注塑机节能分析.doc

注塑机节能分析一、前言 随着塑料制品的广泛应用及其产量的迅速增长，塑料机械已经成为建材、包装、电子电气、汽车、石化和机械等行业的重要生产设备。其中注塑机由于对各种塑料的加工具有良好的适应性，能对外形复杂、尺寸精确或有金属嵌件质地密致的塑料制品一次成型，且其生产能力较高，易于实现自动化，因此成为塑料机械中增长最快，生产数量最多的机种之一。据统计，目前注塑机的生产总数占整个塑料成型设备的20%30%。在塑料工业中，注塑机是一种通用型机械。近年来国内外一些厂家推出了变量泵注塑机、全电动注塑机等节能型产品，但是由于设备价格昂贵、维护成本高且使用要求高等种种原因，在国内市场上销量不大。我国塑料加工企业使用的注塑机90%以上还是定量泵注塑机。所以，采用新技术对定量泵注塑机进行节能改造更具有实际意义。二、注塑机工作原理注塑过程一般分为以下步骤：锁模注射保压熔胶加料冷却定型开模顶针。每一动作的完成都有时间、压力、速度、位置等几个参数的精妙配合，也就是说在某一位置的位移都有相应的压力和速度，且在不同的位置和时间内其压力和速度都是可变的。同时每一动作完成后发出终止信号传送给程序控制器，程序控制器收到信号后才发出执行下一动作的指令。具体工作循环如下：1.锁合模：模扳快速接近定模扳（包括慢-快-慢速），且确认无异物存在下，系统转为高压，将模板锁合（保持油缸内压力）。 2.射台前移到位：射台前进到指定位置（喷嘴与模具紧贴）。 3.注塑：可设定螺杆以多段速度，压力和行程，将料筒前端的溶料注入模腔。 4.冷却和保压：按设定多种压力和时间段，保持料筒的压力，同时模腔冷却成型。 5.冷却和预塑：模腔内制品继续冷却，同时液力马达驱动螺杆旋转将塑料粒子前推，螺杆在设定的背压控制下后退，当螺杆后退到预定位置，螺杆停止旋转，注射油缸按设定松退，预料结束。 6.射台后退：预塑结束后，射台后退到指定位置。 7.开模：模扳后退到原位（包括慢-快-慢速） 8.顶出：顶针顶出制品。三、注塑机能耗分析注塑机的能耗主要表现在电能消耗方面，按具体设备来划分，大致可分为下列三个部分：1、液压系统油泵的电能消耗2、加热器的电能消耗3、循环冷却水泵的电能消耗其中，液压油泵的用电量占整个注塑机用电量的80%以上，降低其耗电量是注塑机节能的关键。同时，做好加热器和循环冷却水泵的节电对完善整个注塑机系统的节能也有较大的帮助。四、注塑机节能改造方法 1液压系统油泵的改造 注塑机的最主要的能耗即是动力驱动系统，注塑机节能的重点即是提高动力驱动系统本身的能耗效率及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。 1.1 油泵工作现状目前， 注塑机液压油泵大多采用液压式，泵的类型为叶片泵、柱塞泵和活塞泵，是典型的容积式油泵，其供油量与油泵转速成正比，在额定转速运转状态下，油泵的供油量是恒定不变的。由于受到技术条件的限制，现在的注塑机液压系统几乎全部是阀控系统，即油泵电机由额定转速驱动运转，油泵供油量恒定，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，满足注塑机工况变化的需要。事实上，注塑机液压系统是一个压力和流量波动都较大的负载，在合模、锁模、射胶、保压冷却、开模顶出等不同工作阶段，其压力和流量都要发生有规律的变化，典型的压力和流量曲线如下图所示。大多采用叶片泵、柱塞泵状态下，油泵的供油量是恒定不变的。由于受到技术条件的限制，现在的? ?系统几乎全部是阀控系统，即油泵电如下图 从上图可以看出，在一个工作循环周期内，注塑机的实际压力和实际流量是变化的，时大时小，有时几乎为零。在实际流量较小时，油泵的供油量远远大于负载实际消耗量，供大于求，富余的处于高压状态下的液压油全部经溢流阀溢流。高压状态下的液压油经溢流后放出大量热能，这部分耗散的能量实际上是油泵电机从电网吸收电能中的一部分。由于小流量的维持时间较长，所耗费的电能也就较大。因此，注塑机液压系统存在严重的能源浪费问题。 从上述分析中可知，注塑机液压系统电能浪费问题的最直接原因就是油泵流量与负载流量需求不相适应，造成高压液压油溢流，这是油泵转速恒定不变所带来的不良后果。 变频技术在注塑机上的应用 变频器正是能解决上述浪费的一种设备，由于它能够灵活方便地改变电动机的转速，因而就可以借助它将定量泵模拟成变量泵，达到节能改造的目的。1.2 注塑机变频节能原理传统的注塑机是采用定量泵供油的，注塑过程的各个动作对速度、压力的要求也不一样，它是通过注塑机的比例阀采用溢流调节的方式将多余的油旁路流回油箱，在整个过程中，马达的转速是不变的，故供油量也是固定的，而由于执行动作是间隙性的，也并不可能是满负载的，因此定量供油就有很大的浪费空间，据实测至少有40%左右。变频节能正是针对这一浪费空间，实时检测来自注塑机数控系统的比例压力和比例流量信号，适时调整各个工况动作所需的马达转速(即流量调节)，让泵出的流量和压力，刚好能满足系统的需要，而在非动作状态时（主要是在冷却状态），让马达停止运行，这样节能空间就进一步地增大了，故对注塑机进行变频节能改造能够带来巨大的节能效果。1.3 变频调速节能装置的控制系统采用无感矢量变频运行技术，变频器实时的检测来自注塑机电脑板给出的压力及流量信号，圆盘机压力或流量信号是01A，经内部处理后，输出不同的频率，调节马达转速，即：输出功率与压力和流量同步自动跟踪控制，相当于定量泵变成了节能型的变量泵，原液压系统与整机运行所需功率匹配，消除了原系统的高压溢流能量的损失。可以大大减轻合模、开模的震动，稳定生产工艺、提高产品质量，减少机械故障，延长机器使用寿命，又能够节约大量的电能。 图1 注塑机系统接线图图2 注塑机的工作速度和压力示意图1.4 效益分析在满足工艺要求的前提下，实现了油泵电机节能30%65%的显著效果。一般情况下，一年左右即可收回全部投资。 我们以海天220型机为例：该机的油泵电机功率为18.5kW，电机的负荷率为65%左右，即每小时耗电约12kWh。根据我们测得的数据，该机可节电率约为50%，即每小时少耗电6kWh，如按每天24h开机算，一天可节电144kWh，一个月可节电4320kWh。同时，由于无高压溢流，注塑机系统压力随所需工作压力而变化，油阀换向平稳、开合模振动减小，延长了设备和模具的使用寿命。其次系统油温稳定，延长密封元件寿命，减少了设备维护费用。另外注塑机工作时噪声明显减小，改善了工作环境。 注塑机系统设备外观图变量泵在注塑机上的节能应用 变量泵在注塑机节能应用的基本工作原理：在电机转速不变的情况下，油泵直接接受电脑的流量设定讯号，电液联动，改变斜盘与传动轴的夹角使柱塞和轴向移动距离发生变化，从而改变出油排量，不产生高压节流的能量损耗，电机负载也会随着斜盘的斜度而改变，达到省电的目的。 系统构成与工作原理 1. 常规的注塑机比例控制系统 目前，国产注塑机的液压控制系统绝大数采用定量泵+比例流量/压力复合阀（PQ阀）的控制方式。系统工作时，通过注塑机电控系统输出的模拟的压力，流量控制信号，可实现系统压力，流量的连续的、按比例的控制 。而注塑机在工作过程中，每一个循环周期内都需要不断变换各动作的速度和压力，以适应注塑成形工艺对压力、速度、时间的控制要求。PQ阀系统满足了注塑机开、合模速度、注射速度、螺杆转度、注射压力、保压压力、螺杆扭矩、顶出力、等动作的控制要求,但由于系统工作时存在较多的节流损失与溢流损失，因而功率损耗较大，特别是对于一些保压压力较高，保压时间长的制品而言，表现更为明显。如PPR管接头的注塑成形工艺中，保压时间通常要1520S之多，普通PQ系统的功率损失相当大。 1. 新型的比例变量泵系统 ? 新型的比例变量泵注塑机都是应用了比例变量泵系统。这一系统改变了常规的比例控制方法，由定量泵+PQ比例阀系统转变为比例变量泵系统，其核心的控制元件采用了兼具比例压力、比例流量、负载压力反馈等多种复合控制功能的负载敏感型比例变量柱塞泵。 3? 比例变量泵系统的主要优点 比例变量泵系统的应用，实现了注塑机液压系统由阀控向泵控的转变，使常规的节流调速系统转变为比例调速系统，整机的控制性能指标有了新的改善和提高。具体而言，比例变量泵系统除具有常规比例控制系统的优点外，更具有如下优点： 相同功率的机器，注射速度可提高25以上，更适应薄壁精密注射要求。由于普通PQ系统功率计算以保压状态为标准，比例变量泵系统在这一动作时功率消耗很低，因而油泵排量可加大25以上。 系统发热降低，液压元件使用寿命延长。比例变量系统几乎无节流、溢流损失，系统运行时发热大大减少。不仅可节省冷却水之消耗，低油温使密封元件寿命大大提高。 能量消耗减少，系统效率提高。比例变量泵系统具有良好的自适应性，其输出的压力和流量能够与负载需求相一致，解决了节流调速系统的流量不适应和压力不适应问题，能量损耗大大减少，系统效率提高，节能效果明显，与普通定量泵+PQ比例阀系统相比较，可节电20。 可实现数控比例背压的控制，塑化效果得到了改善。 液压系统污染度水平降低，系统故障明显减少，运动稳定性大大提高，液压油使用时间比常规系统延长3年以上。2、注塑机料筒加热改造 注塑机料筒加热是注塑机的一项重要的技术参数，直接关系到塑化的质量、塑化能力和能耗。 2.1注塑机加热现状及存在的问题 A.行业现状： 塑料薄膜、塑料造粒、拉丝注塑、管材等生产企业的生产设备都是采用电热圈对料筒和模头进行加热，使塑料原料熔解塑化后再注模、拉伸，挤出成型为产品。 B.存在问题： （1）热损失大：现有企业采用的加热方式，是由电阻丝绕制，圈的内外双面发热，其内面（紧贴料筒部分）的热传导到料筒上，而外面的热量大部分散失到空气中，造成电能的损失浪费。 （2）环境温度上升：由于热量大量散失，周围环境温度升高，尤其是夏季，有些企业不得不采用空调降低温度，这又造成能源的二次浪费。 （3）使用寿命短、维修量大：由于采用电阻丝发热，其加热温度高达800左右，电阻丝容易因高温老化而烧断，常用电热圈使用寿命约在半年左右，因此，维修的工作量相对较大。 2.2电磁加热原理法拉第于1831年建立的电磁感应定律说明，在一个电路围绕的区域内存在交变磁场时，电路两端就会产生感应电动势，当电路闭合时则产生电流。这个定律同时也就是今天感应加热的理论基础。 电磁加热器是一种利用电磁感应原理将电能转换为热能的装置。在电磁加热器内部，由整流电路将50/60Hz的交流电压变成直流电压，再经过控制电路（电磁加热控制器）将直流电压转换成频率为20-40KHz的高频电压，高速变化的电流流过线圈会产生高速变化的磁场，当磁场内的磁力线通过导磁（或导电材料)底部金属体内产生无数的小涡流，使导电材料本身自行高速发热，然后再加热导电材料内的东西。注塑机电磁加热节电器正是利用这一原理而设计、开发的一种新型加热节能产品，由电磁加热圈和电磁加热控制器组成。具有节电效果显著，升温速度快，热效率高，降低生产环境温度，免维修等显著特点，并且对原生产工艺、操作程序无任何影响和改变。已广泛应用于塑料注塑加工及其类似加热行业。 2.3效益分析 A节能效果好 相比原电阻丝加热圈节电效果都在30%以上，相对不同的原料、生产不同的产品，节电效果有所变化。B环保效果好 可显著降低环境温度。 C使用寿命长 加热圈连续运行温度只有100左右，不存在加热圈更换的问题。相对于原电阻丝加热减少了二次投入。 D可提高产品产量 由于采用非接触式加热，故加热效率高、速度快；被加热物的表面氧化少； 温度容易控制，可以局部加热且加热均匀，产品质量稳定；容易实现自动控制，使用方便。 3、循环冷却水泵的节能改造 注塑机循环冷却水泵，一般为多台机器共用一台冷却水泵，其节能原理与液压泵类似，只不过是控制信号的选取略有差异，应优先考虑温度信号。 4.注塑机烘料箱热风回收 注塑机热风回收机是根据热力学原理专业设计，干燥机排出热风直通回收机侧面切风入口，形成旋转涡流，自动除尘，部分湿气受热风作用下自然蒸发排出。另一部分粘附着尘埃被除尘器过滤掉下透明集尘管，经滤清器过滤后的干净热风通过耐高温管循环回受到干燥料斗中循环利用。 效益分析 可迅速降低车间内温度，节电率大于30%。 5.注塑机节能保温罩、保温隔热涂料 适用于不同型号、规格的注塑机、挤出机等发热保温设计使用，可度身定做。 5.1功能 A、本产品根据国家环保要求设计，达到高效节能 B、外壳采用加强型进口不锈钢制造，有效保护发热筒，美观耐用； C、隔热：采用耐高温、环保进口的保温材料。 5.2效益 A、节电：平均节电率在15%以上。 B、直接降低车间温度，改善工人工作环境，使车间因机台发热筒升温时外泄的热量得到回收，保持发热筒热量，使塑料在适温度上加速熔胶，提高生产效率，直接降低生产成本。 C、延长机台发热环和继电器寿命，克服了附加损耗，减少发热环长时间发热和继电器起动频繁，有效延长产品本身的寿命。 注塑机品牌 : 规格型号: 油泵电机铭牌 : ?油泵类型: 定量泵 变量泵 多级泵 油泵额定功率(KW): 额定电流(A): 额定转速(N): 运行电流(A): 序号 工 序 注 塑 机 参 数 值 备 注 压力(Mpa)电流(A)流量（g/s） 时间（s） 合模 - 锁模 -锁模可分14段 射胶1射胶可分14段 射胶2射胶3 保压1-保压可分13段 保压2- 溶胶时间(S): 冷却时间(S):溶胶可分13段 开 模 -开模可分14段 顶 针 -指进退时间 待机时间(S): 全程时间(S):说明：1、每天平均运行小时，每月平均运行天，能效%，电费元/KW?H，总电费元/年。 2、有 无补偿设备，是