挤吹中空成型机液压系统节能技术现状及研发方向.pdf

Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s＆ S e a l s ／ No ． 7 ． 2 0 1 1 挤吹中空成型机液压系统节能 技术现状及研发方向 张友根 宁波海达塑料机械有限公 司， 浙江宁波3 1 5 2 0 0 摘 要 挤 吹中空成型机液压 系统 的能耗是整机能耗 的 3 0 ％一 5 0 ％。泵源动力驱动节能技术是挤吹中空成型机液压 系统节能 的研 发和 应 用的重点。型坯壁厚伺服控制技术达到节约塑料原料 ， 直接 降低 了能耗 。应用现代的变频技术 、 伺服控制技术 ， 研发高性能的液压节 能系统 ， 提高挤吹 中空成型机 的技术水平 。 关键词 挤吹 中空成型机 ； 液压 系统 ； 节能技术 ； 现状 ； 研究 中图分类号 T HI 3 7 ． 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 1 0 7 0 0 0 1 0 4 S i t u a t i o n a n d De v e l o pme nt Di r e c t i o n o f En e r g y s a v i n g Te c hn o l o g i e s o f Hy d r a u h c S y s t e m f or Ex t r us i o n Bl o w M o l d i n g M a c h i ne z HA NG N i n g b o H a i d a P l a s t i c Ma c h i n e r y Yo u- g en C o ． ， L t d ． ， N i n g b o 3 1 5 2 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t Hy d r a u l i c s y s t e m e n e r g y c o n s u mp t i o n i s 3 0 ％t o 5 0 ％o f o v e r a l l e n e r g y c o n s u mp t i o n f o r e x t r u s i o n b l o w mo l d i n g ma c h i n e ． En e r g y s a v i n g t e c h n o l o gy o f a s o u r c e o f p o w e r - d ri v e n i s t h e f o c u s o f d e v e l o p me n t a n d a p p l i c a t i o n o f e n e r g y s a v i n g t e c h n o l o g i e s o f h y d r a u l i c s y s t e m for e x t r u s i o n b l o w mo l d i n g ma c h i n e ． T h e p ri s o n w a l l t h i c k n e s s s e r v o c o n t r o l t e c h n o l o gy t O a c h i e v e s a v i n g s o f p l a s t i c r a w ma t e ri a l s ， d i r e c tl y r e d u c e t h e e n e r gy c o n s u mp t i o n ． Ap p l i c a t i o n o f mo d e m i n v e r t e r t e c h n o l o g y a n d R D h i g h p e r f o r ma n c e s e r v o c o n t r o l s y s t e m o f h y d r a u l i c e n e r gy ， e x t r u s i o n B l o w Mo l d i n g Ma c h i n e t O i mp r o v e t h e t e c h n i c a l l e v e 1 ． Ke y W o r d s e x t ru s i o n b l o w mo l d i n g ma c h i n e s ； h y d r a u l i c s y s t e m； e n e r gy s a v i n g t e c h n o l o g y ； s t a t u s ； r e s e a r c h O 引言 1 液压系统动力驱动节能技术 液压传动的挤吹 中空成形机是一个多执行机构系 统 ， 各执行机构／ 元件为周期性断续工作 ， 各个工步的液 压能量需求差别大 ， 系统仅短时需大流量 ， 例如， 制品冷 却 、 保压基本上不需要液压能 ， 注 挤 坯需要液压能最 大 ， 液压系统的能耗 占整机能耗的 3 0 ％一 5 0 ％。 挤吹中空 成形机液压系统分为两个部分 动力驱动系统 、 型坯壁 厚控制系统。 本文分析了挤吹中空成型机液压系统几种 节能技术的现状 ， 研究了需进一步解决 的问题及科学发 展的方向， 指出降低液压系统的能耗是挤吹中空成形机 节能的研究重点及发展方 向。 收稿 日期 2 0 1 1 - O 1 2 4 作者简介 张友根 1 9 4 7 一 ， 男 ， 教授级高级工程师 ， 1 9 9 4年起享受国务 院 政府 特殊津贴 ， 科技部国际科 技合作计划评价专家 。 荣格塑料技术创新奖 评审专家。 现任宁波海达塑料机械有限公司总工程师。 1 9 8 2年毕业于上海 交通大学 。发表论 文 2 6 0 多 篇。现主要从事塑料机械的科学发展工作 。 挤吹 中空成型机的动力驱动节能技术 ，就是动力 驱动 源能耗与执行 机构所需 液压能两者之 间达 到匹 配， 主要有以下几种先进的型式和系统 ①变量泵 双 比例液压驱动系统 ； ②双联泵 蓄能器辅佐动力驱动系 统； ③交流伺服电动机动力驱动系统； ④变频液压动力 驱动系统。中、 大型挤吹中空成型机液压系统中， 一般 都设置蓄能器 ，已达到大流量低能耗低装载功率的节 能环保生产。根据设备的具体使用条件灵活选择合适 的驱动节能系统 ，总原则是液压系统达到装载功率最 小 、 电能利用率最高、 液压能耗最低口 1 。 1 _ 1 变量泵 双 比例液压驱动系统节能技术 流量比例和压力 比例控制的双 比例控制的节 能技 术是随着成形技术 的发展及控制性能的提高而发展起 来的。比例 阀达到了无级灵活调节 ， 同时显示出了节能 的性能。从理论上讲变量泵系统是不做无效功的， 液压 能还损失最小。采用定量泵供油 ， 在一个有效工作循环 周期 内， 每一个工艺 动作 ， 由于压力速度 的不 同， 在做 1 液 压 气 动 与 密 封 ， 2 0 1 1年 第 7期 有效功 的同时，将 电动机轴传递给液压泵的总功率 中 的无效功部分 以内部溢流的形式消耗掉 ，特别在冷却 过程中， 这部分的流量能耗处于最大值。变量泵是基于 动态稳定和动态调节 的现代控制理论的节能技术。双 比例是基于静态稳定系统再加 P I D调节的传统控制理 论的延伸。两种控制理论结合， 双 比例液压系统配上变 量泵动力驱动 ， 溢流量趋于最小 ， 液压系统的节能与性 能的效果更为优越 。浙江东方州强塑模实业有限公 司 2 3 0 L 一 3 0 0 L大型储料式中空成型机 ，液压系统为压力 、 流量双 比例控制， 配备变量柱塞泵， 确保机器运转更快 速平稳 ， 并且能使液压系统的能耗降低 3 0 ％以上。 1 ． 2双联泵 蓄能器驱动系统节能技术 挤 出中空成型仅在注坯 、移模工步的短时间内有 需要大流量 、 高压力的要求 ， 在制 品吹涨 、 保压冷却工 步的较长时间内仅需小流量的要求 ，选用双联叶片泵 作为动力驱 动系统 ， 通过双联泵的合理组合 ， 可减少泵 与 电动机的容量 ， 降低整机 的装机功率 ， 以降低 能耗 。 系统中， 使用卸荷 阀可大幅度地减轻泵的负载 ， 取得节 能效果。 大型挤吹中空成型机 ，为达到大流量低装载驱动 功率要求 ， 系统中采用蓄能器 ， 在保压期间把低压回路 中的油液储存起来 ， 用于补充驱动流量 ， 在快速大流量 工步时 ， 配合主驱动作动力驱动 ， 降低系统装载功率 。 秦j i I 机械发展股份有限公司C J 2 3 0采用一台双联 泵和三个蓄能器站作为主系统液压动力驱动源，蓄能 器在小流量低功率工步时储蓄多余的能量 ，在快速大 流量工步时给系统补油 ， 辅佐动力驱动 。 降低液压驱动 装载功率 1 8 k W。 张家港市同大机械有限公司 2 0 0 0 L托 盘专用超大型中空成型机主液压动力驱动系统 ．设置 多组储能装 置 ， 充分利用液压泵的输 出 ， 降低能耗 ， 提 高型坯注射速度及锁模速度 ； P L C设置 比例压力控制 ， 实现多组压力储能 ， 分别用于压料注射 ， 以及销锁合模 等 ； 节能效果明显。 蓄能器动力辅佐驱动系统中 ，几个 问题需进一 步 研究 蓄能器液压系统性能与执行机构速度之间的关 系 ； 蓄能器液压系统对液压管路 、 密封副 、 装配等的要 求 ；蓄能器液压系统性能与控制阀两者之间的性能匹 配 ； 降低 系统超调 、 缩短过渡时间的动态性能研究 ， 并 在理论和实际上证 明及运用。 1 ． 3 变频液压动力驱动系统节能技术 在液压控制系统 中融入变频调速技术 ，将传统的 定量泵转化为“ 变量泵” ， 变 回流式调节为容积式调节 ， 根据生产 中各工艺流程“ 按需分配” ， 从而达到高效节 电之 目的。变频节能是通过改变电源频率达到改变电 2 动机转速， 使液压泵输 出的流量与工况相匹配， 使 溢流 阀的回油量减到最小 ，输出的功率与生产所需 的功率 相匹配 ， 例如在合模 阶段所需要压力 、 速度较大时可适 当提高本段液压泵转速 ， 而在开模 、 模架左移 、 右移等 阶段所需压力 、 速度不高时， 可适当降低液压泵电动机 转速 ， 但在每个工序阶段时液压泵转速则保持恒定 ． 采 用这种控制方案，当工艺参数调整时液压泵输 出能够 保持稳定 ， 成型节电率可达 2 5 ％一 6 5 ％。对于单工位挤 吹大型中空成型制品， 因冷却定型时间较长 ， 节能效果 尤为显著。变频节能液压动力驱动系统同比高响应节 能交流伺服电动机动力驱动泵源系统 ，节能及性能有 一 定差距 ， 但成本具有一定优势 ， 目前得到较多应用 。 系统中省去了溢流 阀式定压系统 中的每个动作所需 的 调速阀、 减压阀、 节流阀、 背压阀等。系统中每一个动作 的压力 、 速度等均可在极限条件下作任意设定。 深圳 市国兆节能科技有限公司对东莞某容器有限 公司 l 5台 2 L双工位挤出吹塑中空成型机的液压泵 电 动机动力驱动系统进行变频改造 ，其主液压泵电动机 功率 2 2 k W， 辅液压泵电动机功率为 7 ． 5 k W， 选 用国兆 G Z S Z 2 4 T 一 0 2 2 0 k W 双 电 动机 ，主 电动 机 变 频 器 为 2 2 k W， 辅 电动机变频器为 7 ． 5 k W 节电器进行改造 。每 台改造前液压泵电动机每小时共耗电 1 7 ． 5 k W h ，改造 后每小时共耗电为 1 1 ． 5 k W h ， 总节电率为 3 4 ． 2 ％。 按设 备平均每月开机 2 6天 ， 每天 2 2 h ， 则 每台年节约用电 4 1 1 8 4 k W h ， 1 5台共可 节 电 6 1 7 7 6 0 k W h 。 1 ． 4高性能交流伺服电动机动力驱动系统节能技术 变频调速对象是在三相交流异步电动机 ，三相交 流异步 电动机的功率因数和效率随着转速的高低差别 较大， 低速时仅为 0 ． 2左右， 而且功率因数最高为 0 ． 9 1 ． 实际使用 中达到 0 ． 8 5已经很高了，所以电能的利用率 还有差距。交流伺服电动机的电能利用率大大高于三 相交流异步 电动机 ， 运转功率 因数达到 9 5 ％以上 ． 理论 上能达到 1 0 0 ％。 高性能的交流伺服电动机驱动液压泵节能系统是 近年发展的一种先进的节能系统 ，有以下几种型式[ 3 1 ①交流伺服电动机驱动螺杆泵 系统 ；② 交流伺服电动 机驱动内啮合齿轮泵系统；③交流伺服电动机驱动柱 塞定量泵系统 ；④交流伺服电动机驱动柱塞变量泵系 统； ⑤交流伺服电动机驱动双排量变量柱塞泵系统 ⑥ 交流伺服电动机驱动负载敏感泵系统 。每种系统都有 各 自的特点 、 不同的性价 比， 根据实际使用的要求 ． 选 用合适的系统。 交流伺服 电动机驱动液压泵节能系统由于其本身 的结构特性提高了电能利用率 ，系统基本上不需冷却 Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 7 ． 2 01 l 水 ， 并且 能达到稳定 的低转速高压保压 ， 对于需较长时 间保压的全液压驱动的挤吹中空成型机合模机构尤为 适用 ， 对 于冷却定型时间长的挤吹大型中空制品， 节能 可达 8 0 ％。 宁波奇 明机械制造有限公司 ME P E R系列 中空成 型机 ， 配备 了性能稳定 、 响应快速的交流伺服 电动机驱 动定量泵节能控制液压系统 ， 配置有高精度 、 高灵敏度 的压力反馈传感器 ， 形成闭环精密控制 ， 实现模板的快 速顺 畅 、 精确运动 ， 确保 最佳产品稳定性 ， 动力驱动系 统产品冷却保压时伺服电动机停止／ 极低转速 ，系统能 耗 比三相异步电动机驱动定量泵系统节能 2 0 ％一 7 0 ％。 交流伺服 电动机驱动液压泵节能系统在注塑机我 国挤吹 中空成型设备与人们对包装容器的性能要求和 生产效率的要求还有很大差距 ，通过液压 系统节能技 术 的研发 、 应用 、 推广达到提高整机 的技术水平 ， 不失 为一种有效的途径。 1 ． 5 交流 伺服 电动机 制动 能量 回收再 利用 交流伺服 电动机驱动泵源 系统制动能源再生利用 技术[4 1 。伺服电动机在刹车及减速过程 中产生的能量转 换为 电能 ，通过伺服驱动器中的逆变模块单元和直流 母线 ， 将电能存储在伺服驱动制动回收单元 中。系统重 新开始工作时 ， 储存的电能首先释放 ， 通过直流母线 回 放到系统 中。当电压低于整流模块输入的电压时， 才使 用外部电能。系统实现储存能量和释放能量的双 向作 用 ， 从而达到节能的 目的。这种能源再生利用装置可节 能 3 ％～ 5 ％。交流伺服电动机驱动泵源系统制动能源再 生利用技术在注塑机上 已得到应用 ，相信在伺服驱动 的挤吹中空机中也会得到应用。 2 节约原料消耗的型坯壁厚伺服液压控制 在 塑料 中空吹塑过程 中．型坯壁厚控制是关系产 品质量 的关键技术之一 ，它 的工作原理是利用 电液位 置控制原理改变挤 出口模成型间隙的开度 ，以控制型 坯厚度 的变化规律 ， 使 中空制品的壁厚均匀 ， 不但节约 塑料原料消耗 ， 而且提高制品质量 。节约 l 5 ％的原料 ． 除去原料成本外 ， 直接节约了 1 5 ％的能耗。 壁厚控制系统采用 闭环反馈设计 ，其组成部分包 括壁厚控制器 、 电液伺服阀 、 动作执行机构和作为信号 反馈装置的电子尺 。液压伺服系统用来精确控制型坯 的壁厚 ， 从而达到高质量型坯 的要求 ， 进 而确保大型 中 空吹塑产品的高质量。液压伺服系统主要 由射流管式 电液伺 服阀 、 溢流 阀、 单向阀 、 进 回油过滤器 、 储能器 、 高压液压泵 、 油冷却器 、 油箱等组成『5 1 。型坯壁厚控制分 为轴向控制 A MD S 和径向控制 P MD S 。 轴向壁厚控制的作用是通过使 芯模根据预设位置 作轴 向运动而改变模头的开 口量来达到改变坯厚的 目 的 ．根据制 品不 同的吹涨 比沿轴 向获得不同 的厚度 ， 从 而保证最终制品有 比较均匀 的壁厚分布 ， 减少用料 。 轴向壁厚控制虽能改善制品的壁厚分布，但 由于其排 出的型坯在水平截面内仍呈等厚圆形 ，对部分在某一 对称方 向有较大拉伸要求的制 品则显得不是最佳 。挤 吹大型 中空机一般都具有轴向型坯控制功能 ，其控制 点从 2 4点到 2 5 6点不等[6 1 。 径向壁厚控制技术可以使挤出的型坯在径 向某要 求 的区段内呈非圆截面的变化 ，对于在对称方 向有较 大拉伸要求 的制品进行最佳的壁厚控制 ，达到改善曲 面部件内外部半径的厚薄均匀性 ， 降低制品重量。要达 到高性能的挤吹大型中空制品，径向壁厚控制装置是 不可缺少 的。以 2 0 0 L容器为例 ， 采用径 向壁厚分布系 统 ， 可降低重量 5 ％～ 1 0 ％。 对于 1 0 0 0 L以上的挤吹中空 机 ， 由于制造上的困难 ， 设备制造厂家一般也不提供径 向壁厚控制装置的设备选项 。径向壁厚控制装置 由于 价格高昂 ， 限制了用户广泛的选用 ， 芯模修形法作为一 种简易的径 向壁厚控制替代手段 ，即在具有轴 向壁厚 控制功能的机头上 ， 对其芯模的特定位置进行修形 ， 近 似获得在径 向壁厚 的非圆截面变化量 ．弥补缺少径 向 壁厚控制装置的不足。 轴向壁厚控制与径 向壁厚控制 的联合作用 ，可获 得更为理想的制品壁厚分布 ， 减轻了制品的质量 ， 同时 提高了制 品的性能 ，特别对于径 向非圆截面类中空制 品， 明显提高了整体强度和刚度I 7 J 。考特斯 K a u t e x 机械 制造有限公司的单工位单模头三层带液位线 K C C 2 5连 续挤吹中空成型机 ，塑化部分为三 台独立 的主挤 出机 和一台液位线挤 出机 。三 台主挤 出机螺杆直径分别为 6 0 外层 、 色层 、 9 0 中间层 ， 回收料层 、 6 0 内 层 、 新料层 ； 配备径向壁厚控制系统 P WD S 和轴 向壁 厚控制系统 A WD S ， 最大限度保证制品壁厚均匀 ， 减少 原料消耗 ， 缩短 了成型周期 ， 生产 2 0 L化工桶 ． 机器产 能达到 9 5只／ h的国际领先水平。 秦川机械发展股份有限公司 [ 1 1自主开发 6 4点径 向壁厚伺服控制系统 ， 该项技术的应用 ， 可使 制品局部 在周 围非对称形状位置获得更均匀的制品壁厚 ．可降 低制品重量 l O ％一 1 5 ％。以该公 司 S C J 2 3 0挤吹中空成 型机为例 ， 径向壁厚控制结合轴 向壁厚控制技术 ， 每年 正 常生产 可节 省原料 1 4 t ， 节 省成本 1 9 ． 6万元 ． 节 电 8 1 0 0 k W h 3 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 1 1年 第 7期 3 液压系统节能技术与制品成形[8 】 节能技术是为降低成型制品成本及提高成型制品 性能服务的 ，所以节能技术必须满足并提高制品的成 型性能 ， 而不是让制品的成型适应设备的节能性能。科 学辩证地看待节能技术， 节能技术有很多种 ， 每一种都 有其应用的局 限性。只有把节能技术与制品成型两者 结合起来 ， 作为一项综合的新技术 ， 才能发挥节能技术 在制品成型应用的优势。单纯把节能技术作为一项纯 粹的节能来推广 ， 是没有 出路的。挤出中空成型机的型 式多样 、 规格相差悬殊 、 应用领域各有特殊性 ， 根据实 际研发和应用各种液压节能技术 ， 根据成型要求 ， 选用 合适的节能技术。 4 结语 液压节能技术不但能达到节能环保生产 。而且推 动设备 的科技进步 、 提高制品的质量和性能 。 是挤吹中 空成型从 中、低端走 向高端 的一个不可忽视的关键技 术 。 我国挤吹中空成型设备与人们对包装容器的性能 要求和生产效率的要求还有很大差距 ，通过液压系统 一 - * 一 - 一 - - - - - 一 - - - 一 一 - 一 节能技术的研发 、应用 、推广达到提高整机的技术水 平 ， 不失为一种有效的途径。 本文分析研究的一些液压节能技术说 明节能技术 有待于进一步开发。 参 考 文 献 【 1 】 张德 明． 浅谈液压传动系统 的节 能设 计【 J ] ． 液压气 动与密封 ， 2 0 0 6 5 ． 【 2 】 史永红， 张牧， 王锐红． 大型 中空机节能技术 的发展 [ J ] ． 塑料 包 装． 2 0 0 7 2 ． [ 3 】 张友根． 注塑机交流伺服电动机驱动液压泵 系统 的应用及设 计研究[ J ] ． 液压气动与密封 ， 2 0 1 0 1 2 ． [ 4 】 东华 机械有限公 司． 大 同机械 S e系列伺服驱 动注塑机通 过 国家节能 1 级认证[ J ] ． 橡塑机械时代 ， 2 0 1 0 6 ． 【 5 】 邱建成． 节能式大型 中空成 型机 的液压 、 气动 系统 的设计【 J j ． 塑料包装。 2 0 0 7 2 ． 【 6 】 邱建 成， 徐文 良， 何建领． 塑料挤 出吹塑 中空成 型机的研发 重 点与技术进 步[ J ] ． 塑料包装， 2 o 0 9 4 ． [ 7 】 邢静宜． 塑料 中空吹塑机液压系统的设计与研究[ J ] ． 机床与液 压 ． 2 0 0 9 9 ． 【 8 】 张友根． 大型注塑机液压动力驱动系统节能技术 的分 析研 究 及展望[ J ] ． 液压气动与密封 ， 2 0 0 9 2 ． 中国液压气动密封件工业协会橡塑密封专业分会 第五届二次理事会在广州召开 中国液压气动密封件工业协会橡塑密封专业分会第五届二次理事扩大会于 2 0 1 1年 5月 2 8 2 9日在羊 城广州市召开。 橡塑密封专业分会的理事单位代表出席了会议。 中国液压气动密封件工业协会沙宝森理事 长、 常务副秘书长程晓霞及协会媒体 液压气动与密封 杂志社编辑万磊应邀出席会议。橡塑密封专业分会秘书 长吴文涛主持会议 。 会上 ， 黄兴会长介绍了当前橡塑密封行业 国内外市场发展趋势 ， 指出目前行业普遍存在的技术研发 、 关键 制造工艺和检测手段资金投人不足 、 研发不够重视 、 人才急缺和人才培养等问题 。 这些问题将制约今后行业和 企业的技术进步和发展。橡塑密封行业要在“ 十二五” 期间得到整体提升， 需要行业 同仁的共同努力才能实现。 会议审议通过了吴文涛秘书长所作的“ 2 0 1 0年分会工作总结和 2 0 1 1年分会工作计划” 报告 ； 审议通过了分会 2 0 1 0年会费收支报告。 审议批准 ， 同意河北利耐尔橡塑制品有限公司、 浙江西普力密封科技有限公司、 凯威帝贸 易 北京 有限公司 、 北京清华大学精仪系设计所 、 磐石油压工业 安徽 有限公司加入 中国液压气动密封件工业 协会橡塑密封专业分会会员的申请 即为总会会员 ， 并上报总会备案。 理事们就过去一年分会秘书处所作的努力给予充分肯定 ，就今后充分发挥橡塑密封专业分会的积极作用 建言献策。希望分会进一步完善和扩大会员队伍 ， 吸收更多上下游企业加入协会 ； 组织行业企业走出国门， 开展 国内外企业间的相互交流； 尽快提升信息服务水平 ， 办好分会 网站 ； 加强秘书处专业人员培养 ， 有效地推动行业 工作 的开展等 ， 发言 中各位理事已深感肩上的重任。 最后 ． 沙宝森理事长对分会工作提出殷切希望 要求理事单位肩负起行业的重任， 要关心和支持帮助分会开 展有效工作 ， 搭建好信息、 科技 、 统计 、 培训和会员队伍建设等服务平台， 共同促进 中国橡塑密封工业的健康发展。 会议期间还举办了“ 2 0 1 1 橡塑密封行业技术交流会” 。 4