注塑機(jī)液壓系統(tǒng)綠色設(shè)計(jì)的策略與展望*

黎 堅(jiān)，李 嵐

(南華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖南衡陽 421001)

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注塑機(jī)液壓系統(tǒng)綠色設(shè)計(jì)的策略與展望*

黎 堅(jiān)，李 嵐

(南華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖南衡陽 421001)

注塑機(jī)液壓系統(tǒng)的綠色設(shè)計(jì)包括節(jié)能、降噪、防漏和防污染等方面，每一個方面有特定的技術(shù)手段來實(shí)現(xiàn)。詳細(xì)地介紹了注塑機(jī)液壓系統(tǒng)的綠色設(shè)計(jì)及其優(yōu)缺點(diǎn)，并提出應(yīng)根據(jù)注射成形制品的工藝、關(guān)鍵設(shè)備的研發(fā)水平采取相適應(yīng)的節(jié)能技術(shù)，以提高整機(jī)的性價比的建議。

注塑機(jī);液壓系統(tǒng);綠色設(shè)計(jì)

1 引言

注塑機(jī)又名注射成型機(jī)或注射機(jī)。它是將熱塑性塑料或熱固性材料利用塑料成型模具制成各種形狀制品的主要成型設(shè)備。注塑機(jī)的動力系統(tǒng)是一種典型的多級速度、壓力控制系統(tǒng)。其一般工作循環(huán)如圖1所示。其中合模又包括慢速合模、快速合模、低壓保護(hù)、高壓鎖模4個工序;注射又包括一級注射、二級注射;開模有快速開模、慢速開模。

圖1 注塑機(jī)的工作循環(huán)圖

近年來由于汽車、建筑、家用電器、食品、醫(yī)藥等產(chǎn)業(yè)對注射制品日益增長的需要，推動了注射成型技術(shù)發(fā)展和提高。其中，注塑機(jī)液壓系統(tǒng)綠色技術(shù)的發(fā)展尤為明顯。經(jīng)過綠色設(shè)計(jì)的注塑機(jī)液壓系統(tǒng)是按照環(huán)境意識設(shè)計(jì)與制造的系統(tǒng)，除了具有良好的工作性能之外，還能減少對環(huán)境造成污染，對實(shí)現(xiàn)工程塑料行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展有重要意義［1］。

2 注塑機(jī)液壓系統(tǒng)綠色設(shè)計(jì)的策略

2.1 注塑機(jī)液壓系統(tǒng)節(jié)能

液壓系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)的首要目的是保證系統(tǒng)的輸出功率要求，同時還要保證盡可能有效的利用能量，以達(dá)到高效、可靠運(yùn)行的目的。目前，國內(nèi)仍有相當(dāng)一部分注塑機(jī)制造公司在使用定量泵與PQ閥(比例流量－壓力復(fù)合閥)組合控制方式，該控制方式主要應(yīng)用在動作不是很復(fù)雜，對動作精度要求不是很高的設(shè)備中，如平板硫化機(jī)，其價格相對低廉，但動作不夠平穩(wěn)，速度和壓力只有兩級控制。隨著技術(shù)的進(jìn)步，液壓系統(tǒng)有了許多的不錯的改進(jìn)和完善，但其主要的控制方式并沒有產(chǎn)生太大的變化，仍然存在較多的節(jié)流損失和溢流損失，尤其對于一些要求保壓壓力較高，保壓時間較長的制品的成型過程，普通PQ系統(tǒng)的功率損失相當(dāng)大。隨著技術(shù)的進(jìn)步，注塑機(jī)液壓系統(tǒng)發(fā)展出了負(fù)載敏感自適應(yīng)控制、變頻調(diào)速控制等控制技術(shù)和純電驅(qū)動、液壓－電動混合等驅(qū)動技術(shù)，從而變得更加節(jié)能。

2.1.1 負(fù)載敏感自適應(yīng)控制

負(fù)載敏感自適應(yīng)控制采用的是比例變量泵系統(tǒng)。該系統(tǒng)性能優(yōu)于已被廣泛使用的由定量泵與PQ閥組成的比例控制系統(tǒng)，成功地實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)所需的流量由閥控向泵控的轉(zhuǎn)變［2］。

該系統(tǒng)原理圖如圖2所示，其工作原理為:當(dāng)負(fù)載的變化改變?nèi)ㄋ欧y5兩端的壓差時，柱塞6會推動變量柱塞泵1的斜盤轉(zhuǎn)動，改變其傾角，從而達(dá)到系統(tǒng)輸出流量與負(fù)載流量相匹配。

該控制方式的優(yōu)點(diǎn):①幾乎沒有節(jié)流、溢流損失，液壓系統(tǒng)發(fā)熱量大大降低，節(jié)省冷卻水的消耗，低油溫使密封元件壽命大大提高。②自適應(yīng)性能良好，輸出壓力和流量能夠與系統(tǒng)的需求相一致，較大地減少了能量損耗，節(jié)能效果顯著，與普通PQ閥組成系統(tǒng)相比較，可以節(jié)電25%～50%。

圖2 比例變量泵系統(tǒng)原理圖

2.1.2 變頻調(diào)速系統(tǒng)

傳統(tǒng)注塑機(jī)采用定量泵供油，供油量在額定的轉(zhuǎn)速下不變，而在注塑時各個動作對流量和壓力的需求是變化的，故當(dāng)液壓系統(tǒng)壓力過高時，則會通過溢流調(diào)節(jié)的方式將多余的油經(jīng)旁路流回油箱，造成很大的浪費(fèi)，據(jù)實(shí)測有50%左右，而變頻調(diào)速系統(tǒng)就能很好地解決此問題［3］。原理是根據(jù)注塑機(jī)發(fā)出所需的馬達(dá)轉(zhuǎn)速，讓泵的油量輸出剛好能滿足液壓系統(tǒng)的需要，達(dá)到節(jié)能目的。

2.1.3 高響應(yīng)交流伺服電機(jī)驅(qū)動定量泵系統(tǒng)

高響應(yīng)交流伺服電機(jī)驅(qū)動定量泵系統(tǒng)是近年發(fā)展的一種先進(jìn)的高性能節(jié)能系統(tǒng)，它的出現(xiàn)使得變頻調(diào)節(jié)液壓泵轉(zhuǎn)速中響應(yīng)速度慢的問題得到了解決，也提高了電力的利用效率。

此系統(tǒng)中，伺服電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速取決于系統(tǒng)流量需求的反饋，反應(yīng)速度比伺服閥快4‰s，同時節(jié)流損失也很小;冷卻水需求量幾乎為0，對于保壓及冷卻時間長的制品，節(jié)能可達(dá)80%。保壓時電機(jī)處于停轉(zhuǎn)狀態(tài)，比負(fù)載敏感自適應(yīng)控制系統(tǒng)更節(jié)能。

2.1.4 電動驅(qū)動系統(tǒng)

采用電動驅(qū)動系統(tǒng)的注塑機(jī)其主要優(yōu)勢就是節(jié)能。伺服電機(jī)直接驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)提高了效率，能量利用率達(dá)到95%以上，比液壓注塑機(jī)節(jié)能25%～60%。由于專用伺服電機(jī)在塑化注射部分得到應(yīng)用，塑化轉(zhuǎn)速、背壓、注射速度及注射壓力等注射參數(shù)的控制應(yīng)答反映速度有很大的提高。電動注塑機(jī)的各項(xiàng)動態(tài)技術(shù)參數(shù)基本上無外界因素的干擾。

2.1.5 液壓-電動混合驅(qū)動節(jié)能系統(tǒng)

液壓－電動混合型動力采用液壓驅(qū)動進(jìn)行模具的開閉和提供鎖模力，而塑化和注射動作則由伺服電機(jī)驅(qū)動完成。此種方式既具有全電動注射成型機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，又保留了液壓機(jī)械式注射成型機(jī)的性能?？稍谔峁┹^大合模力的情況下實(shí)現(xiàn)較低的機(jī)器制造成本和較高的注射精度;由于液壓系統(tǒng)只承擔(dān)合模和鎖模動作，降低了泵源的裝載功率。注塑機(jī)成形能耗約70%消耗在塑化上，而采用擁有高效率伺服電機(jī)的液壓－電動混合驅(qū)動系統(tǒng)，極大的提高了注塑機(jī)的能量利用率。

2.2 注塑機(jī)液壓系統(tǒng)降噪

液壓系統(tǒng)對工作環(huán)境產(chǎn)生的噪聲污染可分機(jī)械噪聲和流體噪聲。其中機(jī)械噪聲又分為兩種:①液壓系統(tǒng)中高轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動部件不平衡，導(dǎo)致油箱和管路共振而發(fā)出的噪聲。②機(jī)械零件設(shè)計(jì)制造缺陷以及不合格裝配而引起的高頻噪聲。為了降低機(jī)械噪聲，應(yīng)對轉(zhuǎn)子進(jìn)行動平衡試驗(yàn)測試，并在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時采用防止其發(fā)生共振的措施;選用噪音較小的柱塞泵;嚴(yán)格保證制造和安裝的質(zhì)量，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更應(yīng)科學(xué)合理。而流體噪聲是由油液流速、壓力的突變、流量的周期性變化以及泵的困油、氣穴等原因引起的，在液壓系統(tǒng)噪聲中占很大比例［4］。對于此類噪聲，應(yīng)在易產(chǎn)生沖擊的部位附近設(shè)置蓄能器，以吸收壓力波，減緩沖擊;在不犧牲系統(tǒng)性能的條件下盡量使用大管和軟管等。

2.3 注塑機(jī)液壓系統(tǒng)防漏和防污染

注塑機(jī)液壓系統(tǒng)的防漏、防污染主要是在選擇液壓元件和裝配時采用合理的方法。其中，插裝閥的選擇則能滿足要求。用插裝閥構(gòu)成的液壓系統(tǒng)具有通流量大、密封性好、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、體積和質(zhì)量小的優(yōu)點(diǎn)。

常見的二通插裝閥的原理圖如圖3所示，閥蓋的底面安裝在閥體上，頂面作為先導(dǎo)閥的安裝面，內(nèi)部鉆有各種通道或插裝各種先導(dǎo)閥元件，先導(dǎo)元件通常是電磁換向閥元件組成。

圖3 二通插裝閥的原理圖

插裝閥的應(yīng)用很廣，如圖4液壓原理圖為華意機(jī)械預(yù)試驗(yàn)的液壓系統(tǒng)中的托模油缸模塊，其應(yīng)用在1 800 t的橡膠注射機(jī)上。雖然該模塊所在的液壓系統(tǒng)其動力源仍為定量泵+PQ閥，仍產(chǎn)生一部分溢流損失，經(jīng)過改進(jìn)，大量采用換裝了插裝閥的模塊后，使得該注塑機(jī)液壓系統(tǒng)的性能明顯提升。插裝閥給該系統(tǒng)帶來的優(yōu)勢有:①完全滿足對高壓、大流量低液阻的要求，降低了整個系統(tǒng)所產(chǎn)生的回油背壓和油溫。②插裝閥的集成塊結(jié)構(gòu)緊湊、內(nèi)部流道短、彎道少、阻力損失少以及安裝維修方便，使該系統(tǒng)高度集成。③控制特性良好，可實(shí)現(xiàn)無泄漏控制，系統(tǒng)效率高。④抗污染能力強(qiáng)，能提高該系統(tǒng)的可靠性。

圖4 華意機(jī)械注塑機(jī)托模油缸模塊液壓原理圖

在注塑機(jī)液壓系統(tǒng)防漏、防污染設(shè)計(jì)和裝配時，除了須選擇合理的元件外，還可采取以下措施:①為了減少泄漏，應(yīng)盡量使用高黏度的工作油;同時要根據(jù)密封特性，正確地選用密封圈。②在節(jié)流閥前后裝上精濾油器，通過過濾作用清除系統(tǒng)油液中的污染物，保證油液的清潔度，而采用何種精度的濾油器則取決于系統(tǒng)對控制速度的要求。③注塑機(jī)組裝必須在清潔的環(huán)境中進(jìn)行，所有元器件必須采用干裝配方式。裝配后還要選擇與工作介質(zhì)相容的沖洗介質(zhì)多次清洗。④在注塑機(jī)正常投入使用之前，新液壓油要經(jīng)過靜置沉淀、過濾處理后才能加入到液壓系統(tǒng)中［5］。

3 結(jié)語

目前，高響應(yīng)的交流伺服電機(jī)驅(qū)動定量泵系統(tǒng)由于成本過高，在注塑機(jī)上的應(yīng)用并不普及，有待于低成本、高速高效率液壓泵的研發(fā)。采用變頻電機(jī)節(jié)能的系統(tǒng)響應(yīng)速度慢、小流量狀態(tài)下節(jié)能效果也沒有變量泵系統(tǒng)好。

全電動驅(qū)動系統(tǒng)的注塑機(jī)在高技術(shù)含量的精密注射成形方面有較好的發(fā)展前景，容易滿足于對高端產(chǎn)品的加工?，F(xiàn)階段注塑機(jī)節(jié)能技術(shù)應(yīng)用的主要方向應(yīng)為對比例變量泵控制技術(shù)的普及運(yùn)用以及不斷地改善和提高。同時也要努力地推動全電動注塑機(jī)、新變頻控制方式的開發(fā)與研究。

［1］ 劉志峰，劉光復(fù).綠色設(shè)計(jì)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

［2］ 鐘汗如.注塑機(jī)控制系統(tǒng)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

［3］ 張友根.變頻調(diào)速技術(shù)在注塑機(jī)上的應(yīng)用［J］.變頻器世界，2005(6):96－98.

［4］ 張友根.降低注塑機(jī)噪聲技術(shù)［J］.中國塑料，1987(2):15.

［5］ 仇學(xué)軍.液壓系統(tǒng)防漏［J］.機(jī)電設(shè)備，2001(2): 43－44.

Straregy and Prospect of Green Design of Hydraulic System in Plastic Injection Machine

LI Jian，LI Lan
(School of Mechanical Engineering，University of South China，Hengyang Hunan 421001，China)

Green design of hydraulic system in plastic injection machine includ energy saving，noise reduction，leakage protection and pollution protection，etc，which have certain technology to achieve.The green design，dvantages and disadvantages of hydraulic system are described to injection molding machine in detail，and the auther give the aclvice that should be based on the technology of injection molding products，research and development level of the key equipment，choosing the suitable energy－saving technologies to improve the cost performance.

plastic injection molding machine;hydraulic system;green design

TH122

A

1007－4414(2013)05－0185－03

2013－07－21

黎 堅(jiān)(1987－)，男，湖南長沙人，在讀碩士，研究方向:流體傳動學(xué)。