一、注塑機(jī)工作原理
從50年代推出了螺桿式塑料注射成形機(jī)至今已有50多年的歷史。目前在工程塑料加工業(yè)中,80%采用注射成型。塑料顆粒(ABS,聚乙烯,改型聚苯乙烯等)在注塑機(jī)料筒內(nèi)進(jìn)行多段加熱器加熱融蝕后,經(jīng)螺桿攪拌增壓后注射入模具腔內(nèi),保壓冷卻成形,完成一個工件的加工過程。對于塑料加工,注塑機(jī)完整的工藝流程為,合?!i?!⑸洹骸鋮s—脫?!_模。其中保壓和冷卻,脫模和開模是同時進(jìn)行的,即保壓過程中,模具在通水冷卻;在開模的過程中,模具內(nèi)的脫模頂針由隱蔽處逐漸后伸出,使附注在模具上的工件脫落,開模到位后一個加工過程結(jié)束。不論大,中,小型注塑機(jī),其工藝流程都是相同的。目前絕大多數(shù)的注塑機(jī)都是液壓傳動的注塑機(jī),以上的工藝動作過程所需要的動力,均由液壓系統(tǒng)中的油泵提供,油泵又有變量泵和定量泵之分。在注塑機(jī)工作時,一個工作周期中各個工序的負(fù)荷變化很大,液壓系統(tǒng)所要求的流量和壓力是不同的,生產(chǎn)油泵時已經(jīng)考慮了這種變化,當(dāng)液壓系統(tǒng)需要的流量和壓力變化時,油泵的供油量自動地增大或減小來與以適應(yīng),這種油泵就是變量泵,不需要再用變頻器進(jìn)行調(diào)速控制。廣泛使用的另一種油泵是定量泵,它的供油量是恒定的,注塑機(jī)工作過程中流量和壓力的變化是靠流量比例閥和壓力閥來調(diào)節(jié)的,多余的油量經(jīng)溢流閥流回油箱。這樣,加劇了閥門和油泵的磨損,造成油溫升高,電機(jī)噪聲過大。另外,從注塑機(jī)的設(shè)計看,通常在設(shè)計時油泵都要留有余量,一般考慮10%~15%,但油泵的系列是有限的,往往選不到合適的油泵型號時就往上靠,存在嚴(yán)重的“大馬拉小車”現(xiàn)象,造成電能的大量浪費(fèi)。因此,對定量泵的注塑機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速改造,節(jié)約電能,提高經(jīng)濟(jì)效率具有重要的意義。
二、注塑機(jī)節(jié)能分析
根據(jù)注塑機(jī)的工藝過程,畫出系統(tǒng)油壓P 與時間t的關(guān)系圖
由圖可見,合模和脫模,開模系統(tǒng)所需油壓較低,且時間較短;而注射,保壓,冷卻系統(tǒng)所需油壓較高,且時間較長,一般為一個工作周期的40%~60%,時間的長短與加工工件有關(guān);間歇期更短,這也與加工工件的情況有關(guān),有時可以不要間歇期。以上的圖只是一種簡單的近似表示,實際上,如果注射的螺桿用油馬達(dá)驅(qū)動,注射時的系統(tǒng)油壓會高一些。注塑機(jī)加工工件的重量,從數(shù)十克到數(shù)萬克不等,最大注塑機(jī)已到92000克。因此,注塑機(jī)就有中,小型和大型之分,加工數(shù)十克的小工件和加工數(shù)千克的大工件一個周期的時間也是不相同的;就是對同一臺注塑機(jī),加工工件的原料不同,各段工藝流程中所需的壓力和時間也是變化的。這些工藝參數(shù)的設(shè)定,是由現(xiàn)場技術(shù)員根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)和試驗的情況制定的。
從圖一可見,一個周期工作流程中,負(fù)載的變化導(dǎo)致系統(tǒng)壓力變化比較大,但油泵仍在50Hz運(yùn)行,其供油量是恒定不變的,多余的液壓油經(jīng)溢流閥流回油箱,做無用功,白白地浪費(fèi)了電能。對油泵進(jìn)行變頻調(diào)速,將定量泵改變?yōu)轭愃谱兞勘玫奶匦?。系統(tǒng)所需壓力較高時,油泵電機(jī)50Hz運(yùn)行,所需壓力較小時,變頻器降頻運(yùn)行。電機(jī)輸出的軸功率與油泵的出口壓力和流量的乘積正比,油泵電機(jī)轉(zhuǎn)速降低后,輸出軸功率降低,就可以達(dá)到有效節(jié)能,一般節(jié)電率在20%~50%。
三、注塑機(jī)變頻節(jié)能調(diào)速改造方案
使用液壓系統(tǒng)的注塑機(jī),有立式和臥式之分。數(shù)十克的立式注塑機(jī),油泵采用一個齒輪泵,電機(jī)的容量也較小,電器控制電路也較簡單。改造時,將變頻器接入電機(jī)的供電回路,再將流量比例閥的信號(0~1A),經(jīng)變換為4~20mA或0~10V信號送到變頻器的相應(yīng)端口上,這樣,隨著加工過程的變化,液壓油的流量也在變化。一般來說,取相對值變化較大的流量信號做控制信號較好,控制信號變化對變頻器頻率調(diào)節(jié)的范圍大一些;而壓力信號相對值變化較小,對變頻器頻率調(diào)節(jié)的范圍小一些。如果變頻器頻率調(diào)節(jié)的范圍不能滿足工藝要求,可用變頻器的功能“頻率增益”來調(diào)整。如果使用康沃ZC或ZS系列注塑機(jī)專用變頻器,頻率增益的調(diào)節(jié)范圍50%~200%。注塑機(jī)專用變頻器就是在通用變頻器的基礎(chǔ)增加了0~1A信號轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié),使用起來更方便些。
60克以上的都是臥式注塑機(jī),60克~500 克的注塑機(jī),有的是一個油泵,也有的是二個油泵。一個油泵注塑機(jī)的改造和立式注塑機(jī)的改造是相同的。仍然是從流量比例閥取出0~1A的信號作為變頻器的速度調(diào)節(jié)信號,雖然速度調(diào)節(jié)信號是由液壓回路元件反饋到變頻器,但調(diào)節(jié)回路中沒有給定信號,因此控制還是屬于開環(huán)控制方式。也是因為節(jié)能的原因, 大中型注塑機(jī)的油泵可能不止一個, 如三菱850-MM,1300-MM,1800-MM,2000-MM注塑機(jī)均有三個油泵。對應(yīng)注塑工藝流程,在合模階段,所需的系統(tǒng)壓力較低,這時只有1#油泵工作,到鎖模階段所需的系統(tǒng)壓力較高時,2#油泵再投入工作,在注射階段所需的壓力最高,三臺油泵同時投入工作,脫模開模所需的壓力較低,再分別停止3#,2#油泵工作。只要開機(jī),1#油泵就一直運(yùn)行。用三臺小油泵按不同的工藝階段間斷工作,比用一臺大泵一直在運(yùn)行要節(jié)能。具有二個以上油泵的注塑機(jī)如何改造?這里以三菱1800-MM注塑機(jī)的改造為例加以說明。三菱1800-MM注塑機(jī)有三個45kW 油泵電機(jī),用一臺變頻器驅(qū)動1#油泵電機(jī),變頻器的調(diào)節(jié)信號取自注塑機(jī)流量比例閥,這樣,此變頻器的頻率就隨注塑機(jī)液壓油的流量的改變而變化。另外二個油泵電機(jī),可以分別用二臺變頻器驅(qū)動。不過這二臺變頻器對電機(jī)不進(jìn)行調(diào)速,只作兩位式的控制,即起動和停止??刂谱冾l器的起動和停止信號,取自于原來該油泵電機(jī)的起動和停止信號。變頻器的上限頻率設(shè)定在50Hz 以下,具體設(shè)定值與加工的工件尺寸,材料,料筒的溫度等因素有關(guān)。如果變頻器運(yùn)行頻率低于50Hz,就可以節(jié)能。實際上,注塑機(jī)設(shè)計時都留有余量,加工工件尺寸,材料的變化所需的油壓也要隨之變化。如果注射的壓力過大而鎖模力不足,會使工件出現(xiàn)飛邊;若注射力不足,模具腔內(nèi)塑料會注不滿,工件報廢;保壓力不足時,工件中塑料比較厚的地方會出現(xiàn)收縮。本例二臺變頻器的運(yùn)行頻率為37Hz,注塑機(jī)的節(jié)能率達(dá)23%。
四、注意事項
1.變頻器的選型
注塑機(jī)的油泵普遍使用的是葉片泵和柱塞泵,機(jī)械特性為恒轉(zhuǎn)矩,選用具有恒轉(zhuǎn)矩特性的變頻器,V/F控制或矢量控制變頻器均可,也可選用注塑機(jī)專用型??紤]到注塑工藝各階段的時間有一定要求,變頻器的加速和減速時間要短,一般為1 秒,變頻器的容量就要適當(dāng)加大。根據(jù)經(jīng)驗,矢量控制變頻器選大一檔,V/F控制的變頻器選得更大一些。為防止過載燒電機(jī),調(diào)試變頻器時,注意設(shè)定好電子熱繼電器功能。
注意:如果您用的是ZC 或ZS 注塑機(jī)專用型變頻器,變頻器在設(shè)計的時候就已經(jīng)預(yù)留了余量和足夠的過載能力,您只需選擇相同功率的變頻器就可以了。
2.備用系統(tǒng)
注塑機(jī)進(jìn)行變頻節(jié)能改造時,保留原有的工頻起動回路作備用,這樣一旦變頻器有故障,還能用工頻起動油泵電機(jī)繼續(xù)運(yùn)行。
3.變頻器對注塑機(jī)數(shù)字儀表的干擾
現(xiàn)在注塑機(jī)上廣泛使用是交-直-交變頻器,其輸出電流中含有諧波成分,可能會對注塑機(jī)產(chǎn)生干擾,最易受干擾的是溫度控制儀表,因此,在安裝變頻器時需要注意的是:
?。?)變頻器需加裝輸入和輸出電抗器
(2)也為了避免相互造成干擾,引入變頻的控制線要作屏蔽處理。信號最好采用4~20mA電流信號。
(3)變頻器機(jī)殼要可靠接地。
(4)變頻器安裝在注塑機(jī)內(nèi)部時,特別要關(guān)注通風(fēng)散熱。
4.電機(jī)轉(zhuǎn)速降低后的溫升
電機(jī)用變頻器驅(qū)動后,溫升會增加10%,電機(jī)速度又降低后,自帶的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速變慢,散熱效率減低,溫升還會增加;但是,考慮到油泵是間歇工作的,溫升也不會增加多少。在我們做過的注塑機(jī)改造中,有的在電機(jī)上加了恒速風(fēng)機(jī),有的也沒加,加與不加恒速風(fēng)機(jī),根據(jù)電機(jī)工作時的溫度來決定。
五、結(jié)束語
對注塑機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速,主要的目的在于節(jié)能。從小型,中型到大型注塑機(jī)都可以加裝變頻器進(jìn)行節(jié)能改造。改造之初,涉及到節(jié)能效率的估算。注塑機(jī)節(jié)能主要與注塑工藝過程相關(guān),做出一個準(zhǔn)確的計算的困難的,一般來說,經(jīng)過改造,一個油泵電機(jī)的注塑機(jī)節(jié)能在30%~50%之間,多個油泵電機(jī)的注塑機(jī)節(jié)能在15%~30%之間。另外,油泵速度的降低減少了機(jī)械的磨損,間接的經(jīng)濟(jì)效益也不可小視。
注塑機(jī)節(jié)能常見疑難解答
1、 為什么注塑機(jī)變頻器節(jié)電率能達(dá)30%~60%以上,它是怎樣實現(xiàn)節(jié)電的?
答:因注塑機(jī)是一種典型的周期性變動負(fù)荷設(shè)備,一個完整的生產(chǎn)周期包括鎖模、射膠、熔膠、冷卻、開模等階段,對于其液壓系統(tǒng)來說,每個階段對壓力、流量的匹配各不一樣,而油泵電機(jī)的功率是根據(jù)其運(yùn)行過程中最大負(fù)荷配備,但是,注塑機(jī)一個生產(chǎn)周期中只有高壓鎖模與熔爐膠段電機(jī)負(fù)荷較大,其它工作階段電機(jī)負(fù)荷一般較小,特別冷卻過程其負(fù)荷幾乎為零。注塑機(jī)的整個工作過程中油泵電機(jī)的電能損耗嚴(yán)重,電能利用率只有30%~70%,因此,其節(jié)電空間比較大。針對注塑機(jī)開發(fā)的高效變頻器以注塑機(jī)的流量與壓力信號作為本身的控制信號,實現(xiàn)軟起動和無級調(diào)速,從而達(dá)到電機(jī)的輸出功率與其負(fù)荷相匹配,與注塑機(jī)整個工藝完全吻合,在不影響生產(chǎn)效率的前提下實現(xiàn)高效節(jié)能,節(jié)電率可達(dá)30%~60%以上。
2、 變頻器安裝是否對生產(chǎn)造成影響?怎樣確定節(jié)電效果?
答:整個安裝過程只要幾十分鐘,而且變頻器安裝勿須改變注塑機(jī)原有電路,操作簡單,對原來的生產(chǎn)過程無任何影響;變頻器安裝調(diào)試完畢且注塑機(jī)運(yùn)行正常后就可以開始節(jié)電效果測試,首先把變頻器切換為非節(jié)電運(yùn)行狀態(tài),記錄測試起止時間及測試開始、結(jié)束時電度表的讀數(shù),算出非節(jié)電狀態(tài)下油泵電機(jī)每小時耗電量,然后切換為節(jié)電運(yùn)行狀態(tài),以同樣的方式記錄注塑機(jī)相同條件下的用電量,算出節(jié)電狀態(tài)下油泵電機(jī)每小時的耗電量,再根據(jù)公式:節(jié)電率=[(非節(jié)電狀態(tài)用電量-節(jié)電狀態(tài)用電量)÷非節(jié)電狀態(tài)用電量]×100%求出節(jié)電率。因此,裝上變頻器后,可以馬上測試出節(jié)電率,確定節(jié)電效果,可以實實在在地知道每小時節(jié)約多少度電,降低了多少生產(chǎn)成本。
3、 節(jié)電過程中電機(jī)頻繁的啟動對電機(jī)是否有影響?
答:無任何不良影響!CVF-ZC變頻器是注塑機(jī)專用的節(jié)電設(shè)備,其軟件中設(shè)計了電動機(jī)專用的“S”型啟動曲線,21種V/F轉(zhuǎn)矩提升方式,以及在運(yùn)行過程中實現(xiàn)無級調(diào)速,此外有0.2秒~3200秒寬度可調(diào)加速時間選擇,可根據(jù)不同功率的電機(jī)選擇適當(dāng)?shù)募铀贂r間,因而避免了電動機(jī)直接啟動時的大沖擊電流。其實,在變頻器控制下的電動機(jī)的任何啟動過程實際是一種無電流沖擊的“軟起動”過程。另外變頻器對電動機(jī)還包含有多種保護(hù)功能,比如:過流、過壓、過載、欠壓、過熱、CPU保護(hù)功能等等。因此,即使是電動機(jī)頻繁的啟動、停止,對電動機(jī)本身無任何不良影響。