引  言

        液压动力驱动系统是立式注塑机最常用的一种系统,也是立式注塑机最主要的能耗所在。因此立式注塑机节能的重点在于提高液压动力驱动系统本身的能量利用效率,使驱动系统输出功率与执行机构执行功率达到自适应调节匹配,两者之间的能源利用率越高,系统节能效率也就越高。

        立式注塑机液压动力驱动系统一般有以下二种:全液压驱动系统;电液混合式驱动系统。液压驱动系统是立式注塑机最为广泛使用的动力驱动系统,也是节能动力驱动系统方面的重点研究对象。从节能角度来说,电液混合驱动系统是对能源利用率不高的液压驱动系统的创新发展,亦是理想的节能驱动系统。

1    节能全液压驱动控制系统

        利用立式注塑机加工产品的工艺过程一般分为锁模、射胶、熔胶、保压、冷却、开模等几个阶段,各个阶段均需不同的压力和流量。就液压泵及马达而言,注塑过程始终处于变化的负载状态,在装有定量泵的液压系统中,液压泵以恒定的转速提供恒定的流量,多余的液压油则通过溢流阀回流,此过程也称作高压节流。据统计,由高压节流造成的能量损失高达36%一68%。为此,减少节流损失以及提高能量利用效率,就成J液压驱动系统节能的发展方向。

1.1    流量压力双比例控制与定量泵组成的节能系统

        流量比例和压力比例控制的双比例控制节能技术是随着注射成形技术的发展及控制性能的提高而发展起来的。开关阀与定量泵组成的动力驱动系统不能满足注射成形的性能要求,而比例阀可实现灵活的无级调节,同时还具有节能的特性,在推广应用过程中,其节能的特性得到了不断的提高。

        中、小型立式注塑机的P/Q复合电液比例技术与定量泵相结合组成的节能动力驱动系统是国内立式注塑机制造厂家普遍采用的节能驱动系统。中、小型立式注塑机的液压泵通常为单泵或双泵,泵排出的流量全部要通过P/Q阀进行比例调节。P/Q复合比例阀的技术特征是用三通式的比例调速阀来控制速度,再在其上迭加比例压力先导阀控制系统的压力。与最初采用的由分离元件构成的系统相比较,该系统元件数量大幅度地减少了,结构简化了,同时管路及节流能耗也降低了。该系统的应用提高了立式注塑机的自动控制技术水平及其注射成形性能,在产品成型所需冷却时间较长的注射成型过程中,它的节能效果较为明显,在节能与性价比方面具有一定的优势,因此国产立式注塑机几乎全部采用了P/Q复合电液比例技术。

        大型立式注塑机的比例技术与定量泵组成了节能动力驱动系统。大型立式注塑机的液压泵源由多个定量泵组成,以满足系统工作所需流量。多泵与比例阀的搭配直接关系到系统能耗的高低。上述搭配有两种形式: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结合而组成的节能动力驱动系统形式,总流量全部要通过P/Q比例阀(或傍路P/Q比例阀)。由于各台泵的工作流量必须经比例流量阀进人系统,从而就造成了流量压差能量损失,尤其在大流量情况下,能量损失就会更大一些;另一种形式只对其中一台小流量的泵进行比例调速,其余泵的流量根据工况与比例调速小泵的流量组合叠加,形成了一条流量比例斜线,各种工况所需流量均可在这一比例斜线上选取。除比例调速的小泵外,其余泵的工作流量都要进人系统中,这种比例流量调速没有第一种搭配形式的能量损失,从而提高了能量的利用率。

        以合模力为8000kN的立式注塑机为例,泵源由五台定量泵组,分别是排量为76L的比例调速小泵,其余两组为排量76U152L的双泵。两组双泵中四台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,各种工况所需流量均可在比例斜线上选取,除比例调速的小泵外,其余泵的工作流量都要进人系统中,这种比例流量调速基本上没有与流量有关的能量损失,从而它的能量利用率得到了提高。该系统还可根据需要来减少工作泵的数量,这样做不会影响系统的调速性能。

1.2    负载敏感控制系统的应用

        立式注塑机最有效的节能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。由变量泵和电液比例阀相结合的负载敏感泵节能控制系统的整个控制机构由差压控制型径向变量柱塞泵、具有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,系统的动态响应速度因此得到了提高。流量的控制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来实现;压力传感器的变化量比例控制变量泵可补偿因泄漏造成的流量损失,使泵输出的流量在O一10V内与设定值信号成线性比例;系统压力的控制由比例阀与压力传感器构成的电控闭环回路来实现;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。增大到90%时,响应时间约为50ms;而由90%的输出流量减小为O时,响应时间约为30m,。系统压力的动态响应时间在负载容腔为4L时,小于200ms,它与高性能的比例阀相当,因而完全适用于立式注塑机的过程控制。负载敏感比例泵节能液压系统的液压动力输出与负载同步,因差值最小,所以基本上没有能量浪费。与定量系统相比较,节能达到了30~60%,是一种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要精确调节的流量相匹配,为此系统中还须增设流量调节阀,因此会造成节流能耗损失。负载敏感泵与伺服阀组成的闭环控制系统可消除节流及管路的能耗损失,并能较大幅度地提高整机性能。国内大多数厂家只从节能方面着想,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可提高整机性能方面作考滤,因此未能使系统的控制性能及节能特性得到充分的发挥。国际上先进的负载敏感泵控制系统在塑化注射油路部分中均已安装了伺服阀,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。该系统在节能的同时,还可以提高注射的性能,但在国内塑机制造行业基本上没有得到推广应用。早在1985年,作者就已设计成功了装有由负载敏感泵与伺服阀组成的闭环控制系统的立式注塑机。经实际使用证明,该机在节能及性能两方面都取得了良好的效果。

1.3    定量泵加变频电机系统

        采用变频调节技术可通过调节液压泵的转速使动力机构拥有类似于比例泵节能系统的性能,以实现动力机构输出流量与执行机构流量相匹配,从而降低流量损失。变频调节技术是利用立式注塑机同步信号及电气控制系统,并根据注塑成型的工艺要求将电液比例控制系统模拟成负载跟踪控制系统,使液压泵电机的转速与立式注塑机工作所需液压的流量及压力乘积成正比,将传统的定量泵改造成变频变量驱动系统,从而使溢流阀的回油流量减到最小,而且又无高压节流能量的损失,进而将传统有高压节流的“耗能型”立式注塑机升级为无高压节流的“节能型”立式注塑机。在立式注塑机原有的控制方式及油路不变情况下,原机通过改造,在立式注塑机上安装了变频节能器后,单机节能效果达到了30%一60%。慈溪市的200多家立式注塑机企业每年可节电600万千瓦时左右。

        厚壁制品所需的保压时间及冷却时间较长,采用变频调速设备应为首选。