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        注塑机的节能

        日期:2011年12月23日 09:27

        注塑机的节能

         

        达明科技有限公司

        2004年10月

         

          节能就是消除浪费,如外出时关灯一样。本文阐述油压动力注塑机的功耗及如何节能。澄清对电机功率及可节能多少的误解都是本文的目标。

         

        电机功耗

          注塑机是由电机驱动油泵产生压力及流量来推动唧筒及油泵马达的。电机将电能转换为旋转的机械能。常用的电机是三相鼠笼式设计。转速由极数及交流电频率决定。扭矩由负载决定。大的负载使电流上升,增加扭矩。这种电机一般能短暂过载两倍。空载时,电流很低,只需要产生足够扭矩克服轴承的摩擦 

                                    电流   扭矩         

                                      频率                                       转速

         

                                                            

               

                                                                                                                    

                                                                图1  

        由于电机线圈的电感与纯电阻不同,功耗上有个功率因子cosφ,cosφ一般为0.88。线圈发热及轴承摩擦力涉及转换的效率,一般为0.91。

          电机功耗 = (3*220V*电流) / (cosφ*0.91) ——①

        理论转速

        交流电频率

        50 Hz

        60 Hz

        4

        1500

        1800

        6

        1000

        1200

         

         

        表1

        油泵

          油泵将转动的机械能转换为压力及流量。

         

        图2

         

          压力源自油路上的阻力。阻力越大,压力越大,由更大的扭矩提供更大的压力。

          压力 = k*扭矩*ηp ——②

          流量 =(排量*转速*ηv)/ 1000 ——③

          油泵功耗 = 压力*流量 ——④

          k是一个扭矩转为压力的常数,ηp是转换的效率。油泵的排量以每转多少ml算,转速以rpm算,惯用的流量以l/min算。由于油泵有涉漏,ηv是转换的效率。

         

        注塑周期

          单一的油泵要应付注塑周期内的多个动作出力及速度的需要,全靠设计得宜的唧筒及油马达的转换,将压力及流量变为出力及速度。

        图3

         

          唧筒功耗 = 出力*速度 ——⑤

          油马达功耗 = 扭矩*转速 ——⑥

          注塑周期的出力、速度、扭矩、转速及功耗粗略分为四级如表2示。变量泵及变频器的节能,在于不需要全速的动作上提供刚刚够用的流量。

        表2

        早期注塑机

          在比例阀被广泛使用以前的注塑机,压力及流量是手调的。电机是恒速的,油泵是定量的。

          在保压动作时,螺杆速度几乎是零,几乎全部的油泵流量在保压压力下流回油箱,做成浪费。浪费了的功耗不但将压力油升温,还要消耗能量用冷水冷却。

          图4将公式4的几级压力及恒定流量表示出来。油泵功耗是曲线包围的面积。

        图4

          达明的TM系列继电器控制注塑机采用3级压力(高、中、低),由3个溢流阀构成。油泵是定量的,用节流阀控制速度/转速。多余的流量回流油箱。

         

        比例压力阀

          得到数控技术配合,比例压力阀能将压力的级数大幅增加,如100级(1 - 100%)或140级(1 – 140 kg/cm2)。以一个阀取代多个溢流阀,压力控制便能随心所欲。于80年代中推出的ME系列注塑机采用了此技术。

        图5

         

        比例流量阀

          与比例压力阀共用的比例流量阀亦是以一个阀取代了多个节流阀。 由于单一个的油泵是定量的,没有起节能作用。

         

        大小泵

          大小泵的设计提供3种可选流量,分别为小泵流量Q1,大泵流量Q2及大小泵流量Q1+ Q2。最佳的分布是Q2 =2 * Q1,使3级流量分为三等份。

        图6

         

          流量需要为0 - 33%时,只开小泵。

          流量需要为34 - 67%时,只开大泵。

          流量需要为68 - 100%时,大小泵均开动。

          保压时只开小泵,能耗比单一定量泵减了2/3。参考公式④。由于变量泵的流量有限(=﹤220 l/min),大小泵一般在大机上使用,如达明的ME650注塑机。

         

        变量泵

          变量泵将流量的级数大幅增加,如100级(1 - 100%)。故保压时只需将流量设置为1%,能耗比单一定量泵减了99%。变量泵的工作原理是更改排量,以斜板柱塞泵为最普遍,但亦有偏心叶片泵的设计。改变斜板的角度(0°- 45°)或偏心的量,便能改变排量。排量改变,流量便随之改变。参考公式③。达明的ME IV系列采用变量泵。

         

        图7

        变频器
          从公式3可以看出来,改变转速(而排量恒定)亦是改变流量的一种方法。变频器将交流电的恒定50或60 Hz改为可设置的频率,从而改变转速。转速是正比于频率的。参考表1。


        图8

         

          变频器适用于旧机的改装,由数控提供所需频率。安装变频器比定量泵改为变量泵的功夫简单很多。继电器注塑机亦可配变频器来达到节能的效果。

          变频器能增加功率因子cosφ,故能降低功耗。参考公式1。

          内齿轮泵有噪音极低的优点。但不能变量。只有配合变频器来达到节能的目标。

          由于产生谐波,变频器会增加电机的噪音及电机的功耗/发热。

         

        电机功率

          最常见的节能误解是以为电机功率(kW或hp)越小越节能。从公式1可以看出。电机功耗与电流有关,与电机功率无关。

          同是100吨锁模力的注塑机,电机有用7.5 kW (10 hp) 到18.7 kW (25 hp) 的不等。错误选择了7.5 kW电机的注塑机,不但没有节能,其生产率比18.7 kW的注塑机低很多。简单的比喻是轿车及跑车走相同的路,跑车的马力大便会较早到达,用去的汽油与轿车比是多了少许。

          正确的节能方法是选用变量泵/变频器的注塑机,而不是选用小功率电机的注塑机。

         

        节能的本质

          其实节能就是消除浪费,像外出时关灯一样。在注塑周期内,保压、塑化完成后的冷却时间及成品取出的动作(人手或机械手取出)是可以达到最大节能的,因此时的动作几乎或完全停顿,但定量泵(定频)还是以最大的流量运作,将能量浪费掉。由于厚壁产品的保压时间及冷却时间长,是采用节能设备的首选。相反,薄壁产品不用保压,或冷却时间全用在塑化上,故节能有限,所以采用定量泵或定频电源进行生产是首选。

          至于变量泵能节能多少,是与成品的厚薄、有没有冰水冷却、模具的水道设计有关,与注塑机的厂牌无关,尤其是都采用同一个厂牌型号的变量泵时。

         

        变量泵的缺点

          变量泵的成本比定量泵高,需要更洁净的压力油来运作。在相同流量及压力时,变量泵的噪音亦比定量泵大,但由于能变量,在低流量时却比定量泵宁静。

          由于变量时要移动的斜板质量较比例流量阀的阀芯质量大,更改流量时的响应时间便会较长,在短周期的薄壁注塑尤其显著。故薄壁注塑不一定采用,反正节能亦有限。

         

        变频器的缺点

          变频器是个加在电机上游的电子设备,内有大功率的可控硅,故本身亦消耗电能,其节能效果比变量泵逊色。

          三相电机的转子质量,比斜板的质量大许多,故流量改变的响应时间又更次了。

         

        电热瓦

          除电机的功耗外,电热瓦的功耗占了总功耗的一个大比数。与电机的功率一样,大功率的电热瓦不代表更耗电,只代表更快达到设定温度。

          电热瓦的节能在于保护罩的绝缘性能是否做得好。保护罩的温度低,对流及幅射失热率也就降低,同时亦减少了灼伤的危险。

          避免摇头风扇吹到料筒的范围,以减少强迫对流的失热。

          对超温敏感的PVC注塑,常用料筒上的风扇降温。因为目标是第一时间降温,此种风冷不属于浪费热能。

         

        电动螺杆

          除了电热将塑料塑化外,螺杆的压缩及摩擦将机械能转成热能,协助塑化。采用电机来转动螺杆避免了多次能量转换的损失,从而节能。

         

        图9

         

        全电机

          全电机号称比油压机省电,亦是避免了多次转换的损失。唯在保压时,电机为了维持保压压力,便要用大的电流。参考公式1。此时,变量泵或变频器反而比全电机更省电。

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