注塑機節(jié)能技術(shù)淺談

黃俊軍

（震德塑料機械有限公司技術(shù)中心，廣東佛山，528300）

1. 注塑機現(xiàn)有能耗水平， 對各環(huán)節(jié)能耗進(jìn)行分析

1.1 簡介注塑機產(chǎn)生能耗的地方

在整個注塑生產(chǎn)過程中， 除注塑機本身產(chǎn)生能耗外， 其它輔助設(shè)備如冷水機，機械手，運輸帶等，都會產(chǎn)生能耗。 如只單看注塑機本身的能耗，則需了解注塑機是何種驅(qū)動系統(tǒng)。

1.2 液壓驅(qū)動系統(tǒng)的能耗分析

對于液壓驅(qū)動的注塑機，主要能耗來自于兩部份。分別是射臺料筒的發(fā)熱部份及液壓驅(qū)動系統(tǒng)。即是俗稱的發(fā)熱圈及油泵電機。

普通注塑機通常采用液壓傳動，其結(jié)構(gòu)包含注射裝置、開合模裝置、液壓傳動裝置和電氣控制裝置，后者的作用是保證注塑機預(yù)定工序的要求（壓力、速度、溫度、時間、位置）和動作程序準(zhǔn)確有效地工作。

在傳統(tǒng)的注塑機中液壓傳動裝置主要由油泵、液壓控制閥、壓力電磁比例閥、流量電磁比例閥、各種不同的動作油缸、油泵電機及其它液壓附件和管道組成，液壓傳動系統(tǒng)中的動力由電機帶動油泵提供。其中，油泵絕大部分是定量油泵，電動機通常提供額定功率和轉(zhuǎn)速，油泵將電動機所輸入的機械能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ埽缓笙蛞簤合到y(tǒng)的液壓元件輸送具有一定壓力和流量的液壓油，滿足液壓執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動負(fù)載所需能量的要求。

注塑機成型工藝是一個按照預(yù)定的周期性動作過程，即以合模——射嘴前進(jìn)——射膠——保壓——溶膠、冷卻——開模——取出制品——將被注塑件放入模具中——合模等加工工序達(dá)到某件產(chǎn)品成型。

各個過程所需的速度和壓力因不同工藝而不同，即所需的液壓油流量不同，因而注塑機整個動作過程對油泵電機來說是個變負(fù)載過程。在定量泵注塑機液壓系統(tǒng)中，油泵電機始終以恒定轉(zhuǎn)速提供恒定流量的液壓油，各個動作中相應(yīng)多余的液壓油則通過溢流閥回流，從而造成電能的浪費。 雖然早有變量泵的設(shè)計，以減低對溢流所產(chǎn)生的耗損，但溢流所產(chǎn)生的耗損只能減低，卻不能減除。

發(fā)熱圈方面， 主要以電阻加熱及金屬傳熱方法，把熱量傳至料筒內(nèi)，從而達(dá)至把塑料加熱目的。 但在另一面，卻因為發(fā)熱圈外露于空氣中，故對料筒加熱的同時，也把部份熱量散失于空氣中， 從而產(chǎn)生耗損。 雖然市面上有所謂的保溫罩設(shè)計。 但其實際目的不是在于保溫，而是安全設(shè)計。主要是避免人手觸碰料筒而燙傷。 但不論保溫罩如何理想，隨空氣散失熱量仍會不斷發(fā)生。

除以上兩種主要能耗， 對于液壓系統(tǒng)來說，還有一個能耗來源。 因為液壓油在運作一段時間后， 因為壓力變化，油管磨擦， 管徑大小改變，溢流等原因， 液壓油溫度會隨著時間不斷累升。油溫上升引至液壓油粘度變化，最終影響產(chǎn)品質(zhì)量。 故此，需加入油冷卻器。把冷水引入，從而把液壓油的過多熱量帶走。 但冷水的引入，也意味著雖要加入水泵。 水泵的運作，本身也會產(chǎn)生能耗。

1.3 電驅(qū)動系統(tǒng)的能耗分析

電驅(qū)動系統(tǒng)也就是以伺服電機驅(qū)動，從而進(jìn)行合模， 射膠，保壓，熔膠，開模，頂出等動作。 整臺機的每個動作均是由電機驅(qū)動， 故也稱全電機。 因為沒有液壓驅(qū)動，故此液壓系統(tǒng)所產(chǎn)生的耗損（例如：溢流，油管孔徑改變，油管磨擦，油管方向改變，油泵效率，冷卻水所需的水泵等等）都不再發(fā)生。 因此，對于全電機來說， 主要的能耗來自于發(fā)熱圈部份。

當(dāng)然，伺服電機本身的效率及滾珠絲桿所產(chǎn)生的磨擦在運作過程中會產(chǎn)生一定的能耗， 但與傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)比較，這部份所產(chǎn)生的能耗低很多。

1.4 注塑機現(xiàn)有的能耗水平

經(jīng)過測試, 一般單臺傳統(tǒng)注塑機能耗和所站例分別是

液壓系統(tǒng)的耗能：60-75%

加熱系統(tǒng)的耗能：15-25%

冷卻系統(tǒng)的耗能：5-10%

控制組件的耗能：1- 5%

之前提及，全電機沒有液壓系統(tǒng)所產(chǎn)生的能耗。 故以上傳統(tǒng)注塑機能耗中的液壓系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)，對全電機來說，可說是不存在的。 只有加熱系統(tǒng)及控制組件的能耗。 故此較液壓系統(tǒng)低很多。 故與傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)比較， 全電機的節(jié)能效果可高達(dá)至約85%。

2. 國際同類產(chǎn)品的能耗水平

早在國內(nèi)仍使用定量泵時代， 外國先進(jìn)國家已開始研發(fā)全電機，以減低能耗為目標(biāo)。目前，節(jié)能型注塑機在歐洲和日本得到了較大和較快的發(fā)展，主要的形式有：

普通標(biāo)準(zhǔn)電機+變量泵控制；

普通標(biāo)準(zhǔn)電機+定量泵和變量泵組合控制；

變頻電機+變頻器；

伺服電機+伺服驅(qū)動器；

全電動

雖然我國也有以上各類產(chǎn)品的生產(chǎn)，但在能耗方面仍較外國為高。原因如下

國內(nèi)所制作的電機， 本身效率，質(zhì)量及壽命較外國品牌為低

油泵方面，國內(nèi)所制作的較外國品牌，在內(nèi)泄方面較大，從而使能耗增加

全電機的滾珠絲桿制作，在質(zhì)量仍未達(dá)至國際上的質(zhì)量。故而較易產(chǎn)生磨損，從而降低效率。 因而在耐用性上， 也較外國品牌為低。

即使在傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)注塑機上，使用外國與國產(chǎn)的油泵，也有達(dá)10%的能耗及使用壽命上的差異。

3. 注塑機節(jié)能技術(shù)的種類，原理及節(jié)能效果；對各節(jié)能技術(shù)進(jìn)行比較，排序，明確主推節(jié)能技術(shù)

如上文所說， 主要產(chǎn)生能耗的地方在于驅(qū)動系統(tǒng)及發(fā)熱系統(tǒng)。故此，節(jié)能技術(shù)一直也以這兩部份為重點。

3.1 驅(qū)動系統(tǒng)

3.1.1 變量泵驅(qū)動

上面介紹的傳統(tǒng)注塑機驅(qū)動方式帶來很大的能耗，故此早年業(yè)界推出變量泵驅(qū)動的注塑機，該系統(tǒng)由變量泵代替原有的定量泵。

改用變量泵的最大優(yōu)點在于系統(tǒng)處于保壓時雖然電機高速運轉(zhuǎn)但變量泵會根據(jù)系統(tǒng)壓力的大小來調(diào)整自己的排量，即當(dāng)系統(tǒng)壓力達(dá)到設(shè)定值時變量泵會切換成小排量從而減少保壓時泵的輸出流量以減少電機的輸出扭矩達(dá)到了減少電機功率輸出， 同時，也因減少流量，使溢流所產(chǎn)生的耗損降低，最終實現(xiàn)節(jié)能效果。 此種節(jié)能技術(shù)較原來的定量系統(tǒng)可節(jié)能高達(dá)至40%

3.1.2 變頻器驅(qū)動

變頻器驅(qū)動是變量泵的同期產(chǎn)品，主要是增加變頻器，以改為電機的轉(zhuǎn)速，從而改變排量。

改用變頻器來驅(qū)動電機最大的優(yōu)點是當(dāng)系統(tǒng)處于保壓時，注塑機控制器會給一個比例流量信號給變頻器告訴變頻器現(xiàn)在要執(zhí)行低速運轉(zhuǎn)，這時變頻器就驅(qū)動電機以很低的轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)從而實現(xiàn)了節(jié)能的效果，但是由于變頻器在啟動和停止時都有加減速時間所以注塑機的運行周期要比沒有加變頻器要慢，因此對于保壓時間短和工作時間短的產(chǎn)品不適合用變頻器。雖然此種節(jié)能技術(shù)較原來的定量系統(tǒng)也可節(jié)能高達(dá)至40%， 但因為響應(yīng)速度過慢及對電機壽命的減短，使變頻器驅(qū)動系統(tǒng)不及變量泵系統(tǒng)那么普及。

3.1.3 全電機

這是一個徹底的改變。把原來的液壓系統(tǒng)，均改為伺服電機驅(qū)動系統(tǒng)。整個驅(qū)動系統(tǒng)由4部份組成。

鎖模部份（伺服電機驅(qū)動）

注射部份（伺服電機驅(qū)動）

頂針部份（伺服電機驅(qū)動）

射移部份（一般交流電機驅(qū)動）

如前文所說，全電機因不是使用液壓傳動，故沒有液壓系統(tǒng)帶來的能耗。伺服電機與滾珠絲桿的連接，籍著電機的轉(zhuǎn)動，帶動在絲桿另一端的模板或螺桿進(jìn)行往復(fù)前后動作。 雖然電控部份的電能增加，但整體上的能耗卻大大降低。加上沒有冷卻水所需的水泵， 此種節(jié)能技術(shù)較原來的定量系統(tǒng)可節(jié)能高達(dá)至85%

3.1.4 伺服驅(qū)動液壓系統(tǒng)

這是近年內(nèi)國內(nèi)較為火熱的一個節(jié)能系統(tǒng)。 主要是把傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)與全電機兩者合而為一。 此系統(tǒng)仍沿用液壓傳動，與傳統(tǒng)的定量泵系統(tǒng)唯一分別則是使用伺服電機代替原有的交流電機，并配上一個伺服驅(qū)動系統(tǒng)，以閉環(huán)控制式，控制伺服電機的轉(zhuǎn)速及扭力變化。

因為是使用液壓系統(tǒng)，故油管磨擦，油管口徑改變，油管方向改變等所產(chǎn)生的耗能仍然存在。 但相較變量泵系統(tǒng)，在溢流及冷卻水泵所產(chǎn)生的能耗卻進(jìn)一步降低。 因為伺服電機能于很短時間內(nèi)作出高低轉(zhuǎn)速的變化，并且是閉環(huán)控制， 故此在每個動作所需的流量能作出精確的控制。 因此，產(chǎn)生溢流的情況降至最低。從而使溢流所產(chǎn)生的損耗大大降低。 另外，因為整個注塑周期中， 保壓及冷卻占了2/3或更多的時間。 在這期間內(nèi)， 伺服電機的轉(zhuǎn)速是以十分緩慢地轉(zhuǎn)動 （保壓時只有每分鐘幾十轉(zhuǎn)， 冷卻時每分鐘只有10轉(zhuǎn)甚至更低）。在這情況下，因油泵電機傳遞至液壓油的升溫大大減低。另外，這段時間內(nèi)，液壓油在油管內(nèi)慢速流動或甚至不動，也有利減低磨擦，管徑變化等所產(chǎn)生的升溫。故此，此系統(tǒng)下的液壓油較傳統(tǒng)定量泵及變量泵系統(tǒng)，液壓油的工作溫度大大降低。據(jù)資料顯示，若工作環(huán)境不超過40oC，可以不用油冷卻器，也就意味可以減除冷卻水泵所產(chǎn)生的能耗。也因此減低注塑機對液壓油量的需求，也可加長液壓油的使用壽命。 此種節(jié)能技術(shù)較原來的定量系統(tǒng)可節(jié)能高達(dá)至75%

以下是各種節(jié)能系統(tǒng)與傳統(tǒng)定量泵系統(tǒng)的節(jié)能比較。這只是參考值，實際上的節(jié)能視乎使用的組件及注塑工藝而定

節(jié)能 (%)變量泵系統(tǒng) 40變頻系統(tǒng) 40全電機 85伺服驅(qū)動液壓系統(tǒng) 75

3.2 發(fā)熱系統(tǒng)

傳統(tǒng)的發(fā)熱系統(tǒng)使用電阻式發(fā)熱圈。 原理是把發(fā)熱圈套在料筒上，籍著電流通過電阻，產(chǎn)生熱能。從而把熱能經(jīng)料筒表面?zhèn)鬟f至料筒內(nèi)的塑料中。 這樣裝置雖然效果不錯，制作容易及成本低。 但因為發(fā)熱圈外露于空氣，故加熱同時，也有部份熱能散失于空氣中。 雖有保溫罩，但仍不能避免熱能流失。

新一代的發(fā)熱裝置改用電磁加熱。電磁控制器利用變頻原理來加熱. 將來自繼電器的交流電整流變成直流電，再將直流電利用斬波(晶集管開關(guān))轉(zhuǎn)換成頻率為20-30KHz的高頻高壓電. 當(dāng)高頻高壓電流流過線圈(耐高溫電線)會產(chǎn)生高速變化的交變磁場, 這磁場透過保溫層作用在與線圈接觸的料筒部分, 使其內(nèi)部產(chǎn)生無數(shù)的小渦流,即是高頻電子碰撞. 最后使料筒本身自行高速發(fā)熱

傳統(tǒng)發(fā)熱圈因金屬外殼與料筒表面接觸，散熱速度較快。 但電磁感應(yīng)發(fā)熱圈則是整個料筒用保溫棉包著，大大減少因熱傳遞所引至的功率損耗。 此外，減少了熱傳導(dǎo)損失和熱量對空氣的散失, 提高了熱效率. 據(jù)資料顯示，電磁加熱較傳統(tǒng)發(fā)熱圈節(jié)能30%以上。

此外，電磁加熱也有以下優(yōu)點

車間工作溫度較低——因減少了對空氣傳導(dǎo)的熱量，特別是夏天對車間的溫度影響

溫控較精確——傳統(tǒng)發(fā)熱圈從加熱，傳導(dǎo)至料筒內(nèi)部，再經(jīng)熱電偶反饋至電腦。 因部份熱能在空氣中散失，以及熱傳導(dǎo)的延遲。 故發(fā)熱圈所產(chǎn)生的溫度變化未能即時到達(dá)料筒內(nèi)部。 但電磁發(fā)熱則因熱能產(chǎn)生在料筒內(nèi)，加上隔溫棉， 故在溫度控制上較傳統(tǒng)的發(fā)熱圈更準(zhǔn)確

壽命較長——因本身溫度低, 不因高溫引至發(fā)熱圈老化問題. 壽命長很多. 故而減低成本及增加生產(chǎn)效率

提高操作安全——因與金屬接觸才產(chǎn)生熱能，另外料筒表面加上一保溫層。故表面溫度一般不超過50度,避免因接觸而引至燙傷。

因這電磁加熱裝置是把料筒表面加保溫層，對PVC，POM等熱敏性材料，不能有效地散熱。故這技術(shù)問題一直未能改善，加上仍未能效降低電磁波的影響，故仍未能使這裝置全面普及。

4. 節(jié)能測算口徑統(tǒng)一， 測算過程要準(zhǔn)確

由中國塑料機械工業(yè)協(xié)會和全國塑機行業(yè)專家委員會組織的塑料注射成型機能耗檢測方法研討會，于2009年7月2日至3日在寧波市海天公園舉行。會議中通過對塑機行業(yè)第一部關(guān)于產(chǎn)品節(jié)能方面的標(biāo)準(zhǔn)——《塑料注射成型機能耗檢測方法》，以及有關(guān)積極實施行業(yè)節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)化具體措施。這是我國對注塑機在節(jié)能方面的第一個定出的標(biāo)準(zhǔn)及檢測方法。

注塑機能耗等級節(jié)能等級 標(biāo)準(zhǔn)制品每千克質(zhì)量的耗電量（kW.h/kg ）1≤0.4 2≤0.55 3≤0.7 4≤0.85 5≤1.0 6＞1.0

在此標(biāo)準(zhǔn)中，定出對不同的注塑量，配合指定大小的模具進(jìn)行生產(chǎn)。模具的形狀，尺寸大小按注塑機大小有一定的規(guī)范要求。并要求在成品的外觀不超出指定的公差變化。 在這要求下，調(diào)整注塑工藝。待產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定后，進(jìn)行能耗測試。 從而得出該機的節(jié)能是否合符標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)制品每千克質(zhì)量的耗電量，判定該產(chǎn)品的能耗等級, 如下表

當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)制品每千克質(zhì)量的耗電量低于0.55kW.h/kg（即節(jié)能等級不超過2）時，判定該產(chǎn)品的能耗指標(biāo)符合節(jié)能產(chǎn)品認(rèn)證的技術(shù)要求。雖這檢測方法視乎生產(chǎn)時，注塑工藝占有很大的變數(shù)。

5. 明確是對哪個核心部件推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化

從上文可得知，產(chǎn)生能耗最主要來自于驅(qū)動系統(tǒng)。而全電機是眾多節(jié)能產(chǎn)品中效果最好的一種。 但因成本問題，以及性價比的考慮。 全電機一直未能全面代替原來的液壓系統(tǒng)。 為達(dá)至節(jié)能效果理想， 注塑機在驅(qū)動系統(tǒng)這部份由原來的定量泵，改至早年的變量泵，及至改為近年火紅的，以伺服電機帶動的伺服驅(qū)動油泵系統(tǒng)， 也是原由于此。相信在一定的時間內(nèi)，以伺服電機帶動的伺服驅(qū)動油泵系統(tǒng)將會是國內(nèi)注塑機技術(shù)的主要發(fā)展方向。 如要打開海外市場，尤其是歐洲市場，則要先解決電磁波產(chǎn)生對其它輔件及人體的影響，始能進(jìn)軍海外。

另外，發(fā)熱部份也是一樣。為了減低這部份所產(chǎn)生的能耗，近年來市場上也有電磁加熱的發(fā)熱裝置。 雖這設(shè)計有助減低能耗，但本身仍有電磁波問題仍未解決。另外，對某些熱敏性塑料需要散熱而非保溫，這類產(chǎn)品現(xiàn)時仍未能解決相關(guān)問題。 故此，在電磁加熱技術(shù)上仍有很大的改進(jìn)空間。

因此， 在傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)配合伺服驅(qū)動系統(tǒng)和電磁加熱裝置， 相信是未來一段時間內(nèi)， 行業(yè)內(nèi)的主要節(jié)能技術(shù)方向。