3.2    节能注射塑化机构

3.2.1    单缸一线式节能高性能注射塑化机构

        单缸一线注射塑化机构塑化及注射时,仅单个活塞做轴向移动。双缸注射塑化时,双活塞带动塑化部件一起作轴向移动。相比之下,前者的移动摩擦力及阻力大大低于后者,同理,能耗也低,机器越大越明显。单缸一线注射塑化机构起动阻力小,不但降低了能耗,而且提高了起动灵敏度。

3.2.2    螺杆的节能

        注射螺杆在直径确定的条件下,与能耗有关的主要技术参数是螺纹升角(螺距)、螺槽深度、长径比等等。

        螺纹升角(螺距)对能耗的影响较大。螺纹升角增大,即增大螺距,减小了剪切力,塑化能耗下降,例如,加工HDPE,螺距由一个D增加到1.2D,塑化能耗约下降16%。在达到塑化质量的前提下,增大螺距,有利于降低能耗。现在一些螺杆头部结构上设计了混炼鱼雷区,以提高塑化质量。混炼鱼雷区的增加,增加了剪切力,同时降低了塑化能力,由此增加了能耗。所以,在达到塑化质量前提下,尽量不用混炼鱼雷区。螺杆长径比大,驱动扭矩增大,能耗增加,所以在保证塑化质量的前提下,尽量缩短长径比,也可通过在不减小长径比的情况下,设计合适的槽深,不增加塑化扭矩。

3.2.3    塑化传动机构的节能

        现在液压驱动的立式注塑机的塑化都用高效的低速高扭矩的液压马达直接驱动螺杆塑化,传动机构具有很高效率,所以塑化传动机构的能耗主要是液压马达的工作效率。叶片马达由其本身结构决定,工作效率不高。径向柱塞式马达工作效率高,但由于各个制造公司加工精度的差别,其工作效率有高低,直接关系到能耗效率的高低。

3.2.4    MC挤注混合节能注射塑化系统

        MC挤注混合节能注射塑化系统是指塑化由挤出螺杆完成、注射由柱塞完成。塑料原料经挤出塑化后,进入储料缸或直接进入注射储料,注射开始,柱塞推料进入模腔。这种系统应用于大型注塑系统,节能效果明显。开发的40000g超大型节能立式注塑机的MC节能注塑系统,不但突破了普通注塑系统的注塑量依赖于螺杆直径的约束,而且大幅度降低了注塑能耗。普通的卧式大型立式注塑机的注射塑化机构,普遍采用低速大扭矩液压马达直接驱动螺杆的一线式机构,这样为达到塑化量必须采用大直径的螺杆,而且在成形工艺上,螺杆塑化为间歇式工作,对塑化油马达的资源没有得到充分利用。本项目根据超大型立式注塑机的注射塑化的实际情况,把塑化与注射分为2个机构,塑化为电驱动,为减小塑化驱动功率以降低能耗,塑化为连续不间断,即设备在工作过程中,塑化不停止,45kW变频电机驱动直径100mm的挤出螺杆连续不间断塑化,塑化熔融料进入储料缸,与循环周期配合,达到40000g的塑化量,这样在达到塑化量的前提下,大大减小了塑化螺杆的直径,能量得到充分利用,同时大幅度降低了系统的装载功率及塑化驱动力,减小了熔融料的轴向温差。

3.3    节能运动结构

        节能运动结构是节能机构的辅助,合理的优化设计,不但能降低运动摩擦力,而且能提高运动机构的性能,是一种必不可少的设计。

        用滚动摩擦取代滑动摩擦,是节能运动结构常用的方式。拉杆与导套的往复运动副,常规采用普通的光壁式潤滑导套,易发生拉杆表面拉毛,应用滚珠导套取代光壁式潤滑导套,起到了提高运行精度降低摩擦力的功能。塑化注射移动结构,用直线导轨取代普通潤滑副,起到了降低运行摩擦力作用。尾板(后板)与机身导轨的滑动副的平面轴承改为滚动轴承,降低了移动摩擦力。

        改进润滑副性能,降低摩擦力。肘杆机构的销轴与钢套的旋转摩擦副,钢套由过去的普通的光壁式润滑套改为多孔式,同时降低了旋转摩擦力,提高了使用寿命。中、大型立式注塑机的移动模板与机身导轨之间的滑动支承装置,采用普通的机床斜铁式可调固定式的平面滑动结构,不但运性摩擦力大,而且运行性能不佳,设计为液压浮动自动调节平面滑动结构,减小了摩擦力,提高了移动模板的运行精度。

        提高润滑系统性能,降低摩擦力。有了良好的润滑副,必须要有良好的润滑系统性能,才能充分发挥优秀的低摩擦力低能耗的功能。

        合理的结构设计,减少摩擦副数量。有摩擦副,就有摩擦能耗;没有摩擦副,就不产生摩擦力。

3.4    节能液压结构

        肘杆合模机构的合模油缸设计成差动式,全液压合模油缸设计成充液式,高速注射采用蓄能器,是降低系统能耗的有效措施。研发的40000g超大型立式注塑机,合模油缸为充液式结构,达到快速移模,配备了8个100L的蓄能器,实现了高速注射和移模,注射速度高达4000g/s,大大降低了设备的装载功率,从而降低了无效功率的伸耗,系统装载功率仅为37kW。

4    节能动力驱动系统

        立式注塑机的最主要的能耗即是动力驱动系统的能耗,所以立式注塑机节能的重点即是提高动力驱动系统本身的能耗效率及驱动系统输出功率与执行机构运动功率达到自适应调节匹配,两者之间的能量利用率越高,即系统节能率越高,达到节省能源的功效。立式注塑机节能动力驱动系统是把有关节能驱动技术运用于立式注塑机上的技术。节能动力驱动系统是立式注塑机节能的主要研发课题。

        立式注塑机动力驱动系统一般有以下3种:液压驱动系统;全电子驱动系统;液电混合驱动系统。液压驱动系统是立式注塑机广泛使用的动力驱动系统,是节能动力驱动系统重点研究对象。从节能角度来说,全电子驱动系统和液电混合驱动系统是对液压驱动系统能量利用率不高的创新发展,是两种理想的节能驱动系统。长期以来,立式注塑机节能液压系统是重点研究的节能动力驱动系统。立式注塑机节能液压系统,正在从过去的流量比例和压力比例的双控制走向负载敏感自适应控制,走向变频调速控制、伺服控制及伺服闭环控制。节能驱动系统在高速生产时,却几乎无法显现节能的效果,只有需要长时间高保压的产品,节能效果才会明显,保压越长,节能效果越明显。但是,节能驱动系统在高速生产时,确显示出了提高注射成形性能的能力,高端的节能动力驱动系统是高端立式注塑机不可缺少的系统。

4.1    节能液压驱动控制系统

        立式注塑机成形各个阶段需要不同的压力和流量。对于油泵马达而言,注塑过程是处于变化的负载状态,提高能量效率,成为液压驱动系统节能的发展方向。

4.1.1    定量泵比例节能动力控制系统

        P/Q复合电液比例技术与定量泵组成节能动力驱动系统,是国内立式注塑机制造单位在中、小型立式注塑机上普遍使用的节能驱动系统。P/Q复合比例阀的技术特征是用三通型的比例调速阀控制速度,再在其上迭加比例压力先导阀控制系统压力,大大减少了元件数量、简化了结构,减少了管路能耗损失及节流能耗损失。但因采用定量泵供油,工作过程中始终存在与流量有关的能量损失,特别是保压过程中,这部分的流量能耗处于最大值。系统的应用,提高了立式注塑机的自动控制技术及注射成形性能,在成型制品工艺周期过程中所需冷却时间长的注射成型,节能明显,在节能与性价比方面具有一定优势。

        大型立式注塑机的比例技术与定量泵组成节能动力驱动系统。大型立式注塑机的液压泵源由多个定量泵组成,以达到系统工作所需流量。对于多泵与比例阀的如何搭配,直接关系到系统的能耗的高低。多泵与比例阀搭配有2种形式:一种是采用中、小型立式注塑机的P/Q复合电液比例技术与定量泵组成节能动力驱动系统的形式,总流量全部通过P/Q比例阀(或傍路P/Q比例阀),不论哪个泵的工作流量必须通过比例流量阀进入系统,这样,造成了流量压差能量损失,特别在大流量情况下,能量损失较大;另一种形式是仅对其中一个小流量泵进行比例调速,其于泵的流量根据工况与比例调速小泵的流量组合叠加,形成一条流量比例斜线,各个工况所需流量可在比例斜线上选取,这种比例流量调速,除比例调速的小泵外,其余泵的工作流量进入系统中,均没有达到第1种搭配形式的能量损失,提高了能量利用率。

        设计的合模力8000kN立式注塑机为例,泵源由5个定量泵组,分别为:比例调速小泵的排量为76,其余2个为排量76/152的双泵。2个双泵的4个泵的流量根据工况与比例调速小泵组合叠加,形成一条流量比例斜线,各个工况所需流量可在比例斜线上选取,这种比例流量调速,除比例调速的小泵外,其余泵的工作流量进入系统中,基本上没有流量的能量损失,提高了能量利用率。系统还可根据需要,减少工作泵的数量,不影响系统的调速性能。

4.1.2    节能负载敏感控制系统在立式注塑机上应用

        立式注塑机节能最有效的措施是动力机构和执行机构两者之间流量的自适应调节匹配。比例泵和电液比例阀结合的负载敏感泵节能控制系统,整个控制机构由差压控制型径向变量柱塞泵、含位置闭环的高速比例阀、以及压力传感器和位移传感器组成,提高了动态响应速度。液压动力输出随负载而同步化,其差值达到最小,基本上没有能量浪费,与定量系统相比,节能达到30%~60%,是理想的节能液压系统。

        设定的负载敏感泵输出流量,不一定能与需精确调节流量匹配,系统中还需增加流量调节阀,造成节流能耗损失。负载敏感泵与伺服阀组成闭环控制系统,可消除节流及管路的能耗损失,并且较大幅度地提高了整机性能。国内大多数单位,仅从节能方面考虑,用负载敏感泵取代定量泵与P/Q双比例阀,而没有进一步从负载敏感泵能提高整机性能方面考虑,系统的控制性能及节能特性没有得到进一步发挥。国际上先进的负载敏感泵控制系统,在塑化注射油路部分设置伺服阀,目的是与负载敏感泵共同组成一个高性能的闭环节能控制系统,在节能的同时,提高注射性能,但在国内塑机制造单位基本上没有得到推广应用。笔者在1985年设计的负载敏感泵与伺服阀组成的闭环控制系统的立式注塑机,经实际应用证明,在节能及性能两方面都取得了良好效果。