注塑机和液压站节能方案
1 节能原理
1.1 注塑机及液压站的能耗状况
注塑机,即塑料注射成型机,是重要的工业机械。它的功能是将塑料(或尼龙等)颗粒进行熔融后,注入模具,再经过冷却,脱出,获得所需的制品。从注塑机的发展过程来看,经历了定量泵液压式、变量泵液压式、全电伺服式等发展阶段。
由于我国注塑机(液压站)行业的自身特点,以及制造成本等因素的限制,目前占市场份额最大的仍然是定量泵液压式注塑机。并且,定量泵液压式注塑机在制品的光洁度、致密度等方面的固有优势,以及技术成熟度、制造简易性等方面仍有优势,因此其产量仍然较大。但该机型的一个弊端是耗电量大,用户的使用成本高。
对于已经装备的注塑机,可进行节能改造。同时,也可对注塑机厂家进行配套,将注塑机升级为变量泵液压式注塑机。因此,迫切需要一种性能优良、稳定可靠、成本适中的注塑机节能升级方案。
对于定量泵液压式注塑机,其基本的工作原理是:由电动机带动油泵供油,经比例压力阀和比例流量阀对油压和流量进行限制,再用液压油驱动各个油马达,从而完成各个部件的规定动作。相应的部件包括射台、注射、开合模、调模、托模、抽插芯、绞牙、加料等。由计算机编程,对整个工作过程进行顺序控制。
1.2 注塑机及液压站的节能空间
注塑机在加工时,不断地重复规定的动作流程。但在流程中的每个步骤,所需的压力和流量是很不相同的。例如注射段所需的压力和流量都较大,而冷却段所需的压力和流量都很小。
但注塑机采用定量泵时,油泵始终在以工频(最快速度)工作,泵出最大数量的油。由于各步骤需要的油有限,多余的油则通过比例压力阀溢流回到油缸。溢流后的油失去了压力,其压力能量大大减少,而热能明显上升。然后油泵又不断地把油从油缸吸上来,并泵出,再回流,再产生热能。在这个过程中,许多电能转化为毫无用处的热能,因此耗电量大,油温高。
各段步骤中实际需要的油泵功率是变化的,但油泵总是以最大泵出量运行,因此,通过溢流浪费掉的油泵功率,也就是理论上的节能空间。
如果冷却时间长,则折线最低的部分所占的时间较长,因此节能空间大。同理,当模具较小,需要的压力和流量较小,折线的位置较低,则节能空间也大。一般节能空间在20%~60%之间。
1.3 以往节能方案的比较
针对注塑机的能耗状况,人们开发出多种节能方案,现在对以往方案的优缺点进行比较:
1、软启动式节电器。这种方案主要是利用冷却的时间来节能,方法是:在冷却段将电机停止,在其余时段再将电机起动。这种节电器实际上是一台软启动器。优点是价格低廉。缺点是:(1)电机频繁启动对油泵冲击大;(2)对于冷却段以外的各段,由于仍然是工频运行,因此不能节能,并且电机频繁启动造成的耗电也很大,因此节电效果差。(3)噪音大,操作性能差。
2、变频器+比例信号采集。这种方案的主要原理是:根据比例压力和比例流量信号,计算电机的合理转速,并用变频器控制,输出合理的转速,使定量泵输出可变的扬程。计算的方法有2种:(1)取压力和流量信号的加权平均;(2)取压力和流量信号的较大者。这种方案的优点是输出平滑,噪音小。缺点也很明显:从压力和流量信号计算出转速的过程缺乏理论依据,仅仅是一种概略估计,因此,输出的转速很难真正贴合实际的需求量,往往造成制件品质下降、产量下降的后果。
3、变频器+比例信号采集+控制信号采集。这种方法主要是为了弥补方案2的不足,即:在不能准确计算合适的转速的情况下,再引入注塑机计算机的控制信号,判断当前究竟属于哪个步骤,再根据当前的步骤来决定是否降低速度。例如,为保证制件品质,则保压段不降低速度;为了保证产量,则注射段不降低速度等。优点是控制更为合理。缺点是:(1)接线相当繁琐,并且对于不同型号、不同年限的注塑机没有相同的接线方法,特别是对于老旧的注塑机,现场操作很难;(2)需要使用PLC,成本上升;(3)由于过于复杂,故障点多、可靠性差。由于上述缺点,方案3很少采用。
1.4 分析和结论
分析:对现有3种方案进行分析,我们可以得出以下结论:
(1)方案1由于技术落后,效果差,不推荐;
(2)方案2是可行的,但它的主要缺陷是:输出不是偏大就是偏小。若偏大,则节能效果差;若偏小,则质量和产量都下降。其原因在于,不能使油泵的输出真正贴合实际的需求。其根本的原因是缺乏对实际需求的准确计算,采用的是粗估的方法。
(3)方案3采用增加硬件和线路的方法,试图改进方案2的不足,但却引入了新问题,极为复杂,导致应用难度极大,不可取。
结论:应该采用更为准确计算的方法,将方案2进行改进,使输出转速更为合理,从而同时保证节电率和品质、产量。
因此,我们在总结以往方案的基础上,通过理论推导,得到准确的计算方法,并提出了注塑机精确节能方案。
注塑机精确节能方案的原则是,准确计算需要的转速,使得油泵输出的油量恰好等于工频运行时实际有用的油量,即:用多少出多少。对于油泵后方的各个油马达来说,它们得到的工作条件与工频时没有任何不同,其响应速度也完全一样,因此对质量和产量都没有任何影响。同时,由于油泵没有输出过多的油量,因此不再溢流,不存在能源浪费,可达到最大节电率。
2 注塑机和液压站的精确节能方案
北京时代科仪根据伯努利方程,通过发明专利技术,对液压站真实所需的输出压头进行实时计算,并控制注塑机和液压站运行在最佳的状态下,所供即所需。
上述所有的计算是在注塑机扩展卡中进行的。用注塑机扩展卡,可以完成比例信号采集、计算等全部任务,再配合时代高品质变频器,可以组成注塑机专用变频器和注塑机专用变频节电柜。经过实际使用测试,在任何情况下都能将节能潜力挖掘出90%,并且制品质量和产量没有任何变化,平均节电率35%左右,电机温度下降5℃左右,油温下降15℃左右。
上述技术可以优先使用在注塑工厂、锻压工厂、全液压钻井的领域。