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 421001)

·信 息·

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 421001)

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。

注塑机;液压系统;绿色设计

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日益增长的需要，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［1］。

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PQ阀(比例流量－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PQ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－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PQ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［2］。

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PQ阀组成系统相比较，可以节电25%～50%。

图2 比例变量泵系统原理图

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50%左右，而变频调速系统就能很好地解决此问题［3］。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‰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80%。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95%以上，比液压注塑机节能25%～60%。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技术参数基本上无外界因素的干扰。

2.1.5 液压-电动混合驱动节能系统

液压－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70%消耗在塑化上，而采用拥有高效率伺服电机的液压－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［4］。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

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1 800 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+PQ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。

图4 华意机械注塑机托模油缸模块液压原理图

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在注塑机正常投入使用之前，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［5］。

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。

［1］ 刘志峰，刘光复.绿色设计［M］.北京:机械工业出版社，1999.

［2］ 钟汗如.注塑机控制系统［M］.北京:化学工业出版社，2004.

［3］ 张友根.变频调速技术在注塑机上的应用［J］.变频器世界，2005(6):96－98.

［4］ 张友根.降低注塑机噪声技术［J］.中国塑料，1987(2):15.

［5］ 仇学军.液压系统防漏［J］.机电设备，2001(2): 43－44.

Straregy and Prospect of Green Design of Hydraulic System in Plastic Injection Machine

LI Jian，LI Lan
(School of Mechanical Engineering，University of South China，Hengyang Hunan 421001，China)

Green design of hydraulic system in plastic injection machine includ energy saving，noise reduction，leakage protection and pollution protection，etc，which have certain technology to achieve.The green design，dvantages and disadvantages of hydraulic system are described to injection molding machine in detail，and the auther give the aclvice that should be based on the technology of injection molding products，research and development level of the key equipment，choosing the suitable energy－saving technologies to improve the cost performance.

plastic injection molding machine;hydraulic system;green design

TH122

A

1007－4414(2013)05－0185－03

2013－07－21

黎 坚(1987－)，男，湖南长沙人，在读硕士，研究方向:流体传动学。