注塑機液壓系統綠色設計的策略與展望*

黎 堅，李 嵐

(南華大學機械工程學院，湖南衡陽 421001)

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注塑機液壓系統綠色設計的策略與展望*

黎 堅，李 嵐

(南華大學機械工程學院，湖南衡陽 421001)

注塑機液壓系統的綠色設計包括節能、降噪、防漏和防污染等方面，每一個方面有特定的技術手段來實現。詳細地介紹了注塑機液壓系統的綠色設計及其優缺點，并提出應根據注射成形制品的工藝、關鍵設備的研發水平采取相適應的節能技術，以提高整機的性價比的建議。

注塑機;液壓系統;綠色設計

1 引言

注塑機又名注射成型機或注射機。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備。注塑機的動力系統是一種典型的多級速度、壓力控制系統。其一般工作循環如圖1所示。其中合模又包括慢速合模、快速合模、低壓保護、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 注塑機的工作循環圖

近年來由于汽車、建筑、家用電器、食品、醫藥等產業對注射制品日益增長的需要，推動了注射成型技術發展和提高。其中，注塑機液壓系統綠色技術的發展尤為明顯。經過綠色設計的注塑機液壓系統是按照環境意識設計與制造的系統，除了具有良好的工作性能之外，還能減少對環境造成污染，對實現工程塑料行業的可持續發展有重要意義［1］。

2 注塑機液壓系統綠色設計的策略

2.1 注塑機液壓系統節能

液壓系統節能設計的首要目的是保證系統的輸出功率要求，同時還要保證盡可能有效的利用能量，以達到高效、可靠運行的目的。目前，國內仍有相當一部分注塑機制造公司在使用定量泵與PQ閥(比例流量－壓力復合閥)組合控制方式，該控制方式主要應用在動作不是很復雜，對動作精度要求不是很高的設備中，如平板硫化機，其價格相對低廉，但動作不夠平穩，速度和壓力只有兩級控制。隨著技術的進步，液壓系統有了許多的不錯的改進和完善，但其主要的控制方式并沒有產生太大的變化，仍然存在較多的節流損失和溢流損失，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系統的功率損失相當大。隨著技術的進步，注塑機液壓系統發展出了負載敏感自適應控制、變頻調速控制等控制技術和純電驅動、液壓－電動混合等驅動技術，從而變得更加節能。

2.1.1 負載敏感自適應控制

負載敏感自適應控制采用的是比例變量泵系統。該系統性能優于已被廣泛使用的由定量泵與PQ閥組成的比例控制系統，成功地實現了系統所需的流量由閥控向泵控的轉變［2］。

該系統原理圖如圖2所示，其工作原理為:當負載的變化改變三通伺服閥5兩端的壓差時，柱塞6會推動變量柱塞泵1的斜盤轉動，改變其傾角，從而達到系統輸出流量與負載流量相匹配。

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

圖2 比例變量泵系統原理圖

2.1.2 變頻調速系統

傳統注塑機采用定量泵供油，供油量在額定的轉速下不變，而在注塑時各個動作對流量和壓力的需求是變化的，故當液壓系統壓力過高時，則會通過溢流調節的方式將多余的油經旁路流回油箱，造成很大的浪費，據實測有50%左右，而變頻調速系統就能很好地解決此問題［3］。原理是根據注塑機發出所需的馬達轉速，讓泵的油量輸出剛好能滿足液壓系統的需要，達到節能目的。

2.1.3 高響應交流伺服電機驅動定量泵系統

高響應交流伺服電機驅動定量泵系統是近年發展的一種先進的高性能節能系統，它的出現使得變頻調節液壓泵轉速中響應速度慢的問題得到了解決，也提高了電力的利用效率。

此系統中，伺服電機輸出轉速取決于系統流量需求的反饋，反應速度比伺服閥快4‰s，同時節流損失也很小;冷卻水需求量幾乎為0，對于保壓及冷卻時間長的制品，節能可達80%。保壓時電機處于停轉狀態，比負載敏感自適應控制系統更節能。

2.1.4 電動驅動系統

采用電動驅動系統的注塑機其主要優勢就是節能。伺服電機直接驅動執行機構提高了效率，能量利用率達到95%以上，比液壓注塑機節能25%～60%。由于專用伺服電機在塑化注射部分得到應用，塑化轉速、背壓、注射速度及注射壓力等注射參數的控制應答反映速度有很大的提高。電動注塑機的各項動態技術參數基本上無外界因素的干擾。

2.1.5 液壓-電動混合驅動節能系統

液壓－電動混合型動力采用液壓驅動進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驅動完成。此種方式既具有全電動注射成型機的優點，又保留了液壓機械式注射成型機的性能。可在提供較大合模力的情況下實現較低的機器制造成本和較高的注射精度;由于液壓系統只承擔合模和鎖模動作，降低了泵源的裝載功率。注塑機成形能耗約70%消耗在塑化上，而采用擁有高效率伺服電機的液壓－電動混合驅動系統，極大的提高了注塑機的能量利用率。

2.2 注塑機液壓系統降噪

液壓系統對工作環境產生的噪聲污染可分機械噪聲和流體噪聲。其中機械噪聲又分為兩種:①液壓系統中高轉速轉動部件不平衡，導致油箱和管路共振而發出的噪聲。②機械零件設計制造缺陷以及不合格裝配而引起的高頻噪聲。為了降低機械噪聲，應對轉子進行動平衡試驗測試，并在產品設計時采用防止其發生共振的措施;選用噪音較小的柱塞泵;嚴格保證制造和安裝的質量，產品結構設計更應科學合理。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，在液壓系統噪聲中占很大比例［4］。對于此類噪聲，應在易產生沖擊的部位附近設置蓄能器，以吸收壓力波，減緩沖擊;在不犧牲系統性能的條件下盡量使用大管和軟管等。

2.3 注塑機液壓系統防漏和防污染

注塑機液壓系統的防漏、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。用插裝閥構成的液壓系統具有通流量大、密封性好、結構簡單緊湊、體積和質量小的優點。

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，頂面作為先導閥的安裝面，內部鉆有各種通道或插裝各種先導閥元件，先導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

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

圖4 華意機械注塑機托模油缸模塊液壓原理圖

在注塑機液壓系統防漏、防污染設計和裝配時，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，應盡量使用高黏度的工作油;同時要根據密封特性，正確地選用密封圈。②在節流閥前后裝上精濾油器，通過過濾作用清除系統油液中的污染物，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對控制速度的要求。③注塑機組裝必須在清潔的環境中進行，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相容的沖洗介質多次清洗。④在注塑機正常投入使用之前，新液壓油要經過靜置沉淀、過濾處理后才能加入到液壓系統中［5］。

3 結語

目前，高響應的交流伺服電機驅動定量泵系統由于成本過高，在注塑機上的應用并不普及，有待于低成本、高速高效率液壓泵的研發。采用變頻電機節能的系統響應速度慢、小流量狀態下節能效果也沒有變量泵系統好。

全電動驅動系統的注塑機在高技術含量的精密注射成形方面有較好的發展前景，容易滿足于對高端產品的加工。現階段注塑機節能技術應用的主要方向應為對比例變量泵控制技術的普及運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、新變頻控制方式的開發與研究。

［1］ 劉志峰，劉光復.綠色設計［M］.北京:機械工業出版社，1999.

［2］ 鐘汗如.注塑機控制系統［M］.北京:化學工業出版社，2004.

［3］ 張友根.變頻調速技術在注塑機上的應用［J］.變頻器世界，2005(6):96－98.

［4］ 張友根.降低注塑機噪聲技術［J］.中國塑料，1987(2):15.

［5］ 仇學軍.液壓系統防漏［J］.機電設備，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(1987－)，男，湖南長沙人，在讀碩士，研究方向:流體傳動學。