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注塑机液压系统应用技术的科学发展原则的研究及自主创新(一)

[ 宁波市塑料机械行业协会 ] 发表于 2014-03-28 10:19:34 浏览量:0
    摘要: 从可持续发展角度首次创新提出注塑机液压系统实现与人、环境的和谐共存的应用技术的科学发展原则理论及其环保准则和先进准则的两项内涵结合实例研究了注塑机液压动力驱动系统、传动系统的应用技术的科学发展原则并提出了重点研发方向;分析了液压系统的应用技术的科学发展原则常见的设计缺陷并提出了具体改进的技术措施介绍了SZ-800注塑机和KH-40000托盘注塑机的液压系统应用技术的科学发展原则的自主创新的成果;指出前瞻性把握住液压系统应用技术的科学发展原则,努力创新创造应用技术,才能实现领先和超越的可持续发展。

关键词注塑机;液压系统;应用技术;科学发展原则;技术创新;研究

 

前言

注塑机液压系统应用技术的科学发展原则是实现注塑机“中国创造”及“中国智造”的可持续发展的核心原则。国内注塑机产量虽占世界第一,但一直处在价值链的低端,其中液压系统应用技术的科技含量低是主要原因之一,例如有的欧洲贸易商仅购中国注塑机的机械部分,配以自己的液压系统,由低端机变为高端机。液压元件的国际化为注塑机液压系统的科学发展提供了基础,如何科学地加以组合应用达到注塑机液压系统的可持续发展,首先必须理解和确立液压系统应用技术的科学发展原则,才能达到事半功倍的成效。本文从可持续发展角度首次创新提出注塑机液压系统应用技术的科学发展原则理论及内涵的环保准则和先进准则,并从技术角度论证了两者之间的辨证关系;结合实例研究了注塑机液压动力驱动系统、传动系统的应用技术的科学发展原则并提出了重点研发方向;分析了液压系统常见的应用技术的设计缺陷并提出了具体改进的技术措施介绍了SZ-800注塑机和KH-40000托盘注塑机的液压系统应用技术的科学发展原则的自主创新的成果;指出注塑机液压系统应用技术的科学发展原则是环保准则统率先进准则、先进准则服务于环保准则,实现注塑工程的可持续发展

1 注塑机液压系统应用技术的科学发展原则

注塑机液压系统包含泵源动力驱动系统和传动(包括执行机构)系统两大部分,两者的功能既有所区别又互相联系,应用技术的科学发展原则的侧重点各有特点。

1.1 注塑机液压系统应用技术的科学发展原则内涵

注塑机液压系统应用技术的科学发展原则包涵环保准则和先进准则,并把环保准则置于优先考虑的地位,环保准则统率先进准则,先进准则实现环保准则的持续性,实现液压系统与人、环境的和谐共存的持续关系,推动注塑工程和谐发展。

注塑机液压传动系统科学发展原则突出生命周期属性,以现代能源技术、材料技术、生物技术、污染治理技术、资源回收技术、环境监测技术、清洁生产技术、网络技术、数字技术等贯彻于生命周期全过程。

1.1.1 环保准则

    塑料制品加工已列入环境保护部、发展改革委、财政部三部委去年12月发布的《重点区域大气污染防治“十二五”规划》中的PM2.5的重点监测对象,说明治理塑料加工产生的环境污染越来越得到重视。

注塑机液压系统极易产生噪声、振动、废油、废水、电磁波辐射、粉尘等直接和间接的环境污染。注塑机液压系统的环保准则是坚持预先采取防范措施,防止环境问题及环境损害的发生,实现经济、社会、环境效益的统一。

1.1.1.1 环保准则属性

环保准则主要属性:清静属性;清洁属性。

环保准则个性化。注塑洁净医疗塑料注塑制品的液压系统的环保准则必须达到美国US联邦标准209E和国际通用标准EN ISO 14644-1的要求,符合GMP认证标准要求。食品、饮料塑料注塑制品的液压系统的环境原则应符合《食品用包装、容器、工具等制品生产许可通则》、《食品用塑料包装、容器、工具等制品生产许可审查细则》及相关标准等的具体要求。

环保准则不但贯穿液压系统寿命周期全过程,而且必须解决在制造、废弃/回收再生过程中对环境损害的要素。

1.1.1.1.1清静属性

注塑机液压系统的泵源的动力驱动噪声及高压大流量的运转噪声是其固有的特性,而且往往是集群式生产,所以降低液压系统噪声在环境允许的承受范围之内,实现清静化生产,是环保准则的首要。大功率液压系统的噪声已成为注塑机发展的屏障之一,降低噪声尤为重要。

清静属性理念。传统的液压系统的清静度仅停留在控制液压系统的运行噪声达到技术标准,而且检测采用六点平均值。环保准则的清静属性更注重运行噪声对人文环境的影响,更重视冲击噪声及噪声极大值的治理,所以噪声的技术标准更严格,控制技术科技含量更高。

传统噪声治理关注高频噪声,忽视低频噪声。低频噪声对人体健康的损害比高频噪声更为严重,而且不易感测。低频噪声不影响噪声指标,所以长期来得不到关注。

应用蓄能器降低液压噪声:消除脉动、吸收液压冲击; 应用蓄能器存储能量,释放能量,实现液压能量回收再生,减少噪声能量源; 应用蓄能器作为辅佐动力源,降低系统装载功率。

1.1.1.1.2 清洁属性

注塑机液压系统液压管路较为复杂、接头较多、液压件集成度较高、执行机构高压大流量运行、集成块故障率较高,这些因素造成液压系统生命周期内极易渗、漏,造成污染环境,实现清洁化运行,是环保准则的主要内涵。

清洁属性理念。传统的清洁度仅停留在控制液压油的污染度以提高液压系统的运行可靠度,环境准则的清洁属性更注重液压污染对人文环境和自然环境的影响度。传统液压系统主要致力于控制液压油的洁净度,而对液压系统在制造、装配、运行、维修引起的环境污染控制往往不够重视。

微观污染治理是清洁属性不同于传统污染治理的新特点。微观污染恶化PM2.5的环境。微观污染是影响人体健康和高端制品质量的主要因素。

1.1.2先进准则

先进准则服务于环保准则和拓展注塑工程的可持续发展。环保准则的水准取决于先进准则的服务水准。

先进准则就是前瞻性把握住注塑机液压系统的科学发展趋势并积极运用液压新技术于实际,实现注塑机液压系统的持续发展。现代的创新创造的注塑工程,依附液压系统的持续发展才能实现,例如多种形式的注射-压缩工程、高速注塑工程、多组分注塑工程、模内组装注塑工程等等,液压系统根据注塑工程的“现实需求”“潜在需求”,运用现代先进液压元件及控制技术,开发提高环保水准的高性能的液压系统满足注塑工程的可持续发展。

先进准则服务于环保准则主要特点是生命周期性,即从方案设计、元件选用、零件制造、安装、调试、维修服务,直至废弃物的回收利用及再制造等各个环节实现环境准则的要的,每一个技术方案的确定都应该以生命周期评估的结果为基础,制定出当前采取的方案和未来改进的方向,从“治本”上予以解决影响环境原则的要素,而不是传统的等液压系统运行后发现影响环境因数后予以解决的“治标”方法。

1.1.2.1 先进准则属性

    先进准则主要内涵:能量匹配属性;资源属性;节能降耗属性;服务型创新创造属性;成本属性。

1.1.2.1.1 能量匹配属性

噪声源于振动,振动的研究与预防。液压传动噪声能量来源于液压动力驱动系统提供的能量大于执行机构运转所需的能量,溢出的能量转变为振动能量,激发噪声。降低液压传动噪声的治本方案是实现液压动力驱动系统提供的能量匹配于执行机构运转所需的能量,液压系统的能耗也达到最佳状态。在确定动力部分的参数时,做到与工作机械的负荷状态相匹配,并与原动机的高效工作区相协调,不仅实现稳态最优匹配,同时实现动态最优匹配。

1.1.2.1.2 资源属性

资源属性不仅在设计中预测资源的有效利用,并且充分考虑在销售、使用和废弃/回收再生过程中物资的回收的可能性、回收价值的大小、回收处理方法、回收处理工艺性等一系列技术,最终达到能源的最大利用,对环境的最大贡献。

尽力提高液压能效,实现无冷却水液压系统,杜绝水污染产生源,同时达到节约水资源。

提高系统清洁度,科学恒定液压油工作温度,延长液压油寿命指数,节约油资源;提高液压油再生回用指数,提高有资源利用率,堵住液压油污染源头。

紧凑化设计降低资源消耗。革新元件、接头、结构的连接型式,液压元件集成模块紧凑化化,液压阀插装阀化,积极应用“小而精”的液压元件进行模块化设计,提高系统性能和环境准则的水准

实现液压系统能满足当前和将来相当长一段时间内的市场需求,最大限度地减少产品过时,延长产品的“使用”周期,降低了社会物质资源的消耗及制造能源消耗。

1.1.2.1.3 节能降耗属性[1]

液压技术在将机械能转换成压力能及反转换过程中,总存在能量损耗。达到在使用过程中消耗能量最少、能量损失最少、能耗污染最低。节能降耗也是环保的重要一环,减少能源消耗即意味着减少对环境的污染。

节能降耗必须解决下面几个问题:减少元件和系统的内部压力损失,以减少功率损失;减少或消除系统的节流损失,尽量减少系统的溢流量;采用静压技术和新型密封材料,减少摩擦损失;采用二次调节系统,提高能效;使用原材料的能耗、制造过程的能耗、成型加工的能耗、回收处理的能耗、物流的能耗以及能耗对生态环境的影响等。

1.1.2.1.4 服务型创新创造属性

液压系统是注塑工程全套方案的组成部分。

液压系统的科学发展原则的服务型创新创造准则不同于传统的服务型创新创造,不但服务于注塑成型工艺的创新创造,更强调液压系统服务于环境原则,即液压系统的创新创造的生命周期方案始终贯穿环保准则

1.1.2.1.5 成本属性

科学发展原则的成本属性与传统的成本理念有很大的不同,不仅要考虑设计、制造和销售成本的核算,还有考虑包括使用和废弃/回收再生过程中用户和社会所承担的成本、污染物的替代、产品拆卸、环境成本等。

成本属性以用户的成本效益为优先原则,通过科学技术的创新,使得用户以最小的单位成本生产出最高质量的绿色制品,实现绿色经济效益的最大化和科学化。

1.2 液压系统应用技术的科学发展原则的设计模式

并行工程设计是液压系统应用技术的科学发展原则的设计模式。长期以来的传统的设计模式是按照创意来源-方案遴选-概念与产品测试-试产-正式投放市场的各个阶段呈顺序或串行方式进行,这种设计模式的缺陷是设计阶段无法预见后续制造及使用过程中可能出现的问题,特别是环境问题。并行工程设计是对系统及其相关过程(包括制造过程和支持过程)进行并行、相互渗透、一体化设计的模式。并行工程的设计模式下设计人员从一开始就考虑到产品全生命周期( 从概念形成到产品报废) 内各阶段的因素(如功能、制造、装配、质量、成本、能耗、环保等),并强调各部门的协同工作,综合考虑各相关因素的影响,使后续环节中可能出现的问题在设计的早期阶段就被发现,以避免或减少那些导致方案运行到后期不得不返工的设计错误。运用并行工程设计不仅能缩短研发周期、减少研发及制造费用,还能充分考虑产品全生命周期内的各项因素,从而提高产品的科学发展原则的质量,更好地满足顾客需求,增强产品的竞争能力。

1.3 液压系统应用技术的科学发展原则的评价指标体系

液压系统应用技术的科学发展原则的评价指标,应尽可能的覆盖产品全生命周期内的不同阶段以及不同角度的各种要求;确定各项评价指标在体系内的能体现出整个系统设计优劣的权重系数;评价结果必须明确,易于判断设计方案或产品的优劣,为改进设计和方案决策提供指导信息。目前,还没有触及液压系统应用技术的科学发展原则的评价指标体系的研究,所以现在对一个注塑机液压系统应用技术的的设计很难做出一个权威性的评价。

2 注塑机液压动力驱动系统应用技术的科学发展原则的研究

提高能效是液压动力驱动系统应用技术的科学发展原则由定量系统走向变量系统的节能降耗的应用技术的科学发展原则方向。

传统的注塑机的液压动力驱动系统为定量系统,注塑工艺又为多变量运行过程,所以定量系统不可避免存在能效低噪声高的环保准则的缺陷。开发了多种型式的变量的液压动力驱动系统,如压力补偿控制、负载感应控制、功率协调系统等,实现液压动力驱动系统提供的能量匹配于执行机构运转所需的能量。

提高能效实现噪声“治本”。液压系统是注塑机运行的主要噪声源。噪声来源于液压系统的能量损耗,所以降低噪声的技术核心是泵源输出的液压动力自适应执行机构的消耗动力,提高系统的能效,达到无多余能量供给噪声发生源,即实现噪声“治本”。

本节对主要研究几种变量的液压动力驱动系统应用技术的科学发展原则,并指出应用技术科学发展原则重点研发方向。

2.1  V4比例泵的液压动力驱动系统应用技术的科学发展原则的研究[2]

三相异步电机驱动V4比例泵动力驱动系统是一种性能优异的节能降耗液压动力驱动系统,PC可编程序控制器或工控机电脑结合,使整个注塑机由一个“智能块”控制,简化集成,高效节能。由于采用了高速电子控制电路对各反馈进行高速处理和采用带有位置传感器的超高响应伺服比例阀作先导控制,其响应速度显著加快。滞环≤0.2%,重复精度≤0.2%。闭环的控制过程使负载波动、油污、油温等变化因素的影响得到在线校正,表现出很好的重复精度,从而制品的尺寸精度或重量的重复偏差及不良率得到有效控制。全闭环比例变量柱塞泵位置反馈先导阀是带有位置传感器的超高响应伺服比例阀,按照修正补偿信号指令对控制油泵斜盘位置的油缸进行流量输出,位置传感器时刻在线检测反馈决定流量的阀开口大小位置,并将实际位置与指令信号位置进行比较,使泵输出的流量与压力值得到在线校正,保证按设定值准确进行压力和流量输出。在流量控制阶段,控制系统使泵输出压力与负载相协调的最佳匹配状态;在压力控制阶段,控制系统使泵的输出流量趋近于零,仅消耗极小的功率,使系统的效率达到最高。在空载下系统能保征泵的斜盘处于零倾角附近工作,使空载功率消耗最小;在有负载时,此泵有负载传感泵的变量特性,压力、流量两者同时适应实际功率的适应控制,最大限度地提高匹配效果,无节流和溢流损失。泵的输出压力比负载压力仅高出一个比例节流阀的进出压差的最佳匹配状态。在保压阶段,当系统压力达到先导式比例溢流阀设定的最高工作压力时,恒压阀使泵的排量迅速减少到除满足泵内部的泄漏外,输出流量接近于零,变成高压小流量的工况。系统不需要液压冷却系统。节电量可达40~70%博世力士乐公司把本公司的动态性能和精度都得到认可的DFE V4和伺服电机组合成变转速的DFEn复合泵控系统,弥补了普通异步电机和变频器响应慢的缺点,解决了交流伺服电机驱动定量泵系统因保压时间长电流大易引起电机本身过度发热而退磁的缺点,保证了系统高响应的特性及伺服电机的使用寿命。

2.1.1 应用技术科学发展原则重点研发方向

V4比例泵的输出功率与成型所需功率相匹配,系统无能量损耗,所以没有转变为噪声的能量。辅以蓄能器吸收柱塞泵脉动充击,降低泵运转噪声。电机仍为普通三相异步电机,成为泵源的噪声源。

V4比例泵的核心制造技术掌握在国外厂商手中,虽然国内V4比例泵于上世纪八十年代开始研发,但未成正果。V4比例泵进口价位高。这些因素造成V4比例泵节能降耗液压动力驱动系统不能在国内注塑机上得到推广应用。

2.2 电液比例恒压变量柱塞泵的液压动力驱动系统应用技术的科学发展原则的研究

电液比例恒压变量柱塞泵把恒压变量柱塞泵和比例控制有机地结合在一起,应用最新电子技术、传感技术来控制泵的输出流量和系统压力。日本油研公司A系列电液比例恒压变量柱塞泵,最高使用压力28 MPa,最低调节压力为0.7 MPa,最大排量达0.145 Lr,流量调节所需最低压力为2 MPa,流量控制滞环小于1%,重复精度误差小于1,压力控制滞环小于1%,重复精度误差小于1。电渡比例恒压泵作为液压系统的动力源, 既可连续地调节进入各执行机构的流量,又可使泵的输出压力跟踪执行机构在不同工况时的压力,压力、流量两者同时适应实际功率的适应控制,最大限度地提高匹配效果,无节流和溢流损失,是理想的高效的节能元件,比V4(有少量节流损失)还要节能。螺杆上安装位置传感器和转速传感器,反馈信号经转换后与设定值比较.将差值送到放大器,调节恒压变量泵流量输入信号,实现精密地控制螺杆的运动速度。

2.2.1 应用技术科学发展原则重点研发方向

系统无节流损失,有利于进一步降低系统传动噪声,辅以蓄能器吸收柱塞泵脉动充击,降低泵运转噪声。电机仍为普通三相异步电机,成为泵源的噪声源。

2.3 变频调速的液压动力驱动系统应用技术的科学发展原则的研究

变频器驱动普通三相异步电机,电机带动定量泵,通过调节电机的转速来改变泵输出的流量,从而基本达到无溢流损耗的目的,能效最高可提高50%。液压系统中不设流量比例阀,压力比例阀仍不可少。液压定量泵为适应转速变化的运转特点,应选用齿轮泵、螺杆泵。

变频调速液压动力驱动系统能耗缺陷是,定量泵的低速运行受到其结构及机构的特点,低速受到限制,一般400r/min为最低转速,低于此转速,其使用寿命便为大幅降低,所以在基本上不需液流量的保压、冷却的注塑工序,仍有液流损失,液流经过溢流阀有需要约0.5MPa的压力,所以能耗不能达到理想水平。在不需要保压、冷却的制品注塑工艺中,其能耗性能十分理想。

2.3.1 应用技术科学发展原则重点研发方向

应用技术泵源系统采用低噪声的叶片泵。大功率三相异步电动机建议为6极电机,以降低运转噪声。

变频调速一般运用于塑制品企业已有设备的技术改造,可获得显著的节能降耗的效果。

2.4 交流伺服电机驱动液压定量泵的液压动力驱动系统应用技术的科学发展原则的研究[3]

交流伺服电机驱动液压定量泵的液压动力驱动就是通过伺服交流电机变频调速,达到液压定量泵的流量匹配于执行机构的工作流量、通过系统的液压力的闭环控制自适应执行机构的驱动压力,交流伺服电机的功率因数接近1,所以其节能降耗的性能优于三相异步电机变频调速的液压动力驱动系统。由于液压动力驱动系统中定量泵的使用,所以存在与三相异步电机变频调速的液压动力驱动系统同样的能耗缺陷。

交流伺服电机驱动液压定量泵动力驱动系统中,对于插装阀较多的系统,为避免动作紊乱或保压不良等现象的发生,系统中应单独设置提供稳定控制压力的动力驱动泵源,以确保控制口的压力的相对稳定。回路中对控制油进行先期过滤,以确保控制油路的可靠性。

2.4.1 应用技术科学发展原则重点研发方向

国内的交流伺服电机与液压泵的联接结构型式决定其使用寿命周期的关键。日本油研公司也推出了交流伺服电机和油泵连为一体的刚性系统,以提高使用寿命周期。国内采用1500/min以下的弹性联轴节,而交流伺服电机1800r/min以上才能体现出其高速运行达到降低油泵排量规格的资源特性。弹性联轴节的启动、制动的冲击及在高速运行下的脉动对交流伺服电机的使用寿命周期产生极大的影响,事实证明,交流伺服电机与液压泵之间的弹性联轴节型式,交流伺服电机的使用寿命约为2年。作者采用刚性联轴节作为伺服电机与液压定量泵之间的联接型式已可靠运转6年。

在液压动力驱动系统中增加用于保压的极小排量的柱塞泵,实现在保压阶段的压力得到稳定输出,而输出流量接近于零。这样在保压阶段,系统不需其它液压泵运行,降低了能耗。与主动力驱动系统的交流伺服电机驱动液压定量泵系统实现性能上互补

2.5  交流伺服电机驱动双排量变量柱塞泵的液压动力驱动系统应用技术的科学发展原则的研究

交流伺服电机驱动双排量变量柱塞泵的特性可用来降低对伺服电机的扭矩负载,保压及高压合模所需的流量低但压力高,可将变量泵转为小排量,降低在低速时伺服电机的大电流产生的发热,更体现出高性能低能耗的特性,比配置定量泵的驱动源要多节约17%以上的电力

减小液压冲击,有利于降低冲击噪声。双排量变量柱塞泵具有双向运转功能,短时反转可将工作腔压力快速泄掉,极大提高生产效率及防止液压冲击。系统可根据不同工况对泵的排量进行控制,实现高压力、低扭矩的方式进行保压。

有效功率最大化。用小排量泵供给系统小流量的工序,维持电机的较高转速,消除交流电机低速而引起的线圈发热能量损失。高速运转的小排量驱动系统能提供极小流量工况下的长时间的保压、极低速成型及高压低速锁模,提高能效。运用小排量保压,达到更加精密稳定的保压压力,并实现最低的保压能耗。经过实际应用证明伺服电机与双排量变量柱塞泵组成的液压动力驱动系统除具有交流伺服电机与定量泵组成的液压控制系统所具有的性能之外,实现了按照液压系统实际需求的功率进行功率输出,达到有效功率最大化,具有最高的节能效果。

提高可靠性,降低资源消耗。交流伺服电机驱动双排量柱塞泵系统,保证了伺服电机始终处在最佳转速工况下工作,有利于延长伺服电机的使用寿命和可靠性,减少系统故障率。

扩大交流伺服动力驱动应用领域。直压锁模如不采用单向阀将锁模力锁住,便要靠电机油泵不停地工作来维持锁模力,双排量的小排量能提供长时间的保压及高压合模,维持锁模力

日精树脂工业 ( )采用了交流伺服电机直接驱动双排量变量柱塞泵,需要时可以提供所需的能量,适用于从薄到厚的塑料零件加工,比公司过去的液压注塑机节省能耗 55%东华机械有限公司交流伺服电机驱动双排量柱塞泵的Se系列注塑机,解决了一般交流伺服电机驱动定量泵在长时期低速保压过程中出现的温升级压力波动的性能缺陷,达到加工需较长时间保压的PMMA等工程塑料制品。

2.5.1 应用技术科学发展原则重点研发方向

 

伺服电机驱动双排量柱塞泵系统,大小排量之间平稳快速过度是需重点研发的课题。

交流伺服电机驱动双排量变量柱塞泵,辅以蓄能器吸收柱塞泵脉动充击,降低泵运转噪声。交流伺服电机驱动双排量变量柱塞泵的刚性连接系统有待研发,以提高运行可靠性及动态响应性能。

2.6油电复合动力驱动系统应用技术的科学发展原则的研究

油电复合动力驱动系统指泵源的主动力驱动为液压动力驱动,部分执行机构的动力驱动为交流伺服电机驱动。两者发挥各自的性能、功能,进行多种形式组合,是注塑机为实现创新注塑工程而开发的新的动力驱动形式。加拿大Husky公司注射PET瓶坯的PET400瓶坯专用注塑机,交流伺服电机直接驱动挤出塑化,液压动力驱动注射活塞实现熔融料注射,各自独立动力驱动互不干扰的系统,缩短了注射塑化时间,提高了生产率;提高了计量精度和塑化质量;降低了能耗。由于塑化独立于周期之外,可延长熔料在机筒中的滞留时间,提高了物料混炼塑化的均匀性,提供了实现低温塑化的足够时间,减少因物料经受过渡剪切可能造成物料急剧升温产生热分解的几率。

2.6.1 应用技术科学发展原则重点研发方向

开发多种形式油电复合驱动:1) 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;2) 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。