綠色創(chuàng)新的高射速塑料包裝注塑機(jī)的液壓系統(tǒng)

沈良聰

（寧波市海達(dá)塑料機(jī)械有限公司）

綠色創(chuàng)新的高射速塑料包裝注塑機(jī)的液壓系統(tǒng)

沈良聰

（寧波市海達(dá)塑料機(jī)械有限公司）

分析了高射速塑料包裝注塑機(jī)的液壓系統(tǒng)的綠色性能特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)例研究了高射速塑料包裝注射機(jī)的液壓系統(tǒng)的綠色創(chuàng)新，創(chuàng)新了蓄能器及電液比例流量閥的選用準(zhǔn)則及計(jì)算理論，實(shí)例表明綠色創(chuàng)新蓄能器動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)注射速度達(dá)到350mm/s以上、綠色創(chuàng)新高性能動(dòng)態(tài)響應(yīng)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)縮短了成型周期約35%。高性能電液比例流量傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)注射轉(zhuǎn)保壓的位置誤差 ，穩(wěn)定了成型質(zhì)量。

塑料包裝注塑機(jī) 液壓系統(tǒng) 綠色創(chuàng)新 高射速

前 言

資源節(jié)約型注射成型薄壁塑料包裝制品越來越得到廣泛的應(yīng)用，“薄壁化”塑料包裝制品注射成型對(duì)實(shí)現(xiàn)超高注射速度的液壓系統(tǒng)的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的節(jié)能高速成型性能綠色要求越來越高，“高效化”高速成型周期對(duì)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能要求也越來越高，綠色創(chuàng)新塑料包裝注塑機(jī)的液壓系統(tǒng)成為持續(xù)發(fā)展高射速塑料包裝注塑機(jī)的核心技術(shù)的研究重點(diǎn)[1]。本文分析了高射速塑料包裝注塑機(jī)的液壓系統(tǒng)的綠色性能特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)例研究了高射速塑料包裝注射機(jī)的液壓系統(tǒng)的創(chuàng)新創(chuàng)新，創(chuàng)新了蓄能器及電液比例流量閥的選用準(zhǔn)則及計(jì)算理論，實(shí)例表明綠色創(chuàng)新蓄能器動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)注射速度達(dá)到350mm/s以上、綠色創(chuàng)新高性能動(dòng)態(tài)響應(yīng)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)縮短了成型周期約35%，持續(xù)薄壁綠色塑料包裝制品資源節(jié)約型“薄壁化”的發(fā)展。

1 高射速塑料包裝注塑機(jī)液壓系統(tǒng)的綠色性能特點(diǎn)

現(xiàn)階段液壓式為保鮮盒等類塑料包裝注塑機(jī)的主要?jiǎng)恿︱?qū)動(dòng)及傳動(dòng)形式[2]。普通保鮮盒等類塑料包裝制品注塑機(jī)的液壓驅(qū)動(dòng)形式一般只能達(dá)到設(shè)備的注射速度約為150mm/s，用于薄壁保鮮盒的壁厚0.40mm以上、成型周期7s以上的成型。

高射速塑料包裝注塑機(jī)液壓系統(tǒng)適應(yīng)保鮮盒等類薄壁塑料包裝制品資源節(jié)約型“薄壁化”、能源降耗型“高效化”注射成型的綠色發(fā)展。

注射速度和成型周期取決于液壓系統(tǒng)的性能。高射速塑料包裝注塑機(jī)液壓系統(tǒng)的綠色性能實(shí)現(xiàn)“高射速”的兩項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)：250-450mm/s的超高注射速度；3-5s的高速成型周期。

2 高射速塑料包裝注塑機(jī)的液壓系統(tǒng)的綠色創(chuàng)新

高射速塑料包裝注塑機(jī)液壓系統(tǒng)的綠色創(chuàng)新以生態(tài)環(huán)境保護(hù)性能為準(zhǔn)則[3]，創(chuàng)新設(shè)計(jì)提高能源利用率、降低成型能耗等方面的低能耗、低污染、低排放、清潔化、高效化等綠色性能的綠色液壓系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高射速的兩項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。

本節(jié)以普通的塑料保鮮盒液壓式注塑機(jī)為例，綠色創(chuàng)新高射速液壓系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)“高射速”的兩項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。射出油缸為單缸式，雙出桿，射出行程S=135mm，注射缸注射腔最大容積VZ=1.6L。進(jìn)油腔面積與回油腔的面積二者之比約為2:1。液壓動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)配用威格士35V-38A葉片泵，流量為Q=121L/min≈2L/s 。注射時(shí)間0.88s，注射速度153.4mm/s，成型周期7s。綠色創(chuàng)新液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)“高射速”的技術(shù)指標(biāo)：注射速度350mm/s；成型周期5s。

2.1 綠色創(chuàng)新蓄能器動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高注射速度

蓄能器作為液壓大流量的主動(dòng)力驅(qū)動(dòng)源，降低系統(tǒng)裝載功率，實(shí)現(xiàn)能源節(jié)約型高的注射速度。

為滿足350mm/s的注射速度要求，常規(guī)的設(shè)計(jì)是液壓動(dòng)力源配備較大流量的油泵，但這會(huì)加大設(shè)備裝載功率，并且大流量只在高速注射時(shí)用到，其余工序并不需要大流量，用大流量油泵十分不經(jīng)濟(jì)；而且油泵排量及傳統(tǒng)系統(tǒng)流量兩者的越大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越大，不利于實(shí)現(xiàn)高速成型周期。為此，改用威格士3525V-35A-17雙聯(lián)葉片泵和一件蓄能器（見圖1），大泵額定工作壓力14MPa，小泵額定工作壓力16MPa，大于蓄能器的最大工作壓力15MPa，專供蓄能器充液。根據(jù)薄壁容器的注射工況，為避免油泵與蓄能器同時(shí)供液時(shí)干擾，射出排放時(shí)由蓄能器單獨(dú)供油，即蓄能器為注射過程的液壓動(dòng)力的主驅(qū)動(dòng)源。

2.1.1 注射速度分析

本節(jié)對(duì)液壓動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的注射速度的理論計(jì)算中相關(guān)參數(shù)，進(jìn)行新的定義，以得到更符合實(shí)際及精確的注射速度值。

注射運(yùn)動(dòng)指注射活塞動(dòng)態(tài)響應(yīng)運(yùn)轉(zhuǎn)到結(jié)束的過程，以此定義，注射速度指注射行程與在此過程中產(chǎn)生的消耗時(shí)間之比，液壓動(dòng)力源和注射控制閥出油口之間的傳動(dòng)效率產(chǎn)生的時(shí)間消耗、液壓傳動(dòng)鏈中液壓閥的響應(yīng)時(shí)間產(chǎn)生的時(shí)間消耗均與注射時(shí)間不相關(guān)，即與注射速度不相關(guān)，僅與成型周期相關(guān)。傳統(tǒng)注射速度理論計(jì)算中，把液壓動(dòng)力驅(qū)動(dòng)源和注射缸進(jìn)油閥之間的產(chǎn)生的時(shí)間消耗作為機(jī)構(gòu)傳動(dòng)效率放入注射速度的計(jì)算參數(shù)，不符合注射速度的定義。注射活塞構(gòu)件運(yùn)動(dòng)起終點(diǎn)受到密封副的摩擦阻力，有一段主要取決于密封副的性能的動(dòng)態(tài)響應(yīng)的緩慢運(yùn)動(dòng)的消耗時(shí)間，影響到注射時(shí)間，即影響到注射速度。

注射速度v：

式（1）中：

v：注射速度；

S：注射行程；

tz：液壓動(dòng)力驅(qū)動(dòng)注射活塞運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間。

液壓動(dòng)力驅(qū)動(dòng)注射活塞運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間，tz：

式（2）中：

t1：液壓動(dòng)力驅(qū)動(dòng)注射運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間；

t2：注射活塞構(gòu)件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間。

式（3）中：

Vz：注射缸容積，L；

本例中，注射活塞構(gòu)件的密封件為通用聚氨酯，考慮注射活塞構(gòu)件的慣量等要素，t2=80ms=0.08s。

由式（2），液壓動(dòng)力驅(qū)動(dòng)注射活塞運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間：

由式（1），注射速度：

上例的注射速度不能滿足350mm/s以上的薄壁高射速的注射速度要求。

2.1.2 蓄能器工作技術(shù)參數(shù)的確定及蓄能器的選用

蓄能器工作壓力的確定。提高蓄能器的工作壓力，有利于提高蓄能器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。蓄能器最低工作壓力P1=11MPa，最大工作壓力P2=1 5MPa，大于系統(tǒng)14MPa的額定壓力。

蓄能器預(yù)充氣壓力的確定。從保護(hù)膠囊和延長其使用壽命角度出發(fā)，預(yù)充氣壓力P0：

降低預(yù)充氣壓力，有利于提高蓄能器的綠色周期壽命，減少資源消耗。整合因素，預(yù)充氣壓力取P0=6MPa。

蓄能器總?cè)莘e的確定，V0：

上式中：

k：絕熱指數(shù)，蓄能器用于射出快速放液時(shí)，工作時(shí)間小于1s，可看作絕熱過程，k=1.4；

P0：預(yù)充壓力，MPa，本例P0=7MPa；

P1：最低工作壓力，MPa，本例P1=11MPa；

P2：最大工作壓力，MPa，本例P2=15MPa。

所需蓄能器總?cè)莘e，由式（4）：

由式（2）計(jì)算結(jié)果，采用總?cè)莘e16L蓄能器一件：NXQ-16/31.5：充液容積16L，額定工作壓力31.5MPa。

2.1.3 蓄能器綠色工作性能分析

本例中，因蓄能器規(guī)格關(guān)系，蓄能器總?cè)莘e實(shí)際需要12.4L，而選用了16L，在額定工況下，由式（4），放液量：

蓄能器放液量可達(dá)到2L，大于實(shí)際需要的1.6L，保證了系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性、可靠性、安全性。

2.2.1.3 蓄能器動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的注射速度分析

蓄能器工作排放時(shí)間。NXQ-16/31.5蓄能器最大排放流量速度qp=6L/s（360L/min）。

蓄能器工作放液總時(shí)間，包括動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間和放油時(shí)間，tp：

式中：

t3：蓄能器放油時(shí)間。

t4：蓄能器放油響應(yīng)時(shí)間s，本例中，氣囊式蓄能器響應(yīng)時(shí)間≤25ms，取t40.025s。

由式（5），本例蓄能器放液時(shí)間tp：

tp=t3＋t4=0.267+0.025=0.292s

驅(qū)動(dòng)注射活塞運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間，包括蓄能器放液時(shí)間和注射活塞構(gòu)件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間tz：

tz=tp+t2=0.282+0.080=0.362s

由式（1），注射速度：

能滿足射出時(shí)最高注射速度250mm/s以上的設(shè)計(jì)要求。

2.2 綠色創(chuàng)新高性能動(dòng)態(tài)響應(yīng)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高速成型周期

液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間是成型周期的主要組成部分。高速成型周期，液壓傳動(dòng)系統(tǒng)必須具有高速動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。以動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能為指標(biāo)，從液壓元件的選用、傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等方面，創(chuàng)新高性能動(dòng)態(tài)響應(yīng)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高速成型周期。

2.2.1 創(chuàng)新高性能性能電液比例流量應(yīng)用技術(shù)提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能

其中流量方向閥的動(dòng)態(tài)反映性能是實(shí)現(xiàn)高速成型周期的關(guān)鍵。

常規(guī)液壓系統(tǒng)應(yīng)用的P/Q壓力和流量復(fù)合的雙比例閥，響應(yīng)時(shí)間250ms以上，而且中位定位偏差大，不能達(dá)到成型周期3～5s的指標(biāo)。

高動(dòng)態(tài)響應(yīng)高性能電液比例方向節(jié)流閥的響應(yīng)時(shí)間50ms以下，最先進(jìn)的響應(yīng)時(shí)間10ms以下。應(yīng)用高動(dòng)態(tài)響應(yīng)電液比例方向節(jié)流閥才能實(shí)現(xiàn)高速成型周期，創(chuàng)新電液比例方向節(jié)流閥的應(yīng)用技術(shù)持續(xù)發(fā)展高射速塑料包裝注塑機(jī)的綠色液壓傳動(dòng)系統(tǒng)。

2.2.1.1 高動(dòng)態(tài)響應(yīng)電液比例流量技術(shù)在高速成型周期液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用技術(shù)分析

高速成型周期的射出與保壓的切換點(diǎn)由位置確定，同時(shí)應(yīng)配合高精度電子尺及掃描速度快的PLC控制器，需選用響應(yīng)時(shí)間應(yīng)50ms級(jí)的電液比例方向節(jié)流閥，并同時(shí)具有很好的減速功能，停止位置重復(fù)性好，保證整個(gè)過程的精確可控，控制射出的整個(gè)過程，實(shí)現(xiàn)速度控制的一個(gè)設(shè)置點(diǎn)到另一個(gè)設(shè)置點(diǎn)的光滑過渡，保證穩(wěn)定熔體表面速度以制造出期望的分子取向及最小的內(nèi)應(yīng)力。

電液比例技術(shù)的發(fā)展為實(shí)現(xiàn)高速成型周期的綠色液壓傳動(dòng)系統(tǒng)創(chuàng)造了條件。電液比例方向節(jié)流閥的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性均己和工業(yè)伺服閥無異，頻寬達(dá)到3～5Hz，滯環(huán)在1～3%之間，完全符合高速注射的動(dòng)態(tài)反映性能的要求。系統(tǒng)的節(jié)能效果好，使用條件、保養(yǎng)和維護(hù)與一般液壓閥相同，大大地減少了由污染而造成的工作故障，提高了液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性和可靠性。

2.2.1.2 高動(dòng)態(tài)響應(yīng)電液比例流量閥工作技術(shù)參數(shù)的確定及電液比例流量閥的選用

本例中，根據(jù)高速成型周期的指標(biāo)，用高性能電液比例方向節(jié)流閥代替昂貴的高精度伺服閥來進(jìn)行注射過程的控制，降低制造成本，選用了力士樂高性能的4WRKE型電液比例方向節(jié)流閥來作控制系統(tǒng)的流量的方向和大小。力士樂4WRKE型電液比例方向節(jié)流閥是一種先導(dǎo)節(jié)流型位移——電反饋比例方向節(jié)流閥，這類閥的突出優(yōu)點(diǎn)是，反饋增益調(diào)節(jié)十分方便，并可采用PID或狀態(tài)反饋調(diào)整，以改善其穩(wěn)、動(dòng)態(tài)特性，可以滿足設(shè)計(jì)要求。選時(shí)需注意閥芯機(jī)能和通徑。

本例中，注射油缸進(jìn)油腔和回油腔的面積比約是2:1，按力士樂樣本，閥芯應(yīng)選E1型，流量機(jī)能特性如下：

使用時(shí)應(yīng)注意A口與活塞環(huán)形面積大者相連，不能接反。

通徑選擇時(shí)，不能按額定流量來選，必須結(jié)合實(shí)際工況（負(fù)載壓力的大小及相應(yīng)流量），利用流量公式反推能通過的最大流量，使最大流量接近于與100%額定電流相對(duì)應(yīng)，即盡可能大地利用閥芯行程，以擴(kuò)大調(diào)節(jié)范圍、提高控制性能[4]。

以下試計(jì)算理想狀態(tài)下要達(dá)到250mm/s，比例閥的額定流量與最大流量的對(duì)應(yīng)關(guān)系。射出時(shí)進(jìn)油腔面積是118cm2，由式（1）則系統(tǒng)流量至少：

比例閥流量公式：

式中：

按額定流量，選力士樂4WRKE16E1-125L型電液比例方向節(jié)流閥：帶集成式放大板（OBE），位置反饋。最高工作壓力35MPa，（閥壓差1MPa時(shí)）額定流量125mm/s，最大流量400mm/s，滯環(huán)≤1%，靈敏度≤0.5%，電輸入信號(hào)±10V，階躍響應(yīng)時(shí)間（0-100%）小于25ms。具有較高的響應(yīng)和很好的減速功能，能滿足系統(tǒng)工作的需要。

2.2.1.3 電液比例流量閥的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

電液比例流量閥注射控制的的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，與常規(guī)機(jī)型不同的是：4WRKE僅是節(jié)流閥，自身不能控制壓降，由流量公式可知，流經(jīng)閥的流量與閥的壓降有關(guān)，而射出過程中負(fù)載變化較大，必將引起速度的不穩(wěn)定，因此，在比例節(jié)流閥的進(jìn)口處，需引入定差減壓閥構(gòu)成進(jìn)口減壓型壓力補(bǔ)償器，使比例節(jié)流閥的壓降保持為常數(shù)。由于比例節(jié)流閥有A、B兩個(gè)出油口分別用于射退和射出，必須加一個(gè)電磁方向閥確保檢測壓力來源正確。另外，4WRKE16E1-125L的中位機(jī)能是“O”型，即P、T、A、B全不通，作預(yù)塑動(dòng)作螺桿后退時(shí)，油缸射退腔無法通過它從油箱補(bǔ)油，因此要并接一個(gè)單向閥作補(bǔ)油用（見圖1），彈簧要選軟一點(diǎn)，以免吸油不暢。

2.2.2 創(chuàng)新綠色模塊化液壓系統(tǒng)提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能液壓系統(tǒng)綠色模塊化

綠色模塊化液壓系統(tǒng)有利于減小液壓傳動(dòng)管路的容積，提高傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，實(shí)現(xiàn)高速成型周期的主要因素。同時(shí)有利于提高系統(tǒng)的保養(yǎng)及維護(hù)的綠色性能。根據(jù)主油路和各執(zhí)行油缸的功能，將液壓組件分成六大模塊：

1) 系統(tǒng)壓力流量模塊：用定量大泵+比例壓力流量閥控制回路，主要控制系統(tǒng)在整個(gè)工作周期中，各程序系統(tǒng)中油的壓力和流量，對(duì)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的速度和推力的大小及程序進(jìn)行控制。定量小泵專供蓄能器充液。

2) 注射控制模塊：該模塊主要是對(duì)注射/射退、射臺(tái)前進(jìn)/后退的動(dòng)作和程序進(jìn)行控制。

3) 預(yù)塑控制模塊：該模塊主要是對(duì)預(yù)塑、比例背壓的動(dòng)作和程序進(jìn)行控制。

4) 合?？刂颇K：該模塊主要是對(duì)合模、模具低壓保護(hù)、高壓鎖模、開模動(dòng)作和程序進(jìn)行控制，并有安全門液壓保險(xiǎn)回路。

5) 頂出控制模塊：該模塊主要對(duì)頂出、頂退、模具抽芯的動(dòng)作和程序的控制。

6) 蓄能器控制模塊：該模塊主要對(duì)蓄能器充液、放液的動(dòng)作和程序的控制。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，精確設(shè)計(jì)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)管路口徑，盡可能縮短液壓管路長度，模塊之間的連接盡可能采用硬管，模塊與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間為無管連接或短距離油管連接，以提高傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，縮短成型周期。

2.3 高性能動(dòng)態(tài)響應(yīng)液壓傳動(dòng)原理圖的綠色創(chuàng)新設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)中綠色元件、傳動(dòng)系統(tǒng)形式等確定后，簡約系統(tǒng)及元件，提高系統(tǒng)傳動(dòng)效率，減少液壓污染點(diǎn)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)高射速注射成型的高性能動(dòng)態(tài)響應(yīng)液壓傳動(dòng)原理圖（見圖1）。

圖1 高速注射的液壓系統(tǒng)原理圖

2.4 高射速塑料包裝注塑機(jī)的液壓系統(tǒng)的綠色創(chuàng)新的綠色成果

按上述綠色創(chuàng)新的高射速塑料包裝注塑機(jī)的液壓系統(tǒng)取代原液壓系統(tǒng)制造的樣機(jī)，經(jīng)實(shí)測，射出最高線速度以上，注射轉(zhuǎn)保壓的位置重復(fù)誤差，成型保鮮盒周期約為4.6s，縮短了約35%，制品質(zhì)量穩(wěn)定性有較大提高，成型質(zhì)量單位能耗有所降低，達(dá)到了綠色高速成型的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

結(jié) 論

運(yùn)用綠色技術(shù)的設(shè)計(jì)理念，高射速塑料包裝注塑機(jī)的液壓系統(tǒng)，創(chuàng)新應(yīng)用了高性能電液比例方向節(jié)流閥代替昂貴的高精度伺服閥來進(jìn)行注射過程的控制，降低了制造成本；用蓄能器提高注射速度，降低系統(tǒng)裝載功率，降低能耗，而不是配備大流量油泵引起能耗加大；保留鎖模機(jī)鉸的免潤滑石墨鑲嵌鋼套、潤滑系統(tǒng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)定量潤滑等，保持工作環(huán)境的潔凈度，減少對(duì)制品的污染點(diǎn)。

經(jīng)實(shí)際使用，該綠色創(chuàng)新設(shè)計(jì)是可行的。

[1] 張友根， Chinaplas2010功能化及專用化注塑機(jī)新技術(shù)［J］, 現(xiàn)代塑料加工應(yīng)用，2010，22（5）：55-59;

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Hydraulic system of green innovation for the high speed performance plastic packaging injection molding machine

Shen Liang cong
（Ningbo Haida Plastic Machinery Co., Ltd.）

Analysis of the green performance characteristics for high speed performance plastic injection molding machine hydraulic system , study the green innovation for high performance plastic injection machine hydraulic system combined with the examples, innovation of selection criteria and calculation theory for the accumulator and electro-hydraulic proportional flow valve, the example shows that the green innovation accumulator power drive system achieves the injection speed of 350mm/s and the green innovation high performance dynamic response hydraulic transmission system reduces the molding cycle by about 35%. The system position error of the injection end transfer holding pressure is 0.2mm, which stabilizes the molding quality.

plastic packaging injection molding machine hydraulic system green innovation high speed injection