注塑機節(jié)能分析.doc

注塑機節(jié)能分析一、前言 隨著塑料制品的廣泛應用及其產量的迅速增長，塑料機械已經成為建材、包裝、電子電氣、汽車、石化和機械等行業(yè)的重要生產設備。其中注塑機由于對各種塑料的加工具有良好的適應性，能對外形復雜、尺寸精確或有金屬嵌件質地密致的塑料制品一次成型，且其生產能力較高，易于實現(xiàn)自動化，因此成為塑料機械中增長最快，生產數量最多的機種之一。據統(tǒng)計，目前注塑機的生產總數占整個塑料成型設備的20%30%。在塑料工業(yè)中，注塑機是一種通用型機械。近年來國內外一些廠家推出了變量泵注塑機、全電動注塑機等節(jié)能型產品，但是由于設備價格昂貴、維護成本高且使用要求高等種種原因，在國內市場上銷量不大。我國塑料加工企業(yè)使用的注塑機90%以上還是定量泵注塑機。所以，采用新技術對定量泵注塑機進行節(jié)能改造更具有實際意義。二、注塑機工作原理注塑過程一般分為以下步驟：鎖模注射保壓熔膠加料冷卻定型開模頂針。每一動作的完成都有時間、壓力、速度、位置等幾個參數的精妙配合，也就是說在某一位置的位移都有相應的壓力和速度，且在不同的位置和時間內其壓力和速度都是可變的。同時每一動作完成后發(fā)出終止信號傳送給程序控制器，程序控制器收到信號后才發(fā)出執(zhí)行下一動作的指令。具體工作循環(huán)如下：1.鎖合模：模扳快速接近定模扳（包括慢-快-慢速），且確認無異物存在下，系統(tǒng)轉為高壓，將模板鎖合（保持油缸內壓力）。 2.射臺前移到位：射臺前進到指定位置（噴嘴與模具緊貼）。 3.注塑：可設定螺桿以多段速度，壓力和行程，將料筒前端的溶料注入模腔。 4.冷卻和保壓：按設定多種壓力和時間段，保持料筒的壓力，同時模腔冷卻成型。 5.冷卻和預塑：模腔內制品繼續(xù)冷卻，同時液力馬達驅動螺桿旋轉將塑料粒子前推，螺桿在設定的背壓控制下后退，當螺桿后退到預定位置，螺桿停止旋轉，注射油缸按設定松退，預料結束。 6.射臺后退：預塑結束后，射臺后退到指定位置。 7.開模：模扳后退到原位（包括慢-快-慢速） 8.頂出：頂針頂出制品。三、注塑機能耗分析注塑機的能耗主要表現(xiàn)在電能消耗方面，按具體設備來劃分，大致可分為下列三個部分：1、液壓系統(tǒng)油泵的電能消耗2、加熱器的電能消耗3、循環(huán)冷卻水泵的電能消耗其中，液壓油泵的用電量占整個注塑機用電量的80%以上，降低其耗電量是注塑機節(jié)能的關鍵。同時，做好加熱器和循環(huán)冷卻水泵的節(jié)電對完善整個注塑機系統(tǒng)的節(jié)能也有較大的幫助。四、注塑機節(jié)能改造方法 1液壓系統(tǒng)油泵的改造 注塑機的最主要的能耗即是動力驅動系統(tǒng)，注塑機節(jié)能的重點即是提高動力驅動系統(tǒng)本身的能耗效率及驅動系統(tǒng)輸出功率與執(zhí)行機構執(zhí)行功率達到自適應調節(jié)匹配。 1.1 油泵工作現(xiàn)狀目前， 注塑機液壓油泵大多采用液壓式，泵的類型為葉片泵、柱塞泵和活塞泵，是典型的容積式油泵，其供油量與油泵轉速成正比，在額定轉速運轉狀態(tài)下，油泵的供油量是恒定不變的。由于受到技術條件的限制，現(xiàn)在的注塑機液壓系統(tǒng)幾乎全部是閥控系統(tǒng)，即油泵電機由額定轉速驅動運轉，油泵供油量恒定，當注塑機的油量需求發(fā)生變化時，由設在油泵出口的溢流閥或比例閥來調節(jié)負載壓力和負載流量，滿足注塑機工況變化的需要。事實上，注塑機液壓系統(tǒng)是一個壓力和流量波動都較大的負載，在合模、鎖模、射膠、保壓冷卻、開模頂出等不同工作階段，其壓力和流量都要發(fā)生有規(guī)律的變化，典型的壓力和流量曲線如下圖所示。大多采用葉片泵、柱塞泵狀態(tài)下，油泵的供油量是恒定不變的。由于受到技術條件的限制，現(xiàn)在的? ?系統(tǒng)幾乎全部是閥控系統(tǒng)，即油泵電如下圖 從上圖可以看出，在一個工作循環(huán)周期內，注塑機的實際壓力和實際流量是變化的，時大時小，有時幾乎為零。在實際流量較小時，油泵的供油量遠遠大于負載實際消耗量，供大于求，富余的處于高壓狀態(tài)下的液壓油全部經溢流閥溢流。高壓狀態(tài)下的液壓油經溢流后放出大量熱能，這部分耗散的能量實際上是油泵電機從電網吸收電能中的一部分。由于小流量的維持時間較長，所耗費的電能也就較大。因此，注塑機液壓系統(tǒng)存在嚴重的能源浪費問題。 從上述分析中可知，注塑機液壓系統(tǒng)電能浪費問題的最直接原因就是油泵流量與負載流量需求不相適應，造成高壓液壓油溢流，這是油泵轉速恒定不變所帶來的不良后果。 變頻技術在注塑機上的應用 變頻器正是能解決上述浪費的一種設備，由于它能夠靈活方便地改變電動機的轉速，因而就可以借助它將定量泵模擬成變量泵，達到節(jié)能改造的目的。1.2 注塑機變頻節(jié)能原理傳統(tǒng)的注塑機是采用定量泵供油的，注塑過程的各個動作對速度、壓力的要求也不一樣，它是通過注塑機的比例閥采用溢流調節(jié)的方式將多余的油旁路流回油箱，在整個過程中，馬達的轉速是不變的，故供油量也是固定的，而由于執(zhí)行動作是間隙性的，也并不可能是滿負載的，因此定量供油就有很大的浪費空間，據實測至少有40%左右。變頻節(jié)能正是針對這一浪費空間，實時檢測來自注塑機數控系統(tǒng)的比例壓力和比例流量信號，適時調整各個工況動作所需的馬達轉速(即流量調節(jié))，讓泵出的流量和壓力，剛好能滿足系統(tǒng)的需要，而在非動作狀態(tài)時（主要是在冷卻狀態(tài)），讓馬達停止運行，這樣節(jié)能空間就進一步地增大了，故對注塑機進行變頻節(jié)能改造能夠帶來巨大的節(jié)能效果。1.3 變頻調速節(jié)能裝置的控制系統(tǒng)采用無感矢量變頻運行技術，變頻器實時的檢測來自注塑機電腦板給出的壓力及流量信號，圓盤機壓力或流量信號是01A，經內部處理后，輸出不同的頻率，調節(jié)馬達轉速，即：輸出功率與壓力和流量同步自動跟蹤控制，相當于定量泵變成了節(jié)能型的變量泵，原液壓系統(tǒng)與整機運行所需功率匹配，消除了原系統(tǒng)的高壓溢流能量的損失?？梢源蟠鬁p輕合模、開模的震動，穩(wěn)定生產工藝、提高產品質量，減少機械故障，延長機器使用壽命，又能夠節(jié)約大量的電能。 圖1 注塑機系統(tǒng)接線圖圖2 注塑機的工作速度和壓力示意圖1.4 效益分析在滿足工藝要求的前提下，實現(xiàn)了油泵電機節(jié)能30%65%的顯著效果。一般情況下，一年左右即可收回全部投資。 我們以海天220型機為例：該機的油泵電機功率為18.5kW，電機的負荷率為65%左右，即每小時耗電約12kWh。根據我們測得的數據，該機可節(jié)電率約為50%，即每小時少耗電6kWh，如按每天24h開機算，一天可節(jié)電144kWh，一個月可節(jié)電4320kWh。同時，由于無高壓溢流，注塑機系統(tǒng)壓力隨所需工作壓力而變化，油閥換向平穩(wěn)、開合模振動減小，延長了設備和模具的使用壽命。其次系統(tǒng)油溫穩(wěn)定，延長密封元件壽命，減少了設備維護費用。另外注塑機工作時噪聲明顯減小，改善了工作環(huán)境。 注塑機系統(tǒng)設備外觀圖變量泵在注塑機上的節(jié)能應用 變量泵在注塑機節(jié)能應用的基本工作原理：在電機轉速不變的情況下，油泵直接接受電腦的流量設定訊號，電液聯(lián)動，改變斜盤與傳動軸的夾角使柱塞和軸向移動距離發(fā)生變化，從而改變出油排量，不產生高壓節(jié)流的能量損耗，電機負載也會隨著斜盤的斜度而改變，達到省電的目的。 系統(tǒng)構成與工作原理 1. 常規(guī)的注塑機比例控制系統(tǒng) 目前，國產注塑機的液壓控制系統(tǒng)絕大數采用定量泵+比例流量/壓力復合閥（PQ閥）的控制方式。系統(tǒng)工作時，通過注塑機電控系統(tǒng)輸出的模擬的壓力，流量控制信號，可實現(xiàn)系統(tǒng)壓力，流量的連續(xù)的、按比例的控制 。而注塑機在工作過程中，每一個循環(huán)周期內都需要不斷變換各動作的速度和壓力，以適應注塑成形工藝對壓力、速度、時間的控制要求。PQ閥系統(tǒng)滿足了注塑機開、合模速度、注射速度、螺桿轉度、注射壓力、保壓壓力、螺桿扭矩、頂出力、等動作的控制要求,但由于系統(tǒng)工作時存在較多的節(jié)流損失與溢流損失，因而功率損耗較大，特別是對于一些保壓壓力較高，保壓時間長的制品而言，表現(xiàn)更為明顯。如PPR管接頭的注塑成形工藝中，保壓時間通常要1520S之多，普通PQ系統(tǒng)的功率損失相當大。 1. 新型的比例變量泵系統(tǒng) ? 新型的比例變量泵注塑機都是應用了比例變量泵系統(tǒng)。這一系統(tǒng)改變了常規(guī)的比例控制方法，由定量泵+PQ比例閥系統(tǒng)轉變?yōu)楸壤兞勘孟到y(tǒng)，其核心的控制元件采用了兼具比例壓力、比例流量、負載壓力反饋等多種復合控制功能的負載敏感型比例變量柱塞泵。 3? 比例變量泵系統(tǒng)的主要優(yōu)點 比例變量泵系統(tǒng)的應用，實現(xiàn)了注塑機液壓系統(tǒng)由閥控向泵控的轉變，使常規(guī)的節(jié)流調速系統(tǒng)轉變?yōu)楸壤{速系統(tǒng)，整機的控制性能指標有了新的改善和提高。具體而言，比例變量泵系統(tǒng)除具有常規(guī)比例控制系統(tǒng)的優(yōu)點外，更具有如下優(yōu)點： 相同功率的機器，注射速度可提高25以上，更適應薄壁精密注射要求。由于普通PQ系統(tǒng)功率計算以保壓狀態(tài)為標準，比例變量泵系統(tǒng)在這一動作時功率消耗很低，因而油泵排量可加大25以上。 系統(tǒng)發(fā)熱降低，液壓元件使用壽命延長。比例變量系統(tǒng)幾乎無節(jié)流、溢流損失，系統(tǒng)運行時發(fā)熱大大減少。不僅可節(jié)省冷卻水之消耗，低油溫使密封元件壽命大大提高。 能量消耗減少，系統(tǒng)效率提高。比例變量泵系統(tǒng)具有良好的自適應性，其輸出的壓力和流量能夠與負載需求相一致，解決了節(jié)流調速系統(tǒng)的流量不適應和壓力不適應問題，能量損耗大大減少，系統(tǒng)效率提高，節(jié)能效果明顯，與普通定量泵+PQ比例閥系統(tǒng)相比較，可節(jié)電20。 可實現(xiàn)數控比例背壓的控制，塑化效果得到了改善。 液壓系統(tǒng)污染度水平降低，系統(tǒng)故障明顯減少，運動穩(wěn)定性大大提高，液壓油使用時間比常規(guī)系統(tǒng)延長3年以上。2、注塑機料筒加熱改造 注塑機料筒加熱是注塑機的一項重要的技術參數，直接關系到塑化的質量、塑化能力和能耗。 2.1注塑機加熱現(xiàn)狀及存在的問題 A.行業(yè)現(xiàn)狀： 塑料薄膜、塑料造粒、拉絲注塑、管材等生產企業(yè)的生產設備都是采用電熱圈對料筒和模頭進行加熱，使塑料原料熔解塑化后再注模、拉伸，擠出成型為產品。 B.存在問題： （1）熱損失大：現(xiàn)有企業(yè)采用的加熱方式，是由電阻絲繞制，圈的內外雙面發(fā)熱，其內面（緊貼料筒部分）的熱傳導到料筒上，而外面的熱量大部分散失到空氣中，造成電能的損失浪費。 （2）環(huán)境溫度上升：由于熱量大量散失，周圍環(huán)境溫度升高，尤其是夏季，有些企業(yè)不得不采用空調降低溫度，這又造成能源的二次浪費。 （3）使用壽命短、維修量大：由于采用電阻絲發(fā)熱，其加熱溫度高達800左右，電阻絲容易因高溫老化而燒斷，常用電熱圈使用壽命約在半年左右，因此，維修的工作量相對較大。 2.2電磁加熱原理法拉第于1831年建立的電磁感應定律說明，在一個電路圍繞的區(qū)域內存在交變磁場時，電路兩端就會產生感應電動勢，當電路閉合時則產生電流。這個定律同時也就是今天感應加熱的理論基礎。 電磁加熱器是一種利用電磁感應原理將電能轉換為熱能的裝置。在電磁加熱器內部，由整流電路將50/60Hz的交流電壓變成直流電壓，再經過控制電路（電磁加熱控制器）將直流電壓轉換成頻率為20-40KHz的高頻電壓，高速變化的電流流過線圈會產生高速變化的磁場，當磁場內的磁力線通過導磁（或導電材料)底部金屬體內產生無數的小渦流，使導電材料本身自行高速發(fā)熱，然后再加熱導電材料內的東西。注塑機電磁加熱節(jié)電器正是利用這一原理而設計、開發(fā)的一種新型加熱節(jié)能產品，由電磁加熱圈和電磁加熱控制器組成。具有節(jié)電效果顯著，升溫速度快，熱效率高，降低生產環(huán)境溫度，免維修等顯著特點，并且對原生產工藝、操作程序無任何影響和改變。已廣泛應用于塑料注塑加工及其類似加熱行業(yè)。 2.3效益分析 A節(jié)能效果好 相比原電阻絲加熱圈節(jié)電效果都在30%以上，相對不同的原料、生產不同的產品，節(jié)電效果有所變化。B環(huán)保效果好 可顯著降低環(huán)境溫度。 C使用壽命長 加熱圈連續(xù)運行溫度只有100左右，不存在加熱圈更換的問題。相對于原電阻絲加熱減少了二次投入。 D可提高產品產量 由于采用非接觸式加熱，故加熱效率高、速度快；被加熱物的表面氧化少； 溫度容易控制，可以局部加熱且加熱均勻，產品質量穩(wěn)定；容易實現(xiàn)自動控制，使用方便。 3、循環(huán)冷卻水泵的節(jié)能改造 注塑機循環(huán)冷卻水泵，一般為多臺機器共用一臺冷卻水泵，其節(jié)能原理與液壓泵類似，只不過是控制信號的選取略有差異，應優(yōu)先考慮溫度信號。 4.注塑機烘料箱熱風回收 注塑機熱風回收機是根據熱力學原理專業(yè)設計，干燥機排出熱風直通回收機側面切風入口，形成旋轉渦流，自動除塵，部分濕氣受熱風作用下自然蒸發(fā)排出。另一部分粘附著塵埃被除塵器過濾掉下透明集塵管，經濾清器過濾后的干凈熱風通過耐高溫管循環(huán)回受到干燥料斗中循環(huán)利用。 效益分析 可迅速降低車間內溫度，節(jié)電率大于30%。 5.注塑機節(jié)能保溫罩、保溫隔熱涂料 適用于不同型號、規(guī)格的注塑機、擠出機等發(fā)熱保溫設計使用，可度身定做。 5.1功能 A、本產品根據國家環(huán)保要求設計，達到高效節(jié)能 B、外殼采用加強型進口不銹鋼制造，有效保護發(fā)熱筒，美觀耐用； C、隔熱：采用耐高溫、環(huán)保進口的保溫材料。 5.2效益 A、節(jié)電：平均節(jié)電率在15%以上。 B、直接降低車間溫度，改善工人工作環(huán)境，使車間因機臺發(fā)熱筒升溫時外泄的熱量得到回收，保持發(fā)熱筒熱量，使塑料在適溫度上加速熔膠，提高生產效率，直接降低生產成本。 C、延長機臺發(fā)熱環(huán)和繼電器壽命，克服了附加損耗，減少發(fā)熱環(huán)長時間發(fā)熱和繼電器起動頻繁，有效延長產品本身的壽命。 注塑機品牌 : 規(guī)格型號: 油泵電機銘牌 : ?油泵類型: 定量泵 變量泵 多級泵 油泵額定功率(KW): 額定電流(A): 額定轉速(N): 運行電流(A): 序號 工 序 注 塑 機 參 數 值 備 注 壓力(Mpa)電流(A)流量（g/s） 時間（s） 合模 - 鎖模 -鎖模可分14段 射膠1射膠可分14段 射膠2射膠3 保壓1-保壓可分13段 保壓2- 溶膠時間(S): 冷卻時間(S):溶膠可分13段 開 模 -開?？煞?4段 頂 針 -指進退時間 待機時間(S): 全程時間(S):說明：1、每天平均運行小時，每月平均運行天，能效%，電費元/KW?H，總電費元/年。 2、有 無補償設備，是