注塑机液压系统能耗分析及升压节能仿真分析

罗 涛，郭 桐，2，林添良，陈其怀，翁贞琼

(1.华侨大学 机电及自动化学院， 福建 厦门 361021；2.浙江大学 流体动力与机电系统国家重点实验室， 杭州 310027;3.宁波京琼机械制造有限公司， 浙江 宁波 315113)

0 引言

注塑机是塑料行业的重要生产设备，其液压装机功率、能量损耗对于系统制造成本和使用成本具有重要影响。高能耗的注塑机不仅会导致电力资源浪费，也会提高注塑机的生产成本[1]。我国注塑机制造数量与年产量均位居世界前列，且注塑成型产品占塑料制品总量的30%左右，高额的电费成本已成为制约注塑行业生产效益的重要因素之一。为提高注塑机市场竞争力，注塑机生产企业响应国家节能减排号召，不断对现有注塑机耗能系统进行节能改造，提高注塑机功率能效，降低生产成本[2]。

注塑机按照动力源类型可分为3类，全液压式、全电动式和电液混合式。全电动式注塑机成本较高，且应用范围受限，目前液压式注塑机仍然是行业中的主流产品。普通液压式注塑机采用定量泵-比例流量压力阀阀控系统，整个注塑过程中液压泵输出固定流量，当系统需求流量较低时，电机转速不变，多余流量溢流回油箱，造成较大能量损失[3]。

负载敏感液压系统采用变量泵作为系统液压源，输出功率与负载变化相匹配，极大程度地减少系统溢流损失和节流损失，节能效果显著，通过在变量泵上增设比例流量阀，利用电信号实现各种补偿，可提高系统控制性能，适用于流量控制的注塑机系统中，但其需要一套较为复杂的变排量控制机构，且排量变化受到斜盘角度的局限，调速范围有限[4]。变频液压技术相较传统容积控制技术，其采用变频器+电机+定量泵的控制形式，具有调速范围宽、噪音小、系统效率高等特点[5-7]。随着伺服控制技术的发展，其具有比变频控制技术更好的控制精度、响应速度和过载能力，已成为主流的注塑机液压控制系统[8-9]。

彭勇刚等[10]采用伺服电动机直接驱动定量泵作为精密注塑机的驱动源，并提出模糊滑膜控制策略，实现注塑过程中系统压力、速度的精确控制，且节能性较好。Liu等[11-12]在注塑机上对5种电液控制方案进行能效对比，结果表明交流伺服电动机驱动定量泵系统动态性能好、控制精度高且节能效果最优。肖旺等[13]利用AMESim建立高速注塑机注射部分的仿真模型，提出了一种电液位置-速度伺服系统的控制策略以及实现方法，实现了对注射位置和速度的双变量控制。王建等[14]对内循环二板注塑机合模系统进行能耗仿真分析，通过减少阀控元件、采用合适液压缸杆径和添加蓄能器等措施，均可降低系统能耗。熊文楠等[15]在3种液压系统中针对注塑机合模、开模和顶出过程进行能耗分析，结果表明定量泵+比例压力流量阀系统能耗高，比例变量泵系统节能效果受制品工艺不同而变化，而定量泵+伺服电机系统节能性好。高俊等[16]针对注塑机液压系统溢流损失问题，提出一种异步电机驱动双联齿轮泵的方案，以满足注塑机瞬时大流量需求，采用压力流量闭环控制，提高控制精度以及系统节能效果，并对传统注塑机液压系统进行改造，具有较好的节能效果。

液控单向阀配流液压马达能够实现更高的工作压力，使注塑机的高压化成为可能[17]。本文提出在注塑机液压系统中采用高压液压元件，提高注塑机液压系统工作压力，在保证输出功率不变的条件下，降低注塑机工作周期内系统流量需求，同时减少液压系统中液压缸杆径尺寸，降低系统节流损耗以及管路沿程压力损失的方案。文章以合模力为1 200 kN的液压注塑机为研究对象，采用AMESim软件对注塑机液压系统进行建模和仿真，通过减小合模液压缸缸径，对比液压缸减流升压前后电磁阀阀口压降、管路压降以及系统功耗，研究注塑机液压系统升压后节能效果。

1 注塑机液压系统简介

注塑机液压系统动力来源于液压泵，注塑机各运动机构由液压缸或液压马达驱动。注塑机的周期动作主要包括调模、开合模、座进退、注射、预塑、保压、抽芯和顶出等，每个动作主要由电磁换向阀控制，且为减少注塑机工作过程中的溢流能量损失，大部分注塑机动力源采用伺服控制技术，根据每个执行机构所需流量，适应调节电机转数。在系统保压冷却阶段，降低液压泵输出流量，而在液压执行器工作阶段，通过执行器压力和流量反馈，自适应调节系统流量。图1为某型注塑机液压系统原理图。

图1 注塑机液压系统原理图

由于注塑机在实际工作状态下，功率需求较高，在系统溢流压力较低时，常常需要系统输入较大的流量，在大流量液压系统中，其阀口压降和管路沿程压力损失较大，同时还伴随系统温升和噪音等问题，造成系统能耗损失。

注塑机液压系统主要包括有：液压泵、电磁换向阀、液压油缸和液压马达等元件。目前，大多数液压元件已实现高压化，也为注塑机液压系统提高工作压力创造条件。高压化可以实现液压系统高功率密度以及高功率输出，也与注塑机液压系统需求相一致。

2 注塑机液压系统能耗损失理论分析

2.1 注塑机液压系统溢流流量损失

传统的注塑机液压系统采用定量泵输出流量，通过比例压力流量阀，实现各个执行器稳定工作，该液压系统简单可靠，注塑过程中液压泵输出流量恒定，在系统流量需求较低的阶段，油液通过溢流流回油箱，其溢流流量损失严重。目前，注塑机液压系统大多数采用比例变量泵控系统或伺服电机系统，可有效调节注塑过程中液压泵输出流量，减少系统溢流流量损失。在注塑机工作周期中，高能耗工作时间短，故伺服电控系统相较于比例流量阀控系统可节约能耗30%～60%左右[2]。

2.2 注塑机液压系统阀口节流压力损失

注塑机工作过程中，液压源通过电磁控制阀，将流量输入各个液压执行器，为缩短注塑加工周期，在液压缸运动过程中，系统流量通常较高，而液压泵输出流量流经电磁控制阀，其存在一定的节流压力损失。电磁换向阀其阀口开启后类似于薄壁节流小孔，故阀口节流后压降可通过节流孔口流量-压降公式计算，其公式为

式中：Q1为阀口流量；Cd为薄壁小孔流量系数；A为孔口面积；ρ为流体密度；Δp为阀口前后压差，故节流能量损失为

2.3 注塑机液压系统管路沿程压力损失

注塑机液压系统中，液压源通过管路连接到电磁换向阀，再通过管路连接到液压执行器。选用较大的管径可以降低管内平均流速，保证管内层流流动状态，减少沿程阻力系数，降低沿程压力损失，但管路布置较难；若选用较小管径，管路平均流速较大，容易导致管内出现紊流现象，增大管路沿程能量损失。管路沿程压力损失计算公式为

式中：λ为沿程阻力系数；l为管路长度；d为管径大小；ρ为液压油密度；v为管内平均流速。管内流速计算公式为

雷诺数计算公式为

其中:υ为油液运动粘度；Q2为管道过流流量。沿程阻力系数λ与管内流动状态有关，计算公式为

为减少液压管路沿程损失，需保证管内流动状态为层流，故沿程阻力系数λ=64/Re，代入沿程压力损失计算公式可得

在管路直径未改变的条件下，管路沿程压力损失与管路流量成正比，而管路沿程压降能量损失与管路流量的平方成正比例。

3 注塑机液压系统AMESim仿真模型

3.1 注塑机液压系统仿真参数

依据注塑机液压系统原理图以及相关液压元件参数，为方便分析注塑机液压系统执行元件功耗，将模型进行简化处理，搭建如图2所示的注塑机液压系统仿真模型，该模型采用阶跃信号模拟伺服电机在不同工况下实现变转速控制，使系统基本不产生溢流现象。AMESim模型仿真分析参数设置如表1所示。依据注塑工艺顺序，设置电磁阀动作顺序如表2所示。

图2 注塑机液压系统AMEsim仿真模型原理图

表1 液压系统仿真分析关键参数

表2 电磁阀动作顺序

注：表2中“+/-”表示电磁阀V2先左位得电，后右位得电。

同时，为模拟阀口节流压降效应，参考华德WE6型的O型滑阀三位四通电磁换向阀，由于其阀口结构原因，在流量为60 L/min时，其阀口P流向阀口A/B压降为1.0 MPa，其阀口A/B流向阀口T压降为0.8 MPa。为简化仿真模型，将仿真系统中的三位四通电磁阀阀口最大流通量设置为60 L/min，压降大小为1.0 MPa，其压降曲线如图3，与样本数据接近。

图3 电磁阀流量压降曲线

在设定液压系统仿真参数后，液压缸运动曲线如图4，在0～2 s内合模液压缸完成合模运动；之后座移缸带着注射装置移动1 s，将螺杆料筒的喷嘴对准模具注射口，并施加一定的喷嘴接触力；在3～4 s内，螺杆在2个注射缸的推动下，将腔内熔融状材料以极高的压力射入模具内腔中，并保压冷却一定时间，为简化仿真过程，将保压阶段略去；之后预塑马达工作，并将注塑缸压回，为下一次注塑做好准备；9～10 s内座移缸收回；之后合模油缸缩回，完成开模运动；在顶出油缸的作用下，已经完成的制品被顶出模具内，然后顶出油缸缩回，然后顶出油缸缩回，至此完成1次注塑周期。

图4 注塑机各液压缸活塞运动曲线

3.2 注塑机能耗分析

各个液压执行器在工作阶段，所需流量不同，负载大小不同，系统压力也随之改变，为避免系统产生溢流流量，故在各执行器运作阶段，使液压源提供其所需流量。在探究液压系统压降能耗影响时，为消除节流调速影响，保证液压缸工作压力和流量较为恒定，故在液压缸质量块模型中设置较大的运动阻尼，使液压缸工作状态保持恒定功率。

在系统不产生溢流的情况下，各运动阶段液压泵输出流量以及压力如图5所示。在合模、预塑和注射阶段，液压系统输入压力和流量均较大，且通过上述注塑机液压系统能耗损失分析可知，在较大的流量工作阶段，其压降能耗损失较大。同时，在仿真实验中，合模油缸尺寸较大，运动行程长，故其流量需求大，开合模过程中，约占系统总流量输入的30%，若能够实现系统升压，减少合模油缸输入流量，可以有效减少液压系统压降能耗，提高注塑机液压系统能效。

图5 仿真系统液压泵输出流量压力曲线

如图6所示，在整个注塑周期内，合模阶段、注射阶段及预塑阶段，其消耗功率较大。为探究其液压系统中，电磁阀阀口压降及管路沿程损失情况，现以合模液压缸开模阶段为例，选取图2中油缸无杆腔压力、V1电磁阀A口压力、V1电磁阀P口压力以及液压泵管路输出压力作为合模液压缸进油段压降研究节点，各节点压力如图7所示，通过上述各个节点压力差异可以得知阀口压降为0.456 MPa，1 m油管沿程压降为0.067 MPa。该仿真阀口压降与实际阀口压降大小相近，管路沿程压降理论计算值为0.058 MPa，仿真管路沿程压降比理论计算值略大。通过上述对比可得，在系统流量较大的阶段中，阀口节流压降损失大于管路沿程损失，在管路长度较长时，沿程压力损失同样不可忽略。

图6 注塑过程系统功率能耗曲线

图7 合模油缸开模阶段进油管路各节点压力曲线

3.3 注塑机液压系统升压仿真分析

通过阀口节流-压降公式及管路沿程压降公式可知，通过减少系统流量，可以显著减少液压系统中存在的节流压降和沿程压降。为满足液压缸负载驱动力和工作速度，在减小系统流量时，必须减小液压缸有效作用面积并提高工作压力。

为验证注塑机液压系统增压节能方案，仍以合模油缸为例，将其原缸径由70 mm-35 mm更换为50 mm-28 mm，其液压缸无杆腔有效作用面积缩小为原来的一半，并为保证运行速度与时间不变，将流量相应减少。经计算合模流量变为原流量的一半，工作压力提升一倍，故将溢流阀溢流压力调高至32 MPa。

图8为改变合模液压缸缸径前后系统压力和流量曲线，从图中可以看出，在合模和开模阶段，系统输入流量减少，同时系统压力上升，且合模过程中，系统流量减少一半，同时压力上升为原来的2倍，与预期值相符。但在升压后，合模开始阶段，系统工作压力较高，建压需要一定时间，但基本不影响合模效果。

图8 合模油缸升压前后系统流量压力曲线

图9为合模油缸升压前后系统能耗对比曲线，在合模和开模阶段，系统功率均较未升压前有所下降，且下降量约为0.7 kW，功率降低7.5%。图10为合模油缸升压后合模油缸进油段各节点压力，从图可知，液压源至液压缸无杆腔内压降约0.138 MPa，相比升压前，压降减少约70%，且其系统流量减少一半，故压降能量损失仅为未升压前的15%，系统节流压降能耗减少85%。在仅提升单个合模油缸工作压力下，系统能耗节约3.7%，若能够提升整个液压系统油缸工作压力，其系统压降能耗将得到极大减少，系统能效得到提升。

图9 合模油缸升压前后系统功率和能耗曲线

图10 升压后合模油缸进油管路各节点压力

通过上述液压缸升压前后压降对比，在保证换向阀以及管路不变的条件下，减小液压缸缸径尺寸，同时保证负载以及运行速度不变，系统压力将会上升，而系统所需流量反而减少，从而减少液压泵至液压执行器之间的压降大小，降低系统压降能量损耗，并降低系统油液温升及噪声。

4 结论

1) 注塑机液压系统输入流量在周期内变化较大，采用伺服控制技术可解决系统溢流现象，但系统中换向阀数量较多且管路较长，系统工作压力较低，在大功率工作阶段，系统输入流量需求大，换向阀阀口以及管路沿程存在压力损失，造成系统能效降低、噪声大和温度高等问题。

2) 通过节流孔口压降公式及管路沿程压损公式可知，阀口压降能量损失与流经流量的3次方成正比，管路沿程压降能量损失与流经流量的平方成正比，并通过仿真试验验证其相关关系。

3) 为提高注塑机液压系统能效，可通过提高液压执行器工作压力，降低系统输入流量，减少阀口和管路沿程压降。