立式注塑机节能的本质就是提高能量利用率,对此问题的研究越来越引起人们的重视。不管是液压驱动立式注塑机,还是全电动立式注塑机,都存在提高电能利用率问题。本文分析研究了立式注塑机的交流伺服电机制动电能的再生利用、机筒电加热散发热的再生利用、高能效低能耗高性能机筒加热装置的应用、以及提高交流三相异步电机工作功率因数等电能利用率提高的有关技术及实际应用情况,举例说明了电能利用率技术大有可为,节能效果显著。

1       交流伺服电机制动电能的再生利用

        节能、高性能的交流伺服电机驱动技术在立式注塑机上得到越来越多的推广应用,促进了立式注塑机的科学技术进步。进一步提高伺服电机驱动系统能源利用率和成形性能,开发能源再生利用节能技术,使节能技术取得实质性的发展。

        交流伺服电机驱动系统在注射成型过程中,频繁刹车及减速过程中,交流伺服电机在制动时变成了发电机,驱动制动电阻,而动能则在制动电阻上变为热能(热能转换为电能),消耗多余的能量,散发在大气中。此过程中一方面制动电阻发热消耗电能;而另一方面为了保证伺服电箱温度,又需增加电风扇散热,又要消耗系统电能,造成了双重浪费,因此把这部分损耗的能源加以再生利用,提高能效,成为新的研发课题。

1.1    交流伺服电机驱动泵源系统能源再生利用

        交流伺服电机驱动泵源系统,系统基本上无多余能量损害,但在工作过程中,频繁刹车及减速过程中,伺服电机本身发出电能,如果得不到应用,就造成浪费。        交流伺服电机驱动泵源系统制动能源再生利用技术。在立式注塑机交流伺服电机驱动泵的液压系统中增加伺服驱动制动回收单元,达到存储伺服永磁同步电机在刹车制动过程中产生的电能,同时能够将此电能释放到立式注塑机的工作过程中。在直流母线上串入伺服驱动制动回收单元,以减少制动电阻消耗的能量。制动电阻和伺服驱动制动回收单元并联一起,用以消耗伺服驱动制动回收单元储存完成后多余的电能,保护伺服驱动制动单元和伺服驱动系统。伺服电机在刹车及减速过程中产生的能量转换为电能,通过伺服驱动器中的逆变模块单元和直流母线,将电能存储在伺服驱动制动回收单元中。而当系统重新提供电能开始工作时,伺服驱动制动回收单元中的电能首先释放,能源再生单元储存的能量将通过直流母线回放到系统中,实现储存能量和释放能量的双向作用,当电压低于整流模块输入的电压时,才使用外部电能,从而达到节能的目的。在注射成型工况需要频繁的启动及制动,伺服电机驱动组件的惯量动能在制动时可通过伺服电机产生电能,在经过驱动器转变为直流电,并储存在电容内,当伺服电机在下一周期启动时,电容放电再经驱动器转成所需脉冲电流驱动伺服电机。这种能源再生利用装置可节能3%~5%。

        瑞士有关立式注塑机公司采用储能电池吸收制动的动能,然后释放出来驱动电机,达到能量回收再利用。大同机械集团的东华机械有限公司成功研制出立式注塑机伺服能源再生技术,是国内立式注塑机行业首创的一项专利技术。Se系列伺服驱动立式注塑机应用制动能源再生利用装置,通过实际应用,在中型机上能普遍体现到3%~5%的节能,达到立式注塑机1级能耗标准,马来西亚一客户使用东华机械公司的合模力600t的600Se立式注塑机加工740g的油漆桶,同比日本某品牌的合模力650t的变量泵驱动的立式注塑机,每天的电费由710马币下降为250.6马币,下降幅度达64.7%。

1.2    全电动立式注塑机的制动能源再生利用

        Netstal的ELION系列全电动立式注塑机,把伺服电机制动过程产生的能量直接进入过渡电路,储存在电容电路中,这意味着产生的制动能量不必转化成热量,尤其是在注射循环期间,可以成为总能耗的一个重要部分,例如,当塑化过程发生在模具打开时,产生的制动能量可从过渡电路中汲取旋转螺杆所需的能量。因此,该能量并不是取自电源供应网路,并且产生的能耗相应减少。在成型塑料花瓶生产表明,从伺服电机制动过程直接进入过渡电路的能量占所需循环能量的15%,成型总能耗为0125(kW.h)/kg。对熔化塑料所需能量的计算表明:这仅比每个循环所需的总能量略少一点。同样,驱动机器所需的能量几乎全部来自各轴的制动过程,并未通过制动电阻转化为热量。与液压立式注塑机相比,ELION系列立式注塑机能耗减少了70%,比常规的全电动立式注塑机能耗低10%以上。

2    机筒散发热能再生利用

        立式注塑机节电干燥装置由热能回收系统组成,能将立式注塑机筒散发的热能转为烘料干燥的热量使用,节省烘料机因烘料而损耗的电能。深圳市百年业工贸有限公司开发的立式注塑机热能回收利用的干燥装置节能系统,为立式注塑机进一步节能开辟了一条新的途径。

        立式注塑机的塑化机筒加热装置一般都采用电阻丝加热装置,主要有以下三种型式:采用不锈钢皮云母电热丝制造的加热圈;铸铝电热丝制造的加热圈;陶瓷电热丝制造的加热圈。机筒采用电阻丝加热圈的加热效率约仅为50%,其余大多数热能都散发入周围空间中,加热圈外表面温度高的达到200℃~300℃,不但能量浪费,而且破坏了周围的环境。为了减少加热圈的热量损失,在加热圈的外层设置了保温层,实际证明这种措施所起的作用是有限的,仍有大量的能量散发掉。同时立式注塑机的塑化系统为保证进入机筒塑化的塑料原料达到干燥标准,加料斗设电热能干燥系统,消耗热能。上面塑化过程中的两种能量消耗情况表明,如能把加热圈散发的热能收集起来变为干燥原料的热能,实现回收利用,达到节能。

        节能干燥装置热能回收系统从能量回收利用的思路出发,把加热圈散发的热量收集起来,将热能收集,送入干燥加料斗,转为烘料热量使用,节省干燥料斗原需电加热供给的烘料热能,同时不会对立式注塑机的正常使用产生任何影响;由于阻止了加热圈热能外传,达到降低生产车间温度、改善周边环境的效果;在收集热能的同时也可以对刚开启的机筒达到保温的作用,缩短立式注塑机的开机的机筒预热时间;减少企业内部电力系统的负载容量,减少电损,缓解变压器的负荷。

        整个系统为气体循环的封闭系统,热量得到充分利用。节能干燥装置热能回收系统采用独立式的双重过滤进气系统,机筒集风罩具有空气过滤功能,保证了能量交换媒体的热风空气的清洁度。

3    提高电机工作功率因数的蓄能器辅佐动力驱动

        超大型立式注塑机泵源动力驱动系统一般都为定量泵系统,制品成型冷却时间较长,传统的根据注射速度全额配置的泵源动力驱动功率主要导致三个方面的能源浪费:泵源在制品冷却阶段排出液流全部通过溢流阀返回油箱,液压系统发热,导致能源浪费;驱动电机在制品冷却阶段做无成型需要的运转,而且处于低负载状态,电机的功率因数约为0.3左右,电能利用效率大幅下降;装载功率很大,装载功率浪费大,制造成本高,电机利用率低。

        减少制品冷却阶段溢流量油,提高电机运转功率因数及运转效率,降低电机装载功率,是达到提高能源利用率、节能的有效措施。

3.1    蓄能器动力注射超大型注塑成型加工,一般为低压高速注塑。注塑成型为间歇工作循环周期。应用蓄能器液压节能系统,符合注塑成型的工艺要求。蓄能器在定量泵液压系统中,在制品冷却阶段时,输出流量不必通过溢流阀回流至油箱而产生损耗,而是蓄能器供油充压,然后在注射时释放出来,达到泵和蓄能器一起输出增加执行器的工作速度,泵源系统进行保压,这样就不必为满足系统流量而配置最大流量泵,电机装载功率也可明显减小,同时电机处于高负载的高效率的状态,提高了能源利用率。蓄能器成为注射的主要动力源。

        KH-4000托盘立式注塑机,塑化注射量40000cm3,注射油缸直径320mm,注射行程2000mm,注射柱塞直径为160mm,注射压力80MPa,液压动力驱动系统额定工作压力32MPa,定量泵系统。注射工艺要求:注射时间8s,即注射速度需达到250mm/s,注射速率达到50003cm/s。要达到这样的大功率高速注射,常规的方法是设计大流量的动力驱动源,达到注射时间的要求,需液压流量1200L/min,电机驱动总功率需220kW。从该机的泵源动力驱动系统功能分析,系统泵源动力驱动仅用于注射、开合模、顶出制品、辅佐储料及供料,大功率的塑化为交流电机驱动的独立挤出,不占用系统的液压动力驱动功率;再从该机的注射成型特点分析,注射时间仅占成形周期的约5%,成型周期中很大一部分时间应用于制品冷却。如按常规的设计方法,仅为满足注射速度要求而配制大功率的驱动系统,势必造成泵源动力配制的浪费和能源的浪费。根据该机成型的特点,注射液压油路配置了8个200L的大容量蓄能器作驱动力,注射油缸油液160L,给蓄能器充油时间60s,冷却时间足够保证蓄能器有充足的时间蓄能,注射时,泵和蓄能器一起输出达到注射塑度的要求,系统泵源动力提供制品保压所需高压能量。蓄能器利用制品冷却时间蓄能,充分利用了整机液压系统驱动装载功率,同时减少了溢流损失,提高了能量利用率;大大降低了系统发热量,大幅度减小了冷却器容量。整机液压主系统的主电机驱动功率由220kW下降为37kW,达到了注射速度及成型工艺要求,又节约了能耗和降低了制造成本。

        蓄能器辅佐注射,使用于一级注塑的制品成型取得的效果良好。如需多级注射,注射液压回路应采用高动态相应性能的伺服阀,普通的开关阀由于动态相应性能差,无法达到实际的高注射深度动态切换的性能要求,导致注射速度调节不明显或难以控制,软管震动厉害等不良状况产生。

3.2    蓄能器动力移模

        KH-40000节能超大型立式注塑机,回油充液能源再生利用及蓄能器辅佐动力的复合立式节能合模油缸,综合了回油充液能源再生利用合模油缸和能源高效率利用的蓄能器辅佐注射油缸的运行功能,达到高效节能。快速移模及合模的运行原理同回油充液能源再生利用合模油缸,启模及开模的运行原理同能源高效率利用的蓄能器辅佐注射油缸。合模缸内径320mm,活塞杆直径250mm,移模行程2400mm,合模力2000kN(注:锁模力由另外锁模机构运行),快速移模速度200mm/s,低速开模速度30mm/s。快速开模配置一件200L的蓄能器。制品冷却过程中,系统为蓄能器充高压油。合模油缸具备四种功能:快速移模、高压合模、高压启模、液压保险(开模到底,移模活塞组件不下移)。为适应立式开模的特定功能,开模结束,蓄能器仍然打开,确保活塞组件和相联接的模板模具开模到底不下降,起到液压保险功能。不必用系统泵源提供压力油保压。

4    结语

        立式注塑机电能利用率技术是对节能技术的进一步深化,是从小处、细处着眼取得节能成效的科学发展。本文论述说明了提高电能利用率技术是提高立式注塑机技术性能的一个重要方面,文中提到的超大型托盘立式注塑机表明电能利用率技术大幅度提高了能量利用率及成型性能,减低了装载功率。更多的电能利用率技术有待进一步挖掘,使立式注塑机的节能技术向广度和深度拓展。