有关变量泵注塑机与伺服电机泵注塑机的节能效果及能耗水平的初步探讨

严厚明 林国荣

摘  要：本文对变量泵注塑机与伺服电机泵注塑机在节能效果和能耗水平上进行初步探讨，希望可以为相关行业的发展提供支持。

关键词：变量泵;伺服电机;注塑机能耗等级;注塑机节能效果

前言

注塑机在现代工业发展中发挥着重要作用，注塑工艺一般分为开模、射胶、储料、保压定形、冷却、开模、顶出或吹出等几个阶段，每一阶段运动的总装功能件和作用也是不尽相同，压力和流量自然也是不同的。油泵马达负载在注塑过程属于变化状态，在定量泵液压系统中恒定的转速可以提供恒定的流量，在溢流阀的帮助下，可以在有液压油剩余情况下实现回流，这个过程就是高压节流。高压节流的发生，会出现很多问题，比如能量损失等，损失量可以达到36%以上。注塑機在运行过程中，未能调整驱动电机，也就是在运行过程中，电机以额定转速进行运行的。电机与油泵同轴，在额定排量下，通过油泵的作用，可以将油吸入液压系统中，油泵提供的流量当在系统所需流量之上时，剩余的油就会回流，这样也会出现浪费情况。考虑到现代工业生产过程中加工制造商越来越多注重生产周期时间，注塑机需要控制速度的阶段一般为开合模、射胶、储料，需要注意的是，要对这几个阶段的压力进行有效控制。

变量泵工作原理：电机负载在转速不变的情况下，通过摆盘角度调整可以在液压泵排量的变化背景下，对排量也会产生极大变化，这样就能实现良好的节电效果。输出功率的不同是变量泵与标准定量泵的之间的主要差异，在负载的变化下，变量泵的输出功率也会随之变化，但是输出功率对于定量泵而言是相对恒定的，变量泵当为小流量动作条件时，输出功率一般不大，但是会发现输出功率对于定量泵来说是恒定的。为让注塑机液压系统与整机运行需要的功率相匹配，这时就要配备高响应功率，不会产生高压节流溢流能量损失，所以在射胶、储料、冷却等注塑耗电工序中表现出节电效果较好，可以达到40%左右。而对于射胶保压时间较长的壁厚或大型制品，节电效果尤为明显。同时，越来越多注塑机油路设计偏向于通过配备大排量油泵来提升速度。

小型机较常使用变量泵注塑机，但是对于大型注塑机来说使用这样的油泵经济效果较差。多个定量泵联合工作的方式逐步成为大型注塑机使用的方法，这样便于可以实现动作的变换，而且能源消耗可以在泵的加载、卸载和匹配下得到有效控制。在对油路进行清洁时，因变量泵的要求相对较高，这样可以避免增加额外成本，也会对其有效应用产生影响。

伺服永磁同步电机的工作原理（图4）：将一个由永磁材料构成的转子插入到旋转的定子磁场中，转子的旋转就会在磁场相互作用下产生，转子与定子磁场矢量之间相差为180度。在转速方面转子与定子磁场速度是相同的，在对电机转子进行改变时，可以对三相正弦电流的交变频率的变动来实现。电机输出转矩与电机空载相比，输出为0，将一定的负载加上，转子与定子磁场矢量之间的差值会在180度以下，电枢电流会与输出转矩才有很大关系，将负载撤销之后，转子加速方向为定子旋转磁场的旋转方向，转子与定子磁场矢量向等于180度的位置变化，转矩在180度的位置电流不管多大都为0，在惯性的作用下，转子会冲过这个点，在转矩的作用下开始回复，这就是同步电机的变频调速振荡。当电流一定时，负载在逐渐加大下，会让电机转矩增大，当最大点出现之后，转矩的输出就会开始减小，减小到0时，就会发生失步崩溃问题。

要对伺服电机和油泵进行精密控制，就必须匹配注塑机特殊专用的伺服驱动器来实现。

在实际应用中，转子与定子磁场矢量相位差需要在定子磁场矢量方向的调节下进行控制，这样就会将相位差控制在转矩最大点，电机输出转矩的控制，是利用定子磁场矢量大小的调节实现的，然后就能对伺服的速度与位置进行控制。注塑机在实际运行过程中，油缸的活塞面积为固定的，油泵的参数也是已知的，油泵流量与电机转速之间呈现线性关系，油路内的压力与电机的输出扭矩之间的关系为正比关系。注塑机在工作时的流量和压力控制，可以在伺服电机运行过程中，做好输出扭矩和转速的精准控制，这样就可以对其进行有效控制。

控制思路：通过调节伺服系统的工作模式，让其在运行期间，可以将速度控制为带力矩限制的速度，让压力在油路内控制合理，并在设定压力以内时，在短时间内，通过电机的合理控制，实现电机的加速或者减速，然后能达到给定的速度，这样就会确保油路在下一个工作状态下所需的压力能够满足，力矩限制值在达到之后，电机在运行过程中速度较低，从而对油路压力和流量教学有效控制，且不会产生卸流，实现节能目标。

以电液伺服驱动系统为主要特征的混合型注塑机，在实际运用中不仅性能良好，且具备较强的节能效果。相比于传统的液压机，电液伺服系统在实际应用中节能效果更好，且更能得到市场的认可。2008年星辰伺服在年会上介绍，伺服系统运用注塑机上，在两年时间内测试效果较好，总功率为13，580kw，如果将运行时间确定为每天20小时，每年运行300天，这样就可以计算出，每年可以节能50%左右，已经累计节能4074万kwh，节能效果十分明显。同时在实际应用中，注塑机在伺服系统的应用下，节电只是其中一个效果，还在实际应用中更加高效与精密，说明系统可以在实际运行过程中，提升生产质量与效率，满足企业实际需求。注塑机行业老大海天公司也针对长期的数据总结得出，最新型的伺服液压型注塑机在不同的公司应用中，虽然由于客户生产制品、模具、注塑工艺不同，节能效果会有所差异，但总体维持在20%～80%之间，同时设备在运行过程中，整体性能一直保持良好。所以，注塑机小型两板化、全电化（包含油电混合型）正逐步成为注塑加工市场的主力军。

改革开放以来特别是近十年，伴随着现代科学技术的快速发展，新产品新工艺新技术不断推陈出新并完善，注塑机行业也得到了翻天覆地的发展。尤其是在金融危机以后，国际、国内对低碳节能创新产品的强势推进，对我国塑机的发展起到了很大帮助，绿色环保塑机实现了低耗节能效果。塑机产品在我国的发展，很长一段时间由于各种因素的影响，导致发展水平较低，且节能效果较差。在二十世纪末，随着变量泵技术的大力应用，让塑机产品开始得到发展，并实现了良好的节能效果。从2006年开始，伺服泵技术的创新，为注塑机的发展带来了新变化，我国与欧美等国家的塑机节能思路有很大不同。在市场检验下，在实际应用中伺服泵注塑与变量泵注塑机发挥着重要作用，且可以取得良好的经济效益。

国内节能注塑机应用效果现状

研究时以东华品牌机为例。制品为91克的PC透明包装盒，用同样90吨位的变量泵注塑机和伺服泵注塑机各一台，通过测试可以得到表格的各项数据）

通过上表分析，可以得到：在耗电量比较下发现伺服电机泵注塑机更低，与变量注塑机相比，可以节能36%。可以看出其在实际应用过程中具有良好的节能效果，而且在市场上得到人们的青睐。在对其进行测试过程中，发现东华90Se伺服电机泵注塑机符合相关标准，达到一级水平，耗电量为0.32KW.h/kg;东华90F2v变量泵注塑机在测试过程中也符合要求，但为二级水平，耗电量为0.50KW.h/kg。

国外节能注塑机应用效果现状

仍以东华品牌注塑机为例（见下图）。客户位于东南亚，生产750克油漆化工桶。原来公司使用的变量泵注塑机产自日本，品牌为K牌，规格型号为650吨，电费每天就要消耗710马币，但自从使用东华公司生产的TTI-600SeII伺服节能注塑机之后，电费下降明显，现在每天约为250马币，折算下降幅度达到了64.7%。600SeII的优势不仅体现在省电方面，在实际应用、安装调试及后期维护应用效果也更好。在对东华600SeII伺服电机泵注塑机进行节能测试过程中，发现达到一级水平，耗电量为0.24KW.h/kg。也正是由于伺服机性能良好，节能效果理想，在市场上的表现比较优异，得到市场青睐。

現行注塑机能耗等级规范

注塑机为实现节能降耗，企业的投入持续增加，同时国际上各个国家也开始利用大量的市场需求，开始在节能方面大做文章。去年10月底，欧洲塑料和橡胶工业机械制造商协会（EUROMAP）在会议上认为，在未来高性能的设备势必会成为市场主流。EUROMAP为此专门成立技术委员会，通过技术、性能等方面的评定，来建立起更加权威与公平的标准。EUROMAP看好节能和节约原材料为卖点的设备及技术会成为金融危机之后的主流，并认为市场一定会选择这些新技术与设备。这些年中国也开始着手相关的节能标准，制定属于自己的国家标准、行业标准、企业标准、团体标准，在相关专家与企业支持下，中国对于节能减排的推进力度也不断增加。全国橡胶塑料机械标准化技术委员会也在2009年组织专家进行试验与科学论证，并最终推出《塑料注射成型机能耗检测和等级评定的规范》，历经全国上千家注塑机厂家多年推行，将迎来2021年再次修订。

规范的现实意义是：申报节能型注塑机检测工作时，需达到“六个推进和两个争取”的目的，“六个推进”分别为节能产品研发、企业节能技术提升、行业科技创新、产业转型升级、节能型注塑机的推广、行业又好又快发展;“两个争取”为争取将行业内通过检测证明高效节能注塑机列入国家和行业节能型产品推荐目录，争取国家对节能型注塑机的政策扶持和经济支持。

注塑机能耗需要进行规范，按照每千克能耗大小对能耗等级进行确定，一般从1到6分为6个等级，其中1级为能耗最小的等级。耗电量如果在0.55KW.h/kg以下，说明产品能耗符合相关要求。在实际能耗规范及检测过程中，当能耗在3级以上是，说明产品不符合要求，不属于节能产品。

结束语

目前我国电力消耗量较大，在美国之后，排在第二位，但是产值能耗却比较高，超出世界平均水平，成为产值能耗最高的国家之一，因此我国目前需要将节能减排确定为基本国策。

中国的塑料机械和塑料加工业在国际上占比较大，成为塑料行业的巨无霸。中国塑料相关产品产能大约有6600万吨，加工每吨塑料制品耗电300度计算，据统计，中国在塑料加工过程中，每吨消耗的电量达到198亿度电，对电能的消耗量巨大。塑料机械在中国的市场巨大，大约销售容量为10万台，每年可以有400亿元的值约，电加热消耗的年产值以电加热消耗占整机产值的5%进行计算，可得产值为20亿元。如果在市场上每年投入塑机节能改造的容量为50多万台套，对于中国来说市场前景十分可观。

提升注塑机的节能技术和节能效果是未来的发展方向，也是全球发展的大趋势。变量泵和伺服电机泵注塑机在我国有着广阔市场，这与中国的特殊塑机市场有很大关系，让发展空间广阔，只是伺服电机泵注塑机在综合性能上更优于变量泵注塑机。中国塑机发展过程中，节能型注塑机有着不可替代的作用，能在未来带来极大经济与社会效益。

参考文献

[1]《塑料注射成型机能耗检测和等级评定的规范》

[2]吴文贤.注塑机电力控制系统的节能研究[J].塑料工业，2019，47（05）：81-84.

[3]吴清荣，蒋鼎.节能的专机伺服动力系统设计与实现[J].橡塑技术与装备，2019，45（06）：49-50.

[4]林亚扁.注塑机的变频节能控制研究[J].现代制造技术与装备，2019（05）：76+79.

作者简介

严厚明（1973-），男，大学专科，高级项目经理，机械工程师，主要研究方向为注塑机设计与塑料成型技术。