注塑機電液控制系統能量效率對比研究

李堅勇

摘 要：注塑機電液控制系統的能量效率問題，是影響我國塑料制品工業綜合發展的重要因素，本文針對注塑機電液控制系統能量效率對比問題展開了簡要分析。

關鍵詞：注塑機；注塑機電液控制系統；能量對比

近年來，世界各國圍繞注塑機設備的節能技術探索事業，取得了一系列的研究成果，有效推動了注塑機的節能降耗，有鑒于此，本文將針對注塑機電液控制系統能量效率對比展開簡要分析。

一、異步電動機驅動定量泵系統

（一）功率傳輸的數學模型

以異步電動機定量泵驅動形成的注塑機電液系統的基本原理如圖1所示：

注塑機的運行流程，主要包含鎖模→座臺前移→注射→保壓→冷卻→塑化→開模→頂出→射臺后退，共9個具體環節，在設備運行過程中，電動機消耗的功率除電動機動力系統的功率消耗外，還包含液壓回路運行過程中消耗的功率，基于上述兩個具體方面對注塑機的運行消耗功率展開分析，能夠為針對不同技術方案開展的能量效率對比分析提供基礎依據。

從項目構成角度分析，電動機的功率消耗主要包含：定子損耗功率、轉子損耗功率，以及輸出機械損耗功率Pam、其中定子孫浩功率包含定子鐵損功率PFe1、定子繞組銅耗功率PIR1、脈沖以及其他損耗功率Pps等項目。而轉子損耗功率主要包含轉子鐵損PFe2、轉子繞組銅耗PIR2、軸磨損以及風扇損耗PR等項目。

通常電動機在運行過程中發生的絕大部分功率損耗都將被轉化為熱量，異步電動機在一般運行條件下的能量效率通常可由公式（1）進行計算：

對于液壓泵而言，其在運行過程中產生的功率損耗項目主要包含容積損失功率PQ，以及轉矩損失功率PT。因此其基本計算公式如下所示：

在公式（2）和公式（3）中，Vsp和Msp分別表示液壓泵的容積和轉矩損失，而pA和pB則分別表示差動缸組件的兩腔壓力，n表示轉速。

假設qp表示定量泵出口點的流量參數水平，pp表示定量泵出口點的壓力參數，則液壓設備的輸出功率是Pp=ppqp。則液壓泵的運行效率可以借由公式（4）進行計算求解：

在忽略液壓缸結構運行過程中的功率損耗條件下，則可以將液壓缸結構運行過程中的輸出功率計算表達式書寫為Pc=pvqv。則在這一條件下液壓系統的實際運行效率可以借由公式（5）計算求解：

在公式（5）中，qv和pv分別表示比例閥的輸出流量參數和壓力參數，整個系統的能量效率通常借由電動機部分的運行效率以及液壓系統運行效率的算術乘積來表示。

（二）功率消耗狀態分析

以異步電動機驅動定量泵構成的注塑機電液系統屬于典型的節流調速系統。電動機及泵的最終輸出穩定值會略高于負載的強度水平；因在注塑機的運行過程中，具備明顯的間歇性，導致定量泵在動作過程中會發生較高的能耗。

根據回路原理，定量泵運行過程中的功率損耗分為：溢流損失和節流損失兩個基本部分，其中溢流損失功率可以借由公式（6）計算求解：

而其節流損失功率可以借由公式（7）實施計算求解：

而系統的能量效率可以運用公式（8）計算求解：

在公式（8）中，表示比例調速閥兩端的壓力差，而q1表示經由溢流閥結構溢流而出的流量值。

在注塑機的注射階段，需要較大的壓力及流量，其實際產生的溢流損耗和節流損耗都比較小。在保壓階段，注塑機需要的流量較低，定量泵實際輸出的絕大部分流量都被溢流閥消耗。在冷卻過程中，實際形成的流量及壓力要求接均近于零，因而這種條件下通常不存在節流損失，只存在溢流損失。

二、異步電動機驅動變量泵系統

針對定量泵加裝比例溢流調速閥時，建成的節流調速系統本身存在溢流性能量損失技術缺陷，引入變量泵與比例節流閥相結合的負載感應型回路，設備系統中執行結構的整體運行速度參數，將會由實際流過比例調速閥組件的流量參數狀態，以及變量泵設備中的相關參數項目共同完成控制過程。

在注塑機的調速回路結構中，變量泵的供油壓力將由負載的部分的強度變化而動態變化，由于在應用變量泵的液壓回路中僅僅存在因閥門壓力降低而導致的節流損失，因而有效降低了整體液壓回路的能耗。

三、伺服電機驅動定量泵系統

伺服電機驅動定量泵系統的主要元件有：伺服驅動器：根據內部控制算法實現對流量和壓力控制。伺服電機：轉速執行機構，可根據控制器命令控制實際轉速。定量泵：高壓內嚙合齒輪泵、小泄漏、小的脈動波動。壓力傳感器：檢測油路壓力并反饋伺服控制器作閉環控制。

伺服電機驅動定量泵系統直接采用了可變轉速的伺服電機，不再使用比例溢流結構和節流結構。結合注塑機動作及伺服驅動器的流量壓力控制模式，系統能在注射機需求動力輸出時按需輸出動力，避免了中間的溢流損失及流量控制損耗，在注射機保壓時僅以維持系統泄漏的低速運行即可，冷卻不需要動作時，泵幾乎不轉，即幾乎不再耗電，從而實現大幅節能。

四、結語

針對注塑機電液控制系統能量效率對比問題，本文從異步電動機驅動定量泵系統，異步電動機驅動變量泵系統，伺服電機驅動定量泵系統三個具體方面展開了簡要分析，僅供相關領域的研究人員借鑒。

參考文獻：

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[2]張紅娟，權龍，李斌.注塑機電液控制系統能量效率對比研究[J].機械工程學報，2012（08）.