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  • 注塑机伺服改造可行性分析报告

     、现况及改造原因

    发展伺服注塑机目的:节约资源、改善环境、降低成本、提升品质!

    从上世纪八十年代开始随着国民经济的飞速发展,注塑行业同时获得了飞速的发展。然而由于注塑设备高能耗的特点,在行业发展的同时,一方面给社会带来了沉重的能源压力与环境负担,另一方面企业也承受着高额的电费成本。进入21世纪后,随着能源问题与环境问题日益受到重视,及行业竞争日趋激烈,如何将一台“电老虎”般的高能耗注塑机变为一台“绿色的”环保节能型注塑机,从而降低能耗、降低生产成本,成为注塑企业迫切需要关注和解决的问题。

    众所周知,在注塑产品的成本的构成中,电费占了相当的比例,依据注塑机设备的工艺特点,传统的注塑机油泵电机耗电占整个设备耗电量的比例高达80%-90%,因此降低注塑机能耗的主要矛盾为:降低油泵电机的能耗。

    将一台普通注塑改造为一台电动—液压式伺服注塑机可以非常理想地实现这一目标。电动—液压式伺服注塑机是集液压和伺服驱动于一体的注塑机,它融合了全液压式注塑机的低成本和全电动式的高性能的优点,使用寿命上相当于全液压式注塑机,价格是全液压式注塑机的1.2倍左右,这种电动-液压相结合的节能型注塑机已成为国内注塑机技术发展的一个主导方向。将一台普通注塑机可以很方便地改造为一台电动—液压式伺服注塑机,虽然其投入相对于传统的变频改造、变量泵改造要高,但是其极高的节电能力、对机器精度的提高、生产效率的提高、合格率的提高等优异性能完全可以弥补这一不足,投入产出比相当可观,普通注塑机的伺服改造必将成为国内注塑机节能改造的主导方向。

    二、性能比较

    注塑机的工艺过程一般分为合模、锁模、射胶、保压、熔胶、冷却、松模、开模、取出等几个阶段,各个阶段需要不同的压力和流量。对于油泵电机而言,注塑过程的负载总是处于变化状态,在定量泵的液压系统中,油泵电机以恒定的转速提供恒定的流量,多余的液压油通过溢流阀回流,此过程称为高压节流,据统计由高压节流造成的能量损失高达36%-68%。

    目前主要的节能技术为变频节能技术,但变频节能技术仍有它的明显缺点,即:由于变频控制时电机响应速度限制,使得设备的生产效率有所降低;同时变频器控制电机低速运行时输出力矩不足,因而不能稳定工作在更低的转速下,使得节能效果大受影响。由于交流伺服具有杰出的速度、力矩控制特性,使伺服式油电混合节能注塑机在不同工作阶段都具备了变频系统所不具备的崭新特点,简述如下表:

    合模、锁模阶段:

    动作要求:合模动作尽可能快速动作,在模具到位时立即停止,防止模具到位时撞模,并且在模具移动时如出现异物卡模时及时停止移动。

    机型

    动作的实现

    能量消耗分析

    传统油压机

    采用调节阀门,部分流量进入开合模油缸推动锁模动作,其余流量经节流阀回流

    异步电机带动油泵以亚同步速转动,合模动作消耗部分流量,回流部分能量为浪费的能量

    变频式电液混合节能型

    变频器调节油泵的速度,油泵电机以适当的速度供油,流量回流很少

    锁模阶段油压较大而需要流量较少,但变频系统较难在低速下(10-20Hz以下)稳定运行,此阶段势必需要加大溢流,带来能量损耗。

    伺服式电液混合节能型

    伺服器调节油泵速度,供油速度等于推动合模油缸所需要的油量,完全没有溢流,并且可以精确控制合模动作的行程距离,在到位后自动实现锁模。在合模的过程中,伺服系统工作于带力矩限制的速度闭环控制模式,如果出现异物卡住模具导致阻力非正常增加时,电机会自动停止运行

    合模移动中电机效率可达85%以上,锁模阶段电机速度接近零速而最大出力不减,功率消耗最小。

    射胶阶段:

    动作要求:匀速射出,速度精度高,射出量精确控制,射满模腔后立即转为压力控制进入保压过程

    机型

    动作的实现

    能量消耗分析

    传统油压机

    采用调节阀门,部分流量进入射胶油缸推动射胶动作,其余流量经节流阀回流

    异步电机带动油泵以亚同步速转动,射胶动作消耗部分流量,回流部分能量为浪费的能量。由于射胶动作对压力和速度都有要求,因而电机负载较重,从电网取用功率很大,能量损失也比较大。

    变频式电液混合节能型

    变频器调节油泵的速度,采用多段速度控制,在不同的阶段,油泵电机以适当的速度供油,流量回流很少

    高速射胶阶段需要流量较大而且油压较大,溢流压力大流量小。此阶段能量消耗大,损耗较小。低速射胶阶段需要流量较小而且油压较大,溢流压力和流量都比较大。此阶段损耗较大。

    伺服式电液混合节能型

    伺服器调节油泵速度,速度调节可以脱离“多段速度”的思路,实现速度平滑给定控制。供油速度等于推动射胶动作所需要的油量,完全没有溢流,并且可以方便、精确控制射胶动作的行程距离。

    射胶阶段中电机效率可达90%以上,由于效率高并且没有溢流,所以此阶段能量消耗较大,但没有多余的消耗。

    保压阶段:

    动作要求:恒定压力控制,确保产品成型密度一致

    机型

    动作的实现

    能量消耗分析

    传统油压机

    控制高压节流阀调节压力,实现恒压控制

    异步电机带动油泵以亚同步速转动,所有流量均经节流阀回流。此时所需油压很大,电机从电网的取用功率很大,并且所有能量都被浪费

    变频式电液混合节能型

    变频器调节油泵的速度到能够输出所需出力的最低速度,大压力低速供油,所有流量全部经溢流阀回流。由于变频器低速运行性能欠佳,所以压力波动较大

    保压阶段需要的压力较大,由于变频器难以做到零速满力矩稳定运行,所以需要运行于较低转速(如10-20Hz以下),所有流量全部溢流。此阶段系统能量消耗不大,但全部为损耗。

    伺服式电液混合节能型

    伺服器调节油泵速度至接近零速,并且转入力矩控制,精确保持压力

    此时电机输出力矩较大,但转速接近零速,所以几乎不输出功率,从电网取用的功率仅几百瓦。

    熔胶、冷却阶段:

    动作要求:熔胶时进行速度控制,要求尽可能较快地将射台推出至适当的位置,同时螺杆将足够量的熔胶推出至射口处,并且要求射台推出时有一定的背压。为节省时间,熔胶与冷却一般同时进行,但如果冷却时间较长,会出现熔胶结束后仍需等待冷却的空等时间。

    机型

    动作的实现

    能量消耗分析

    传统油压机

    采用调节阀门,部分流量进入液压马达驱动螺杆,部分进入射胶油缸推动射台回程动作,其余流量经节流阀回流

    异步电机带动油泵以亚同步速转动,在熔胶阶段溢流较少,此时功率消耗较大,能量损失较少。但在“空等”时段,所有流量均经节流阀回流,功率消耗较大,所有能量都被浪费

    变频式电液混合节能型

    变频器调节油泵的速度至适当的供油速度,部分流量经溢流阀回流并由溢流阀调节压力。

    熔胶阶段需要流量和压力都较大,此时功率消耗较大,小部分流量溢流,能量损失较小。但到达“空等”时段,运动系统需要的流量为零,由于变频器难以做到零速满力矩稳定运行,所以需要运行于较低转速(如10-20Hz以下),所有流量全部溢流。此阶段系统能量消不大,但全部为损耗。

    伺服式电液混合节能型

    伺服器调节油泵速度至最佳速度,精确控制射台和螺杆速度。

    熔胶阶段需要流量和压力都较大,此时功率消耗较大,但实际效率接近90%,功率损耗很小。在到达“空等”时段时,运动系统需要的净流量为零,伺服器调节油泵速度至接近零速,并且转入力矩控制,稳定保持压力。此时电机输出力矩较大,但转速接近零速,所以几乎不输出功率,从电网取用的功率仅几百瓦。

    松模、开模阶段:

    动作要求:快速打开模具,动作快捷到位

    机型

    动作的实现

    能量消耗分析

    传统油压机

    采用调节阀门,部分流量进入开合模油缸推动松模、开模动作,其余流量经节流阀回流

    异步电机带动油泵以亚同步速转动,此阶段功率消耗较大,能量浪费较小

    变频式电液混合节能型

    变频器调节油泵的速度至适当的供油速度推动松模、开模动作,部分流量经溢流阀回流。

    此阶段需要流量和压力都较大,此时功率消耗较大,小部分流量溢流,能量损失较小。

    伺服式电液混合节能型

    伺服器调节油泵速度至最佳速度,快速控制松模、开模动作。

    此阶段需要流量和压力都较大,此时功率消耗较大,实际效率接近90%,功率损耗很小。


    采用伺服系统对油泵进行控制时,除了上表中列出的节能特点外,由于伺服能快速响应所给定的控制信号,并且能够在速度控制和力矩控制之间灵活地切换以实现运动控制或油压控制,所以工作周期也能有所缩短,注塑成品质量也有所提高。合理的供油量控制更减轻了冷却系统的负荷和功率损耗。

     、方案设置

    普通注塑机改为永磁同步伺服注塑机的方法

    1、液压及油路不变,可以去掉PQ阀(即比例流量阀)换装安全阀(溢流阀);

    2、电气:增加伺服驱动器,将原来给PQ阀的模拟量(流量和压力)信号给伺服驱动器,压力反馈信号给伺服驱动器的压力闭环控制接口;

    3、普通电机换为伺服电机,叶片泵换为内啮合齿轮泵(或螺杆泵、柱塞泵);

    4、压力闭环:在主油路(泵出口)处安装压力传感器(提升压力响应速度、精度及稳定性),压力传感器的反馈信号需为DC 0—10V

    SHAPE \* MERGEFORMAT

    伺服驱动器

    伺服电机




    伺服驱动系统结构图

    四、优 

    1、节能

    采用伺服系统的注塑机,系统压力、流量双闭环,液压系统按照实际需要的流量和压力来供油,克服了普通定量泵系统高压溢流产生的高能耗,在预塑、合模、射胶等高流量工作阶段电机按照设定的转速工作,在保压、冷却等低流量工作阶段降低了电机转速,油泵电机实际能耗降低了50%-90%;

    2、响应迅速,生产效率高

    伺服系统响应速度快,压力上升时间和流量上升时间快至30ms,提高了液压系统的响应速度,减少了动作转换时间,加快了整机的运行节拍;

    注塑机液压系统自动运行时,当有阀门打开时,系统压力会瞬间下降,伺服系统可以在30ms以内迅速补充油量,恢复压力至设定值;

    3、压力稳定精密

    伺服系统调节能力强,压力闭环控制模式使系统压力非常稳定,压力波动量低于±0.5bar,提高了塑料产品的成型质量;

    伺服系统还可以按照电脑设定的任意压力、流量曲线运行,为开发各种塑料产品的成型工艺创造了条件;

    4、重复精度高、省料、外形精度高

    伺服系统采用闭环转速控制,射台运动位置重复精度高,生产出的产品精度高,一致性好;克服了普通异步电机定量泵系统由于电网电压、频率等变化会带来转速变化,进而引起流量变化,使注塑产品成品率降低的缺点;

    同时由于注射与锁模精度的提高,制品重量偏移量降低,制品平均重量可降低,制品尺寸精度可提高;制品平均重量的降低,带来原材料的节约;

    5、油温温升低

        注塑机工作由开机至进入稳态,油温上升8℃-10℃,机器液压油无需冷却,降低了水资源的消耗,节约了冷却水系统容量,延长了整机特别是液压油、液压易损件(如油封)的寿命;

    6、噪声低

    液压系统的噪声在70dB以内,相对于全液压式注塑机降低了约10dB,改善了操作机器的现场环境;

    五、经济效益分析

    通过案例来说明注塑机伺服改造的经济效益。

     

    工艺特性

    产品特点

    节电率

    电机

    功率(kw)

    每小时

    节电量(kwh)

    产品

    净重(g)

    生产

    效率

    提高

    投入

    (万元)

    年直接

    收益

    (万元)

    案例一

    运行频率慢,冷却时间长

    厚壁产品,如管件

    90.38%

    18.5kw

    6.58

    41.8

    7.8%

    5.8

    4.35

    案例二

    运行频率普通,有一定的冷却时间

    一般产品,如蓄电池壳

    79.1%

    18.5kw

    8.23

    224

    4.6%

    6.2

    7.33

    案例三

    运行频率快,无冷却时间

    薄壁产品,如低压电器塑壳

    48.4%

    15kw

    4.4

    63.2

    1.4%

    4.8

    4.95

    案例四

    大型机,采用多泵、多电机

    大型塑料制品,如电视机壳

    70.9%

    45kw

    16.03

    636.68

    9.2%

    12.6

    14.62

    详见:《注塑机伺服改造案例》

    六、总结:

    将普通注塑机改造为伺服注塑机,虽然需要一定程度的投入,但是注塑机伺服改造在节约资源、改善环境、降低成本、性能提升方面都有较大回报。

    注塑机伺服改造无论对于企业还是社会,都应该大力提倡和发展!

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