注塑包装设备节能化研究

1 前言

节能技术的开发和应用是注塑包装机发展的又一突出重点。节能技术的研发重点是伺服动力驱动节能系统、塑化加热节能系统、节能执行机构。能量的回收利用成为节能技术研发的又一个重要课题。

2 伺服节能液压动力驱动系统

交流伺服电机驱动定量泵系统是近年发展的一种先进的高性能节能系统。注塑包装机的能耗性能主要反映在动力驱动系统的结构形式及能量转换效率，以及驱动机构的结构形式上。伺服电机驱动液压泵节能动力驱动系统主要有以下几种型式：交流伺服电机驱动螺杆泵系统；交流伺服电机驱动内啮合齿轮泵系统；交流伺服电机驱动柱塞定量泵系统；交流伺服电机驱动柱塞变量泵系统；交流伺服电机驱动双排量变量柱塞泵系统；交流伺服电机驱动负载敏感泵系统。

根据注塑包装机的特点进行创新拓展，提升注塑包装机的性能和扩大其应用范围，达到高性能和高效节能，是注塑机科学技术的发展趋势，也是进一步研发的课题。

高性能的伺服变速动力控制系统，在成型过程中针对不同的压力流量，调整相应的频率输出，形成对压力、流量的精确闭环控制，实现对塑机能量需求的自动匹配和调整，可节省电量40%～80%，同时提高系统的精密控制性能。提高其成型功能和扩大成型能力，可达到节能和性能的双重优势，使注塑机升级。机筒加热节能洁净环保化。

传统的电阻丝加热圈本体向外表面散发热量，热效率仅为40～60%，周围环境温度高，不但浪费能量，而且影响周围的工作环境，造成环境污染及交叉污染，降低了成型包装制品的洁净度。机筒加热洁净环保化和节能化成为成型洁净注塑包装制品的机筒塑化加热的研发重点。

3 节能洁净化机筒电磁感应加热装置

电磁感应加热系统的工作原理是高频电磁感应加热使机筒本身自行高速发热，热能是由料筒金属整体产生，温度控制实时准确，料筒内外温度一致，明显改善了产品的质量和提高了生产效率，热效能远高于传统的加热元件，温度控制实时准确，塑化节电率可达30~50%。

使用电磁感应加热系统后，表面的温度在50℃以下，避免传统电阻发热圈加热方式辐射到空气中的能量，可显著降低环境温度，杜绝了因表面高温引燃附着物发生不安全事故，不会烧焦吸附在它表面的塑料颗粒、油污、灰尘等异物，不会产生有害气体，保证了成型制品不受环境污染。

4 机筒智能补偿加热节能系统

机筒加热圈仍采用常规的电阻丝加热圈，加热圈外侧包覆智能补偿加热节能罩。智能补偿加热节能罩由高温绝缘罩、散热罩、中空纤维储能隔热棉、钛合金编织层、热激发自生热层等组成。控制装置由热激发定时器、热激发附件、热激发转换器等组成。热激发自生热层采用航天热激发材料。航天热激发材料由四十多种稀有金属和稀土组成，在高负压状态、超高温、超音频磁力线穿透等条件同时具备的条件下可改变自身特性，可使混合物在自然环境下当温度超过121℃时，在超音频磁场作用下自身发热，其自身温度和环境温度的差保持在10℃～30℃之间。

当机筒加热圈工作温度超过121℃时，在超音频磁场的作用下，热激发材料自身发热，其自身温度随料筒设定温度的高低而变化。当产生多余热量时会被钛合金中空纤维储能隔热棉吸收，当环境温度低于钛合金中空纤维储能隔热棉时，它会释放多余的热量，从而达到为加热圈补热的功效。实践证明：采用本技术，发热效率高，节能40%-80%；降低环境温度；少用降温设备，二次节电；热能得到充分利用，减少预热时间，提高工作效率；可使加热圈工作时间减少一半，明显延长加热圈的使用寿命，减少维修费用，降低产品成本。

5 纳米红外节能加热圈

纳米红外节能加热圈采用高分子纳米发热合金，加热圈表面经高分子远红外材料做特殊处理后，能够产生特定波长红外线，传热过程热损耗小，传热效率在99%以上，并有效提升加热速度；加热圈的表面温度仅为50—70℃，对环境温度影响小，且能有效的降低工作车间的室温5—10℃。节能率高达40%—70%。纳米红外节能电热圈无任何外接设备，可做到传统加热圈的内径一样、宽度一致、段数一致、功率一致，直接用于取代传统的加热圈。

6 交流伺服电机驱动泵源系统能源再生利用

交流伺服电机驱动泵源系统基本上无多余能量损害，但在工作过程中，频繁刹车及减速过程中，伺服电机本身发出电能，如果得不到应用就造成浪费。

在注塑机交流伺服电机驱动泵的液压系统中增加伺服驱动制动回收单元，达到存储伺服永磁同步电机在刹车制动过程中产生的电能，同时能够将此电能释放到注塑机的工作过程中。在直流母线上串入伺服驱动制动回收单元，以减少制动电阻消耗的能量。制动电阻和伺服驱动制动回收单元并联一起，用以消耗伺服驱动制动回收单元储存完成后多余的电能，保护伺服驱动制动单元和伺服驱动系统。伺服电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。而当系统重新提供电能开始工作时，伺服驱动制动回收单元中的电能首先释放，能源再生单元储存的能量将通过直流母线回放到系统中，实现储存能量和释放能量的双向作用，当电压低于整流模块输入的电压时，才使用外部电能，从而达到节能的目的。在注射成型工况须要频繁的启动及制动，伺服电机驱动组件的惯量动能在制动时可通过伺服电机产生电能，在经过驱动器转变为直流电，并储存在电容内，当伺服电机在下一周期启动时，电容放电再经驱动器转成所需脉冲电流驱动伺服电机。大同有限公司国内首创的“伺服液压驱动制动能源再生利用装置”，节能可达25～80%。阿博格公司AllrounderH系列注塑机，动力驱动系统中增加了交流伺服电机制动能源再生利用和蓄能器辅佐驱动，节能可达到40%。

7 全电动驱动系统制动能源再生利用

Netstal的ELION系列全电动注塑包装机，把伺服电机制动过程产生的能量直接进入过渡电路，储存在电容电路中，这意味着产生的制动能量不必转化成热量，尤其是在注射循环期间，可以成为总能耗的一个重要部分。例如，当塑化过程发生在模具打开时，产生的制动能量可从过渡电路中汲取旋转螺杆所需的能量。因此，该能量并不是取自电源供应网路，并且产生的能耗相应减少。与液压注塑机相比，ELION系列注塑包装机能耗减少了70%，比常规的全电动注塑机能耗低10%以上。

8 热能回收利用的干燥原料节能系统

传统的PET干燥机占到瓶坯加工总能耗的25%。干燥PET时，大约有60%～65%的能量用于提高树脂温度以蒸发水分，30%～35%的能量用于干燥剂的再生，仅有5%～10%的能量用于鼓风机和电机的运行。Novatec公司推出了两项干燥机控制技术，实现PET干燥过程的节能。

干燥温度自适应节能控制。最大限度降低加热所消耗的能量。通过测量加入树脂的温度可离开干燥料斗的回风温度，调节送入干燥料斗的气流量，使回风（从干燥料斗返回干燥机中）温度略高于加入干燥料斗中的树脂温度，达到在确保树脂温度情况下，将气流量减到最少实现干燥加热的能量最小化。控制回风温度即控制送入干燥料斗的气流速率，也就是通过改变鼓风机的运转速度。鼓风机的运转速度通过变频驱动装置实现。干燥温度自适应控制与传统技术相比，可降低30%的干燥能耗。

干燥剂再生自适应节能控制。最大限度降低干燥剂再生过程所消耗的能量。通过变频驱动装置使干燥轮转速被控制在一个适当的水平，不管树脂中水分含量有多少，干燥轮都能用最少的气流来除去干燥过程回风中的所有水分，而不会有多余的气体带走热量；同时确保干燥剂露点温度维持在恒定的-40℃，从而减少每分钟需要加热的干燥剂的用量。变频驱动装置将气流量控制在能够确保充分吸收干燥剂中水分的最低水平，从而使干燥剂再生过程中在干燥轮上热散失最小。该技术可节省30%的干燥剂再生能耗。Conair公司推出了采用热量再生利用技术的新型除湿干燥节能系统Energysmart，通过将离开干燥料斗的热空气和除湿空气回路合并带一起，使以往浪费的能量得以重新再利用，降低1/3的干燥能耗。

9 料斗干燥原料的新型加热节能系统

传统干燥机节能发热元件是电热管及陶瓷红外线等耗电高、寿命短之加热元件。采用可调高效率热风元件，瞬间产生的磁热分子，利用鼓风机将热分子吹送到需热干燥的塑料原料上，达到干燥加温的效果。发热元件所产生的95%热量，由风扇的对流空气传达至被加热的物体上。传统加热钨丝只能吹出30%的热量。升温快、温度恒定、节电可达30%以上。

张家港市联达机械有限公司LDYW-200型红外线结晶除湿干燥系统，结晶-除湿-干燥三位一体一次完成，时间短、效率高、能耗低，几乎不破坏原料结构。

TrueBlendPETTM回收料混合器，始终保持回收材料和新料在被喂入注塑机之前处于分离状态，可避免在喂入过程中可能造成的物料比例的变化；具有不同体积密度、流动性能的新料和再生料的混合料到达喂口的速度更快；独特的干燥系统和隔热结构，混合过程中物料干燥不需要热量输入，降低了能耗。

10 结论

伺服电机的推广应用，为油电复合驱动开辟了发展道路，提高了注射性能，扩大了注射功能。油电复合驱动注塑机发展迅速，特别在欧洲，国内应用也有逐渐增长的趋势。油电复合驱动，发挥伺服驱动和液压驱动的各自优势，满足特定注射成型的要求。电动—液压复合式注塑包装机，集合全电动及全液压两类注塑包装机之优势，是注塑包装机发展方向。液电复合驱动有多种形式：按部件驱动分为：合模伺服电机驱动，注射液压驱动；合模液压驱动，注射伺服电机驱动；按部件内部驱动分为：塑化伺服电机驱动，注射液压驱动；锁模伺服电机驱动，顶出液压驱动。

广东伊之密精密机械有限公司、广州一道注塑机械有限公司等企业的PET瓶坯注塑机塑化注射普遍采用挤注复合塑化机构，一改以往的采用普通同轴一线式往复式螺杆塑化注射机构成型瓶坯结构。挤注复合塑化机构，交流伺服电机独立挤出塑化的注射储料，有利于大容量塑化熔融料的比容均一性，增加成型腔数，达到高速高质量高产量塑化注射。Netstal公司的ELION2800—2000液电混合驱动注塑机，全电动合模单元与液压注塑单元相结合，成型一模96腔的HDPE料的瓶盖，成型周期不到2.5s，与传统的驱动系统ELION2200—2000相比，节能达30%。