注塑機(jī)的變頻改造節(jié)能應(yīng)用
一、概述：
注塑機(jī)設(shè)備在各類加工行業(yè)中被廣泛的應(yīng)用，它使用的是注射成型的方式。
塑料注射成型是利用塑料三種狀態(tài)，借助于注塑機(jī)和模具，成型出所需要的塑料制品。盡管所用的注塑機(jī)不盡相同，但要完成的工藝內(nèi)容和基本過程還是相同的，下以臥式螺桿注塑機(jī)的加工過程為例予以說明。
1、 合模與鎖緊
注射成型過程是一個(gè)循環(huán)工作過程，一般以合模作為過程的始點(diǎn)，合模過程中動(dòng)模板的移動(dòng)速度需符合慢–快–慢要求，而且有低壓保護(hù)階段。低壓保護(hù)的作用一方面是保證模具平穩(wěn)地合模，減小沖擊，縮短閉模時(shí)間，從而縮短成型周期；另一方面是當(dāng)動(dòng)模與定模快要接近時(shí)，避免模具內(nèi)有異物或模內(nèi)嵌件松動(dòng)脫落損壞模具。最后為高壓低速鎖模階段，該階段的作用是保證模具有足夠的鎖緊力，以免在注射、保壓時(shí)產(chǎn)生溢邊等現(xiàn)象。
2、注射裝置前移
當(dāng)合模機(jī)構(gòu)閉合鎖緊后，注射座整體移動(dòng)油缸工作，使注射裝置前移，保證噴嘴與模具澆道口貼合，為注射階段作好準(zhǔn)備。
3、 注射與保壓
完成上述兩個(gè)工作過程后，注射裝置的注射油缸工作推動(dòng)注射機(jī)螺桿前移，使料筒前部的熔料以高壓高速注入模腔內(nèi)。此時(shí)螺桿頭部作用于熔料上的壓力稱之為注射壓力，又稱一次壓力。熔料注入模腔后，由于模具的冷熱傳導(dǎo)，使模腔內(nèi)物料產(chǎn)生體積收縮。為了保證塑料制品的致密性、尺寸精度、強(qiáng)度和剛度，必須使注射系統(tǒng)的模具施加一定的壓力進(jìn)行補(bǔ)料，直到澆注系統(tǒng)（關(guān)鍵是澆口處）的塑料凍結(jié)為止。此時(shí)螺桿作用于熔料上的壓力稱之為保壓壓力，又稱二次壓力。
4、 制品冷卻和預(yù)塑化
隨著模具的進(jìn)一步澮，模具澆注系統(tǒng)內(nèi)的深料逐漸趨于凍結(jié)，尤其當(dāng)澆口凍結(jié)時(shí)，保壓已失去了補(bǔ)料作用，此時(shí)，可以卸去保壓壓力，使制品在模內(nèi)充分冷卻定型。
同時(shí)，螺桿傳動(dòng)裝置帶動(dòng)螺桿傳動(dòng)，料斗內(nèi)的塑料經(jīng)螺桿向前輸送，在料筒加熱系統(tǒng)的外加熱和螺桿的剪切、混煉作用下，塑料逐漸依次熔融塑化，并由螺桿運(yùn)到料筒端部，產(chǎn)生一定的壓力。這壓力是根據(jù)所加工塑料調(diào)節(jié)注射機(jī)液壓系統(tǒng)的背壓閥和克服螺桿后退的運(yùn)動(dòng)阻力建立的，統(tǒng)稱為預(yù)塑背壓，其目的是保證塑化質(zhì)量。由于螺桿不停地轉(zhuǎn)動(dòng)，熔料也不斷地向料筒端部輸送，螺桿端部產(chǎn)生的壓力迫使螺桿連續(xù)向后移動(dòng)，當(dāng)后移到一段距離，料筒端部的熔料足以滿足下次注射量時(shí)，由于制品冷卻和預(yù)塑同時(shí)進(jìn)行一般要求預(yù)塑時(shí)間不超過制品冷卻時(shí)間，以免影響成型周期。
5、注射裝置后退
注射裝置是否后退根據(jù)加工塑料的工藝而定。有的在預(yù)塑化后退回，有的在預(yù)塑化前退回，有的在預(yù)化前退回，有的注射裝置根本不退回，如熱流道模具。注射裝置需要退回的目的是避免噴嘴與冷模長時(shí)間接觸使噴嘴內(nèi)料溫過低而影響下次注塑和制品質(zhì)量。有的為了便于清料，也常使注射裝置退回。
6、開模和頂出制品
模具內(nèi)的制品冷卻定型后，合模機(jī)構(gòu)就開啟模具。在注射機(jī)的頂出系統(tǒng)和模具的頂出機(jī)構(gòu)聯(lián)合作用下，將制品自動(dòng)頂落，為下次成型過程做好準(zhǔn)備。
根據(jù)上述動(dòng)作，按時(shí)間先后程序可疳注射機(jī)工作過程繪成曲線圖（見圖一）
二、注塑機(jī)的變頻改造的可行性：
一臺(tái)通用注塑機(jī)設(shè)備，在一個(gè)完整的注塑過程中的鎖模、射膠、充填、熔膠、冷卻 、開模等階段對(duì)壓力的要求各不相同，開模階段只需保證較小的壓力即可，但要熔膠、冷卻時(shí)卻需要較大的壓力，以保證產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)率。根據(jù)注塑機(jī)原理，我們知道電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，注射壓力也就越大，所以通過變頻器對(duì)注塑機(jī)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速實(shí)現(xiàn)變壓節(jié)能是完全可行的。
當(dāng)前大多數(shù)注塑機(jī)生產(chǎn)商家都未采用節(jié)能變頻器技術(shù)，還是采用的星形-三角形啟動(dòng)，由工頻電網(wǎng)直接供電，啟動(dòng)電流大，且嚴(yán)重浪費(fèi)電能；如果采用變頻調(diào)速調(diào)壓的方式則可實(shí)現(xiàn)注塑機(jī)電機(jī)的軟啟動(dòng) ，并可根據(jù)各個(gè)不同工藝階段的壓力需求自動(dòng)改變運(yùn)行頻率，達(dá)到節(jié)能增效的目的。這些功能可通過變頻器的流量壓力模擬反饋或多段速度的調(diào)節(jié)方式來實(shí)現(xiàn)。具有投資回收快的特
目前一些注塑機(jī)已采用了變頻節(jié)能技術(shù)，收到了節(jié)能、超靜音、高效和可靠的顯著效果，且能大大減少注塑機(jī)的耗電量，這已在眾多注塑機(jī)用戶中得到了非常好的評(píng)價(jià)與信賴。通過一些專家的測(cè)試和改良，注塑機(jī)的變頻節(jié)能技術(shù)已日趨完善。
一般的注塑機(jī)的變頻節(jié)能改造通常是：將用來控制調(diào)節(jié)比例調(diào)節(jié)閥的電量信號(hào)，進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理后作為變頻器輸出頻率的給定信號(hào)，或是將注塑機(jī)的鎖模、射膠、熔膠、冷卻、開模等工藝過程控制信號(hào)進(jìn)行處理后作為變頻器的多段速或程序控制信號(hào)（也是變頻器輸出頻率的給定信號(hào)），以此調(diào)節(jié)方式來滿足注塑機(jī)各種工藝對(duì)供油壓力和流量的要求，并達(dá)到節(jié)能的目的。(見圖二)
為了實(shí)現(xiàn)注塑機(jī)在變頻調(diào)節(jié)時(shí)的最佳工況，我公司特別研究開發(fā)了針對(duì)注塑機(jī)壓力，流量雙信號(hào)控制回路自動(dòng)切換電路，它能根據(jù)注塑機(jī)各個(gè)不同工作環(huán)節(jié)的流量，壓力要求不同而自動(dòng)選擇信號(hào)，這樣在加工一些高、精度的塑料產(chǎn)品時(shí)使用更是得心應(yīng)手。
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1.理論原理
油泵的輸出功率： pt=p×Qt=p×v×n (1)
油泵的理論轉(zhuǎn)矩： Tt=1/2π×p×V (2)
P為壓力,Qt為流量,V為油泵排量,n為油泵的轉(zhuǎn)速，將(2)式代入(1)式得：
Pt=2π×Tt×n (3)
如果忽略機(jī)械能到液壓能轉(zhuǎn)換過程中的能量損失，則可近似認(rèn)為油泵的輸出功率等于電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與電機(jī)轉(zhuǎn)速的乘積。因此可以看出，當(dāng)系統(tǒng)要求低流量時(shí)，系統(tǒng)需要的功率其實(shí)是非常低的。但是實(shí)際情況卻是，由于電動(dòng)機(jī)始終運(yùn)行在工頻50HZ狀態(tài)上，并不能根據(jù)實(shí)際的需求來降低其轉(zhuǎn)速，從而減小流量。因此多余的液壓油只能通過比例流量閥流回油箱，造成能源的白白浪費(fèi)。
2、油泵變頻調(diào)速節(jié)電運(yùn)行
從圖1注塑機(jī)的P=f(t)工序過程中看出，在不同時(shí)間段，它的主油泵壓力是變化的，而且起伏較大，這就存在節(jié)能的可能性，且潛力較大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，注塑機(jī)節(jié)電率一般可達(dá)25%-60%。眾所周知注塑機(jī)未使用變頻器時(shí)，主泵的電動(dòng)機(jī)始終恒速運(yùn)行，是極不經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行的方式。
采用注塑機(jī)節(jié)電控制器，將控制比例流量閥的電流信號(hào)（0-1A），按每個(gè)生產(chǎn)工藝階段設(shè)定的流量比例，得到0-1A的比例信電表去打開電磁閥的比例開度，以提供系統(tǒng)所需的壓力。多余的流量通過溢流閥溢流掉。把比例流量信號(hào)連接到注塑機(jī)節(jié)電控制器作為驅(qū)動(dòng)指令，控制油壓驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，油泵只補(bǔ)充油路中所消耗的部份，油泵電機(jī)按比例指令運(yùn)轉(zhuǎn)相應(yīng)轉(zhuǎn)速，輸出相應(yīng)的流量，以提供系統(tǒng)所需的壓力。即需要多少提供多少，在源頭上讓它不產(chǎn)生浪費(fèi)。因此用變頻節(jié)電系統(tǒng)在注塑機(jī)的整過生產(chǎn)過程中都具有明顯的節(jié)電效果，從而能夠較大幅度節(jié)能省電，為用戶帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。
工程案例一：廣東南海新豐塑料廠大型注塑機(jī)改造
深圳市日業(yè)電氣有限公司同東莞市某節(jié)能設(shè)備科技開發(fā)有限公司合作，對(duì)廣東南海新豐塑料廠四臺(tái)主泵55KW大型注塑機(jī)（東華800）進(jìn)行了變頻改造，該機(jī)最大壓力可達(dá)2000噸，最大投料量可達(dá)16000克，約1-2分鐘生產(chǎn)6個(gè)中、大型水管接頭。這是應(yīng)用變頻器的技術(shù)改造成功的典范，現(xiàn)已投產(chǎn)使用達(dá)半年之久，工作正常，平均節(jié)電率達(dá)35％以上，深受用戶歡迎，經(jīng)長達(dá)半年之久的應(yīng)用對(duì)比，該廠已確定對(duì)另6臺(tái)注塑機(jī)也使用變頻器進(jìn)行技術(shù)改造。充分說明應(yīng)用變頻器對(duì)大型注塑機(jī)實(shí)行節(jié)能的技術(shù)改造方案是正確的有效的，值得向大家推薦。
1． 工頻、變頻主電路及變頻器的選用
主油泵55KW，選用深圳市日業(yè)電氣有限公司ZY3200-ZY055T4變頻器四臺(tái)，經(jīng)半年來使用，證明變頻器的性能良好，工作可靠，節(jié)電率高，主電路采用工頻-變頻二套電源供電方式，（即變頻、工頻互鎖互換的雙回路控制）,以確保不間斷的工作。
2． 變頻改造應(yīng)用中注意的事項(xiàng)
① 必需是采用比例流量控制的注塑機(jī)才可進(jìn)行變頻節(jié)能改造。
② 變量泵不用進(jìn)行變頻節(jié)能改造。因?yàn)樽兞勘帽旧硪褞в幸欢ǖ墓?jié)能效果，增加變頻器不能體現(xiàn)出它的優(yōu)勢(shì)。
③ 有些繼電器控制的注塑機(jī)速度是采用手調(diào)節(jié)流量閥控制速度的，進(jìn)行變頻節(jié)能改造的效果并不理想。對(duì)小型注塑機(jī)也輥對(duì)變頻器響應(yīng)速度的特別要求，需慎進(jìn)行變頻節(jié)能改造。
④ 一般情況下,安裝節(jié)能變頻器不會(huì)影響注塑機(jī)的操作使用方式,為保證生產(chǎn)效率,某些工藝參數(shù)卻需要作調(diào)整
（4）如何正確取得控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)變頻器與注塑機(jī)的最優(yōu)結(jié)合是十分重要的。我們采用方案的原理框圖（見圖3）
1． 經(jīng)濟(jì)效益分析
注塑機(jī)及生產(chǎn)情況表 表（1）
|
注塑機(jī)型號(hào) |
主電機(jī)功率 |
制品名稱 |
制品材質(zhì) |
節(jié)電器型號(hào) |
|
東華800 |
55＋55KW |
水管接頭 |
PVC |
SY3200-ZY55T4 |
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工頻、變頻運(yùn)行耗用電能表 表（2）
|
|
電度表初值 |
電度表終值 |
時(shí)間 |
耗電量 |
節(jié)電 |
節(jié)電率 |
|
工頻運(yùn)行 |
28 |
78．6 |
1小時(shí) |
50．6 |
|
|
|
變頻運(yùn)行 |
78．6 |
108．7 |
1小時(shí) |
30．1 |
20．5 |
40．52% |
投資回報(bào)分析：
每月節(jié)電: 20.5度/小時(shí)×22小時(shí)/天×28天=12628度/月
每月節(jié)約電費(fèi): 12628度×0.6元/度=7576.8元
每年節(jié)約電費(fèi): 7576.8元/月×12月=90921.6元
投資回收期: 63800元÷7576.8元/月×28天/月=235天
工程案例二：某注塑廠仁興塑機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造
我公司于2004年3月1日對(duì)某玩具廠進(jìn)行注塑節(jié)能改造，節(jié)電率達(dá)到35.86％，現(xiàn)就改造過程分析如下：
1. 對(duì)象：
注塑機(jī)及生產(chǎn)情況表 表（3）
|
注塑機(jī)型號(hào) |
主電機(jī)功率 |
制品名稱 |
制品材質(zhì) |
節(jié)電器型號(hào) |
|
仁興塑機(jī) |
45KW |
塑膠桶 |
ABS |
SY3200-ZY045T4 |
2．改造前后電流、電度表讀數(shù)比較
（1）改造前后運(yùn)行電流的比較
改造前后電流比較圖 表（4）
|
動(dòng)作順序 |
合模 |
注塑 |
保壓 |
回料 |
冷卻 |
開模 |
頂針 |
|
電流(改前) |
63.2 |
90.7 |
67 |
80 |
55.4 |
63 |
75 |
|
電流(改后) |
16.5 |
80 |
15.4 |
65 |
12 |
18 |
37 |
|
節(jié)電率 |
73.89% |
11.8% |
77.01% |
18.75% |
78.34% |
71.42% |
50.66% |
根據(jù)表(4)的比較結(jié)果可以得知采用變頻器調(diào)速后電流有了明顯的下降
（2）改造前后的有功電度表讀數(shù)比較
工頻下有功表以及用電容量的計(jì)算結(jié)果 表(5) 日期：2004.3.9
|
具體時(shí)間 |
產(chǎn)量 |
小時(shí) |
電度表 |
用電量 |
每小時(shí)用電 |
單位產(chǎn)品用電 |
|
09:30-13:30 |
670 |
4 |
0-162.7 |
162.7 |
40.675 |
0.2429 |
|
13:31-17:30 |
700 |
4 |
326.9 |
164.2 |
41.05 |
0.2326 |
|
合計(jì)數(shù) |
1370 |
8 |
|
326.9 |
|
|
|
平均數(shù) |
171.25 |
|
|
|
40.8625 |
0.2387 |
由上表可計(jì)算單位產(chǎn)品的耗電量：
單件產(chǎn)品平均耗電量=326.9/1370=0.2387
變頻下有功表以及用電容量的計(jì)算結(jié)果 表(6) 日期：2004.3.10
|
具體時(shí)間 |
產(chǎn)量 |
小時(shí) |
電度表 |
用電量 |
每小時(shí)用電 |
單位產(chǎn)品用電 |
|
09:30-13:30 |
663 |
4 |
326.9-430.5 |
103.6 |
25.9 |
0.1563 |
|
13:31-17:30 |
695 |
4 |
534.8 |
104.3 |
26.075 |
0.1501 |
|
合計(jì)數(shù) |
1358 |
8 |
|
207.9 |
|
|
|
平均數(shù) |
169.75 |
|
|
|
25.98 |
0.1531 |
由上表可計(jì)算出單位產(chǎn)品的耗電量：
單件產(chǎn)品平均耗電量=207.9/1358=0.1531
使用變頻節(jié)電器后效率=169.75/171.25=99.13%
根據(jù)以上耗量可以計(jì)算出改造后節(jié)電百分比：
節(jié)電率=(P工頻- P變頻)/ P工頻=（0.2387-0.1531）/0.2387=35.86％
3. 改造后對(duì)生產(chǎn)穩(wěn)定性、產(chǎn)品質(zhì)量、機(jī)器性能的影響
改造前后的生產(chǎn)數(shù)量的對(duì)比 表(7)
|
|
8小時(shí)產(chǎn)量 |
每小時(shí)產(chǎn)量 |
影響產(chǎn)量 |
效率 |
|
改造前 |
1370 |
171．25 |
-1.5 |
-0.88% |
|
改造后 |
1358 |
169．75 |
（1）生產(chǎn)量的穩(wěn)定性
變頻調(diào)速運(yùn)行后單位小時(shí)生產(chǎn)量沒有明顯變化，每小時(shí)減產(chǎn)1.5只,生產(chǎn)效率下降僅0.88%,具體數(shù)據(jù)見表（7）。
（2）產(chǎn)品質(zhì)量：經(jīng)工廠FQC檢驗(yàn)，未發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問題
（3）機(jī)器性能：經(jīng)測(cè)量采用變頻調(diào)速后，電機(jī)的表面溫度有所提高，工頻運(yùn)行電機(jī)溫度為53.6℃，變頻運(yùn)行時(shí)電機(jī)最高溫度為57.5℃，仍在電機(jī)安全范圍內(nèi)，這是由于電機(jī)在整個(gè)周期內(nèi)，根據(jù)生產(chǎn)工藝的不同運(yùn)轉(zhuǎn)，電機(jī)的散熱風(fēng)扇風(fēng)力減小的緣故。建議保持散熱風(fēng)扇及電機(jī)的清潔。
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本文標(biāo)簽：注塑機(jī)的變頻改造節(jié)能應(yīng)用
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