注塑机液压系统可持续发展的应用技术的研究及自主创新（上）

张友根

（宁波海达塑料机械有限公司，浙江 宁波 315200）

注塑机液压系统可持续发展的应用技术的研究及自主创新（上）

张友根

（宁波海达塑料机械有限公司，浙江 宁波 315200）

从可持续发展角度首次创新提出注塑机液压系统实现与人、环境的和谐共存的应用技术的科学发展原则理论及其环保准则和先进准则的两项内涵。结合实例研究了注塑机液压动力驱动系统、传动系统的应用技术的科学发展原则并提出了重点研发方向；分析了液压系统的应用技术的科学发展原则常见的设计缺陷并提出了具体改进的技术措施；介绍了SZ—800注塑机和KH—40000托盘注塑机的液压系统应用技术的科学发展原则的自主创新的成果；指出前瞻性把握住液压系统应用技术的科学发展原则，努力创新创造应用技术，才能领先和超越。

注塑机；液压系统；应用技术；可持续发展；技术创新；研究

注塑机液压系统应用技术的科学发展原则是实现注塑机“中国创造”及“中国智造”的可持续发展的核心原则。国内注塑机产量虽占世界第一，但一直处在价值链的低端，其中液压系统应用技术的科技含量低是主要原因之一，例如有的欧洲贸易商仅购中国注塑机的机械部分，配以自己的液压系统，由低端机变为高端机。液压元件的国际化为注塑机液压系统的科学发展提供了基础，如何科学地加以组合应用达到注塑机液压系统的可持续发展，首先必须理解和确立液压系统应用技术的科学发展原则，才能达到事半功倍的成效。本文从可持续发展角度首次创新提出注塑机液压系统应用技术的科学发展原则理论及内涵的环保准则和先进准则，并从技术角度论证了两者之间的辨证关系；结合实例研究了注塑机液压动力驱动系统、传动系统的应用技术的科学发展原则并提出了重点研发方向；分析了液压系统常见的应用技术的设计缺陷并提出了具体改进的技术措施；介绍了SZ-800注塑机和KH-40000托盘注塑机的液压系统应用技术的科学发展原则的自主创新的成果；指出注塑机液压系统应用技术的科学发展原则是环保准则统率先进准则、先进准则服务于环保准则，实现注塑工程的可持续发展。

1　注塑机液压系统应用技术的科学发展原则

注塑机液压系统包含泵源动力驱动系统和传动（包括执行机构）系统两大部分，两者的功能既有所区别又互相联系，应用技术的科学发展原则的侧重点各有特点。

1.1注塑机液压系统应用技术的科学发展原则内涵

注塑机液压系统应用技术的科学发展原则包涵环保准则和先进准则，并把环保准则置于优先考虑的地位，环保准则统率先进准则，先进准则实现环保准则的持续性，实现液压系统与人、环境的和谐共存的持续关系，推动注塑工程和谐发展。

注塑机液压传动系统科学发展原则突出生命周期属性，以现代能源技术、材料技术、生物技术、污染治理技术、资源回收技术、环境监测技术、清洁生产技术、网络技术、数字技术等贯彻于生命周期全过程。

1.1.1环保准则

塑料制品加工已列入环境保护部、发展改革委、财政部三部委2013年12月发布的《重点区域大气污 染防治“十二五”规划》中的PM2.5的重点监测对象，说明治理塑料加工产生的环境污染越来越得到重视。

注塑机液压系统极易产生噪声、振动、废油、废水、电磁波辐射、粉尘等直接和间接的环境污染。注塑机液压系统的环保准则是坚持预先采取防范措施，防止环境问题及环境损害的发生，实现经济、社会、环境效益的统一。

1.1.1.1环保准则属性

环保准则主要属性：清静属性；清洁属性。

环保准则个性化。注塑洁净医疗塑料注塑制品的液压系统的环保准则必须达到美国US联邦标准209E和国际通用标准EN ISO 14644-1的要求，符合GMP认证标准要求。食品、饮料塑料注塑制品的液压系统的环境原则应符合《食品用包装、容器、工具等制品生产许可通则》、《食品用塑料包装、容器、工具等制品生产许可审查细则》及相关标准等的具体要求。

环保准则不但贯穿液压系统寿命周期全过程，而且必须解决在制造、废弃/回收再生过程中对环境损害的要素。

（1）清静属性

注塑机液压系统的泵源的动力驱动噪声及高压大流量的运转噪声是其固有的特性，而且往往是集群式生产，所以降低液压系统噪声在环境允许的承受范围之内，实现清静化生产，是环保准则的首要。大功率液压系统的噪声已成为注塑机发展的屏障之一，降低噪声尤为重要。

清静属性理念。传统的液压系统的清静度仅停留在控制液压系统的运行噪声达到技术标准，而且检测采用六点平均值。环保准则的清静属性更注重运行噪声对人文环境的影响，更重视冲击噪声及噪声极大值的治理，所以噪声的技术标准更严格，控制技术科技含量更高。

传统噪声治理关注高频噪声，忽视低频噪声。低频噪声对人体健康的损害比高频噪声更为严重，而且不易感测。低频噪声不影响噪声指标，所以长期来得不到关注。

应用蓄能器降低液压噪声：消除脉动、吸收液压冲击； 应用蓄能器存储能量，释放能量，实现液压能量回收再生，减少噪声能量源； 应用蓄能器作为辅佐动力源，降低系统装载功率。

（2）清洁属性

注塑机液压系统液压管路较为复杂、接头较多、液压件集成度较高、执行机构高压大流量运行、集成块故障率较高，这些因素造成液压系统生命周期内极易渗、漏，造成污染环境，实现清洁化运行，是环保准则的主要内涵。

清洁属性理念。传统的清洁度仅停留在控制液压油的污染度以提高液压系统的运行可靠度，环境准则的清洁属性更注重液压污染对人文环境和自然环境的影响度。传统液压系统主要致力于控制液压油的洁净度，而对液压系统在制造、装配、运行、维修引起的环境污染控制往往不够重视。

微观污染治理是清洁属性不同于传统污染治理的新特点。微观污染恶化PM2.5的环境。微观污染是影响人体健康和高端制品质量的主要因素。

1.1.2先进准则

先进准则服务于环保准则和拓展注塑工程的可持续发展。环保准则的水准取决于先进准则的服务水准。

先进准则就是前瞻性把握住注塑机液压系统的科学发展趋势并积极运用液压新技术于实际，实现注塑机液压系统的持续发展。现代的创新创造的注塑工程，依附液压系统的持续发展才能实现，例如多种形式的注射—压缩工程、高速注塑工程、多组分注塑工程、模内组装注塑工程等等，液压系统根据注塑工程的“现实需求”、“潜在需求”，运用现代先进液压元件及控制技术，开发提高环保水准的高性能的液压系统满足注塑工程的可持续发展。

先进准则服务于环保准则的主要特点是生命周期性，即从方案设计、元件选用、零件制造、安装、调试、维修服务，直至废弃物的回收利用及再制造等各个环节实现环境准则的要的，每一个技术方案的确定都应该以生命周期评估的结果为基础，制定出当前采取的方案和未来改进的方向，从“治本”上予以解决影响环境原则的要素，而不是传统的等液压系统运行后发现影响环境因数后予以解决的“治标”方法。

1.1.2.1先进准则属性

先进准则主要内涵：能量匹配属性；资源属性；节能降耗属性；服务型创新创造属性；成本属性。

（1）能量匹配属性

噪声源于振动，振动的研究与预防。液压传动噪声能量来源于液压动力驱动系统提供的能量大于执行机构运转所需的能量，溢出的能量转变为振动能量，激发噪声。降低液压传动噪声的治本方案是实现液压动力驱动系统提供的能量匹配于执行机构运转所需的能量，液压系统的能耗也达到最佳状态。在确定动力部分的参数时，做到与工作机械的负荷状态相匹配,并与原动机的高效工作区相协调，不仅实现稳态最优匹配，同时实现动态最优匹配。

（2）资源属性

资源属性不仅在设计中预测资源的有效利用，并且充分考虑在销售、使用和废弃/回收再生过程中物资的回收的可能性、回收价值的大小、回收处理方法、回收处理工艺性等一系列技术，最终达到能源的最大利用，对环境的最大贡献。

尽力提高液压能效，实现无冷却水液压系统，杜绝水污染产生源，同时达到节约水资源。

提高系统清洁度，科学恒定液压油工作温度，延长液压油寿命指数，节约油资源；提高液压油再生回用指数，提高有资源利用率，堵住液压油污染源头。

紧凑化设计降低资源消耗。革新元件、接头、结构的连接型式，液压元件集成模块紧凑化，液压阀插装阀化，积极应用“小而精”的液压元件进行模块化设计，提高系统性能和环境准则的水准。

实现液压系统能满足当前和将来相当长一段时间内的市场需求，最大限度地减少产品过时，延长产品的“使用”周期，降低了社会物质资源的消耗及制造能源消耗。

（3）节能降耗属性[1]

液压技术在将机械能转换成压力能及反转换过程中，总存在能量损耗。达到在使用过程中消耗能量最少、能量损失最少、能耗污染最低。节能降耗也是环保的重要一环，减少能源消耗即意味着减少对环境的污染。

节能降耗必须解决下面几个问题：减少元件和系统的内部压力损失，以减少功率损失；减少或消除系统的节流损失，尽量减少系统的溢流量；采用静压技术和新型密封材料，减少摩擦损失；采用二次调节系统，提高能效；使用原材料的能耗、制造过程的能耗、成型加工的能耗、回收处理的能耗、物流的能耗以及能耗对生态环境的影响等。

（4）服务型创新创造属性

液压系统是注塑工程全套方案的组成部分。

液压系统的科学发展原则的服务型创新创造准则不同于传统的服务型创新创造，不但服务于注塑成型工艺的创新创造，更强调液压系统服务于环境原则，即液压系统的创新创造的生命周期方案始终贯穿环保准则。

（5）成本属性

科学发展原则的成本属性与传统的成本理念有很大的不同，不仅要考虑设计、制造和销售成本的核算，还有考虑包括使用和废弃/回收再生过程中用户和社会所承担的成本、污染物的替代、产品拆卸、环境成本等。

成本属性以用户的成本效益为优先原则，通过科学技术的创新，使得用户以最小的单位成本生产出最高质量的绿色制品，实现绿色经济效益的最大化和科学化。

1.2液压系统应用技术的科学发展原则的设计模式

并行工程设计是液压系统应用技术的科学发展原则的设计模式。长期以来的传统的设计模式是按照创意来源—方案遴选—概念与产品测试—试产—正式投放市场的各个阶段呈顺序或串行方式进行，这种设计模式的缺陷是设计阶段无法预见后续制造及使用过程中可能出现的问题，特别是环境问题。并行工程设计是对系统及其相关过程（包括制造过程和支持过程）进行并行、相互渗透、一体化设计的模式。并行工程的设计模式下设计人员从一开始就考虑到产品全生命周期（从概念形成到产品报废）内各阶段的因素（如功能、制造、装配、质量、成本、能耗、环保等），并强调各部门的协同工作，综合考虑各相关因素的影响，使后续环节中可能出现的问题在设计的早期阶段就被发现，以避免或减少那些导致方案运行到后期不得不返工的设计错误。运用并行工程设计不仅能缩短研发周期、减少研发及制造费用，还能充分考虑产品全生命周期内的各项因素，从而提高产品的科学发展原则的质量，更好地满足顾客需求，增强产品的竞争能力。

1.3液压系统应用技术的科学发展原则的评价指标体系

液压系统应用技术的科学发展原则的评价指标，应尽可能的覆盖产品全生命周期内的不同阶段以及不同角度的各种要求；确定各项评价指标在体系内的能体现出整个系统设计优劣的权重系数；评价结果必须明确，易于判断设计方案或产品的优劣，为改进设计和方案决策提供指导信息。目前，还没有触及液压系统应用技术的科学发展原则的评价指标体系的研究，所以现在对一个注塑机液压系统应用技术的设计很难做出一个权威性的评价。

2　注塑机液压动力驱动系统应用技术的科学发展原则的研究

提高能效是液压动力驱动系统应用技术的科学发展原则，由定量系统走向变量系统的节能降耗的应用技术的科学发展原则方向。

传统的注塑机的液压动力驱动系统为定量系统，注塑工艺又为多变量运行过程，所以定量系统不可避免存在能效低噪声高的环保准则的缺陷。开发了多种型式的变量的液压动力驱动系统，如压力补偿控制、负载感应控制、功率协调系统等，实现液压动力驱动系统提供的能量匹配于执行机构运转所需的能量。

提高能效实现噪声“治本”。液压系统是注塑机运行的主要噪声源。噪声来源于液压系统的能量损耗，所以降低噪声的技术核心是泵源输出的液压动力自适应执行机构的消耗动力，提高系统的能效，达到无多余能量供给噪声发生源，即实现噪声“治本”。

本节主要研究几种变量的液压动力驱动系统应用技术的科学发展原则，并指出应用技术科学发展原则重点研发方向。

2.1V4比例泵的液压动力驱动系统应用技术的科学发展原则的研究[2]

三相异步电机驱动V4比例泵动力驱动系统是一种性能优异的节能降耗液压动力驱动系统，与PC可编程序控制器或工控机电脑结合，使整个注塑机由一个“智能块”控制，简化集成，高效节能。由于采用了高速电子控制电路对各反馈进行高速处理和采用带有位置传感器的超高响应伺服比例阀作先导控制，其响应速度显著加快。滞环≤0.2%，重复精度≤0.2%。闭环的控制过程使负载波动、油污、油温等变化因素的影响得到在线校正，表现出很好的重复精度，从而制品的尺寸精度或重量的重复偏差及不良率得到有效控制。全闭环比例变量柱塞泵位置反馈先导阀是带有位置传感器的超高响应伺服比例阀，按照修正补偿信号指令对控制油泵斜盘位置的油缸进行流量输出，位置传感器时刻在线检测反馈决定流量的阀开口大小位置，并将实际位置与指令信号位置进行比较，使泵输出的流量与压力值得到在线校正，保证按设定值准确进行压力和流量输出。在流量控制阶段，控制系统使泵输出压力与负载相协调的最佳匹配状态；在压力控制阶段，控制系统使泵的输出流量趋近于零，仅消耗极小的功率，使系统的效率达到最高。在空载下系统能保征泵的斜盘处于零倾角附近工作，使空载功率消耗最小；在有负载时，此泵有负载传感泵的变量特性，压力、流量两者同时适应实际功率的适应控制，最大限度地提高匹配效果，无节流和溢流损失。泵的输出压力比负载压力仅高出一个比例节流阀的进出压差的最佳匹配状态。在保压阶段，当系统压力达到先导式比例溢流阀设定的最高工作压力时，恒压阀使泵的排量迅速减少到除满足泵内部的泄漏外，输出流量接近于零，变成高压小流量的工况。系统不需要液压冷却系统。节电量可达40%~70%。博世力士乐公司把本公司的动态性能和精度都得到认可的DFE V4泵和伺服电机组合成变转速的DFEn复合泵控系统，弥补了普通异步电机和变频器响应慢的缺点，解决了交流伺服电机驱动定量泵系统因保压时间长电流大易引起电机本身过度发热而退磁的缺点，保证了系统高响应的特性及伺服电机的使用寿命。

2.1.1应用技术科学发展原则重点研发方向

V4比例泵的输出功率与成型所需功率相匹配，系统无能量损耗，所以没有转变为噪声的能量。辅以蓄能器吸收柱塞泵脉动充击，降低泵运转噪声。电机仍为普通三相异步电机，成为泵源的噪声源。

V4比例泵的核心制造技术掌握在国外厂商手中，虽然国内V4比例泵于20世纪80年代开始研发，但未成正果。V4比例泵进口价位高。这些因素造成V4比例泵节能降耗液压动力驱动系统不能在国内注塑机上得到推广应用。

2.2电液比例恒压变量柱塞泵的液压动力驱动系统应用技术的科学发展原则的研究

电液比例恒压变量柱塞泵把恒压变量柱塞泵和比例控制有机地结合在一起，应用最新电子技术、传感技术来控制泵的输出流量和系统压力。日本油研公司A系列电液比例恒压变量柱塞泵，最高使用压力28 MPa，最低调节压力为0.7 MPa，最大排量达0.145 L/r，流量调节所需最低压力为2 MPa，流量控制滞环小于1%，重复精度误差小于1，压力控制滞环小于1%，重复精度误差小于1。电渡比例恒压泵作为液压系统的动力源, 既可连续地调节进入各执行机构的流量，又可使泵的输出压力跟踪执行机构在不同工况时的压力，压力、流量两者同时适应实际功率的适应控制，最大限度地提高匹配效果，无节流和溢流损失，是理想的高效的节能元件，比V4泵（有少量节流损失）还要节能。螺杆上安装位置传感器和转速传感器，反馈信号经转换后与设定值比较。将差值送到放大器，调节恒压变量泵流量输入信号，实现精密地控制螺杆的运动速度。

2.2.1应用技术科学发展原则重点研发方向

系统无节流损失，有利于进一步降低系统传动噪声，辅以蓄能器吸收柱塞泵脉动充击，降低泵运转噪声。电机仍为普通三相异步电机，成为泵源的噪声源。

2.3变频调速的液压动力驱动系统应用技术的科学发展原则的研究

变频器驱动普通三相异步电机，电机带动定量泵，通过调节电机的转速来改变泵输出的流量,从而基本达到无溢流损耗的目的，能效最高可提高50%。液压系统中不设流量比例阀，压力比例阀仍不可少。液压定量泵为适应转速变化的运转特点，应选用齿轮泵、螺杆泵。

变频调速液压动力驱动系统能耗缺陷是：定量泵的低速运行受到其结构及机构的特点，低速受到限制，一般400 r/min为最低转速，低于此转速，其使用寿命便为大幅降低，所以在基本上不需液流量的保压、冷却的注塑工序，仍有液流损失，液流经过溢流阀有需要约0.5 MPa的压力，所以能耗不能达到理想水平。在不需要保压、冷却的制品注塑工艺中，其能耗性能十分理想。

2.3.1应用技术科学发展原则重点研发方向

应用技术泵源系统采用低噪声的叶片泵。大功率三相异步电动机建议为6极电机，以降低运转噪声。

变频调速一般运用于塑制品企业已有设备的技术改造，可获得显著的节能降耗的效果。

2.4交流伺服电机驱动液压定量泵的液压动力驱动系统应用技术的科学发展原则的研究[3]

交流伺服电机驱动液压定量泵的液压动力驱动就是通过伺服交流电机变频调速，达到液压定量泵的流量匹配于执行机构的工作流量、通过系统的液压力的闭环控制自适应执行机构的驱动压力，交流伺服电机的功率因数接近1，所以其节能降耗的性能优于三相异步电机变频调速的液压动力驱动系统。由于液压动力驱动系统中定量泵的使用，所以存在与三相异步电机变频调速的液压动力驱动系统同样的能耗缺陷。

交流伺服电机驱动液压定量泵动力驱动系统中，对于插装阀较多的系统，为避免动作紊乱或保压不良等现象的发生，系统中应单独设置提供稳定控制压力的动力驱动泵源，以确保控制口的压力的相对稳定。回路中对控制油进行先期过滤，以确保控制油路的可靠性。

2.4.1应用技术科学发展原则重点研发方向

国内的交流伺服电机与液压泵的联接结构型式决定其使用寿命周期的关键。日本油研公司也推出了交流伺服电机和油泵连为一体的刚性系统，以提高使用寿命周期。国内采用1 500 r/min以下的弹性联轴节，而交流伺服电机1 800 r/min以上才能体现出其高速运行达到降低油泵排量规格的资源特性。弹性联轴节的启动、制动的冲击及在高速运行下的脉动对交流伺服电机的使用寿命周期产生极大的影响，事实证明，交流伺服电机与液压泵之间的弹性联轴节型式，交流伺服电机的使用寿命约为2年。作者采用刚性联轴节作为伺服电机与液压定量泵之间的联接型式已可靠运转6年。

在液压动力驱动系统中增加用于保压的极小排量的柱塞泵，实现在保压阶段的压力得到稳定输出，而输出流量接近于零。这样在保压阶段，系统不需其它液压泵运行，降低了能耗。与主动力驱动系统的交流伺服电机驱动液压定量泵系统实现性能上互补。

2.5交流伺服电机驱动双排量变量柱塞泵的液压动力驱动系统应用技术的科学发展原则的研究

交流伺服电机驱动双排量变量柱塞泵的特性可用来降低对伺服电机的扭矩负载，保压及高压合模所需的流量低但压力高，可将变量泵转为小排量，降低在低速时伺服电机的大电流产生的发热，更体现出高性能低能耗的特性，比配置定量泵的驱动源要多节约17%以上的电力。

减小液压冲击，有利于降低冲击噪声。双排量变量柱塞泵具有双向运转功能，短时反转可将工作腔压力快速泄掉，极大提高生产效率及防止液压冲击。系统可根据不同工况对泵的排量进行控制，实现高压力、低扭矩的方式进行保压。

有效功率最大化。用小排量泵供给系统小流量的工序，维持电机的较高转速，消除交流电机低速而引起的线圈发热能量损失。高速运转的小排量驱动系统能提供极小流量工况下的长时间的保压、极低速成型及高压低速锁模，提高能效。运用小排量保压，达到更加精密稳定的保压压力，并实现最低的保压能耗。经过实际应用证明伺服电机与双排量变量柱塞泵组成的液压动力驱动系统除具有交流伺服电机与定量泵组成的液压控制系统所具有的性能之外，实现了按照液压系统实际需求的功率进行功率输出，达到有效功率最大化，具有最高的节能效果。

提高可靠性，降低资源消耗。交流伺服电机驱动双排量柱塞泵系统，保证了伺服电机始终处在最佳转速工况下工作，有利于延长伺服电机的使用寿命和可靠性，减少系统故障率。

扩大交流伺服动力驱动应用领域。直压锁模如不采用单向阀将锁模力锁住，便要靠电机油泵不停地工作来维持锁模力，双排量的小排量能提供长时间的保压及高压合模，维持锁模力。

日精树脂工业（株）采用了交流伺服电机直接驱动双排量变量柱塞泵，需要时可以提供所需的能量，适用于从薄到厚的塑料零件加工，比公司过去的液压注塑机节省能耗 55%。东华机械有限公司交流伺服电机驱动双排量柱塞泵的Se系列注塑机，解决了一般交流伺服电机驱动定量泵在长时期低速保压过程中出现的温升级压力波动的性能缺陷，达到加工需较长时间保压的PMMA等工程塑料制品。

2.5.1应用技术科学发展原则重点研发方向

伺服电机驱动双排量柱塞泵系统，大小排量之间平稳快速过度是需重点研发的课题。

交流伺服电机驱动双排量变量柱塞泵，辅以蓄能器吸收柱塞泵脉动充击，降低泵运转噪声。交流伺服电机驱动双排量变量柱塞泵的刚性连接系统有待研发，以提高运行可靠性及动态响应性能。

2.6油电复合动力驱动系统应用技术的科学发展原则的研究

油电复合动力驱动系统指泵源的主动力驱动为液压动力驱动，部分执行机构的动力驱动为交流伺服电机驱动。两者发挥各自的性能、功能，进行多种形式组合，是注塑机为实现创新注塑工程而开发的新的动力驱动形式。加拿大Husky公司注射PET瓶坯的PET400瓶坯专用注塑机，交流伺服电机直接驱动挤出塑化，液压动力驱动注射活塞实现熔融料注射，各自独立动力驱动互不干扰的系统，缩短了注射塑化时间，提高了生产率；提高了计量精度和塑化质量；降低了能耗。由于塑化独立于周期之外，可延长熔料在机筒中的滞留时间，提高了物料混炼塑化的均匀性，提供了实现低温塑化的足够时间，减少因物料经受过渡剪切可能造成物料急剧升温产生热分解的几率。

2.6.1应用技术科学发展原则重点研发方向

开发多种形式油电复合驱动：①按部件驱动分为：合模伺服电机驱动，注射液压驱动；合模液压驱动，注射伺服电机驱动；②按部件内部驱动分为：塑化伺服电机驱动，注射液压驱动；锁模伺服电机驱动，顶出液压驱动。

3　注塑机液压传动系统应用技术的科学发展原则的研究

科学认识注塑机各种液压传动系统的动态响应性能，才能有的放矢科学地应用于注塑工程，同时对液压传动系统的设计有一个科学的指导。

注塑机液压传动系统由传统的开关系统演变为比例系统，走向伺服系统。液压传动系统的性能成为应用技术的重点关注对象，液压传动系统与执行机构两者的性能匹配成为应用技术的研究重点。

本节对主要研究注塑机液压传动系统的性能及其应用技术科学发展原则重点研发方向，论述了注塑机液压传动系统设计的常见缺陷及科学发展方向。

3.1液压传动系统动态性能分析及应用技术的科学发展原则的研究

反映系统动态特性的主要是系统的固有频率与阻尼系数。注塑机液压传动系统具有多种形式，首先要明确动态特性的研究对何种液压系统具有理论和实际意义，才能取得事半功倍的效果。

3.1.1泵控传动系统的动态响应性能的分析及应用技术的科学发展原则的研究

泵控传动系统指泵源与传动系统为伺服控制系统。节2中的V4比例泵的液压动力驱动系统、电液比例恒压变量柱塞泵的液压动力驱动系统、交流伺服电机驱动双排量变量柱塞泵的液压传动系统为流量及压力闭环的泵控传动系统。伺服电机驱动系统驱动定量泵系统为压力闭环的泵控传动系统。这些泵控传动系统的共同特点是传动系统中压力管路容积大、系统阻尼比大，因此是一个固有频率很低的低响应传动系统。高响应的动力驱动系统与低响应传动系统组合，整个液压系统是一个低响应的泵控系统。

3.1.1.1泵控传动系统的性能与系统设计的应用技术科学发展原则重点研发方向

交流伺服电机驱动系统驱动定量泵系统为应用最为广泛的泵控系统。运行伺服电机的动态性能对整个系统的动态响应性能的影响极其有限，对成型周期基本没有影响，实际设计中，选用的伺服电机不必在动态响应性能方面做过高的苛求，普通的伺服电机即可满足要求；选用油泵主要考虑其容积效率以提高系统的功效；伺服电机是高价位的电机，联轴节直接影响伺服电机的使用寿命，所以伺服电机与泵的联结型式是寿命设计的主要对象，日本油研公司推出了伺服电机与泵直接联结的复合系统，即省却了联结的泵架、联轴节，又提高了传动的可靠性和效率，达到了节约资源、节能、降低制造成本的可持续发展的目的，同比国内，还停留在通用的弹性联轴节的结构上。

伺服电机驱动液压泵的传动系统可以很好地和负载匹配，具有较高的效率，有利于降低噪声。变排量控制方式只能控制执行机构的单腔，同时受限于泵的变量响应特性导致其系统刚度较低、快速性较差，主要用于大功率和性能要求不是很高的场合。

伺服电机驱动定量泵的传动系统普遍存在压力超调的性能缺陷。从两个方面进行改进：

电气控制技术。普通的PID控制的鲁棒性能差，难以有效压抑超调压力。运用变结构等新型算法于控制系统，达到有效抑制超调压力，但相对延长了稳态时间。

液压控制技术。系统中设置小型蓄能器，吸收超调压力及脉动压力，缩短稳态时间。蓄能器储存的能量可释放给再利用，提高能效。

3.1.2阀控传动系统动态响应性能的分析及应用技术的科学发展原则的研究

阀控伺服系统由电液伺服阀和执行机构构成闭环控制系统，具有高频响应性能。

阀控伺服系统运用于瞬时高速注射，在注射启动瞬时发挥作用。瞬时高速注射时间不大于1 s，甚至在0.5 s时间内完成，注射速度大于300 mm/s。瞬时高速注射时间性能取决于阀的动态响应性能，普通开关阀反映时间需约250 ms，不可能实现瞬时高速注射，唯伺服阀控制系统才能达到。

阀控伺服注射系统在注射油缸启动瞬时，影响系统固有频率的主要因数为密封阻尼及控制容积，为达到系统的固有频率最高，采取两种措施：为达到最小控制容积，伺服阀压力口直接与油缸进油口联接，达到最小控制容积；低阻尼密封件，达到最小阻尼比。图1为注射量为6 g的LED底板的阀控伺服单缸注射系统，伺服集成块直接安装于注射缸盖的无管路联接，单缸同比双缸的阀压力出口至缸接口的控制容积更小，提高系统的固有频率，达到最佳的伺服动态响应性能。

图1　阀控伺服单缸注射系统

注射开始，控制容积迅速增加，系统固有频率迅速下降，阀控伺服系统等同于普通开关阀控制的系统。

阀控伺服注射系统，为保证电液伺服阀稳定工作，压差一般为负载的二分之一。注射启动瞬间，系统为低压工况，阀前压力不会超过系统的额定压力，因此电液伺服阀主要实现流量高频响应，瞬时达到高速，存在较大的能量损失。

根据阀控理论，泵源提供的压力应大于负载需求的压力，因此无法实现负载敏感的高能效运行，存在较大大的节流和溢流损失，导致系统效率较低，由此而产生节流热及节流噪声。

3.1.2.1电液伺服比例阀性能的应用技术的科学发展原则的研究[4]

传统的注塑机阀控液压传动系统的电液伺服阀组成的阀控系统，虽然电液伺服阀具有体积小、功率放大率高、直线性好、响应速度快、运动平稳可靠、能适应模拟量和数字量调节等优点，但存在抗污染能力差、功率损失大、价格昂贵、系统制造成本及维护使用成本较高等缺点，从而影响了系统运行的可靠性、性价比及应用性。普通的比例阀仅是将比例电磁铁代替普通液压阀的开关型电磁铁，工作频宽小一般仅达到1~20 Hz，稳态滞环在4%~7%之间，零位死区大，不能很好地用于常运行于零位附近的位置、力控制闭环系统，即使在放大器中设置了零位阶跃信号发生器，在性能上总不及无零位死区的伺服阀，一般只适用于开环系统。

为适应科学性价比的工业级阀控系统的需求，国际上相继出现了比例阀吸收伺服阀的优点、带有多种内反馈式及电校正等手段的高频响的比例阀或电液伺服比例阀。电液伺服比例阀的稳态精度、动态响应和稳定性都有了极大地提高，滞环接近伺服阀，阀口零遮盖， 无零位死区，频响接近于伺服阀，具有良好的抗污染能力及使用的可靠性，替代对动态响应频率和控制精度要求不高的阀控伺服系统的 “喷嘴—挡板式”电液伺服阀。

国际上具有代表性的电液伺服比例阀为阿托斯公司的DLHZ0系列、派克公司的DIFP系列、穆格公司的D633系列，表1为三家公司的电液伺服比例阀的性能比较，用户根据实际所需选择，达到科学的性价比。

表1　三种伺服比例阀性能比较

3.1.3泵阀复合控制液压系统性能的分析和应用研究[5~6]

上面分析表征，阀控系统的固有频率高，应用于高响应，并且能够将电机和泵的特性排除在控制性能之外，具有较好的控制性能。泵控系统的固有频率降低，应用于低响应，并且基本上都是电机、泵和执行机构之间功率流直接传递，由此导致泵和电机各自的特性直接传递，进而将泵和电机各自的缺点都直接表征在系统的输出特性上。

泵源变量（变转速/变排量）系统的泵阀复合控制液压系统，把泵控系统和阀控系统组合起来，发挥各自的性能优势，拓展注塑工程的科学发展。控制体系由两个闭环组成：由变量泵源和蓄能器构成闭环的泵控的压力控制体系，为伺服阀提供充足稳定的压力油供应；电液伺服阀和执行机构构成最终的闭环，实现最终的控制输出。系统的输出特性由电液伺服阀决定，能效特性由泵控的动力输出决定。系统与纯阀控液压伺服系统比较，可降低系统功率损耗；与纯泵控伺服系统比较，提高实时控制性能；泵源变量（变转速/变排量）系统具有灵活组合性。多变量的输入，带来了参数的耦合、相乘非线性等问题，对控制策略等方面提出了较高的要求。蓄能器的容积设计是实现伺服控制压力稳态的关键。

泵阀复合控制液压系统根据动力驱动形式分为二种型式：

三相异步电机驱动电液变量泵和电液伺服阀组成泵阀复合控制液压系统。

交流伺服电机驱动定量泵和电液伺服阀组成泵阀复合控制液压系统。

泵阀复合控制液压系统根据泵和阀的组合可分为并联和串联的两种方案，根据注塑工艺要求，进行科学的搭配。注塑工艺具有高响应和低响应的两者工况，对整个系统采用泵阀并联方案。低响应状态，主要通过泵控进行，伺服阀在必要时辅以精确的控制；在高响应状态，动态时，主要由电液伺服阀瞬时控制输出流量，保证动态调节性能，达到稳态过程后，电液伺服阀关闭，泵控动力驱动，因而这种结构在保证快速性的同时也有较高的传动效率。对于蓄能器驱动的瞬时高速注射的高响应工况，系统动态响应完全处于阀控状态。

表2为泵阀复合控制方案。整个系统为泵阀复合控制，合模为泵阀并联控制，高速注射为泵阀串联控制，蓄能器注射为工作是储存的能量瞬时释放，不需要动力源供应液压能，所以为独立阀控，整个系统中需在注射和合模的两个回路中设计阀控伺服系统。

3.1.4应用技术科学发展原则重点研发方向

伺服液压系统的应用技术的开发是注塑机液压系统可持续发展的新课题。高端注塑工程的核心控制技术就是伺服液压系统应用技术的开发，应用技术的核心是是系统达到最佳的动态响应性能。电液伺服比例阀的动态性能与价格的差别很大，选用上应与设计的标的相匹配。

表2　泵阀复合控制方案

（1）加强伺服系统的应用技术的理论研究和应用

伺服液压系统的理论研究在注塑机行业相当欠缺，阻碍了高速注射工程的发展。注塑机应用电液伺服比例阀的主要目的是提高液压传动系统的高响应性能。电液伺服比例阀为实现液压系统高响应性能提供了必不可少的基础，而要实现系统的高响应性能，必须是系统达到高响应性能，通过降低运动件的质量、提高系统的工作压力、减小活塞的工作面积及油缸工作容积等技术设计提高系统的固有频率和降低阻尼比。系统设计没有高固有频率的性能，电液伺服比例阀的动态响应性能再好也达不到高响应性能。例如，蓄能器辅佐注射系统，蓄能器开启采用了高动态响应的伺服阀，实现高动态响应的开启性能，但伺服阀与油缸的连接采用了固有频率极低的高压橡胶复合管，油缸活塞密封采用阻尼系数大的聚氨酯材料的密封圈，活塞及活塞杆仍采用密度大的钢件/铸铁件，体现不出伺服控制系统低阻尼、低质量提高系统固有频率的特性的系统设计特点，必然大幅降低了从伺服阀出口至油缸活塞的液压系统的系统固有频率，即大幅降低了整个系统的动态响应性能，失去了应用伺服阀达到系统高动态响应的意义，后果是不能实现高速的设计目标，蓄能器仅起到是减小液压装载功率、提高注射速度的功能，而不能实现瞬时高速注射。

（2）伺服控制软件的应用技术开发

伺服控制系统是一个多变量、强耦合、非线性、变参数的复杂对象，常规的PID控制，其抗干扰和抗参数摄动的鲁棒性不够理想，难以得到满意的调速和定位性能。超高速注射需要伺服控制系统的速度环具有良好的动态响应速度、宽广的调速范围、优异的抗干扰特性，才能达到快速准确的定位与跟踪。根据不同塑机的特定功能，针对系统给定与反馈之间的误差，开发提高系统动态响应速度和控制精度的各种专业控制算法的应用。将现代可拓、变结构等非线性控制方法引入伺服控制系统的定向控制算法，以消除磁阻的非线性影响，实现输出力矩的精确控制，使系统快速响应并且超调小；开发给定非线性信号校正算法，有效解决设备的低速控制特性问题。

(XS-04)

（未完待续）

北美、中东和中国将引领全球聚乙烯产能快速增长

未来5年，全球新增聚乙烯（PE）产能将快速增长，主要集中在中东和北美以低成本天然气为原料的地区，以及大力发展低成本煤化工的中国。在北美地区，廉价天然气原料供应的日益增长正在给乙烯及其衍生物生产商提供难得的发展机遇，尤其是PE。未来5年北美地区的PE产能将增长逾三分之一，到2019年该地区的产能将突破2700万吨。中东地区的PE产能虽然增速正在放缓，但其仍将保持增长，未来5年该地区将新增约540万吨的PE产能。而中国将继续利用大量的煤炭资源和煤制烯烃技术新建PE产能，预计2019年前将新增1000万吨的产能。

燕丰供稿

Research and innovation of application technology of injection molding machine hydraulic system for sustainable development (Partt 11)

Research and innovation of application technology of injection molding machine hydraulic system for sustainable development(Part 1)

Zhang Yougen
(Ningbo Haida Plastic Machinery Co., Ltd., Ningbo 315200, Zhejiang, China)

From the perspective of sustainable development, Firstly this paper proposes scientific development principles of injection molding machine hydraulic system to achieve harmonious coexistence with people and the environment, and two connotations of environmental guidelines and advanced guidelines. The paper combines cases to study scientific principles of the application of injection molding machine hydraulic drive system and transmission system, and proposes the key research direction; the paper analyzes common design flaws of hydraulic systems, and presents a detailed technical improvement measures; This paper introduces independent innovation achievements of hydraulic systems of SZ-800 injection molding machines and KH-40000 tray injection molding machine; The paper points out forward-looking to grasp scientifi c principles of the hydraulic system, and strive to create innovative applied technology in order to lead and beyond.

injection molding machine; hydraulic system; applied technology; sustainable development; technological innovation; research

TQ320.5

1009-797X(2015)10-0016-11

B

10.13520/j.cnki.rpte.2015.10.003

张友根，男，教授级高级工程师，终生享受国务院政府特殊津贴，现主要从事塑料机械的科学发展工作。

2014-08-14