（机械电子工程专业论文）无阀液压系统在注塑机中的节能应用分析.pdf

1 k 伍 i a n a l y s i so fe n e r g y - s a v i n ga p p l i c a t i o n o ft h ev a l v e l e s sh y d r a u l i cs y s t e mi ni n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n e b y z h a n g x u y a n b e ( l a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y ) 2 0 0 5 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro fs c i e n c e m e c h a t r o n i ce n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o ry a n gg u o l a i m a y ，2 0 1 1 凡 j 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：参舌坦彩、 日期：矽，年多月。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 日期：矽，年歹月l o 日 日期：伽zr 年月日 奉 积闰 管乙 彬巾 名名签签者师隆引 _ l 一 ， 高校教师硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 插图索引i 附表索引v 第一章绪论1 1 1 注塑成型技术1 1 1 1 注塑机1 1 1 2 注塑机的工作过程4 1 2 注塑成型技术节能研究现状5 1 2 1p q 阀控液压节能系统6 1 2 2 定量泵+ 变频电机的节能系统6 1 2 3 定量泵+ 交流伺服电机的节能系统7 1 3 国内外无阀液压系统的研究现状8 1 3 1 国内无阀液压系统的发展8 1 3 2 国外无阀液压系统的发展9 1 4 本课题的研究内容9 第二章注塑机变频节能原理分析1 0 2 1 无阀液压系统中电机和泵的选择1 0 2 1 1 无阀液压系统中电机的选择1 0 2 1 2 无阀液压系统中泵的选择1 3 2 2 注塑机变频节能原理分析1 4 2 2 1 注塑机工艺过程中的能量消耗1 4 2 2 2 注塑机变频节能的可行性分析1 5 第三章注塑机无阀液压系统的数学模型的建立1 6 3 1 系统的建模与仿真1 6 3 1 1 系统的建模1 6 3 1 2 系统的仿真1 7 3 2 交流异步电机的数学模型2 0 3 2 1 交流异步电机的调速原理2 0 3 2 2 基于矢量控制原理的交流异步电机的数学模型2 2 3 3 泵控缸系统的数学模型2 4 第四章注塑机无阀液压系统的仿真分析2 7 4 1 交流异步电机矢量变换控制系统仿真2 7 4 2 注塑机无阀液压控制系统的仿真2 8 结论与展望3 0 参考文献3 l 致谢3 3 附录( 攻读学位期间发表的论文) 3 4 盘 无阀液压系统在注塑机中的节能应用分析 摘要 针对注塑机在国内外塑料制品行业的广泛应用，分析了无阀液压系统在注塑机中的 节能应用。无阀液压系统也叫直驱式液压系统，即用调速电机直接驱动液压泵，实现对 液压系统的控制。这是一种全局性的新型液压调速方式，采用变频器、异步电机、定量 泵变量泵的形式，省去复杂的变排量机构，通过改变电机的供电频率来改变电机转速， 实现液压系统的流量调节，进而实现对液压系统的控制。其最重要的特点就是使用交流 调速电机代替传统的伺服阀，集成了液压系统和交流调速系统的优点，更加环保、省油。 论文的主要内容如下： 第一章概述注塑成型技术，分析了注塑机的节能关键技术以及国内外无阀液压系统 的研究现状。简要介绍了课题的研究意义，概括了本文的研究内容。 第二章针对适用于无阀液压系统的电机、液压泵类型和性能特点进行了比较，给出 在不同使用情况中电机和泵的选用情况，深入分析注塑机变频节能原理。 第三章应用矢量控制的基本原理，建立了交流异步电机的数学模型；并以交流异步 电机为执行电机，建立了注塑机交流调速模块和泵控缸模块的仿真模型。 第四章针对建立的交流调速模块和泵控缸模块的仿真模型进行仿真分析。结果表 明，运用交流调速电机控制液压泵控缸系统，完全可以替代传统的电液伺服阀较好地实 现对液压执行机构的控制。 第五章进行了总结和展望。 通过对无阀液压系统在注塑机中的节能应用分析，获得了一些有价值的研究成果， 对高性能注塑机的进一步相关研究工作具有很好的借鉴意义。 关键词：变频调速；变频器；异步电机；注塑机；定量泵；节能 i l p 。_ 。- l 。 - 。- 。_ _ - i - _ - - _ - _ - 一 高校教师硕士学位论文 a b s t r a c t a i m e da tw i d e l yu s e do fi n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n ei ni n d u s t r yo fp l a s t i cp r o d u c t s , t h e e n e r g y - s a v i n ga p p l i c a t i o no ft h ev a l v e - l e s sh y d r a u l i cs y s t e mi n 询e c t i o nm o l d i n gm a c h i n ei s a n a l y z e d t h ev a l v e l e s sh y d r a u l i cs y s t e mi sa l s oc a l l e dd r i v e rv o l u m ec o n t r o ls y s t e m ，w h i c h i sah y d r a u l i cs y s t e mt h a tp u m pi sd i r e c t l yd r i v e nb ys p e e dv a r i a b l ee l e c t r o m o t o rt oc o n t r o l t h eh y d r a u l i cs y s t e m t h i si san e w t y p eh y d r a u l i cs p e e dg o v e r n o rw i mf r e q u e n c yc o n v e r t e r ， a s y n c h r o n o u sm o t o r ，f i x e dd i s p l a c e m e n tp u m p o rv a r i a b l ec a p a c i t yp u m p t h em o s tf e a t u r e s o ft h eh y d r a u l i cs p e e dg o v e r n o ra r et ou s ea l t e r n a t i n gc u r r e n tm a c h i n ei n s t e a do fs e r v ov a l v e a n dc o m b i n et h eb e n e f i t so fb o t hh y d r a u l i cs y s t e ma n da cv a r i a b l es p e e ds y s t e ma n dm o r e e n v i r o n m e n t a l l yf r i e n d l ya n de c o n o m i c t h em a i np o i n t so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： c h a p t e r1 ，s u m m a r i z et h ei n j e c t i o nm o l d i n gt e c h n o l o g y ，a n a l y z et h ek e yt e c h n i q u eo f e n e r g y - s a v i n gi ni n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n ea n dt h er e s e a r c hs t a t u so f t h ev a l v e l e s sh y d r a u l i c s y s t e m g i v et h em a i np o i n t so ft h i sp a p e r c h a p t e r2 ，c o m p a r et h em o t o r sa n dt h ep u m p so ft h ev a l v e - l e s sh y d r a u l i cs y s t e m ， a n a l y z et h ep r i n c i p l eo ff r e q u e n c yc o n v e r s i o ne n e r g ys a v i n g c h a p t e r3 ，u s i n gt h ep r i n c i p l e o fv e c t o rc o n t r o l ，m a k em o d e l so ft h ea s y n c h r o n o u sm o t o r a n dt h ee q u i v a l e n tp u m pc o n t r o l l e dc y l i n d e r c h a p t e r4 ，s i m u l a t i o na n a l y s i s a n dt h er e s u l t ss h o wt h a tp u m p c y l i n d e rc o n t r o l l e db ya c a d j u s t a b l e s p e e dm o t o ri sw o r k i n gw e l li nc o n t r o l l i n gi n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n e c h a p t e r5 ，s o m ec o n c l u s i o na n dp r o s p e c t b ya n a l y s i so ft h ee n e r g y - s a v i n ga p p l i c a t i o no ft h ev a l v e - l e s sh y d r a u l i cs y s t e mi n i n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n e ，s o m ev a l u a b l er e s e a r c hf i n d i n g sa r ea c h i e v e d ，w h i c hc a np r o v i d e t h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a li n s t r u c t i o ni nt h es t u d yo fe n e r g y - s a v i n ga p p l i c a t i o no ft h ev a l v e - l e s s h y d r a u l i cs y s t e mi ni n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n e k e yw o r d s ：f r e q u e n c yc o n t r o l ；f r e q u e n c yc o n v e r t e r ；a s y n c h r o n o u sm o t o r ；i n j e c t i o n m o l d i n gm a c h i n e r y ：f i x e dd i s p l a c e m e n tp u m p ；e n e r g y - s a v i n g i i i 图1 1卧式注塑机1 图1 2 双曲肘内翻式合模机构原理图2 图1 3 顶出机构原理图3 图1 4 螺杆式双缸平衡式注射系统原理图3 图1 5 典型无阀液压系统框图8 图3 13 2 变换2 1 图3 2v r 变换2 2 图3 3 交流异步电机矢量变换控制系统原理图2 3 图3 4 交流异步电机矢量变换控制系统仿真模型2 4 图3 5 泵控缸系统原理图2 5 图4 1交流异步电机输出的三相电流仿真图2 7 图4 2 交流异步电机输出的电磁转矩和角速度仿真图2 7 图4 3 系统的正弦响应曲线2 5 图4 4 系统阶跃响应曲线2 9 图4 5 系统方波响应曲线2 9 附表索引 表2 1 不同类型的伺服电机的比较1 2 表2 2 不通类型的定量液压泵的性能比较1 4 2 高校教师硕十学位论文 技术 第一章绪论 将塑料转变为塑料制品的过程称为塑料成型加工过程。塑料主要成分为合成树脂， 辅以各种能够改善其加工和使用性能的添加剂，在一定的温度、压力等条件作用下，能 够塑化流动，成型为设计要求的形状，并可在常温、常压下继续保持此形状。注射成型 是目前塑料加工中最普遍采用的方法之一。塑料注射成型，又称注塑，是将塑料以粒料 或粉料的形式放入注塑机的料斗中，经过加热、压缩、剪切、混合和输送作用，使物料 进入机筒并熔融，然后用压力注射入模具中，经冷却定型后，打开模具，取出制品，即 可得到具有一定几何形状和精度的塑料制品。注塑成型的方法很多，如模压、层压、挤 出成型、注射成型、热成型。压延成型、中空吹塑成型、发泡塑料成型等【l 5 】。 1 1 1 注塑机 注射成型的设备主要是注塑机。一台通用型注塑机主要包括4 个部分，即合模系统， 注射系统、液压系统以及电气控制系统。此外，还包括机身部件、门罩系统、加热冷却 系统、润滑系统和安全保护与监测系统等【1 _ 5 1 。如图1 1 所示为应用较多的卧式注塑机。 1 一锁模液压缸2 一锁模机构3 一移动模板4 一顶杆5 一固定模板6 一控制台 7 一料筒及加热器8 一料斗9 一定量供料装置1 0 一注射液压缸 图1 1 卧式注塑机 ( 1 ) 合模系统 1 无阀液压系统在注塑机中的节能应用分析 合模系统保证成型模具的闭锁，开启并取出制品。整个机构主要由前固定模板、活 动模板、后固定模板、拉杆油缸及模具调整机构、制品项出机构等组成。当模具闭合后， 在合模油缸压力作用下，锁紧模具，防止当注射高压熔融体时模具胀开。靠近安全门的 机架上设有限位开关及调节装置，以便控制动模板启闭模的限位和在运动中压力与速度 的切换。为确保安全，一般都用液压装置和电气限位开关同安全门连锁，只有安全门关 闭后，才能合模。 合模机构有液压式、机械式和机械液压复合式等几种类型。目前主要采用的是 液压曲肘连杆式，属机械液压复合式，其结构特点是液压缸通过曲柄连杆机构驱动 模板实现启闭模运动，充分利用了曲柄连杆机构的行程、速度、力的放大特性和自锁特 性，增力大，锁模可靠，达到快速、高效和节能的效果。常见的形式有：双曲肘内翻式、 双曲肘外翻式、单曲肘摆缸式，单曲肘挂缸式和撑肘式等。 图1 2 为双曲肘内翻式合模机构原理图。开始闭模时，合模油缸进油，活塞杆推动 双曲肘连杆带动模板及模具移动实现闭模运动；当模具的分型面刚贴合时，曲肘连杆处 于未伸直状态，此时合模油缸继续升压，在合模油缸推动下曲肘连杆产生力的放大作用， 强行使之成为一线排列，则合模系统因发生弹性变形而产生预应力，此时使模具可靠锁 紧，可将油缸压力卸去，因整个合模系统处在平衡自锁状态，弹性变形不能回复，所以 合模力固定。整个过程可分为四个阶段：慢速合模一快速合模一慢速合模一高压锁模。 卜 高校教师硕十学位论文 图1 3 顶出机构原理图 另外，在后固定模板上还装有调模机构，以便在一定的范围内调节模具的厚度。在 液压机械式合模机构中，也可以通过调模机构来调试合模力的大小，控制超载。调 模装置主要由液压马达、定位轮、内齿圈、外齿圈和调模螺母等组成，均固定在后模板 上。调模时，调模马达带动外齿圈转动，4 只带有齿轮的后螺母在外齿圈驱动下同步转 动，推动后模板及其整个合模机构向前或向后移动，调节动模板与前固定模板的距离， 根据允模厚度及工艺所要求的锁模力实现调模功能。 ( 2 ) 注射系统 注射系统实现塑化、注射和保压功能，即使望料熔融均匀，以足够的速度和压力注 入模腔，并保持压力。注射系统主要由塑化装置、计量装置、螺杆传动装置、注射座、 注射装置及料斗装置等组成。 遮 图1 4 螺杆式双缸平衡式注射系统原理图 在注射时，液压缸活塞前移产生注射推力，通过推动主轴推动螺杆轴向前移，推动 螺杆头部向熔体施高压，迫使熔体以高速通过喷嘴充入模腔。注射一般分为2 个阶段， 第一阶段是把熔融物料高速的注射入模具中的阶段，此时的压力称为一次注射压力，即 3 无阀液压系统在注塑机中的节能应用分析 通常所称的注射压力。第二阶段是材料充满模具后所加的压力，称为二次注射压力或保 压压力。保压压力是在物料充满模腔至冷却固化后作用于物料上的压力，可防止发生毛 边；并在过度填充的基础上，不断地补充伴随着冷却、固化、收缩而引起的体积减小部 分，以防止制品因收缩而产生缩痕。 ( 3 ) 液压系统 液压系统即注塑机的各种执行机构( 油缸及马达) 的压力和速度的回路，一般由控 制系统压力与流量的主回路和各执行机构的分回路组成，一般主要由过滤器、泵、控制 阀( 流量阀、压力阀、溢流阀、方向阀、换向阀、行程阀、调速阀等) 以及热交换器， 各种压力及温度指示仪表等组成。 ( 4 ) 电气控制系统 电气控制系统对注塑机的各种程序动作进行精确而稳定的控制，实现对速度、压力、 位置、时间和转速等有效的控制和调节，主要由电源、动作程序元件、各种检测元件和 执行机构等单元组成。 1 1 2 注塑机的工作过程 注塑机的成型周期一般从模具开始闭合时起。初始时动模板在开启位置，模具的动 模和定模是分开的；注射座在后退位置，机筒的喷嘴和定模呈非接触状态。模具首先以 低压慢速合模，在走过设定的一段距离后再进行快速闭合，当动模板与前固定模板快要 接近时，合模机构的动力系统自动切换成试合模压力，以低压慢速确认模内无异物存在 且嵌件没有松动后，再切换成高压而将模具锁紧。在确认模具达到所要求的锁紧程度后， 注射座前移，喷嘴和模具流道口贴合，之后压力油充入注射油缸，螺杆在高压驱动下快 速将熔料注入模具型腔中；此时螺杆头部作用于熔料上的压力即为注射压力( 一次压 力) 。当熔料充满模腔后，螺杆仍对熔料保持一定的压力，以防止模腔中熔料的倒流， 并向模腔内补充因低温模具的冷却作用而使熔料收缩所需要的物料，从而保证制品的尺 寸精度以及力学性能。此时螺杆作用于熔料上的压力称为保压压力( 二次压力) ，在保 压时螺杆因为补缩会有少量的前移。 当保压过程进行到浇口凝封时即可卸压，制品在模腔内继续冷却定型。与此同时； 螺杆在传动装置的驱动下开始后退转动，从料斗落入到机筒中的塑料随着螺杆的转动， 沿着螺杆向前输送。在这一输送过程中，物料被逐渐压实，并在机筒外加热装置和螺杆 摩擦热的作用下，逐渐熔融塑化，最后呈粘流态，并建立起一定的压力。由于螺杆头部 4 ：学位论文 生后退，当螺杆退到计量值时，螺杆即停止 转动，准备下一次注射。 为了缩短成型周期，制品冷却与螺杆塑化通常会重叠进行，一般要求螺杆塑化计量 时间少于制品冷却时间。螺杆塑化计量结束后，可选择是否进行防流涎处理。防流涎是 指螺杆计量( 预塑) 到位后，又直线地倒退一段距离( 此即防流涎动作) ，使计量室中 熔体体积增加，内压下降，防止熔体从计量室通过喷嘴或问隙等向外流出。防流涎动作 距离又称防流涎行程或防涎量。防涎量可视聚合物粘度、相对密度和制品情况进行设定； 过大的防涎量会使计量室中的熔料夹杂气泡，影响制品质量。对粘度大的物料可不设防 涎量。防涎量可通过行程开关来限位，或使用位移传感器检测，当达到外部设定值时， 发出螺杆后退的终止信号。另外，防流涎还可在喷嘴不退回预塑时，降低喷嘴流道系统 的压力，进而减少内应力。 成型周期主要由注射保压时间、冷却时间、开模时间以及脱模取件时间组成。成型 周期设定应该在保证制品质量的前提下，尽量减少各程序段的周期。调整应考虑动模板 的小惯量冲击并在确保操作人员和模具安全条件下进行。 1 2 注塑成型技术节能研究现状 目前，国内外对注塑成型技术的节能研究主要集中在以下几个方面，一是开发新型 节能注塑机，如注射压缩的节能注射成形、微发泡节能注射成形技术、振动成型节能技 术、群腔热流道节能注射成形、介质辅助节能技术、节能螺杆技术等：二是将电机同液 压系统结合起来，研发电液混合驱动节能系统，这是目前国内大多数注塑机生产厂商的 主要研究方向【6 。”】。比如采用液压系统进行模具的开闭和提供锁模力，而塑化和注射动 作则由电机控制来完成，从而可在提供较大合模力的情况下，实现较高的注射精度和较 低的机器制造成本；液压系统只承担合模和锁模动作，大大降低了泵源的装载功率；三 是采用全电动驱动，由伺服电机直接驱动执行机构。 总之，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的功率达到自适应匹配调节；两者之间的能源转换率越高，系 统节能效果也就越好。 无阀液压系统在注塑机中的节能应用分析 1 2 1 p q 阀控液压节能系统 ( 1 ) 定量泵+ 比例压力流量控制阀的节能系统 采用定量泵供油，经过比例压力流量控制阀( 即p q 阀) ，采用溢流调节的方式将多 余的油液通过旁路流回油箱，比例节流阀的前后压差由主溢流阀和比例溢流阀保持恒 定，输入到节流阀的比例电磁铁的信号控制节流阀的开口大小，进而实现输出流量的控 制。 系统工作过程中，电机的转速保持不变，故供油量也是固定的。p q 阀由控制系统输 入模拟控制信号，通过对p q 阀的调整实现对系统压力、流量连续成比例控制。 由于定量泵+ 比例压力流量控制阀采用很小的压差追踪负载压力，来控制泵的压力， 所以它比传统的液压传动系统( 定量泵+ 溢流阀+ 节流阀) 在节能方面有一定的改进，在 产品成型所需冷却时间较长的注射成型过程中，其节能效果较为明显。但仍存在着较多 的溢流损失与节流损失，特别对一些保压压力要求比较高，时间较长的制品成型过程， 该系统的功率损失相当大。因此这种节能动力驱动系统一般仅用于中小型注塑机上。 ( 2 ) 负载敏感变量泵液压节能系统 负载敏感变量泵液压节能系统把传统的节流调速系统变为容积调速系统，可以使液 压动力输出与负载变化同步，与定量泵+ p q 阀的节能系统相比，节能效率更高。但泵控 系统的响应速度一般比阀控系统慢，另外负载敏感变量泵对油液的清洁度要求也较高， 工作噪音也较大。 1 2 2 定量泵+ 变频电机的节能系统 应用变频调速技术调节液压泵电机的转速，使动力机构的性能类似于变量泵节能系 统，同样可以达到动力机构输出的流量同执行机构需要的流量相匹配，使损失的流量降 低。根据注塑成型的工艺要求，注塑机控制器设定的比例流量阀、比例压力阀的模拟量 信号送到变频器，将电液比例控制系统模拟成负载跟踪控制系统，使变频电机的转速与 注塑机各工况所需流量成一定关系，这样，传统的定量泵由变频变量驱动系统驱动，可 使溢流阀的溢流流量降到最小。 由于电机的转速n = 6 0 f p ( 卜电机的磁极对数；卜交流电源频率) ，泵输出 的流量伊蝴( p 电机转速；卜泵的排量) ，可得伊瞄但可见，只要改变输 入到电机的交流电频率大小，就可以控制液压泵的输出流量。这样变频器根据注塑机发 6 高校教师硕士学位论文 出的各个动作信号，检测来自注塑机控制器给出的流量及压力，经判断计算后，输出不 同的频率，以调整电机转速，让液压系统的输出与注塑机各个工序段中所需的流量和压 力精确匹配；在非动作状态时可以让电机停转，使输出功率与流量和压力同步跟踪自动 控制，这相当于将定量泵变成了节能型的变量泵。 这种方案具有如下很多优点。 ( 1 ) 由于变频器使定量泵与整机运行所需功率匹配，消除了原系统的高压溢流能 量损失，节约大量的功率；制品体积越大，冷却、循环时间越长，节能效果越明显。 ( 2 ) 变频器内部滤波电容提高了系统功率因数，降低了线路损耗，从而有效增大 了电网的有用功率。 ( 3 ) 在整机中还可以减轻合模、开模时的震动，稳定生产工艺、减少机械故障、 提高产品质量、延长机器的使用寿命等。 ( 4 ) 由于变频器可以调节油泵的输出流量，使得油温低于工频状态下，从而冷却 用水量可大为节省。 ( 5 ) 对电机具有过流、过压、缺相等多种保护作用。 ( 6 ) 定量泵+ 变频电机的节能系统不需要对注塑机原有的液压系统及电气控制系统 作复杂的变动。 变频调速节能的本质就是在电机转速低于设置的最高转速情况下起到节能效果，可 低速的运转时间越长，节能的效果越明显。注塑机是否采用变频调速，主要看加工的制 品要求。厚壁制品的保压时间及冷却时间长，是应用变频调速设备的首选。由于目前我 国塑料加工企业使用的注塑机9 0 以上都是定量泵液压系统，因此采用变频技术进行节 能改造在我国具有广阔的应用前景和很好的推广价值f 净1 8 】。 1 2 3 定量泵+ 交流伺服电机的节能系统 高响应的交流伺服电机驱动定量泵系统解决了变频调节技术响应速度慢的缺陷，同 时由于其自身的运转特性，提高了电力利用效率。由于伺服电机不使用永久磁铁结构， 且在转矩及惯量的密切配合下，又在低惯量的转子配合下，消除了转矩脉动，在速度可 调范围内有着良好的加、减速度动态反应特性。液压系统基本上不需冷却水，对于保压 及冷却时间长的制品，节能效率可达尤其显著。电机的转速随系统流量的需求而改变， 基本无节流损失，可极大地减少空转工况及保压工况的流量损失。保压时，电机基本处 7 无阀液压系统在注塑机中的节能应用分析 于停转状态，比负载敏感泵节能驱动系统更加有效。高响应的交流伺服电机驱动的定量 泵系统，与伺服阀组成闭环控制回路，能发挥出更好的节能特性，提高系统的精密控制 性能。 但是，一般交流伺服电机的最高转速可达4 0 0 0r m i n ，所以高响应的交流伺服电机 驱动定量泵系统在注塑机上的推广应用，有待于低噪音、高转速液压泵的研发。当前一 般成本太高，达不到合理的经济效益。 1 3 国内外无阀液压系统的研究现状 用调速电机直接驱动液压泵的无阀液压系统也叫直驱式液压系统，采用变频器、异 步电机、定量泵变量泵的形式，省去了复杂的变排量机构，通过改变电机的供电频率 来改变电机转速，实现液压系统的流量调节，进而实现对液压系统的控制。其最重要的 特点就是使用交流调速电机代替传统的伺服阀，集成了液压系统和交流调速系统的优 点，更加环保、省油。图1 5 为典型无阀液压系统框图。 图1 5 典型无阀液压系统框图 1 3 1 国内无阀液压系统的发展 国内对直驱式电液伺服系统的研究起步稍晚，主要研究单位有浙江大学、广东工业 大学、北京航空航天大学、哈尔滨工业大学、太原理工大学和西安交通大学等。比如， 浙江大学流体传动及控制国家重点实验室建立的变频液压系统试验台可以模拟直线水 平运动、直线垂直运动和回转运动的负载。广东工业大学的研究主要集中在理论上，他 们对直驱式电液伺服系统的优越性和可行性做了深入的研究，结论是交流变频容积调速 回路与传统容积调速回路具有完全相同的输出特性。在调速范围上，新的调速回路远远 超过传统的容积调速回路的调速范围；调速精度和效率上新的调速回路也要好于传统的 8 高校教师硕士学位论文 容积调速回路 1 4 - 1 6 】。 1 3 2 国外无阀液压系统的发展 美国、德国、日本、俄罗斯、瑞士等国家对无阀电液伺服系统的研究较早，目前国 外在无阀电液伺服系统的研制方面已具备相对成熟的技术。比如，日本钢管株式会社 ( n l 张) 福山制铁所连铸设备采用第一电气株式会社设计的无阀电液伺服系统，节能效 果十分明显；1 9 9 7 年瑞士b e r i n g e r 公司在9 7 i n t e r l i f t 国际电梯展览会上展出了其 最新研制的变频驱动液压电梯控制系统，引起了轰动【1 禾1 6 1 。 1 4 本课题的研究内容 采用定量泵+ 变频电机控制的注塑机系统，通过控制驱动电机的转速使油泵供给液 压系统的流量随系统需求变化而变化，这样可降低功率损失，提高效率。 ( 1 ) 针对国内现有的注塑机液压系统，深入分析了注塑机变频节能原理，针对注 塑机主缸作用面积大，流量需求大，当然能量回收也就大，做出的产品质量好，本论文 针对此点来探讨。 ( 2 ) 应用矢量控制的基本原理，建立了交流异步电机的数学模型；并以交流异步 电机为执行电机，建立了注塑机交流调速模块和泵控缸模块的仿真模型，并进行了仿真 分析。 ( 3 ) 通过对无阀液压系统在注塑机中的节能原理分析以及仿真分析表明，运用交 流调速电机控制液压泵控缸系统，完全可以替代传统的电液伺服阀较好地实现对液压执 行机构的控制，这对高性能注塑机的进一步相关研究工作具有很好的借鉴意义。 9 无阀液压系统在注塑机中的节能应用分析 第二章注塑机变频节能原理分析 2 1 无阀液压系统中电机和泵的选择 2 1 1 无阀液压系统中电机的选择 普通的三相交流异步电机( 包括鼠笼式、绕线式) 、变频专用电机、伺服电机( 包 括直流伺服电机、交流伺服电机) 、开关磁阻电机等均可用于无阀液压系统中。具体选 型中，需要考虑电机的调速性能、启动能力、低速时的散热能力等，这对整个液压系统 的控制精度和控制特性有很大的影响【1 5 - 1 9 1 。 ( 1 ) 普通异步电机 普通异步电机须由变频器控制才能达到调节电机输出转速的目的。一般普通异步电 机均按恒频恒压设计的，不能完全适应变频调速的要求，即变频器对普通异步电机的性 能会有较大的影响。 1 ) 电机的效率和温升的问题 不论那种形式的变频器，在运行中均会产生不同程度的谐波电压和电流，使电机在 非正弦电压、电流下运行。高次谐波会引起电机定子铜耗、转子铜耗、铁耗以及附加损 耗的增加，其中尤以转子铜耗最为明显。这是因为异步电机以接近于基波频率所对应的 同步转速旋转，高次谐波电压以较大的转差切割转子导条后，会产生很大的转子损耗。 除此之外，还需考虑因集肤效应所产生的附加铜耗。这些损耗都会使电机额外发热，效 率降低，输出功率减小等。 2 ) 电机绝缘强度问题 目前的中小型变频器多采用p w m 的控制方式。其载波频率约为几千到十几千赫，这 使得电机定子绕组要承受很高的电压上升率，相当于对电机施加陡度很大的冲击电压， 从而电机的匝间绝缘将承受很大的考验。另外由于p w m 变频器产生的矩形斩波冲击电压 叠加在电机运行电压上，对地绝缘在高压的反复冲击下会加速老化，这对电机对地绝缘 是一个潜在威胁。 3 ) 谐波电磁噪声与震动 普通异步电机采用变频器供电时，由电磁、机械、通风等因素所引起的震动和噪声 将变的更加复杂。变频电源中含有的各次时间谐波与电机电磁部分的固有空间谐波相互 l o 干涉，形成各种电磁激振力。当电磁力波的频率和电机的固有振动频率一致或接近时， 会产生共振现象，进而加大噪声。而由于电机工作频率范围宽，转速变化范围大，各种 电磁力波的频率很难避开电机的各构件的固有震动频率。 4 ) 电机对频繁启动、制动的适应能力 采用变频器供电后，电机可以在很低的频率和电压下以无冲击电流的方式启动，并 可利用变频器所供的各种制动方式进行快速制动，这为实现频繁启动和制动创造了条 件；但与此同时，电机的机械系统和电磁系统会被施加循环交变力，这会给机械结构和 绝缘结构带来疲劳和加速老化问题。 5 ) 低转速时的冷却问题 普通异步电机在转速降低时，冷却风量与转速的三次方成比例减小，致使电机的低 速冷却状况变坏，温升急剧增加，难以实现恒转矩输出。而在无阀液压系统中，电机常 常需要工作在低转速，因此电机的发热、冷却问题将变得更为突出。 ( 2 ) 变频专用电机 在无阀液压系统的应用中，变频专用电机对比普通异步电机性能上得到了一定的提 高，但成本也大大提高。 对普通异步电机来而言，设计时主要考虑的性能参数是过载能力、启动性能、效率 和功率因数等。而变频专用电机，由于临界转差率反比于电源频率，可以在临界转差率 接近1 时直接启动，因此其过载能力和启动性能不需要过多考虑；要解决的关键问题则 是如何改善电机对非正弦波电源的适应能力。比如，在变频专用电机的结构设计中，要 考虑非正弦电源特性对变频电机的绝缘结构、振动、噪声冷却方式等方面的影响。 ( 3 ) 伺服电机 在无阀液压系统中，除了应用普通的异步电机和变频专业电机之外，伺服电机包括 直流伺服电机和交流伺服电机均得到了应用，其中交流伺服电机的应用越来越多。表2 1 给出了不同类型的伺服电机的比较。对比可见，异步型交流伺服电机以其结构简单，容 易高速化、大容量化，环境适应性好的特点在中小功率的无阀液压系统中得到了实际应 用，尤其是由异步型交流伺服电机驱动液压泵来直接控制液压马达的转速和液压缸活塞 杆的位置，可以不需要价格高昂的伺服阎就能达到液压伺服系统的控制精度和控制效 果，这不仅大大降低了系统造价，而且提高了节能效率【2 0 之4 1 。 无阀液压系统在注塑机中的节能应用分析 表2 1 不同类型的伺服电机的比较 永磁同步型a c 伺服电 动机 异步型a c 伺服电动机d c 伺服电动机 比较内容 固优电刷和换向器， 电机构造比较简单简单 结构复杂 g t r 或p - m o s f e t 逆变 交流结构g t r 或m o s f e t 逆变器 器 整流火花，永磁体退 最大转矩约束永磁体去磁无特殊要求 磁 只有定子线圈发热，定、转子均发热，需 发热情况转子发热，不利 有利要采取措施 高速化比较容易容易稍有困难 大容量化稍有困难容易 难 制动容易困难容易 控制方法稍复杂复杂( 矢量控制)简单 磁通产生永磁体二次感应磁体永磁体 感应电压电枢感应电压二次阻抗电压电枢感应电压 环境适应性好好受火花限制 维护性无无较麻烦 ( 4 ) 开关磁阻电机 开关磁阻电机结构简单、成本低廉；能适用于各种恶劣、高温甚至强振动环境，可 靠性高；起动转矩大，低、高速性能好，调速范围宽，控制灵活，易于实现各种特殊要 求的转矩一速度特性；能四象限运行，也可以缺相运行，具有较强的再生制动能力。开 关磁阻电机在家用电器、伺服与调速系统、牵引电机、高转速电机、航空航天等领域得 到了广泛的应用。目前开关磁阻电机在无阀液压系统中的应用尚不多见，但可以预见， 开关磁阻电机的诸多优点使其在无阀液压系统中具有广泛的应用前景。 1 2 高校教师硕士学位论文 2 1 2 无阀液压系统中泵的选择 无阀液压系统中液压泵可以选取定量泵或者变量泵。变量泵与变频调速的联合使用 虽然可以取得高于仅用变频控制的效率，但同时提高了成本，也使系统的噪声增加，反 而导致系统的性价比得不到优化，故目前无阀液压系统中大多选用定量液压泵【1 7 捌】。 表2 2 给出了不同类型的定量液压泵的性能比较。 齿轮泵是一种非常常见的定量液压泵，具有体积小，价格低，制造方便，吸油能力 强，对一些污染不敏感，工作可靠等特点，广泛应用于各种液压工作系统的压力油源； 同时还用作一些液压系统的辅助泵，如闭式回路中的补油泵、先导控制系统中的低压控 制油源等。外啮合齿轮泵的流量脉动较大、噪声高和寿命有限，在一些固定液压设备中 作为主泵已越来越不受欢迎，用途局限于作为运行在低压下的辅助泵及预压泵。内啮合 齿轮泵虽然制造工艺比较复杂，但因其结构紧凑、对介质污染不敏感、流量脉动及压力 脉动较小、噪声较低，成为综合性能最好的液压泵之一。内啮合齿轮泵由于没有采用端 面间隙补偿，流量特性受系统压力影响较大，但具有线性的转速一流量特性，所以非常 适合用作变转速传动，这在一定程度上弥补了内啮合齿轮泵本身不能变量的缺点，今后 内啮合齿轮泵在固定和移动液压设备中的应用都将迅速扩大。 叶片泵以其体积小、重最轻、寿命长以及噪音较低的优点在行走机械中占据了原属 于外啮合齿轮泵的市场，特别是在轿车液压转向助力系统领域中已形成了很大的优势。 另外。叶片泵在工程机械、重型车辆、航空航天设备上的应用也越来越多，有和内啮合 齿轮泵一起成为今后高性能定量液压泵的主流产品的趋势。 柱塞泵是最复杂和昂贵的液压泵，一般用作传输一定功率的主泵使用，很少用作仅 提供控制压力或补油的辅助油源。柱塞泵的许用压力和转速均较高，应用较为广泛。 螺杆泵流量大、自吸性能好，一些大型液压泵站常用作补油和预压泵使用。在精密 机床的进给液压系统以及载客液压电梯中，选择螺杆泵作为液压油源可获得系统的平稳 运行。 1 3 无阀液压系统在注塑机中的节能应用分析 表2 2 不同类型的定量液压泵的性能比较 类型 外啮合齿轮内啮合齿 叶片泵 轴向柱塞径向柱塞 泵轮泵泵泵 螺杆泵 项目 工作压力 2 02 52 13 22 01 0 0 2 0 排量( m l r )o 3 6 5 05 1 5 0 0o 5 4 8 02 0 7 2 01 9 2 0 0 3 6 0 0 转速 3 0 0 7 0 0 06 0 0 5 0 0 0 5 0 0 1 0 0 0 - 一 ( r m i n ) 4 0 0 0 6 0 0 6 0 0 0 7 0 0 1 8 0 0 1 8 0 0 0 0 7 3 - -0 8 0 9 0 - - -o 8 5 容积效率 0 7 0 o 9 50 7 5 0 9 5 o 9 40 9 5o 9 80 9 5 0 6 9 -0 7 5 0 8 5 0 7 5 总效率 0 6 0 8 50 7 o 8 5 0 9 10 8 50 9 5o 9 2 流量脉冲率大很小中等中等中等很小 自吸能力好好较差较差差好 对介质污染 不敏感不敏感敏感敏感敏感不敏感 度敏感性 噪声大很小较大大大很小 寿命较短很长中等较长较长很长 单位功率造 价 最低局中等两高较高 2 2 注塑机变频节能原理分析 2 2 1 注塑机工艺过程中的能量消耗 注塑机的能耗主要表现在电能消耗方面，按具体设备划分，大致可分为液压系统的 泵电能消耗、加热器的电能消耗以及循环冷却水泵的电能消耗。其中，液压系统的泵电 机的用电量占整个注塑机的用电量7 0 以上，所以采取措施降低液压系统的泵电机耗电 量是注塑机节能技术的关键【黏b 】。 当前的注塑机液压系统多采用阀控系统，液压传动装置主要由泵、液压控制阀、压 力电液比例阀、流量电液比例阀以及各种不同的动作油缸、泵电机及其它液压附件和管 道组成。其中，泵一般为定量泵，供油量恒定，当注塑机的油量需求发生变化时，由设 在油泵出口的溢流阀或比例阀来调节负载压力和负载流量，满足注塑机的工况变化需 1 4 高校教师硕士学位论文 求。注塑机