注塑機液壓系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的應用技術的研究及自主創(chuàng)新（上）

張友根

（寧波海達塑料機械有限公司，浙江 寧波 315200）

注塑機液壓系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的應用技術的研究及自主創(chuàng)新（上）

張友根

（寧波海達塑料機械有限公司，浙江 寧波 315200）

從可持續(xù)發(fā)展角度首次創(chuàng)新提出注塑機液壓系統(tǒng)實現與人、環(huán)境的和諧共存的應用技術的科學發(fā)展原則理論及其環(huán)保準則和先進準則的兩項內涵。結合實例研究了注塑機液壓動力驅動系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)的應用技術的科學發(fā)展原則并提出了重點研發(fā)方向；分析了液壓系統(tǒng)的應用技術的科學發(fā)展原則常見的設計缺陷并提出了具體改進的技術措施；介紹了SZ—800注塑機和KH—40000托盤注塑機的液壓系統(tǒng)應用技術的科學發(fā)展原則的自主創(chuàng)新的成果；指出前瞻性把握住液壓系統(tǒng)應用技術的科學發(fā)展原則，努力創(chuàng)新創(chuàng)造應用技術，才能領先和超越。

注塑機；液壓系統(tǒng)；應用技術；可持續(xù)發(fā)展；技術創(chuàng)新；研究

注塑機液壓系統(tǒng)應用技術的科學發(fā)展原則是實現注塑機“中國創(chuàng)造”及“中國智造”的可持續(xù)發(fā)展的核心原則。國內注塑機產量雖占世界第一，但一直處在價值鏈的低端，其中液壓系統(tǒng)應用技術的科技含量低是主要原因之一，例如有的歐洲貿易商僅購中國注塑機的機械部分，配以自己的液壓系統(tǒng)，由低端機變?yōu)楦叨藱C。液壓元件的國際化為注塑機液壓系統(tǒng)的科學發(fā)展提供了基礎，如何科學地加以組合應用達到注塑機液壓系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展，首先必須理解和確立液壓系統(tǒng)應用技術的科學發(fā)展原則，才能達到事半功倍的成效。本文從可持續(xù)發(fā)展角度首次創(chuàng)新提出注塑機液壓系統(tǒng)應用技術的科學發(fā)展原則理論及內涵的環(huán)保準則和先進準則，并從技術角度論證了兩者之間的辨證關系；結合實例研究了注塑機液壓動力驅動系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)的應用技術的科學發(fā)展原則并提出了重點研發(fā)方向；分析了液壓系統(tǒng)常見的應用技術的設計缺陷并提出了具體改進的技術措施；介紹了SZ-800注塑機和KH-40000托盤注塑機的液壓系統(tǒng)應用技術的科學發(fā)展原則的自主創(chuàng)新的成果；指出注塑機液壓系統(tǒng)應用技術的科學發(fā)展原則是環(huán)保準則統(tǒng)率先進準則、先進準則服務于環(huán)保準則，實現注塑工程的可持續(xù)發(fā)展。

1　注塑機液壓系統(tǒng)應用技術的科學發(fā)展原則

注塑機液壓系統(tǒng)包含泵源動力驅動系統(tǒng)和傳動（包括執(zhí)行機構）系統(tǒng)兩大部分，兩者的功能既有所區(qū)別又互相聯系，應用技術的科學發(fā)展原則的側重點各有特點。

1.1注塑機液壓系統(tǒng)應用技術的科學發(fā)展原則內涵

注塑機液壓系統(tǒng)應用技術的科學發(fā)展原則包涵環(huán)保準則和先進準則，并把環(huán)保準則置于優(yōu)先考慮的地位，環(huán)保準則統(tǒng)率先進準則，先進準則實現環(huán)保準則的持續(xù)性，實現液壓系統(tǒng)與人、環(huán)境的和諧共存的持續(xù)關系，推動注塑工程和諧發(fā)展。

注塑機液壓傳動系統(tǒng)科學發(fā)展原則突出生命周期屬性，以現代能源技術、材料技術、生物技術、污染治理技術、資源回收技術、環(huán)境監(jiān)測技術、清潔生產技術、網絡技術、數字技術等貫徹于生命周期全過程。

1.1.1環(huán)保準則

塑料制品加工已列入環(huán)境保護部、發(fā)展改革委、財政部三部委2013年12月發(fā)布的《重點區(qū)域大氣污 染防治“十二五”規(guī)劃》中的PM2.5的重點監(jiān)測對象，說明治理塑料加工產生的環(huán)境污染越來越得到重視。

注塑機液壓系統(tǒng)極易產生噪聲、振動、廢油、廢水、電磁波輻射、粉塵等直接和間接的環(huán)境污染。注塑機液壓系統(tǒng)的環(huán)保準則是堅持預先采取防范措施，防止環(huán)境問題及環(huán)境損害的發(fā)生，實現經濟、社會、環(huán)境效益的統(tǒng)一。

1.1.1.1環(huán)保準則屬性

環(huán)保準則主要屬性：清靜屬性；清潔屬性。

環(huán)保準則個性化。注塑潔凈醫(yī)療塑料注塑制品的液壓系統(tǒng)的環(huán)保準則必須達到美國US聯邦標準209E和國際通用標準EN ISO 14644-1的要求，符合GMP認證標準要求。食品、飲料塑料注塑制品的液壓系統(tǒng)的環(huán)境原則應符合《食品用包裝、容器、工具等制品生產許可通則》、《食品用塑料包裝、容器、工具等制品生產許可審查細則》及相關標準等的具體要求。

環(huán)保準則不但貫穿液壓系統(tǒng)壽命周期全過程，而且必須解決在制造、廢棄/回收再生過程中對環(huán)境損害的要素。

（1）清靜屬性

注塑機液壓系統(tǒng)的泵源的動力驅動噪聲及高壓大流量的運轉噪聲是其固有的特性，而且往往是集群式生產，所以降低液壓系統(tǒng)噪聲在環(huán)境允許的承受范圍之內，實現清靜化生產，是環(huán)保準則的首要。大功率液壓系統(tǒng)的噪聲已成為注塑機發(fā)展的屏障之一，降低噪聲尤為重要。

清靜屬性理念。傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)的清靜度僅停留在控制液壓系統(tǒng)的運行噪聲達到技術標準，而且檢測采用六點平均值。環(huán)保準則的清靜屬性更注重運行噪聲對人文環(huán)境的影響，更重視沖擊噪聲及噪聲極大值的治理，所以噪聲的技術標準更嚴格，控制技術科技含量更高。

傳統(tǒng)噪聲治理關注高頻噪聲，忽視低頻噪聲。低頻噪聲對人體健康的損害比高頻噪聲更為嚴重，而且不易感測。低頻噪聲不影響噪聲指標，所以長期來得不到關注。

應用蓄能器降低液壓噪聲：消除脈動、吸收液壓沖擊； 應用蓄能器存儲能量，釋放能量，實現液壓能量回收再生，減少噪聲能量源； 應用蓄能器作為輔佐動力源，降低系統(tǒng)裝載功率。

（2）清潔屬性

注塑機液壓系統(tǒng)液壓管路較為復雜、接頭較多、液壓件集成度較高、執(zhí)行機構高壓大流量運行、集成塊故障率較高，這些因素造成液壓系統(tǒng)生命周期內極易滲、漏，造成污染環(huán)境，實現清潔化運行，是環(huán)保準則的主要內涵。

清潔屬性理念。傳統(tǒng)的清潔度僅停留在控制液壓油的污染度以提高液壓系統(tǒng)的運行可靠度，環(huán)境準則的清潔屬性更注重液壓污染對人文環(huán)境和自然環(huán)境的影響度。傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)主要致力于控制液壓油的潔凈度，而對液壓系統(tǒng)在制造、裝配、運行、維修引起的環(huán)境污染控制往往不夠重視。

微觀污染治理是清潔屬性不同于傳統(tǒng)污染治理的新特點。微觀污染惡化PM2.5的環(huán)境。微觀污染是影響人體健康和高端制品質量的主要因素。

1.1.2先進準則

先進準則服務于環(huán)保準則和拓展注塑工程的可持續(xù)發(fā)展。環(huán)保準則的水準取決于先進準則的服務水準。

先進準則就是前瞻性把握住注塑機液壓系統(tǒng)的科學發(fā)展趨勢并積極運用液壓新技術于實際，實現注塑機液壓系統(tǒng)的持續(xù)發(fā)展。現代的創(chuàng)新創(chuàng)造的注塑工程，依附液壓系統(tǒng)的持續(xù)發(fā)展才能實現，例如多種形式的注射—壓縮工程、高速注塑工程、多組分注塑工程、模內組裝注塑工程等等，液壓系統(tǒng)根據注塑工程的“現實需求”、“潛在需求”，運用現代先進液壓元件及控制技術，開發(fā)提高環(huán)保水準的高性能的液壓系統(tǒng)滿足注塑工程的可持續(xù)發(fā)展。

先進準則服務于環(huán)保準則的主要特點是生命周期性，即從方案設計、元件選用、零件制造、安裝、調試、維修服務，直至廢棄物的回收利用及再制造等各個環(huán)節(jié)實現環(huán)境準則的要的，每一個技術方案的確定都應該以生命周期評估的結果為基礎，制定出當前采取的方案和未來改進的方向，從“治本”上予以解決影響環(huán)境原則的要素，而不是傳統(tǒng)的等液壓系統(tǒng)運行后發(fā)現影響環(huán)境因數后予以解決的“治標”方法。

1.1.2.1先進準則屬性

先進準則主要內涵：能量匹配屬性；資源屬性；節(jié)能降耗屬性；服務型創(chuàng)新創(chuàng)造屬性；成本屬性。

（1）能量匹配屬性

噪聲源于振動，振動的研究與預防。液壓傳動噪聲能量來源于液壓動力驅動系統(tǒng)提供的能量大于執(zhí)行機構運轉所需的能量，溢出的能量轉變?yōu)檎駝幽芰浚ぐl(fā)噪聲。降低液壓傳動噪聲的治本方案是實現液壓動力驅動系統(tǒng)提供的能量匹配于執(zhí)行機構運轉所需的能量，液壓系統(tǒng)的能耗也達到最佳狀態(tài)。在確定動力部分的參數時，做到與工作機械的負荷狀態(tài)相匹配,并與原動機的高效工作區(qū)相協調，不僅實現穩(wěn)態(tài)最優(yōu)匹配，同時實現動態(tài)最優(yōu)匹配。

（2）資源屬性

資源屬性不僅在設計中預測資源的有效利用，并且充分考慮在銷售、使用和廢棄/回收再生過程中物資的回收的可能性、回收價值的大小、回收處理方法、回收處理工藝性等一系列技術，最終達到能源的最大利用，對環(huán)境的最大貢獻。

盡力提高液壓能效，實現無冷卻水液壓系統(tǒng)，杜絕水污染產生源，同時達到節(jié)約水資源。

提高系統(tǒng)清潔度，科學恒定液壓油工作溫度，延長液壓油壽命指數，節(jié)約油資源；提高液壓油再生回用指數，提高有資源利用率，堵住液壓油污染源頭。

緊湊化設計降低資源消耗。革新元件、接頭、結構的連接型式，液壓元件集成模塊緊湊化，液壓閥插裝閥化，積極應用“小而精”的液壓元件進行模塊化設計，提高系統(tǒng)性能和環(huán)境準則的水準。

實現液壓系統(tǒng)能滿足當前和將來相當長一段時間內的市場需求，最大限度地減少產品過時，延長產品的“使用”周期，降低了社會物質資源的消耗及制造能源消耗。

（3）節(jié)能降耗屬性[1]

液壓技術在將機械能轉換成壓力能及反轉換過程中，總存在能量損耗。達到在使用過程中消耗能量最少、能量損失最少、能耗污染最低。節(jié)能降耗也是環(huán)保的重要一環(huán)，減少能源消耗即意味著減少對環(huán)境的污染。

節(jié)能降耗必須解決下面幾個問題：減少元件和系統(tǒng)的內部壓力損失，以減少功率損失；減少或消除系統(tǒng)的節(jié)流損失，盡量減少系統(tǒng)的溢流量；采用靜壓技術和新型密封材料，減少摩擦損失；采用二次調節(jié)系統(tǒng)，提高能效；使用原材料的能耗、制造過程的能耗、成型加工的能耗、回收處理的能耗、物流的能耗以及能耗對生態(tài)環(huán)境的影響等。

（4）服務型創(chuàng)新創(chuàng)造屬性

液壓系統(tǒng)是注塑工程全套方案的組成部分。

液壓系統(tǒng)的科學發(fā)展原則的服務型創(chuàng)新創(chuàng)造準則不同于傳統(tǒng)的服務型創(chuàng)新創(chuàng)造，不但服務于注塑成型工藝的創(chuàng)新創(chuàng)造，更強調液壓系統(tǒng)服務于環(huán)境原則，即液壓系統(tǒng)的創(chuàng)新創(chuàng)造的生命周期方案始終貫穿環(huán)保準則。

（5）成本屬性

科學發(fā)展原則的成本屬性與傳統(tǒng)的成本理念有很大的不同，不僅要考慮設計、制造和銷售成本的核算，還有考慮包括使用和廢棄/回收再生過程中用戶和社會所承擔的成本、污染物的替代、產品拆卸、環(huán)境成本等。

成本屬性以用戶的成本效益為優(yōu)先原則，通過科學技術的創(chuàng)新，使得用戶以最小的單位成本生產出最高質量的綠色制品，實現綠色經濟效益的最大化和科學化。

1.2液壓系統(tǒng)應用技術的科學發(fā)展原則的設計模式

并行工程設計是液壓系統(tǒng)應用技術的科學發(fā)展原則的設計模式。長期以來的傳統(tǒng)的設計模式是按照創(chuàng)意來源—方案遴選—概念與產品測試—試產—正式投放市場的各個階段呈順序或串行方式進行，這種設計模式的缺陷是設計階段無法預見后續(xù)制造及使用過程中可能出現的問題，特別是環(huán)境問題。并行工程設計是對系統(tǒng)及其相關過程（包括制造過程和支持過程）進行并行、相互滲透、一體化設計的模式。并行工程的設計模式下設計人員從一開始就考慮到產品全生命周期（從概念形成到產品報廢）內各階段的因素（如功能、制造、裝配、質量、成本、能耗、環(huán)保等），并強調各部門的協同工作，綜合考慮各相關因素的影響，使后續(xù)環(huán)節(jié)中可能出現的問題在設計的早期階段就被發(fā)現，以避免或減少那些導致方案運行到后期不得不返工的設計錯誤。運用并行工程設計不僅能縮短研發(fā)周期、減少研發(fā)及制造費用，還能充分考慮產品全生命周期內的各項因素，從而提高產品的科學發(fā)展原則的質量，更好地滿足顧客需求，增強產品的競爭能力。

1.3液壓系統(tǒng)應用技術的科學發(fā)展原則的評價指標體系

液壓系統(tǒng)應用技術的科學發(fā)展原則的評價指標，應盡可能的覆蓋產品全生命周期內的不同階段以及不同角度的各種要求；確定各項評價指標在體系內的能體現出整個系統(tǒng)設計優(yōu)劣的權重系數；評價結果必須明確，易于判斷設計方案或產品的優(yōu)劣，為改進設計和方案決策提供指導信息。目前，還沒有觸及液壓系統(tǒng)應用技術的科學發(fā)展原則的評價指標體系的研究，所以現在對一個注塑機液壓系統(tǒng)應用技術的設計很難做出一個權威性的評價。

2　注塑機液壓動力驅動系統(tǒng)應用技術的科學發(fā)展原則的研究

提高能效是液壓動力驅動系統(tǒng)應用技術的科學發(fā)展原則，由定量系統(tǒng)走向變量系統(tǒng)的節(jié)能降耗的應用技術的科學發(fā)展原則方向。

傳統(tǒng)的注塑機的液壓動力驅動系統(tǒng)為定量系統(tǒng)，注塑工藝又為多變量運行過程，所以定量系統(tǒng)不可避免存在能效低噪聲高的環(huán)保準則的缺陷。開發(fā)了多種型式的變量的液壓動力驅動系統(tǒng)，如壓力補償控制、負載感應控制、功率協調系統(tǒng)等，實現液壓動力驅動系統(tǒng)提供的能量匹配于執(zhí)行機構運轉所需的能量。

提高能效實現噪聲“治本”。液壓系統(tǒng)是注塑機運行的主要噪聲源。噪聲來源于液壓系統(tǒng)的能量損耗，所以降低噪聲的技術核心是泵源輸出的液壓動力自適應執(zhí)行機構的消耗動力，提高系統(tǒng)的能效，達到無多余能量供給噪聲發(fā)生源，即實現噪聲“治本”。

本節(jié)主要研究幾種變量的液壓動力驅動系統(tǒng)應用技術的科學發(fā)展原則，并指出應用技術科學發(fā)展原則重點研發(fā)方向。

2.1V4比例泵的液壓動力驅動系統(tǒng)應用技術的科學發(fā)展原則的研究[2]

三相異步電機驅動V4比例泵動力驅動系統(tǒng)是一種性能優(yōu)異的節(jié)能降耗液壓動力驅動系統(tǒng)，與PC可編程序控制器或工控機電腦結合，使整個注塑機由一個“智能塊”控制，簡化集成，高效節(jié)能。由于采用了高速電子控制電路對各反饋進行高速處理和采用帶有位置傳感器的超高響應伺服比例閥作先導控制，其響應速度顯著加快。滯環(huán)≤0.2%，重復精度≤0.2%。閉環(huán)的控制過程使負載波動、油污、油溫等變化因素的影響得到在線校正，表現出很好的重復精度，從而制品的尺寸精度或重量的重復偏差及不良率得到有效控制。全閉環(huán)比例變量柱塞泵位置反饋先導閥是帶有位置傳感器的超高響應伺服比例閥，按照修正補償信號指令對控制油泵斜盤位置的油缸進行流量輸出，位置傳感器時刻在線檢測反饋決定流量的閥開口大小位置，并將實際位置與指令信號位置進行比較，使泵輸出的流量與壓力值得到在線校正，保證按設定值準確進行壓力和流量輸出。在流量控制階段，控制系統(tǒng)使泵輸出壓力與負載相協調的最佳匹配狀態(tài)；在壓力控制階段，控制系統(tǒng)使泵的輸出流量趨近于零，僅消耗極小的功率，使系統(tǒng)的效率達到最高。在空載下系統(tǒng)能保征泵的斜盤處于零傾角附近工作，使空載功率消耗最小；在有負載時，此泵有負載傳感泵的變量特性，壓力、流量兩者同時適應實際功率的適應控制，最大限度地提高匹配效果，無節(jié)流和溢流損失。泵的輸出壓力比負載壓力僅高出一個比例節(jié)流閥的進出壓差的最佳匹配狀態(tài)。在保壓階段，當系統(tǒng)壓力達到先導式比例溢流閥設定的最高工作壓力時，恒壓閥使泵的排量迅速減少到除滿足泵內部的泄漏外，輸出流量接近于零，變成高壓小流量的工況。系統(tǒng)不需要液壓冷卻系統(tǒng)。節(jié)電量可達40%~70%。博世力士樂公司把本公司的動態(tài)性能和精度都得到認可的DFE V4泵和伺服電機組合成變轉速的DFEn復合泵控系統(tǒng)，彌補了普通異步電機和變頻器響應慢的缺點，解決了交流伺服電機驅動定量泵系統(tǒng)因保壓時間長電流大易引起電機本身過度發(fā)熱而退磁的缺點，保證了系統(tǒng)高響應的特性及伺服電機的使用壽命。

2.1.1應用技術科學發(fā)展原則重點研發(fā)方向

V4比例泵的輸出功率與成型所需功率相匹配，系統(tǒng)無能量損耗，所以沒有轉變?yōu)樵肼暤哪芰俊］o以蓄能器吸收柱塞泵脈動充擊，降低泵運轉噪聲。電機仍為普通三相異步電機，成為泵源的噪聲源。

V4比例泵的核心制造技術掌握在國外廠商手中，雖然國內V4比例泵于20世紀80年代開始研發(fā)，但未成正果。V4比例泵進口價位高。這些因素造成V4比例泵節(jié)能降耗液壓動力驅動系統(tǒng)不能在國內注塑機上得到推廣應用。

2.2電液比例恒壓變量柱塞泵的液壓動力驅動系統(tǒng)應用技術的科學發(fā)展原則的研究

電液比例恒壓變量柱塞泵把恒壓變量柱塞泵和比例控制有機地結合在一起，應用最新電子技術、傳感技術來控制泵的輸出流量和系統(tǒng)壓力。日本油研公司A系列電液比例恒壓變量柱塞泵，最高使用壓力28 MPa，最低調節(jié)壓力為0.7 MPa，最大排量達0.145 L/r，流量調節(jié)所需最低壓力為2 MPa，流量控制滯環(huán)小于1%，重復精度誤差小于1，壓力控制滯環(huán)小于1%，重復精度誤差小于1。電渡比例恒壓泵作為液壓系統(tǒng)的動力源, 既可連續(xù)地調節(jié)進入各執(zhí)行機構的流量，又可使泵的輸出壓力跟蹤執(zhí)行機構在不同工況時的壓力，壓力、流量兩者同時適應實際功率的適應控制，最大限度地提高匹配效果，無節(jié)流和溢流損失，是理想的高效的節(jié)能元件，比V4泵（有少量節(jié)流損失）還要節(jié)能。螺桿上安裝位置傳感器和轉速傳感器，反饋信號經轉換后與設定值比較。將差值送到放大器，調節(jié)恒壓變量泵流量輸入信號，實現精密地控制螺桿的運動速度。

2.2.1應用技術科學發(fā)展原則重點研發(fā)方向

系統(tǒng)無節(jié)流損失，有利于進一步降低系統(tǒng)傳動噪聲，輔以蓄能器吸收柱塞泵脈動充擊，降低泵運轉噪聲。電機仍為普通三相異步電機，成為泵源的噪聲源。

2.3變頻調速的液壓動力驅動系統(tǒng)應用技術的科學發(fā)展原則的研究

變頻器驅動普通三相異步電機，電機帶動定量泵，通過調節(jié)電機的轉速來改變泵輸出的流量,從而基本達到無溢流損耗的目的，能效最高可提高50%。液壓系統(tǒng)中不設流量比例閥，壓力比例閥仍不可少。液壓定量泵為適應轉速變化的運轉特點，應選用齒輪泵、螺桿泵。

變頻調速液壓動力驅動系統(tǒng)能耗缺陷是：定量泵的低速運行受到其結構及機構的特點，低速受到限制，一般400 r/min為最低轉速，低于此轉速，其使用壽命便為大幅降低，所以在基本上不需液流量的保壓、冷卻的注塑工序，仍有液流損失，液流經過溢流閥有需要約0.5 MPa的壓力，所以能耗不能達到理想水平。在不需要保壓、冷卻的制品注塑工藝中，其能耗性能十分理想。

2.3.1應用技術科學發(fā)展原則重點研發(fā)方向

應用技術泵源系統(tǒng)采用低噪聲的葉片泵。大功率三相異步電動機建議為6極電機，以降低運轉噪聲。

變頻調速一般運用于塑制品企業(yè)已有設備的技術改造，可獲得顯著的節(jié)能降耗的效果。

2.4交流伺服電機驅動液壓定量泵的液壓動力驅動系統(tǒng)應用技術的科學發(fā)展原則的研究[3]

交流伺服電機驅動液壓定量泵的液壓動力驅動就是通過伺服交流電機變頻調速，達到液壓定量泵的流量匹配于執(zhí)行機構的工作流量、通過系統(tǒng)的液壓力的閉環(huán)控制自適應執(zhí)行機構的驅動壓力，交流伺服電機的功率因數接近1，所以其節(jié)能降耗的性能優(yōu)于三相異步電機變頻調速的液壓動力驅動系統(tǒng)。由于液壓動力驅動系統(tǒng)中定量泵的使用，所以存在與三相異步電機變頻調速的液壓動力驅動系統(tǒng)同樣的能耗缺陷。

交流伺服電機驅動液壓定量泵動力驅動系統(tǒng)中，對于插裝閥較多的系統(tǒng)，為避免動作紊亂或保壓不良等現象的發(fā)生，系統(tǒng)中應單獨設置提供穩(wěn)定控制壓力的動力驅動泵源，以確保控制口的壓力的相對穩(wěn)定。回路中對控制油進行先期過濾，以確保控制油路的可靠性。

2.4.1應用技術科學發(fā)展原則重點研發(fā)方向

國內的交流伺服電機與液壓泵的聯接結構型式決定其使用壽命周期的關鍵。日本油研公司也推出了交流伺服電機和油泵連為一體的剛性系統(tǒng)，以提高使用壽命周期。國內采用1 500 r/min以下的彈性聯軸節(jié)，而交流伺服電機1 800 r/min以上才能體現出其高速運行達到降低油泵排量規(guī)格的資源特性。彈性聯軸節(jié)的啟動、制動的沖擊及在高速運行下的脈動對交流伺服電機的使用壽命周期產生極大的影響，事實證明，交流伺服電機與液壓泵之間的彈性聯軸節(jié)型式，交流伺服電機的使用壽命約為2年。作者采用剛性聯軸節(jié)作為伺服電機與液壓定量泵之間的聯接型式已可靠運轉6年。

在液壓動力驅動系統(tǒng)中增加用于保壓的極小排量的柱塞泵，實現在保壓階段的壓力得到穩(wěn)定輸出，而輸出流量接近于零。這樣在保壓階段，系統(tǒng)不需其它液壓泵運行，降低了能耗。與主動力驅動系統(tǒng)的交流伺服電機驅動液壓定量泵系統(tǒng)實現性能上互補。

2.5交流伺服電機驅動雙排量變量柱塞泵的液壓動力驅動系統(tǒng)應用技術的科學發(fā)展原則的研究

交流伺服電機驅動雙排量變量柱塞泵的特性可用來降低對伺服電機的扭矩負載，保壓及高壓合模所需的流量低但壓力高，可將變量泵轉為小排量，降低在低速時伺服電機的大電流產生的發(fā)熱，更體現出高性能低能耗的特性，比配置定量泵的驅動源要多節(jié)約17%以上的電力。

減小液壓沖擊，有利于降低沖擊噪聲。雙排量變量柱塞泵具有雙向運轉功能，短時反轉可將工作腔壓力快速泄掉，極大提高生產效率及防止液壓沖擊。系統(tǒng)可根據不同工況對泵的排量進行控制，實現高壓力、低扭矩的方式進行保壓。

有效功率最大化。用小排量泵供給系統(tǒng)小流量的工序，維持電機的較高轉速，消除交流電機低速而引起的線圈發(fā)熱能量損失。高速運轉的小排量驅動系統(tǒng)能提供極小流量工況下的長時間的保壓、極低速成型及高壓低速鎖模，提高能效。運用小排量保壓，達到更加精密穩(wěn)定的保壓壓力，并實現最低的保壓能耗。經過實際應用證明伺服電機與雙排量變量柱塞泵組成的液壓動力驅動系統(tǒng)除具有交流伺服電機與定量泵組成的液壓控制系統(tǒng)所具有的性能之外，實現了按照液壓系統(tǒng)實際需求的功率進行功率輸出，達到有效功率最大化，具有最高的節(jié)能效果。

提高可靠性，降低資源消耗。交流伺服電機驅動雙排量柱塞泵系統(tǒng)，保證了伺服電機始終處在最佳轉速工況下工作，有利于延長伺服電機的使用壽命和可靠性，減少系統(tǒng)故障率。

擴大交流伺服動力驅動應用領域。直壓鎖模如不采用單向閥將鎖模力鎖住，便要靠電機油泵不停地工作來維持鎖模力，雙排量的小排量能提供長時間的保壓及高壓合模，維持鎖模力。

日精樹脂工業(yè)（株）采用了交流伺服電機直接驅動雙排量變量柱塞泵，需要時可以提供所需的能量，適用于從薄到厚的塑料零件加工，比公司過去的液壓注塑機節(jié)省能耗 55%。東華機械有限公司交流伺服電機驅動雙排量柱塞泵的Se系列注塑機，解決了一般交流伺服電機驅動定量泵在長時期低速保壓過程中出現的溫升級壓力波動的性能缺陷，達到加工需較長時間保壓的PMMA等工程塑料制品。

2.5.1應用技術科學發(fā)展原則重點研發(fā)方向

伺服電機驅動雙排量柱塞泵系統(tǒng)，大小排量之間平穩(wěn)快速過度是需重點研發(fā)的課題。

交流伺服電機驅動雙排量變量柱塞泵，輔以蓄能器吸收柱塞泵脈動充擊，降低泵運轉噪聲。交流伺服電機驅動雙排量變量柱塞泵的剛性連接系統(tǒng)有待研發(fā)，以提高運行可靠性及動態(tài)響應性能。

2.6油電復合動力驅動系統(tǒng)應用技術的科學發(fā)展原則的研究

油電復合動力驅動系統(tǒng)指泵源的主動力驅動為液壓動力驅動，部分執(zhí)行機構的動力驅動為交流伺服電機驅動。兩者發(fā)揮各自的性能、功能，進行多種形式組合，是注塑機為實現創(chuàng)新注塑工程而開發(fā)的新的動力驅動形式。加拿大Husky公司注射PET瓶坯的PET400瓶坯專用注塑機，交流伺服電機直接驅動擠出塑化，液壓動力驅動注射活塞實現熔融料注射，各自獨立動力驅動互不干擾的系統(tǒng)，縮短了注射塑化時間，提高了生產率；提高了計量精度和塑化質量；降低了能耗。由于塑化獨立于周期之外，可延長熔料在機筒中的滯留時間，提高了物料混煉塑化的均勻性，提供了實現低溫塑化的足夠時間，減少因物料經受過渡剪切可能造成物料急劇升溫產生熱分解的幾率。

2.6.1應用技術科學發(fā)展原則重點研發(fā)方向

開發(fā)多種形式油電復合驅動：①按部件驅動分為：合模伺服電機驅動，注射液壓驅動；合模液壓驅動，注射伺服電機驅動；②按部件內部驅動分為：塑化伺服電機驅動，注射液壓驅動；鎖模伺服電機驅動，頂出液壓驅動。

3　注塑機液壓傳動系統(tǒng)應用技術的科學發(fā)展原則的研究

科學認識注塑機各種液壓傳動系統(tǒng)的動態(tài)響應性能，才能有的放矢科學地應用于注塑工程，同時對液壓傳動系統(tǒng)的設計有一個科學的指導。

注塑機液壓傳動系統(tǒng)由傳統(tǒng)的開關系統(tǒng)演變?yōu)楸壤到y(tǒng)，走向伺服系統(tǒng)。液壓傳動系統(tǒng)的性能成為應用技術的重點關注對象，液壓傳動系統(tǒng)與執(zhí)行機構兩者的性能匹配成為應用技術的研究重點。

本節(jié)對主要研究注塑機液壓傳動系統(tǒng)的性能及其應用技術科學發(fā)展原則重點研發(fā)方向，論述了注塑機液壓傳動系統(tǒng)設計的常見缺陷及科學發(fā)展方向。

3.1液壓傳動系統(tǒng)動態(tài)性能分析及應用技術的科學發(fā)展原則的研究

反映系統(tǒng)動態(tài)特性的主要是系統(tǒng)的固有頻率與阻尼系數。注塑機液壓傳動系統(tǒng)具有多種形式，首先要明確動態(tài)特性的研究對何種液壓系統(tǒng)具有理論和實際意義，才能取得事半功倍的效果。

3.1.1泵控傳動系統(tǒng)的動態(tài)響應性能的分析及應用技術的科學發(fā)展原則的研究

泵控傳動系統(tǒng)指泵源與傳動系統(tǒng)為伺服控制系統(tǒng)。節(jié)2中的V4比例泵的液壓動力驅動系統(tǒng)、電液比例恒壓變量柱塞泵的液壓動力驅動系統(tǒng)、交流伺服電機驅動雙排量變量柱塞泵的液壓傳動系統(tǒng)為流量及壓力閉環(huán)的泵控傳動系統(tǒng)。伺服電機驅動系統(tǒng)驅動定量泵系統(tǒng)為壓力閉環(huán)的泵控傳動系統(tǒng)。這些泵控傳動系統(tǒng)的共同特點是傳動系統(tǒng)中壓力管路容積大、系統(tǒng)阻尼比大，因此是一個固有頻率很低的低響應傳動系統(tǒng)。高響應的動力驅動系統(tǒng)與低響應傳動系統(tǒng)組合，整個液壓系統(tǒng)是一個低響應的泵控系統(tǒng)。

3.1.1.1泵控傳動系統(tǒng)的性能與系統(tǒng)設計的應用技術科學發(fā)展原則重點研發(fā)方向

交流伺服電機驅動系統(tǒng)驅動定量泵系統(tǒng)為應用最為廣泛的泵控系統(tǒng)。運行伺服電機的動態(tài)性能對整個系統(tǒng)的動態(tài)響應性能的影響極其有限，對成型周期基本沒有影響，實際設計中，選用的伺服電機不必在動態(tài)響應性能方面做過高的苛求，普通的伺服電機即可滿足要求；選用油泵主要考慮其容積效率以提高系統(tǒng)的功效；伺服電機是高價位的電機，聯軸節(jié)直接影響伺服電機的使用壽命，所以伺服電機與泵的聯結型式是壽命設計的主要對象，日本油研公司推出了伺服電機與泵直接聯結的復合系統(tǒng)，即省卻了聯結的泵架、聯軸節(jié)，又提高了傳動的可靠性和效率，達到了節(jié)約資源、節(jié)能、降低制造成本的可持續(xù)發(fā)展的目的，同比國內，還停留在通用的彈性聯軸節(jié)的結構上。

伺服電機驅動液壓泵的傳動系統(tǒng)可以很好地和負載匹配，具有較高的效率，有利于降低噪聲。變排量控制方式只能控制執(zhí)行機構的單腔，同時受限于泵的變量響應特性導致其系統(tǒng)剛度較低、快速性較差，主要用于大功率和性能要求不是很高的場合。

伺服電機驅動定量泵的傳動系統(tǒng)普遍存在壓力超調的性能缺陷。從兩個方面進行改進：

電氣控制技術。普通的PID控制的魯棒性能差，難以有效壓抑超調壓力。運用變結構等新型算法于控制系統(tǒng)，達到有效抑制超調壓力，但相對延長了穩(wěn)態(tài)時間。

液壓控制技術。系統(tǒng)中設置小型蓄能器，吸收超調壓力及脈動壓力，縮短穩(wěn)態(tài)時間。蓄能器儲存的能量可釋放給再利用，提高能效。

3.1.2閥控傳動系統(tǒng)動態(tài)響應性能的分析及應用技術的科學發(fā)展原則的研究

閥控伺服系統(tǒng)由電液伺服閥和執(zhí)行機構構成閉環(huán)控制系統(tǒng)，具有高頻響應性能。

閥控伺服系統(tǒng)運用于瞬時高速注射，在注射啟動瞬時發(fā)揮作用。瞬時高速注射時間不大于1 s，甚至在0.5 s時間內完成，注射速度大于300 mm/s。瞬時高速注射時間性能取決于閥的動態(tài)響應性能，普通開關閥反映時間需約250 ms，不可能實現瞬時高速注射，唯伺服閥控制系統(tǒng)才能達到。

閥控伺服注射系統(tǒng)在注射油缸啟動瞬時，影響系統(tǒng)固有頻率的主要因數為密封阻尼及控制容積，為達到系統(tǒng)的固有頻率最高，采取兩種措施：為達到最小控制容積，伺服閥壓力口直接與油缸進油口聯接，達到最小控制容積；低阻尼密封件，達到最小阻尼比。圖1為注射量為6 g的LED底板的閥控伺服單缸注射系統(tǒng)，伺服集成塊直接安裝于注射缸蓋的無管路聯接，單缸同比雙缸的閥壓力出口至缸接口的控制容積更小，提高系統(tǒng)的固有頻率，達到最佳的伺服動態(tài)響應性能。

圖1　閥控伺服單缸注射系統(tǒng)

注射開始，控制容積迅速增加，系統(tǒng)固有頻率迅速下降，閥控伺服系統(tǒng)等同于普通開關閥控制的系統(tǒng)。

閥控伺服注射系統(tǒng)，為保證電液伺服閥穩(wěn)定工作，壓差一般為負載的二分之一。注射啟動瞬間，系統(tǒng)為低壓工況，閥前壓力不會超過系統(tǒng)的額定壓力，因此電液伺服閥主要實現流量高頻響應，瞬時達到高速，存在較大的能量損失。

根據閥控理論，泵源提供的壓力應大于負載需求的壓力，因此無法實現負載敏感的高能效運行，存在較大大的節(jié)流和溢流損失，導致系統(tǒng)效率較低，由此而產生節(jié)流熱及節(jié)流噪聲。

3.1.2.1電液伺服比例閥性能的應用技術的科學發(fā)展原則的研究[4]

傳統(tǒng)的注塑機閥控液壓傳動系統(tǒng)的電液伺服閥組成的閥控系統(tǒng)，雖然電液伺服閥具有體積小、功率放大率高、直線性好、響應速度快、運動平穩(wěn)可靠、能適應模擬量和數字量調節(jié)等優(yōu)點，但存在抗污染能力差、功率損失大、價格昂貴、系統(tǒng)制造成本及維護使用成本較高等缺點，從而影響了系統(tǒng)運行的可靠性、性價比及應用性。普通的比例閥僅是將比例電磁鐵代替普通液壓閥的開關型電磁鐵，工作頻寬小一般僅達到1~20 Hz，穩(wěn)態(tài)滯環(huán)在4%~7%之間，零位死區(qū)大，不能很好地用于常運行于零位附近的位置、力控制閉環(huán)系統(tǒng)，即使在放大器中設置了零位階躍信號發(fā)生器，在性能上總不及無零位死區(qū)的伺服閥，一般只適用于開環(huán)系統(tǒng)。

為適應科學性價比的工業(yè)級閥控系統(tǒng)的需求，國際上相繼出現了比例閥吸收伺服閥的優(yōu)點、帶有多種內反饋式及電校正等手段的高頻響的比例閥或電液伺服比例閥。電液伺服比例閥的穩(wěn)態(tài)精度、動態(tài)響應和穩(wěn)定性都有了極大地提高，滯環(huán)接近伺服閥，閥口零遮蓋， 無零位死區(qū)，頻響接近于伺服閥，具有良好的抗污染能力及使用的可靠性，替代對動態(tài)響應頻率和控制精度要求不高的閥控伺服系統(tǒng)的 “噴嘴—擋板式”電液伺服閥。

國際上具有代表性的電液伺服比例閥為阿托斯公司的DLHZ0系列、派克公司的DIFP系列、穆格公司的D633系列，表1為三家公司的電液伺服比例閥的性能比較，用戶根據實際所需選擇，達到科學的性價比。

表1　三種伺服比例閥性能比較

3.1.3泵閥復合控制液壓系統(tǒng)性能的分析和應用研究[5~6]

上面分析表征，閥控系統(tǒng)的固有頻率高，應用于高響應，并且能夠將電機和泵的特性排除在控制性能之外，具有較好的控制性能。泵控系統(tǒng)的固有頻率降低，應用于低響應，并且基本上都是電機、泵和執(zhí)行機構之間功率流直接傳遞，由此導致泵和電機各自的特性直接傳遞，進而將泵和電機各自的缺點都直接表征在系統(tǒng)的輸出特性上。

泵源變量（變轉速/變排量）系統(tǒng)的泵閥復合控制液壓系統(tǒng)，把泵控系統(tǒng)和閥控系統(tǒng)組合起來，發(fā)揮各自的性能優(yōu)勢，拓展注塑工程的科學發(fā)展。控制體系由兩個閉環(huán)組成：由變量泵源和蓄能器構成閉環(huán)的泵控的壓力控制體系，為伺服閥提供充足穩(wěn)定的壓力油供應；電液伺服閥和執(zhí)行機構構成最終的閉環(huán)，實現最終的控制輸出。系統(tǒng)的輸出特性由電液伺服閥決定，能效特性由泵控的動力輸出決定。系統(tǒng)與純閥控液壓伺服系統(tǒng)比較，可降低系統(tǒng)功率損耗；與純泵控伺服系統(tǒng)比較，提高實時控制性能；泵源變量（變轉速/變排量）系統(tǒng)具有靈活組合性。多變量的輸入，帶來了參數的耦合、相乘非線性等問題，對控制策略等方面提出了較高的要求。蓄能器的容積設計是實現伺服控制壓力穩(wěn)態(tài)的關鍵。

泵閥復合控制液壓系統(tǒng)根據動力驅動形式分為二種型式：

三相異步電機驅動電液變量泵和電液伺服閥組成泵閥復合控制液壓系統(tǒng)。

交流伺服電機驅動定量泵和電液伺服閥組成泵閥復合控制液壓系統(tǒng)。

泵閥復合控制液壓系統(tǒng)根據泵和閥的組合可分為并聯和串聯的兩種方案，根據注塑工藝要求，進行科學的搭配。注塑工藝具有高響應和低響應的兩者工況，對整個系統(tǒng)采用泵閥并聯方案。低響應狀態(tài)，主要通過泵控進行，伺服閥在必要時輔以精確的控制；在高響應狀態(tài)，動態(tài)時，主要由電液伺服閥瞬時控制輸出流量，保證動態(tài)調節(jié)性能，達到穩(wěn)態(tài)過程后，電液伺服閥關閉，泵控動力驅動，因而這種結構在保證快速性的同時也有較高的傳動效率。對于蓄能器驅動的瞬時高速注射的高響應工況，系統(tǒng)動態(tài)響應完全處于閥控狀態(tài)。

表2為泵閥復合控制方案。整個系統(tǒng)為泵閥復合控制，合模為泵閥并聯控制，高速注射為泵閥串聯控制，蓄能器注射為工作是儲存的能量瞬時釋放，不需要動力源供應液壓能，所以為獨立閥控，整個系統(tǒng)中需在注射和合模的兩個回路中設計閥控伺服系統(tǒng)。

3.1.4應用技術科學發(fā)展原則重點研發(fā)方向

伺服液壓系統(tǒng)的應用技術的開發(fā)是注塑機液壓系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的新課題。高端注塑工程的核心控制技術就是伺服液壓系統(tǒng)應用技術的開發(fā)，應用技術的核心是是系統(tǒng)達到最佳的動態(tài)響應性能。電液伺服比例閥的動態(tài)性能與價格的差別很大，選用上應與設計的標的相匹配。

表2　泵閥復合控制方案

（1）加強伺服系統(tǒng)的應用技術的理論研究和應用

伺服液壓系統(tǒng)的理論研究在注塑機行業(yè)相當欠缺，阻礙了高速注射工程的發(fā)展。注塑機應用電液伺服比例閥的主要目的是提高液壓傳動系統(tǒng)的高響應性能。電液伺服比例閥為實現液壓系統(tǒng)高響應性能提供了必不可少的基礎，而要實現系統(tǒng)的高響應性能，必須是系統(tǒng)達到高響應性能，通過降低運動件的質量、提高系統(tǒng)的工作壓力、減小活塞的工作面積及油缸工作容積等技術設計提高系統(tǒng)的固有頻率和降低阻尼比。系統(tǒng)設計沒有高固有頻率的性能，電液伺服比例閥的動態(tài)響應性能再好也達不到高響應性能。例如，蓄能器輔佐注射系統(tǒng)，蓄能器開啟采用了高動態(tài)響應的伺服閥，實現高動態(tài)響應的開啟性能，但伺服閥與油缸的連接采用了固有頻率極低的高壓橡膠復合管，油缸活塞密封采用阻尼系數大的聚氨酯材料的密封圈，活塞及活塞桿仍采用密度大的鋼件/鑄鐵件，體現不出伺服控制系統(tǒng)低阻尼、低質量提高系統(tǒng)固有頻率的特性的系統(tǒng)設計特點，必然大幅降低了從伺服閥出口至油缸活塞的液壓系統(tǒng)的系統(tǒng)固有頻率，即大幅降低了整個系統(tǒng)的動態(tài)響應性能，失去了應用伺服閥達到系統(tǒng)高動態(tài)響應的意義，后果是不能實現高速的設計目標，蓄能器僅起到是減小液壓裝載功率、提高注射速度的功能，而不能實現瞬時高速注射。

（2）伺服控制軟件的應用技術開發(fā)

伺服控制系統(tǒng)是一個多變量、強耦合、非線性、變參數的復雜對象，常規(guī)的PID控制，其抗干擾和抗參數攝動的魯棒性不夠理想，難以得到滿意的調速和定位性能。超高速注射需要伺服控制系統(tǒng)的速度環(huán)具有良好的動態(tài)響應速度、寬廣的調速范圍、優(yōu)異的抗干擾特性，才能達到快速準確的定位與跟蹤。根據不同塑機的特定功能，針對系統(tǒng)給定與反饋之間的誤差，開發(fā)提高系統(tǒng)動態(tài)響應速度和控制精度的各種專業(yè)控制算法的應用。將現代可拓、變結構等非線性控制方法引入伺服控制系統(tǒng)的定向控制算法，以消除磁阻的非線性影響，實現輸出力矩的精確控制，使系統(tǒng)快速響應并且超調小；開發(fā)給定非線性信號校正算法，有效解決設備的低速控制特性問題。

(XS-04)

（未完待續(xù)）

北美、中東和中國將引領全球聚乙烯產能快速增長

未來5年，全球新增聚乙烯（PE）產能將快速增長，主要集中在中東和北美以低成本天然氣為原料的地區(qū)，以及大力發(fā)展低成本煤化工的中國。在北美地區(qū)，廉價天然氣原料供應的日益增長正在給乙烯及其衍生物生產商提供難得的發(fā)展機遇，尤其是PE。未來5年北美地區(qū)的PE產能將增長逾三分之一，到2019年該地區(qū)的產能將突破2700萬噸。中東地區(qū)的PE產能雖然增速正在放緩，但其仍將保持增長，未來5年該地區(qū)將新增約540萬噸的PE產能。而中國將繼續(xù)利用大量的煤炭資源和煤制烯烴技術新建PE產能，預計2019年前將新增1000萬噸的產能。

燕豐供稿

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

張友根，男，教授級高級工程師，終生享受國務院政府特殊津貼，現主要從事塑料機械的科學發(fā)展工作。

2014-08-14