注塑机液压系统绿色设计的策略与展望.pdf

机械研究与应用 2 0 1 3 年 第5 期 第2 6 卷， 总 第1 2 7 期 综 述 注塑机液压系统绿色设计的策略与展望 黎坚， 李岚 南华大学 机械工程 学院， 湖 南 衡 阳4 2 1 0 0 1 摘要 注塑机液压 系统的绿色设计包括节能、 降噪、 防漏和防污染等方面， 每一个方面有特定的技术手段来实现。详 细地介绍 了注 塑机液压 系统的绿 色设计及其优缺 点 ， 并提 出应根据 注射成 形制品 的工 艺、 关键设 备 的研 发 水平采取 相适应的节能技术 ， 以提 高整机的性价 比的建议 。 关键 词 注塑机 ； 液压 系统 ； 绿 色设计 中图分类号 T H1 2 2 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 7 4 4 1 4 2 0 1 3 0 5 0 1 8 5 0 3 S t r a r e g y a n d P r o s p e c t o f Gr e e n D e s i g n o f Hy d r a u l i c S y s t e m i n P l a s t i c I n j e c t i o n Ma c h i n e L I J i a n，L I L a n S c h o o l of Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，u n 0 厂 S o u t h C h i n a ， H e n g y a n g H u n a n 4 2 1 0 0 1 ，C h i n a Ab s t r a c t G r e e n d e s i g n o f h y d r a u l i c s y s t e m i n p l a s t i c i n j e c t i o n m a c h i n e i n c l u d e n e r g y s a v i n g ，n o i s e r e d u c t i o n ， l e a k a g e p r o t e c t i o n a n d p o l l u t i o n p r o t e c t i o n，e t c，w h i c h h a v e c e r t a i n t e c h n o l o gy t o a c h i e v e ．T h e g r e e n d e s i g n，d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s o f h y d r a u l i c s y s t e m a r e d e s c r i b e d t o i n j e c t i o n m o l d i n g m a c h i n e i n d e t a i l ，a n d t h e a u t h e r g i v e t h e a c l v i c e t h a t s h o u l d b e b a s e d o n t h e t e c h n o l o gy o f i n j e c t i o n m o l d i n g p r o d u c t s ，r e s e a r c h a n d d e v e l o p m e n t l e v e l o f t h e k e y e q u i p me n t ，c h o o s i n g t h e s ui t a b l e e n e r g ys a v i n g t e c hn o l o g i e s t o i mp r o v e t he c o s t p e rfo r ma nc e ． Ke y w o r d s p l a s t i c i n j e c t i o n m o l d i n g m a c h i n e ； h y d r a u l i c s y s t e m； g r e e n d e s i g n 1 引 言 注塑机又名注射成型机或注射机。它是将 热塑 性塑料或热 固性材料利用塑料成型模具制成各种形 状制品的主要成型设备。注塑机 的动力系统是一种 典型的多级速度 、 压力控制系统。其一般工作循环如 图 1所示。其中合模 又包括慢速合模 、 快速合模 、 低 压保护 、 高压锁模 4个工序 ； 注射又包括一级注射 、 二 级注射 ； 开模有快速开模 、 慢速开模 。 图 1 注塑机 的工作循环 图 近年来由于汽车、 建筑 、 家用 电器 、 食 品、 医药等 产业对注射制品 13 益增长的需要 ， 推动了注射成型技 术发展和提高。其 中， 注塑机液压系统绿色技术的发 展尤为明显。经过绿色设计的注塑机液压 系统是按 照环境意识设计与制造的系统 ， 除了具有良好的工作 性能之外 ， 还能减少对环境造成 污染 ， 对实现工程塑 料行业的可持续发展有重要意义 。 2 注塑机液压系统绿色设计的策略 2 ． 1 注塑机液压系统节能 液压系统节能设计的首要 目的是保证 系统 的输 出功率要求 ， 同时还要保证尽可能有效 的利用能量 ， 以达到高效 、 可靠运行的 目的。目前， 国内仍有相 当 一 部分注塑机制造公司在使用定量泵与 P Q阀 比例 流量一 压力复合 阀 组合控制方式 ， 该控制方式主要 应用在动作不是很复杂， 对动作精度要求不是很高的 设备 中， 如平板硫化机 ， 其价格相对低廉 ， 但动作不够 平稳 ， 速度和压力只有两级控制 。随着技术 的进步 ， 液压系统有了许多的不错 的改进和完善 ， 但其主要 的 控制方式并没有产生太大的变化 ， 仍然存在较多的节 流损失和溢流损失 ， 尤其对 于一些要求保压 压力较 高， 保压时间较 长的制 品的成 型过程 ， 普通 P Q系统 的功率损失相当大。随着技术 的进步 ， 注塑机液压系 统发展出了负载敏感 自适应控制 、 变频调速控制等控 制技术和纯电驱动 、 液压一电动混合等驱动技术 ， 从 而变得更加节能。 2 ． 1 ． 1 负载敏感自适应控制 负载敏感 自适应控制采用的是 比例变量泵系统。 该系统性能优 于已被广泛使用 的由定量泵与 P Q阀 组成的比例控制系统 ， 成功地实现了系统所需的流量 由阀控向泵控的转变 。 该系统原理图如图2所示， 其工作原理为 当负 载的变化改变三通伺服阀 5两端的压差时， 柱塞 6会 推动变量柱塞泵 1的斜盘转动 ， 改变其倾角 ， 从而达 收稿 日期 2 0 1 3 0 7 2 1 作者简介 黎坚 1 9 8 7 一 ， 男 ， 湖南 长沙人 ， 在读硕i ， 研究方 向 流体传动学 。 1 8 5 综 述 2 0 1 3 年 第5 期 第2 6 卷， 总 第1 2 7 期 机械 研究 与应用 到系统输出流量与负载流量相匹配。 该控制方式的优点 ①几乎没有节流 、 溢流损失 ， 液压系统发热量大大降低 ， 节省冷却水 的消耗 ， 低油 温使密封元件寿命大大提高。② 自适应性能良好 ， 输 出压力和流量能够与系统的需求相一致 ， 较大地减少 了能量损耗 ， 节能效果显著 ， 与普通 P Q阀组成系统 相比较 ， 可 以节电 2 5 ％ ～ 5 0 ％。 图2 比例变量泵系统原理图 1 ． 斜盘式 变量柱塞泵2 ． 电液 比例节 流阀3 ． 电液 比例压力阀 4 ． 固定液阻5 ． 三通伺服阀6 ． 控制柱塞7 ． 压力传感器 2 ． 1 ． 2变频调速系统 传统注塑机采用定量泵供油 ， 供油量在额定的转 速下不变 ， 而在注塑时各个动作对流量和压力的需求 是变化的 ， 故 当液压系统压力过高时， 则会通过溢流 调节的方式将多余的油经旁路流回油箱， 造成很大的 浪费 ， 据实测有 5 0 ％左右 ， 而变频调速系统就能很好 地解决此问题 。原理是根据注塑机发出所需 的马 达转速， 让泵 的油量输 出刚好能满足 液压系统 的需 要 ， 达到节能 目的。 2 ． 1 ． 3 高响应交流伺服电机驱动定量泵系统 高响应交流伺服电机驱动定量泵系统是近年发 展的一种先进的高性能节能系统， 它的出现使得变频 调节液压泵转速中响应速度慢的问题得到了解决 ， 也 提高 了电力的利用效率。 此系统中， 伺服电机输 出转速取决于系统流量需 求的反馈 ， 反应速度 比伺服 阀快 4 ％ e s ， 同时节流损失 也很小 ； 冷却水需求量几乎为 0 ， 对于保压及冷却时 间长的制 品， 节能可达 8 0 ％ 。保压 时电机处于停 转 状态 ， 比负载敏感 自适应控制系统更节能。 2 ． 1 ． 4电动驱动系统 采用电动驱动 系统的注塑机其主要优势就是节 能。伺服电机直接驱动执行机构提高了效率 ， 能量利 用率达到 9 5 ％以上 ， 比液压注塑机节能 2 5 ％ ～ 6 0 ％。 由于专用伺服电机在塑化注射部分得到应用 ， 塑化转 速 、 背压 、 注射速度及注射压力 等注射参数 的控制应 答反映速度有很大的提高。电动注塑机的各项动态 l 8 6 技术参数基本上无外界因素的干扰。 2 ． 1 ． 5 液压一 电动混合驱动节能系统 液压一 电动混合 型动力采用液压驱动进行模具 的开闭和提供锁模力 ， 而塑化和注射动作则由伺服电 机驱动完成。此种方式既具有全 电动注射成型机的 优点 ， 又保留了液压机械式注射成型机的性能。可在 提供较大合模力的情况下实现较低 的机器制造成本 和较高的注射精度； 由于液压系统只承担合模和锁模 动作 ， 降低 了泵 源的装 载功率。注 塑机成形 能耗约 7 0 ％消耗在塑化上， 而采用拥有高效率伺服电机的液 压一 电动混合驱动系统 ， 极大的提高了注塑机的能量 利用率。 2 ． 2 注塑机液压系统降噪 液压系统对工作环境产生的噪声污染可分机械 噪声和流体噪声。其 中机械噪声又分为两种 ①液压 系统 中高转速转动部件不平衡 ， 导致油箱和管路共振 而发 出的噪声 。②机械零件设计制造缺陷以及不合 格装配而引起 的高频噪声 。为了降低机械噪声 ， 应对 转子进行动平衡试验测试 ， 并在产品设计时采用防止 其发生共振的措施 ； 选用 噪音较小 的柱塞泵 ； 严格保 证制造和安装 的质量 ， 产 品结构设计 更应科学合理。 而流体噪声是 由油液流速 、 压力的突变、 流量 的周期 性变化 以及泵 的困油 、 气穴等原因引起 的， 在液压 系 统噪声 中占很大 比例 。对 于此类噪声 ， 应 在易产 生冲击 的部位 附近设置蓄能器 ， 以吸收压力波 ， 减缓 冲击 ； 在不牺牲系统性能的条件下尽量使用大管和软 管等。 2 ． 3注塑机液压 系统防漏和防污染 注塑机液压系统的防漏 、 防污染主要是在选择液 压元件和装配时采用合理的方法 。其 中， 插装阀的选 择则能满足要求 。用插装 阀构成的液压系统具有通 流量大 、 密封性好 、 结构简单紧凑 、 体积和质量小的优 点。 常见的二通插装阀的原理图如图 3所示 ， 阀盖的 底面安装在阀体上 ， 顶面作为先导 阀的安装面， 内部 钻有各种通道或插装各种先导阀元件 ， 先导元件通常 是电磁换 向阀元件组成。 图 3 二通插 装阀的原理图 1 ． 控制盖板2 ． 阀套3 ． 弹簧4 ． 阀芯5 ． 阀体 羹． 机械研究与应用 2 0 1 3 年 第5 期 第2 6 卷， 总 第1 2 7 期 综 述 插装阀的应用很广 ， 如图 4液压原理 图为华意机 械预试验的液压系统中的托模油缸模块 ， 其应用在 1 8 0 0 t 的橡胶注射机上。虽然该模块所在的液压 系统 其动力源仍为定量泵 P Q阀， 仍 产生一部分溢流损 失 ， 经过改进 ， 大量采用换装 了插装阀的模块后 ， 使得 该注塑机液压系统的性 能明显提升。插装 阀给该系 统带来 的优势有 ①完 全满足对高压 、 大流量低液阻 的要求 ， 降低了整个系统所产生 的回油背压和油温。 ②插装阀的集成块结构紧凑 、 内部流道短 、 弯道少 、 阻 力损失少以及安装维修方便 ， 使该系统高度集成。③ 控制特性 良好 ， 可实现无泄漏控制， 系统效率高。④ 抗污染能力强 ， 能提高该系统的可靠性 。 物， 保证油液的清洁度 ， 而采用何种精度的滤油器则 取决于系统对控制速度 的要求 。③注塑机组装必须 在清洁的环境中进行 ， 所有元器件必须采用干装配方 式 。装配后还要选择 与工作介质相容的冲洗介质多 次清洗 。④在注塑机正常投人使用之前 ， 新液压油要 经过静置 沉 淀 、 过滤 处 理后 才 能加 入 到 液压 系 统 中l 。 3 结 语 目前 ， 高响应 的交流伺服电机驱动定量泵系统 由 于成本过高 ， 在注塑机上的应用并不普及 ， 有待于低 成本 、 高速高效率液压泵的研发 。采用变频电机节能 的系统响应速度慢、 小流量状态下节能效果也没有变 量泵系统好 。 全 电动驱动系统 的注塑机在 高技术含量的精密 注射成形方面有较好的发展前景， 容易满足于对高端 产品的加工 。现阶段注塑机节能技术应用的主要 方 向应为对比例变量泵控制技术的普及运用以及不断 地改善和提高。同时也要努力地推动全电动注塑机 、 新变频控制方式的开发与研究。 图4 华意机械注塑机托模油缸模块液压原理图 参考文献 在注塑机液压系统 防漏 、 防污染设计和装配 时， 除了须选择合理 的元件外 ， 还可采取 以下措施 ①为 了减少泄漏 ， 应尽量使用高黏度的工作油 ； 同时要根 据密封特性 ， 正确地选用密封圈。②在节流阀前后装 上精滤油器 ， 通过过滤作用清除系统油液中的污染 [ 1 ] 刘 志峰 ， 刘光复．绿色设计 [ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 1 9 9 9 ． [ 2 ] 钟 汗如注塑机控制系统[ M] ． 北京 化学工业出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 3 ] 张友根 ．变频 调速技 术在 注塑 机上 的应 用 [ J ] ． 变频 器世 界 2 0 0 5 6 9 6 9 8 ． [ 4 ] 张友根．降低注塑机噪声技术 [ J ] ． 中国塑料 ， 1 9 8 7 2 1 5 ． [ 5 ] 仇学军．液压系统防漏 [ J ] ． 机 电设备 ， 2 0 0 1 2 4 3 4 4 ． 上接第1 8 2页 和通用性 ， 解决 了模 具矩形腔加工重复编程 的问题 ， ／ G 9 1 G 2 8 Z O ． ； 调试程序时执行 提高了效率。这对类似规则结构 的铣削加工 编程也 ／ G 9 1 G 2 8 Y O ． ； 调试程序时执行 有借鉴意义。 ／ M O 1 ； 调试程序时执行 ．． ． G 9 0 G 0 0 Z 2 0 ； 刀具快速至安全平面 参考又献 G65P 6 2 01 XOYOZ 一 [ 1 ] 陈洪 涛． 数控 加工 工艺 与编 程 [ M] ．北京 高等 教育 出版社 ， 5 2 A 2 1 9 B 1 5 9 R O C 1 6 J 0 Q 5 2 F 8 0； 矩形腔底面精铣 【 J J 3 ‘ G65P 6 2 02 XOYOZ 一 [ 2 ] 陈海舟 数控铣削加工宏程序及应用 [ M] 北京 机械工业 出版 5 2 A 2 2 0 B 1 6 0 R O C I 6 J O Q 1 3 F 8 0； 矩形腔内摩 精铣 [ 3 ] 叶 ，石教慧 ， 彭中年． 基于宏程序 的曲面数控铣床 加工及 编 G 9 1 G 2 8 Z O； 刀具 z轴回零 程 应用研究[ J ] ． 机械研 究与应 用， 2 0 0 9 3 9 5 9 6 ． M3 0 ； 程序结束 [ 4 ] 周维泉． 用牛鼻子刀螺 旋铣内 锥面的 通用宏程序[ J ] ． 制造技术 5 结 语 与 机 床,2 0 0 9 1 1 4 - 1 1 6 ． 该矩形腔宏程序能用于加工不 同规格 、 位置的模 复杂型面模件高效数控加工策略 - 机械， o 具矩形腔 ， 仅需改变主程序引数赋值 即可 ， 具有柔性 1 8 7 一■； - T 0 。 1L 一 一L _ J