0    引言

        大型立式注塑机的能耗主要表现在液压动力驱动系统，提高液压动力驱动系统的效率、降低液压动力驱动系统的装载功率、减少无效能耗，是大型立式注塑机节能的主要研究重点。大型立式注塑机的液压动力驱动系统主要特点是由多个液压动力驱动单元组成，不同于单一液压驱动单元的中、小型立式注塑机。因此，大型立式注塑机节能的液压动力驱动系统的开发，是对整个液压动力驱动系统的分析研究。本文根据作者对大型立式注塑机节能的液压动力驱动系统开发研究的一些成果，进行进一步的探讨，并对大型立式注塑机节能液压动力驱动系统的科技进步，提出一些作者的观点。

1    大型立式注塑机液压动力驱动系统能耗分析

        立式注塑机的加工工作循环周期，一般分为低压移模、高压锁模、高压开模、变速（压）注射、多级压力保压、多级速度塑化、顶出（退）、制品冷却、抽芯、制品取出等几个阶段，各个阶段所需的工作压力与工作流量相差很大，处于周期性的不断变化负载的工况，例如，塑化阶段一般需要系统的最大流量，制品冷却时间，不需要系统的动力供给。大型立式注塑机成形大形制品，工作压力与工作流量周期性变化范围更大，特别是制品的保压及冷却时间更长，所以节能对大型立式注塑机尤为重要。大型立式注塑机动力驱动系统的装载功率很大，至少有55kW，甚至达到近400kW。执行机构的动力来自液压动力驱动系统，使液压动力驱动系统提供的动力匹配于执行机构所需的动力，尽量减少能量的损失，系统即达到最佳的节能状态。

2    大型立式注塑机多泵液压动力驱动泵源节能系统

        大型立式注塑机液压动力驱动系统的节能是大型立式注塑机液压系统节能的最主要研究对象。大型立式注塑机的液压动力驱动泵源一般由多个液压驱动泵源系统组成，以达到系统工作所需流量。其中一个小泵为成形周期中一直工作的动力驱动主泵，其余间歇工作的辅助多泵与主泵组合，达到系统各步成形速度的要求。因此，对大型立式注塑机液压动力驱动系统的节能的分析研究，主要是对驱动小泵的节能分析研究，以及对辅助多泵和驱动小泵之间节能匹配的分析研究，其次对辅助多泵自身的节能分析研究。本文以较为典型的四泵液压动力驱动泵源作为大型立式注塑机多泵液压动力驱动泵源节能系统分析研究对象。

2.1    主驱动小泵的节能系统分析研究

        主驱动小泵的节能分析研究是大型立式注塑机多泵液压动力驱动泵源节能系统的主要研究对象，直接关系到系统的能耗性能和系统的低速性能。不管多大的立式注塑机，不间断工作的必定是小泵作为主驱动。提高驱动性能，主要在主驱动小泵源系统上的科技进步。对多泵液压动力驱动泵源节能系统的分析研究，首先从主驱动小泵源系统的节能上切入分析研究，然后再考虑整个多泵液压动力驱动泵源系统的节能。通过节能的科技进步，达到提高液压动力驱动泵源系统和整合的性能。

2.1.1    多泵共用比例阀调速的动力组合驱动系统

        一般大型立式注塑机的液压动力驱动泵源为多个定量驱动泵源系统组成，油路中一般采用比例阀（调速及调压），以达到系统的成形要求。多个定量泵共用P/Q比例压力流量阀调速的常用动力驱动系统，其中一个为不间断工作的P1小泵为主泵，各泵的流量根据占总流量的比例按百分比排列，各泵工作时其流量通过P/Q比例阀进入系统，在比例阀两端的流量存在压差能量损失，特别在大流量情况下，能量损失较大。采用先导控制的P/Q比例阀，有助于降低Δp。其余匹配的液压泵不工作时，在低压额定转速下卸荷，产生溢流能耗。这种系统的主驱动P1小泵的排量的选择不受限制，为适应大型立式注塑机成形大型制品的冷却及保压时间长的特点，P1泵的排量尽可能选得小一点，以达到更好的节能效果。P/Q比例压力流量阀，在系统压力未达到调定压力前，通过阀的流量是衡定的，仅决定于比例节流阀的开口量；当达到调定压力时，通过阀的流量为零，且系统压力保持不变，显示出了在保压阶段系统不需要流量时良好的节能效果。

2.1.2    主驱动小流量泵比例调速的多泵动力组合驱动节能系统

        仅对其中一个小流量P1泵比例调速，P/Q比例压力流量阀设置在主小泵的驱动回路上，其余泵的流量根据工况与比例调速小泵的流量叠加组合，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，其于泵的工作流量进入系统中，均没有2.1.1所述系统的压差能量损失，提高了能量利用率。4个泵可组成六挡速度，各挡速度成算术级数排列，每挡速度根据成形需要进行比例无级调节，流量损失仅为主小泵的比例调速的节流损失，系统的节流及压差损失，提高了能量利用率。由于仅对主小泵比例调速，减小了比例阀的规格，降低了成本，提高了应答灵敏度。同样的系统，流量比例阀的规格大大小于系统的流量比例阀的规格，大幅度降低了调速压差能耗。同样，其余匹配的液压泵不工作时，在低压额定转速下卸荷，产生溢流能耗。

2.1.3    主驱动小泵动力源负载敏感控制的多泵动力组合驱动节能系统

        负载敏感泵和定量泵结合的混合节能控制系统，利用负载敏感泵的节能性能达到系统节能，同时提高系统控制性能。负载敏感泵的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。控制流量由比例阀与检测变量泵偏心量的位移传感器构成的位置闭环系统完成。通过压力传感器补偿因泄漏造成的流量损失，使泵输出的流量在0～10V内与设定值信号成线性比例。控制系统压力由比例阀与压力传感器构成的电闭环回路完成，压力与流量两种控制状态的分离与转换由电子放大器根据设定信号自动完成。系统的输出流量由0增大到90％时，响应时间约为50ms；而由90％输出流量减小为0时，响应时间约为30ms，系统压力的动态响应时间当负载容腔为4L时，小于200ms，均与高性能的比例阀相当，因而完全适合于立式注塑机的过程控制。负载敏感比例泵节能液压系统，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。

        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，并且较大幅度提高了整机性能。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。同样，其余匹配的液压泵不工作时，在低压额定转速下卸荷，产生溢流能耗。

2.1.4    主驱动小泵动力源变频调速的多泵动力组合驱动节能系统

        主驱动小泵改为变频调速，也是一种节能及提高控制性能的措施。其余匹配的液压泵不工作时，在低压额定转速下卸荷，产生溢流能耗。

        大型立式注塑机成形制品的保压时间及冷却时间长，减少保压及冷却阶段的能耗是节能的关键。对于定量泵系统，在减少保压及冷却阶段减少能耗的关键是降低转速，以减小流量输出，达到节能。多泵的各泵采用变频调速的动力驱动系统，是节能的不错选择。大型立式注塑机为满足系统的流量需要及液压泵的实际，一般都采用双联泵，所以在系统还需设置比例调速，以满足成形各级速度的需要，但在保压及冷却过程中的节能效果是十分显著的。

        高压变频调速由于应用了先进的电力电子技术、计算机控制技术、现代通信技术和高压电气、电动机拖动等综合性领域的学科技术。变频器采用液晶显示数字界面，调整触摸式面板，可随时显示电压、电流、频率、电动机转速，可非常直观地显示电动机在任何时间的实时状态。精确的频率分辨率和高的调速精度，完全可以满足各种生产工艺工况的需要。高压变频器具有国际通用的外部接口，可以同可编程控制器（PLC）和工控机等各种仪表连接，并可以与原设备控制回路相连接，构成部分闭环系统，如与原DCS系统实现数据交换和联锁控制。具有电力电子保护和工业电气保护功能，保证变频器和电动机在正常运行和故障时安全可靠。电动机可实现软启动、软制动；启动电流小，小于电动机的额定电流；电动机启动的时间可连续可调，减少了对电网的影响。具有就地和异地操作功能，另可通过互联网实现远程监控功能。减少配件损耗，延长设备使用寿命，提高劳动生产效率。

        变频调节技术通过调节液压泵的转速，使动力机构的性能类似于变量泵节能系统，达到动力机构输出的流量与执行机构的流量相匹配，使流量的损失降到最低，即提高了能量利用率，达到了十分显著的节能效果。

        变频降低能耗的效果显著。由流体力学可知，耗电功率与其转速近似成立方关系，当要求调节流量Q下降时，转速成比例下降，液压泵的轴输出功率近似成立方关系下降，转速下降20%，则功率下降到51.2%；转速下降50%，则功率下降到12.5%。例如，55kW的电动机，当转速下降到原转速的1/2时，其耗电量仅为6.75kW；当转速下降到原转速的4/5时，其耗电量为28.16kW。

        动态功率因素补偿节能。普通液压立式注塑机的电动机的功率因素cosφ在0.6～0.8之间，应用了变频调速装置后，由于变频器内滤波电容的作用，使得cosφ≈1，从而减少了无功损耗，增大了电网有功功率。

        软启动节能。变频器的软启动功能使电动机的启动电流从零开始，实现软启动、软制动；最大值为电动机的额定电流的1.5倍，减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求。启动电流小，小于电动机的额定电流；电动机启动的时间可连续可调，减少了对电网的影响。延长密封件使用寿命。应用变频调速系统后，液压油温下降10～18℃，延长了密封件使用寿命。

        变频调速技术应用于立式注塑机上是实现节能的有益的尝试，并取得了一些成绩。变频调速装置是用相对较优的性能价格比取代变量泵的节能系统，但从变频调速装置与变量泵节能系统两者的性能来看，两者的节能效果相差不多，但两者对注射成型性能的影响，差别比较大，前者的性能明显低于后者。针对变频调速技术在立式注塑机上应用出现的问题，不断探索研究寻找解决方案，提高适应注射成形的性能。

        提高应答反映性能。注射成形各阶段频繁的速度变化，使液压泵驱动电动机频繁处于加减速工况下，由于磁滞效应及转动惯量的影响，响应速度慢（比例泵响应时间在100ms之内，变频调速响应时间需800～1000ms），导致了注射循环周期时期的增加，降低了生产效率，对高要求的制品难以成形。电动机转子质量比比例泵变量斜板的质量大许多，所以前者流量改变的响应时间大于后者的响应时间，不能适应多级速度变化的快速注射。通过实现变频器的输出频率和输出转矩解耦调节，达到变频器与注射过程各动作的最佳配合，以达到提高应答反映性能。

        变频调速运行可靠，操作简便，成本低，经济效益和社会效益显著。