是较难解决的，这就需要注塑机设计者与挤出机设计者共同集约化研发。 创新开发 单阶独立螺杆塑化、开模、脱模、合模平行高速注塑成型回路 宁波华美达机械制造有限公司在2010年Chinaplas展会上推出的HMD128M8-H薄壁制品包装注塑机，独立塑化驱动的液电复合互补驱动的单阶独立的伺服电机驱动螺杆塑化、顶出与开模、合模为并联，蓄能器辅佐高速注射，双联动力驱动，顶出为单独小泵驱动，冷水机冷却制品，成型直径120mm、深度60mm、厚度0.5mm的一次性快餐碗，同比于传统注塑成型回路，成型周期由6.0s缩短至3.1s，缩短成型周期幅度达48.3%。 自主创新独立塑化驱动的液电复合互补动力驱动的50000g托盘注塑机 研发实例：塑化注射量50000g，注射压力800MPa，注射时间10S，注射制品尺寸为1100mm×1000mm，材料为PE的货运重载托盘，能加工回料，成型周期不大于300S。 独立电动动力驱动塑化+液压动力驱动储料+蓄能器注射的液电复合互补驱动的三阶挤注复合系统 根据托盘成型特点，降低整机装载功率和成型能耗，成为功能化超大型注塑机的研发重点。 普通型超大型注塑机的整机液压动力驱动系统的装载功率很大，达到200kW以上，驱动塑化的大型液压马达功率达到约300kW，双注射油缸的油缸内径达到500mm以上，往往出现因能耗高而使用不起。 超大型注塑机的装载功率和能耗主要取决于塑化及注射的工序。根据托盘成型的特点，以注射成型工艺创新为突破口，对传统超大型注塑机的注射成型工艺进行改革创新，把注射成型、挤出塑化、中空储料、热流道技术、高速节能注射机构、蓄能器节能储能技术、变频节能技术等现代的新技术、新工艺有机结合起来，开发独立塑化驱动的液电复合互补驱动三阶挤注复合系统，实现节能动力驱动。 图2为独立塑化驱动的50000g三阶挤注复合机构，图3为独立塑化的三阶挤注复合机构及蓄能器驱动注射的50000g注塑机的液电复合互补驱动系统的方块图。 独立电驱动挤出塑化 电驱动挤出塑化，达到把需系统液压动力驱动的塑化动力源从系统中剥离出来，成为独立塑化挤出系统，考虑到驱动螺杆塑化的功率需约300kW及塑化精度和质量不十分严格，采用交流伺服电机驱动型式，显得性能浪费及制造成本增加，采用变频电机通过减速机驱动螺杆塑化，可达到整机塑化要求，并且有良好的节能效果。 连续塑化，降低塑化动力驱动功率。为降低驱动塑化螺杆的功率，独立塑化挤出在整机运行过程中为连续运行，以达到成型的塑化容量，配以挤出塑化储料缸，满足了注射量的要求。连续不间断塑化，大幅减小了挤出塑化螺杆的直径，本项目的挤出塑化螺杆的直径仅为90mm，而同注射量的普通注塑机螺杆的直径为230mm，前者的塑化驱动功率仅为后者的1/7，充分挖掘了挤出塑化螺杆的使用性能，大幅降低了驱动塑化的功率及能耗。挤出塑化动力驱动独立于系统液压动力驱动之外,互不干扰,调节塑化能力,同时起到了使塑化量与成型周期达到最佳的匹配，提高了驱动效率约30%。驱动电机的功率为45kW，达到了大幅降低整机的动力驱动装载功率和降低塑化能耗。 蓄能器动力实现高速柱塞注射 本系统的单缸注射活塞直径为320mm，注射行程为2000mm，注射速度为200mm/s。 专用模具为40点热流道技术，实现80MPa的一级低压高速注射，降低注射功率。 注射动力驱动采用蓄能器释放的能量，达到注射的性能和功能要求。注射不直接应用系统的液压动力源，独立运行，大幅度降低液压系统动力驱动源的装载功率的配置。柱塞注射液压系统采用8个200L的蓄能器作驱动动力，实现高速注射，保压利用整机主系统的液压动力。整机主系统的电机驱动功率下降为37kW，达到了注射速度所需的液压动力驱动的配备要求，大幅降低了装载功率。要达到这样高的注射速度，如用常规的液压动力配置，注射液压系统的流量需1500L/min，电机驱动总功率需275kW。 系统液压能得到充分利用。电动独立挤出塑化，为系统液压动力驱动腾出了更大的运行空间，蓄能器在制品冷却时蓄能。蓄能器动力驱动，不增加系统液压动力源的装载功率，并充分利用液压系统运行的能量，减少液压系统在制品冷却时造成的无功能量损耗。达到充分利用液压能，减少能耗损失。 降低注射功率。注射型式为单缸柱塞注射。由于注射油缸仅起到注射储料，所以注射缸内径不受限制，可减小尺寸，降低注射功率，实现低功率的节能注射。 液压动力驱动储料 储料注射缸（图2序号10）的功能是把挤出塑化熔融料推入柱塞注料缸（图2序号4），推力大大小于柱塞注射力，消耗能量很小。 合模与塑化注射的两者运行所需装载功率相匹配 合模机构为立式。高压开模采用系统高压动力，快速开模采用蓄能器（1个200L的蓄能器）低压高速，同时回油经冲液阀进入油缸顶部充液相，高速移模打开充液阀，充液箱油进入合模油缸，高压锁紧采用系统高压动力。由于高压行程很短，所需液压流量很小，消耗功率低，大幅降低了系统装载功率，达到合模系统运行与塑化注射两者所需装载功率相匹配。 液电复合互补驱动的三阶挤注复合系统工作原理 系统主要由挤出塑化、塑化储料缸、柱塞注料缸、注射缸、熔融料流道开关、机械自锁喷嘴等组成。整个塑化注射系统采用卧式横排的结构形式，独立安装在可移动的平台上，与合模部件为模块化组合。 主要工作原理是在熔融料流道开关闭合情况下，挤出螺杆塑化的熔融料进入塑化储料筒，熔融料流道开关打开，塑化储料缸中熔融料及挤出塑化的熔融料共同进入柱塞注料缸储料，联结为一体的柱塞和注射活塞一起后退，达到设定位置，熔融料流道开关闭合，然后柱塞注射熔融料进入模腔。塑化不停止连续工作，向塑化储料缸储料。塑化料从塑化至注射进模腔，经历两个来回，达到了“先进先出”的理想塑化路径，提高了塑化质量，同时节约了塑化能耗。 实际效果 50000g超大塑化注射容量的挤注复合系统在能耗、加工能力、环保性能等方面，具有优异的性能。成形PE材料的1000mmX1100mmX150mm规格的标准托盘，成型周期仅为4.5分钟，比普通托盘成型周期短约4分钟，节能约50%。 液电复合互补动力驱动技术是注塑机高端动力驱动不可缺少的核心，其绿色技术优势，还有待于业界进一步深入认识和拓展。(end)

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