引言

        随着塑料制品的应用越来越广泛，立式注塑机节能的重要性也日益凸显。传统的立式注塑机或者采用定量泵驱动的阀控系统或者采用变量泵驱动的泵控系统。定量泵系统由于有溢流损失，能耗较大，变量泵系统虽然没有溢流损失，但是增加了由变量引起节流损失，且响应较慢，不能满足某些注塑工艺要求。新型的立式注塑机或采用变频电机驱动定量泵或采用伺服电机驱动定量泵，基本原理都是为了实现动力单元输出的压力和流量与执行机构需要的压力和流量相匹配。但是变频调速响应时间较慢，而伺服电机驱动定量泵系统以其高响应特性解决了变频调速响应速度慢的缺点，同时能提高电力的利用效率，成为近年发展的一种先进的高性能节能系统。本研究采用伺服电机直接驱动定量液压泵的动力源(以下简称为伺服泵控液压动力单元)改造传统立式注塑机，并研究基于该伺服泵控液压动力单元的新型立式注塑机的工作性能，通过对比试验，分析其节能特性。

1    工作原理

1.1    传统立式注塑机能耗分析

        根据传统立式注塑机成型过程的工艺，注塑周期动作及功率分配，在保压、定型、冷却等不动作的阶段，传统的立式注塑机仍在消耗能量，造成了大量能源浪费。此外，传统立式注塑机电能消耗分配为:液压系统耗能为75%～80%，加热单元耗能为10%～15%，冷却系统耗能为5%～10%，控制组件耗能为1%～5%。可见，液压驱动系统耗电占立式注塑机总耗电的75%以上，从这方面讲，立式注塑机液压驱动系统的节能研究也意义重大。

1.2    传统立式注塑机的节能改造原理

        包括磁铁嵌入式同步电机(IPM)、定量泵和控制器。此伺服泵控液压动力单元，在流量控制模式下，通过调节伺服电机转速提供必需的流量;在进入到压力控制模式时，伺服电机转速降低到必要的转速，从而大幅度降低电能需求。前期试验研究表明:该伺服泵控液压动力单元在通用液压机上的应用使系统速度和压力特性较原阀控系统更稳定，节能效率可达15%，并且保压时间越长，节能效果越明显。

        前述可知，立式注塑机在保压、定型、冷却等不动作阶段均具有较长保压时间，可见运用此伺服泵液压控动力单元对立式注塑机进行改造，具有较好的节能前景。

        改造后的立式注塑机以磁铁嵌入式同步伺服电机取代普通的三相异步电机，其开模，锁模，射出，保压等阶段采用闭环控制，从而实现精密的速度与压力控制，由于没有定量泵的溢流发热，也没有变量泵的泄漏发热，所以控制了油温上升，实现了水冷器和油箱的小型化。通过尽量消除不动作阶段的耗能并且减少动作时的耗能，从而实现节能。

2    立式注塑机节能机理的试验研究

2.1    试验目的

        工业领域，必须是在保证机器性能的前提下实现节能。针对于本研究———立式注塑机液压系统的节能则在于动力单元输出的流量和压力与执行机构所需要的流量和压力相匹配，使流量和压力的损失降到最小。

        基于此，对传统立式注塑机进行节能改造，并研究其流量、压力的匹配及其功率消耗。

2.2    改造试验及其分析

        该试验以伺服泵控动力单元为动力源对传统立式注塑机进行改造。在此动力单元的伺服电机轴上安装旋转编码器，在泵的出口和注塑缸内安装压力传感器，通过VC编写数据采集程序，对注塑过程中的电机转速、泵出口压力和注塑缸内的压力信号进行采集。

        根据功率曲线可以看出，在整个注塑周期中，只有在合模、锁模、注塑、储料、开模和顶出的动作阶段消耗能量，而在保压和冷却等不动作阶段几乎不消耗能量。相比于传统的定量泵系统，采用改造后的立式注塑机减少了不必要的溢流损失。此外，此伺服泵控液压动力单元采用磁铁嵌入型同步伺服电机，当切换到最大流量工作状态时，响应时间小于0.1s，而在压力减小时，采用了负流量调节(电机反转技术)，使得压力快速降低。这样，缩短了反应时间，提高了控制精度。

2.3    以类似产品改造的试验及分析

        作为对立式注塑机节能的进一步研究，选用了市场上成熟的、节能效果较好的上海某公司伺服泵控液压动力单元，对上述立式注塑机进行节能改造。通过同样的数据采集方式。可以看出，经该公司伺服产品改造后，立式注塑机运转性能较好，保压和冷却等不动作阶段同样几乎不消耗能量;但是试验中发现经过改造后，机器的运行噪声、振动更大，不利于机器的长时间运行。

3    节能效果验证与评估

        为了进一步评估采用伺服泵控液压动力单元的节能效果，选择南通某塑料件加工工厂进行现场实验。选用两台合模力为860kN的某立式注塑机，对其中一台进行改造，然后进行节能对比实验。两个立式注塑机使用同样的模具、同样的工艺参数、同样的原材料来生产同种塑料件。

        基于A样品，未改造机型的平均单件耗电量为0.080kWh，改造机型的平均单件耗电量为0.055kWh。因此，基于A样品，改造机型单件节电效率为:(0.08－0.055)kWh/0.08kWh=31.25%。

        同理可得B样品的单件节电效率为31.58%。

        假定工业用电价格为1元/度，节电效率取30%，工厂采用三班制，24h生产，注塑周期为30s，生产的塑料制品平均能耗为单件0.07kWh，则经过计算，改造后，传统立式注塑机一年可以节省2.2万元。考虑约3万元的节能改造费用，则在一年半之内即可收回投资。由此可见，采用此伺服泵控液压动力单元的新型立式注塑机节能效果明显，具有较好的投资回报率。

4    结论

        通过对立式注塑机成型工艺及各阶段能耗的分析，提出运用伺服泵控液压动力单元改造立式注塑机的节能前景，并进行节能改造试验研究及节能效果评估。研究表明:

        1)伺服泵控液压动力单元具备压力控制模式和流量控制模式，同时采用负流量调节技术，这有助于进一步提高节能效率，缩短响应时间，提高控制精度。同时，较市场上同类产品而言，该伺服泵控液压动力单元更有利于机器的稳定运行;

        2)采用伺服泵控液压动力单元对传统立式注塑机进行节能改造，能够达到较好的节能目的:在合模力为860kN的立式注塑机上，单件节电效果大于30%。值得注意的是，不同吨位的立式注塑机生产不同种类的产品，由于参数设定不同，保压时间不一，节能效果也不同。总的来说，大吨位的立式注塑机节能效果更加明显。