如何选择注塑机动力系统

作者：达明科技有限公司 唐永坚

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, ... 电费是除原料外注塑制品加工最大的一项成本开支。对大部分注塑机而言，电能先经过电机转化成动能，再经过油泵转化成液压能，进而驱动注塑周期的各个动作，完成注塑过程。大家都知道“能量守恒”的定律，能量从一种形态变为另一种形态的过程中不会增减，但实际上，能量在转换过程中有损失，这是因为转换过程中产生了“无用”的输出能量，如热能。节能的本质就是减少“无用”的输出能量。 异步电机 定量泵 传统注塑机采用异步电机（鼠笼式）提供动力。恒速转动的异步电机将电能转换为动能，输出的“有用”动能只是输入电能的9成左右（满载时），其他则变为热能。故电机都会自带风扇，将热能带走。 一方面，异步电机带动定量泵，输出恒定的流量；另一方面，注塑周期中的各个动作，如开合模、顶出等对流量的要求都不同，用不到的流量便在当时的设定压力下流回油箱。动作越慢，或设定的压力越大，流回油箱的量越多，浪费的能量便越多，浪费的能量变为热能，将油温提高。因此，一般来讲，当动作的速度离全速越远、时间越长、压力越大，潜在节能的幅度便越大。 异步电机 变量泵 从以上得知，节能的钥匙在于能够改变流量。变量泵能提供从零到最大的流量，而且是在异步电机恒速转动下提供的。最常用的变量泵采用斜盘轴向柱塞设计。外出关灯是家里节能的一个好习惯。当光暗开关被普遍使用后，我们更能在较暗但是足够使用的灯光下作息，从而节能。变量泵好比光暗开关。还有两种设备能降低流量：变频器与伺服电机。 异步电机 变频器 油泵 变频器改变交流电频率，使异步电机转速在10-100%中改变，配上定量泵后，油量便在10-100%中改变。 但是，变频器是强电流电子设备，本身亦耗电，节能效果较变量泵逊色。此外，异步电机是恒速设计，没有考虑转子惯性的优化。转子每次加减速如需0.1秒，一个周期内不下20次的变速便需2秒。一般用家都会发觉变频器的使用拖慢了生产率。最后，定量泵多数是叶片泵，当转速降下来时，离心力也降下来，故在低流量时，内漏增加，油泵效率下降。 因此，在注塑机翻新改进时，更适合采用变频器加接到异步电机，因为只涉及电线的改动，比定量泵改为变量泵的工夫少且简单很多。此外，用变频器改变挤出机螺杆的转速是个较成功的应用。因为挤出机并非周期作业，不用时常加减速，且其螺杆是经齿轮箱驱动，不涉及油泵。 伺服电机 油泵 伺服电机可优化加减速。其转子用小直径来降低惯性，再以长的转子来回复失去的扭矩。当然，惯性亦因转子长度而增加，但只是线性增加。从伺服电机的外观也明显可看出，其直径小但长度大。伺服电机从0-2000 rpm只需要0.05 秒，因此用变速伺服电机来驱动油泵，拖慢生产力的情况只在短于5秒周期时才能察觉。采用永磁产生转子的磁场还避免了转子的铜损和铁损。 伺服电机的变速由控制器用变频的原理实现。50Hz或60Hz的交流电经整流后再变为所需频率的交流电，驱动伺服电机，故不同频率的地区，只要电压合适，都没有影响。这一点与异步电机不一样。异步电机在60Hz时旋转速度比在50Hz时快20%。控制器也有压力与转速的回馈控制，与压力流量的上升下降的PID控制。 伺服电机其实与发电机无异。发挥哪一种功能看如何将它驱动，供应三相电的话，它便是个电机；供应动力旋转其主轴的话，它便是发电机。伺服电机在制动时（如开模停）变为发电机，由动模板与动模的惯性（动能）驱动锁模油缸，再驱动油泵（此时油泵变了油马达），进而驱动“发电机”的主轴，产生电压，经过制动电阻后变为电流，再变为热能，散发在大气中。虽然此能量没有回收，但也起了快速与精准制动的目的。 齿轮泵或柱塞泵 配合伺服电机使用的油泵有定量的齿轮泵及变量的柱塞泵两种。注塑机用定量泵以叶片泵为主，叶片泵在低转速时离心力下降，内漏增加，不适合配合变速的伺服电机。 齿轮泵的容积效率在90%以下，构造较简单，成本不高，噪音不大，对油污的容许度则较大。柱塞泵的容积效率在95%左右，构造精密，对油污的容许度不高，噪音较大，但其变量特性可用来降低对伺服电机的扭矩负载，降低电流及发热，使保压时间能够更长。这一点在油研公司的双排量设计发挥了出来。 保压及高压合模所需的流量低但压力高，可将变量泵转为小排量，降低在低速时伺服电机的大电流产生的发热。此功能连全电机也做不到。如不用双排量，保压及高压合模会超越原排量的压力流量范围，但仍在超载范围内，可以作短暂保压及高压合模。如锁模方法采用机铰，高压合模自然是短暂的。直压锁模如不采用单向阀将锁模力锁住，便要靠电机油泵不停地工作来维持锁模力。双排量油泵可以看为一个汽车的双档变速箱，低档是爬坡慢速行驶时用，虽然引擎的转速没有降低很多，但汽车的驱动力就提高了。 伺服电机的限制 伺服电机在“低转速”时的反电势较“高转速”时低，故电流增加使线圈过分发热，这在长时间保压时会发生。油研公司用变量泵降低排量，维持电机的高转速来缓解这个问题。选购注塑机时还要留意伺服电机功率是否过小，否则会过载。 大的注塑机需要大的电机/油泵来驱动，但大的伺服电机的转子有大的惯性，不能达到0.05 秒从0到2000 rpm的要求。以日本的两家伺服电机带油泵的供应商为例，最大的电机也只有35 kW。更大的注塑机只能将两个或以上伺服电机/油泵合流来驱动，便既能达到油流量的要求，亦能达到反应时间的要求。有一台3500吨的注塑机是采用10套伺服电机/油泵合流来驱动的。 节能效果比较 伺服电机驱动变量泵在待机状态时不转动，虚耗的只是伺服电机驱动器的能量。以11kW伺服电机为例，电流不到1A。异步电机驱动变量泵在待机状态时恒速转动，但没有流量亦没有压力，在11kW的注塑机上测出待机状态的电流是7A，为11kW电机额定电流24A的29%。这是因为异步电机在额定负荷时效率约90%，但在负荷低于50%时效率大幅下降。英国公司提供“节能宝”在异步电机低负荷时降低供应电压，从而减少铜线圈产生过量磁通，降低损失，达节能之效。 一台50吨注塑机注塑单腔的航空杯，在华南的夏季及没有压力油冷却的条件下，油温只有37℃。如压力油的升温是节能的指示，这一点是连异步电机驱动变量泵都望尘莫及的。 此外，伺服电机驱动油泵能提供3/4闭环控制。精准的速度及压力控制是稳定生产力的先决条件。由于油温不高，油温波动亦较低，提高了稳定性。油温不高亦可以节省甚至去除压力油冷却的需要。 全电机 全电机的省电效果众所周知。全电机的驱动也是用伺服电机的，只不过它最少用四个伺服电机来直接驱动注射、塑化、开合模及顶出动作。其余的动作如抽芯/旋脱，射台及调模可用伺服电机，亦可用较便宜的电机来驱动。直接驱动采用丝杠或曲臂将旋转的动能变为线性的动能，或采用皮带或齿轮将高速的旋转动能变为低速的旋转动能。 全电机与伺服混合动力相比，直接驱动节省了两个转换过程，可节约10%的能量。没有压力油及管道的弹性损耗亦能节能。 动力系统甄选建议 注塑机自发明后，经历过几个技术性的创新。电机及油压的使用是一个进步，它们代替了人力；往复螺杆是早期的一个创新，将塑化及注射功能组合起来，降低了注塑机的成本；还有一个创新是比例压力及流量阀，这与另一个创新—微处理器的广泛使用息息相关，动作的压力及流量再不用在阀上手调设置，注塑参数还能记忆起来，方便下次调出来再用；随着是变量泵的广泛采用，这与不断上涨的电费不无关系。而全电机的推出应算是一个革命。由于没有油温的影响，它将稳定性大幅提高，精准、并行动作、省电、减少噪音、没有漏油污染等都得以大幅改进。而伺服电机驱动油泵在注塑机上的应用将节能及3/4闭环、减少噪音等的优点近乎全电机，但成本低很多。 当注塑机动作不是全速时，降低流量便能减少浪费。变量泵及伺服电机能够降低流量，后者更能以近零的能耗提供零流量。但是，不是任何产品都适宜用伺服电机带油泵的注塑机来生产，就如不是任何产品都要用全电机来生产一样。定量泵及变量泵机还有其存在的价值，是否采用此技术要计算投资回本期来做出决定。 伺服电机节约效果也不能一概而论，与产品壁厚，模具是否用冷流道、保压时间、待机时间都有关系。大致来讲，壁厚越大，伺服电机的节能便越多，瓶坯的注塑便属于这类。如冷流道的直径大于壁厚，冷却时间便由流道直径来支配。相反，薄壁产品（热流道）保压时间短，甚至是0，冷却时间也是0，伺服电机的节能便有限。 综上，除全电机外，达明公司推荐周期5秒或以下的薄壁饭盒（壁厚0.5mm）采用异步电机驱动定量泵注塑机来生产，因周期大部分以全速全压进行，能节省的浪费有限，甚至伺服电机的加速减速会延长注塑周期；周期5-8秒的产品，可以用异步电机驱动变量泵注塑机来生产；周期8秒以上的产品、冷却时间比塑化时间长、注射时间超过3秒、螺杆转速在70%以下、采用机械手取出、采用半自动操作都推荐使用“节能宝”或伺服电机注塑机来生产。此外，伺服电机成本高，若额外投资回本期在两年内，便可考虑。(end)

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