有關(guān)變量泵注塑機與伺服電機泵注塑機的節(jié)能效果及能耗水平的初步探討

嚴(yán)厚明 林國榮

摘 ?要：本文對變量泵注塑機與伺服電機泵注塑機在節(jié)能效果和能耗水平上進行初步探討，希望可以為相關(guān)行業(yè)的發(fā)展提供支持。

關(guān)鍵詞：變量泵;伺服電機;注塑機能耗等級;注塑機節(jié)能效果

前言

注塑機在現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用，注塑工藝一般分為開模、射膠、儲料、保壓定形、冷卻、開模、頂出或吹出等幾個階段，每一階段運動的總裝功能件和作用也是不盡相同，壓力和流量自然也是不同的。油泵馬達(dá)負(fù)載在注塑過程屬于變化狀態(tài)，在定量泵液壓系統(tǒng)中恒定的轉(zhuǎn)速可以提供恒定的流量，在溢流閥的幫助下，可以在有液壓油剩余情況下實現(xiàn)回流，這個過程就是高壓節(jié)流。高壓節(jié)流的發(fā)生，會出現(xiàn)很多問題，比如能量損失等，損失量可以達(dá)到36%以上。注塑機在運行過程中，未能調(diào)整驅(qū)動電機，也就是在運行過程中，電機以額定轉(zhuǎn)速進行運行的。電機與油泵同軸，在額定排量下，通過油泵的作用，可以將油吸入液壓系統(tǒng)中，油泵提供的流量當(dāng)在系統(tǒng)所需流量之上時，剩余的油就會回流，這樣也會出現(xiàn)浪費情況?？紤]到現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中加工制造商越來越多注重生產(chǎn)周期時間，注塑機需要控制速度的階段一般為開合模、射膠、儲料，需要注意的是，要對這幾個階段的壓力進行有效控制。

變量泵工作原理：電機負(fù)載在轉(zhuǎn)速不變的情況下，通過擺盤角度調(diào)整可以在液壓泵排量的變化背景下，對排量也會產(chǎn)生極大變化，這樣就能實現(xiàn)良好的節(jié)電效果。輸出功率的不同是變量泵與標(biāo)準(zhǔn)定量泵的之間的主要差異，在負(fù)載的變化下，變量泵的輸出功率也會隨之變化，但是輸出功率對于定量泵而言是相對恒定的，變量泵當(dāng)為小流量動作條件時，輸出功率一般不大，但是會發(fā)現(xiàn)輸出功率對于定量泵來說是恒定的。為讓注塑機液壓系統(tǒng)與整機運行需要的功率相匹配，這時就要配備高響應(yīng)功率，不會產(chǎn)生高壓節(jié)流溢流能量損失，所以在射膠、儲料、冷卻等注塑耗電工序中表現(xiàn)出節(jié)電效果較好，可以達(dá)到40%左右。而對于射膠保壓時間較長的壁厚或大型制品，節(jié)電效果尤為明顯。同時，越來越多注塑機油路設(shè)計偏向于通過配備大排量油泵來提升速度。

小型機較常使用變量泵注塑機，但是對于大型注塑機來說使用這樣的油泵經(jīng)濟效果較差。多個定量泵聯(lián)合工作的方式逐步成為大型注塑機使用的方法，這樣便于可以實現(xiàn)動作的變換，而且能源消耗可以在泵的加載、卸載和匹配下得到有效控制。在對油路進行清潔時，因變量泵的要求相對較高，這樣可以避免增加額外成本，也會對其有效應(yīng)用產(chǎn)生影響。

伺服永磁同步電機的工作原理（圖4）：將一個由永磁材料構(gòu)成的轉(zhuǎn)子插入到旋轉(zhuǎn)的定子磁場中，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)就會在磁場相互作用下產(chǎn)生，轉(zhuǎn)子與定子磁場矢量之間相差為180度。在轉(zhuǎn)速方面轉(zhuǎn)子與定子磁場速度是相同的，在對電機轉(zhuǎn)子進行改變時，可以對三相正弦電流的交變頻率的變動來實現(xiàn)。電機輸出轉(zhuǎn)矩與電機空載相比，輸出為0，將一定的負(fù)載加上，轉(zhuǎn)子與定子磁場矢量之間的差值會在180度以下，電樞電流會與輸出轉(zhuǎn)矩才有很大關(guān)系，將負(fù)載撤銷之后，轉(zhuǎn)子加速方向為定子旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向，轉(zhuǎn)子與定子磁場矢量向等于180度的位置變化，轉(zhuǎn)矩在180度的位置電流不管多大都為0，在慣性的作用下，轉(zhuǎn)子會沖過這個點，在轉(zhuǎn)矩的作用下開始回復(fù)，這就是同步電機的變頻調(diào)速振蕩。當(dāng)電流一定時，負(fù)載在逐漸加大下，會讓電機轉(zhuǎn)矩增大，當(dāng)最大點出現(xiàn)之后，轉(zhuǎn)矩的輸出就會開始減小，減小到0時，就會發(fā)生失步崩潰問題。

要對伺服電機和油泵進行精密控制，就必須匹配注塑機特殊專用的伺服驅(qū)動器來實現(xiàn)。

在實際應(yīng)用中，轉(zhuǎn)子與定子磁場矢量相位差需要在定子磁場矢量方向的調(diào)節(jié)下進行控制，這樣就會將相位差控制在轉(zhuǎn)矩最大點，電機輸出轉(zhuǎn)矩的控制，是利用定子磁場矢量大小的調(diào)節(jié)實現(xiàn)的，然后就能對伺服的速度與位置進行控制。注塑機在實際運行過程中，油缸的活塞面積為固定的，油泵的參數(shù)也是已知的，油泵流量與電機轉(zhuǎn)速之間呈現(xiàn)線性關(guān)系，油路內(nèi)的壓力與電機的輸出扭矩之間的關(guān)系為正比關(guān)系。注塑機在工作時的流量和壓力控制，可以在伺服電機運行過程中，做好輸出扭矩和轉(zhuǎn)速的精準(zhǔn)控制，這樣就可以對其進行有效控制。

控制思路：通過調(diào)節(jié)伺服系統(tǒng)的工作模式，讓其在運行期間，可以將速度控制為帶力矩限制的速度，讓壓力在油路內(nèi)控制合理，并在設(shè)定壓力以內(nèi)時，在短時間內(nèi)，通過電機的合理控制，實現(xiàn)電機的加速或者減速，然后能達(dá)到給定的速度，這樣就會確保油路在下一個工作狀態(tài)下所需的壓力能夠滿足，力矩限制值在達(dá)到之后，電機在運行過程中速度較低，從而對油路壓力和流量教學(xué)有效控制，且不會產(chǎn)生卸流，實現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)。

以電液伺服驅(qū)動系統(tǒng)為主要特征的混合型注塑機，在實際運用中不僅性能良好，且具備較強的節(jié)能效果。相比于傳統(tǒng)的液壓機，電液伺服系統(tǒng)在實際應(yīng)用中節(jié)能效果更好，且更能得到市場的認(rèn)可。2008年星辰伺服在年會上介紹，伺服系統(tǒng)運用注塑機上，在兩年時間內(nèi)測試效果較好，總功率為13，580kw，如果將運行時間確定為每天20小時，每年運行300天，這樣就可以計算出，每年可以節(jié)能50%左右，已經(jīng)累計節(jié)能4074萬kwh，節(jié)能效果十分明顯。同時在實際應(yīng)用中，注塑機在伺服系統(tǒng)的應(yīng)用下，節(jié)電只是其中一個效果，還在實際應(yīng)用中更加高效與精密，說明系統(tǒng)可以在實際運行過程中，提升生產(chǎn)質(zhì)量與效率，滿足企業(yè)實際需求。注塑機行業(yè)老大海天公司也針對長期的數(shù)據(jù)總結(jié)得出，最新型的伺服液壓型注塑機在不同的公司應(yīng)用中，雖然由于客戶生產(chǎn)制品、模具、注塑工藝不同，節(jié)能效果會有所差異，但總體維持在20%～80%之間，同時設(shè)備在運行過程中，整體性能一直保持良好。所以，注塑機小型兩板化、全電化（包含油電混合型）正逐步成為注塑加工市場的主力軍。

改革開放以來特別是近十年，伴隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，新產(chǎn)品新工藝新技術(shù)不斷推陳出新并完善，注塑機行業(yè)也得到了翻天覆地的發(fā)展。尤其是在金融危機以后，國際、國內(nèi)對低碳節(jié)能創(chuàng)新產(chǎn)品的強勢推進，對我國塑機的發(fā)展起到了很大幫助，綠色環(huán)保塑機實現(xiàn)了低耗節(jié)能效果。塑機產(chǎn)品在我國的發(fā)展，很長一段時間由于各種因素的影響，導(dǎo)致發(fā)展水平較低，且節(jié)能效果較差。在二十世紀(jì)末，隨著變量泵技術(shù)的大力應(yīng)用，讓塑機產(chǎn)品開始得到發(fā)展，并實現(xiàn)了良好的節(jié)能效果。從2006年開始，伺服泵技術(shù)的創(chuàng)新，為注塑機的發(fā)展帶來了新變化，我國與歐美等國家的塑機節(jié)能思路有很大不同。在市場檢驗下，在實際應(yīng)用中伺服泵注塑與變量泵注塑機發(fā)揮著重要作用，且可以取得良好的經(jīng)濟效益。

國內(nèi)節(jié)能注塑機應(yīng)用效果現(xiàn)狀

研究時以東華品牌機為例。制品為91克的PC透明包裝盒，用同樣90噸位的變量泵注塑機和伺服泵注塑機各一臺，通過測試可以得到表格的各項數(shù)據(jù)）

通過上表分析，可以得到：在耗電量比較下發(fā)現(xiàn)伺服電機泵注塑機更低，與變量注塑機相比，可以節(jié)能36%?？梢钥闯銎湓趯嶋H應(yīng)用過程中具有良好的節(jié)能效果，而且在市場上得到人們的青睞。在對其進行測試過程中，發(fā)現(xiàn)東華90Se伺服電機泵注塑機符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到一級水平，耗電量為0.32KW.h/kg;東華90F2v變量泵注塑機在測試過程中也符合要求，但為二級水平，耗電量為0.50KW.h/kg。

國外節(jié)能注塑機應(yīng)用效果現(xiàn)狀

仍以東華品牌注塑機為例（見下圖）?？蛻粑挥跂|南亞，生產(chǎn)750克油漆化工桶。原來公司使用的變量泵注塑機產(chǎn)自日本，品牌為K牌，規(guī)格型號為650噸，電費每天就要消耗710馬幣，但自從使用東華公司生產(chǎn)的TTI-600SeII伺服節(jié)能注塑機之后，電費下降明顯，現(xiàn)在每天約為250馬幣，折算下降幅度達(dá)到了64.7%。600SeII的優(yōu)勢不僅體現(xiàn)在省電方面，在實際應(yīng)用、安裝調(diào)試及后期維護應(yīng)用效果也更好。在對東華600SeII伺服電機泵注塑機進行節(jié)能測試過程中，發(fā)現(xiàn)達(dá)到一級水平，耗電量為0.24KW.h/kg。也正是由于伺服機性能良好，節(jié)能效果理想，在市場上的表現(xiàn)比較優(yōu)異，得到市場青睞。

現(xiàn)行注塑機能耗等級規(guī)范

注塑機為實現(xiàn)節(jié)能降耗，企業(yè)的投入持續(xù)增加，同時國際上各個國家也開始利用大量的市場需求，開始在節(jié)能方面大做文章。去年10月底，歐洲塑料和橡膠工業(yè)機械制造商協(xié)會（EUROMAP）在會議上認(rèn)為，在未來高性能的設(shè)備勢必會成為市場主流。EUROMAP為此專門成立技術(shù)委員會，通過技術(shù)、性能等方面的評定，來建立起更加權(quán)威與公平的標(biāo)準(zhǔn)。EUROMAP看好節(jié)能和節(jié)約原材料為賣點的設(shè)備及技術(shù)會成為金融危機之后的主流，并認(rèn)為市場一定會選擇這些新技術(shù)與設(shè)備。這些年中國也開始著手相關(guān)的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，制定屬于自己的國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、團體標(biāo)準(zhǔn)，在相關(guān)專家與企業(yè)支持下，中國對于節(jié)能減排的推進力度也不斷增加。全國橡膠塑料機械標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會也在2009年組織專家進行試驗與科學(xué)論證，并最終推出《塑料注射成型機能耗檢測和等級評定的規(guī)范》，歷經(jīng)全國上千家注塑機廠家多年推行，將迎來2021年再次修訂。

規(guī)范的現(xiàn)實意義是：申報節(jié)能型注塑機檢測工作時，需達(dá)到“六個推進和兩個爭取”的目的，“六個推進”分別為節(jié)能產(chǎn)品研發(fā)、企業(yè)節(jié)能技術(shù)提升、行業(yè)科技創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級、節(jié)能型注塑機的推廣、行業(yè)又好又快發(fā)展;“兩個爭取”為爭取將行業(yè)內(nèi)通過檢測證明高效節(jié)能注塑機列入國家和行業(yè)節(jié)能型產(chǎn)品推薦目錄，爭取國家對節(jié)能型注塑機的政策扶持和經(jīng)濟支持。

注塑機能耗需要進行規(guī)范，按照每千克能耗大小對能耗等級進行確定，一般從1到6分為6個等級，其中1級為能耗最小的等級。耗電量如果在0.55KW.h/kg以下，說明產(chǎn)品能耗符合相關(guān)要求。在實際能耗規(guī)范及檢測過程中，當(dāng)能耗在3級以上是，說明產(chǎn)品不符合要求，不屬于節(jié)能產(chǎn)品。

結(jié)束語

目前我國電力消耗量較大，在美國之后，排在第二位，但是產(chǎn)值能耗卻比較高，超出世界平均水平，成為產(chǎn)值能耗最高的國家之一，因此我國目前需要將節(jié)能減排確定為基本國策。

中國的塑料機械和塑料加工業(yè)在國際上占比較大，成為塑料行業(yè)的巨無霸。中國塑料相關(guān)產(chǎn)品產(chǎn)能大約有6600萬噸，加工每噸塑料制品耗電300度計算，據(jù)統(tǒng)計，中國在塑料加工過程中，每噸消耗的電量達(dá)到198億度電，對電能的消耗量巨大。塑料機械在中國的市場巨大，大約銷售容量為10萬臺，每年可以有400億元的值約，電加熱消耗的年產(chǎn)值以電加熱消耗占整機產(chǎn)值的5%進行計算，可得產(chǎn)值為20億元。如果在市場上每年投入塑機節(jié)能改造的容量為50多萬臺套，對于中國來說市場前景十分可觀。

提升注塑機的節(jié)能技術(shù)和節(jié)能效果是未來的發(fā)展方向，也是全球發(fā)展的大趨勢。變量泵和伺服電機泵注塑機在我國有著廣闊市場，這與中國的特殊塑機市場有很大關(guān)系，讓發(fā)展空間廣闊，只是伺服電機泵注塑機在綜合性能上更優(yōu)于變量泵注塑機。中國塑機發(fā)展過程中，節(jié)能型注塑機有著不可替代的作用，能在未來帶來極大經(jīng)濟與社會效益。

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作者簡介

嚴(yán)厚明（1973-），男，大學(xué)?？?，高級項目經(jīng)理，機械工程師，主要研究方向為注塑機設(shè)計與塑料成型技術(shù)。