注塑包裝設(shè)備節(jié)能化研究

1 前言

節(jié)能技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用是注塑包裝機(jī)發(fā)展的又一突出重點(diǎn)。節(jié)能技術(shù)的研發(fā)重點(diǎn)是伺服動(dòng)力驅(qū)動(dòng)節(jié)能系統(tǒng)、塑化加熱節(jié)能系統(tǒng)、節(jié)能執(zhí)行機(jī)構(gòu)。能量的回收利用成為節(jié)能技術(shù)研發(fā)的又一個(gè)重要課題。

2 伺服節(jié)能液壓動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)定量泵系統(tǒng)是近年發(fā)展的一種先進(jìn)的高性能節(jié)能系統(tǒng)。注塑包裝機(jī)的能耗性能主要反映在動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式及能量轉(zhuǎn)換效率，以及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式上。伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵節(jié)能動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要有以下幾種型式：交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺桿泵系統(tǒng)；交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)內(nèi)嚙合齒輪泵系統(tǒng)；交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)柱塞定量泵系統(tǒng)；交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)柱塞變量泵系統(tǒng)；交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)雙排量變量柱塞泵系統(tǒng)；交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)負(fù)載敏感泵系統(tǒng)。

根據(jù)注塑包裝機(jī)的特點(diǎn)進(jìn)行創(chuàng)新拓展，提升注塑包裝機(jī)的性能和擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，達(dá)到高性能和高效節(jié)能，是注塑機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，也是進(jìn)一步研發(fā)的課題。

高性能的伺服變速動(dòng)力控制系統(tǒng)，在成型過(guò)程中針對(duì)不同的壓力流量，調(diào)整相應(yīng)的頻率輸出，形成對(duì)壓力、流量的精確閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)塑機(jī)能量需求的自動(dòng)匹配和調(diào)整，可節(jié)省電量40%～80%，同時(shí)提高系統(tǒng)的精密控制性能。提高其成型功能和擴(kuò)大成型能力，可達(dá)到節(jié)能和性能的雙重優(yōu)勢(shì)，使注塑機(jī)升級(jí)。機(jī)筒加熱節(jié)能潔凈環(huán)保化。

傳統(tǒng)的電阻絲加熱圈本體向外表面散發(fā)熱量，熱效率僅為40～60%，周圍環(huán)境溫度高，不但浪費(fèi)能量，而且影響周圍的工作環(huán)境，造成環(huán)境污染及交叉污染，降低了成型包裝制品的潔凈度。機(jī)筒加熱潔凈環(huán)?；凸?jié)能化成為成型潔凈注塑包裝制品的機(jī)筒塑化加熱的研發(fā)重點(diǎn)。

3 節(jié)能潔凈化機(jī)筒電磁感應(yīng)加熱裝置

電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)的工作原理是高頻電磁感應(yīng)加熱使機(jī)筒本身自行高速發(fā)熱，熱能是由料筒金屬整體產(chǎn)生，溫度控制實(shí)時(shí)準(zhǔn)確，料筒內(nèi)外溫度一致，明顯改善了產(chǎn)品的質(zhì)量和提高了生產(chǎn)效率，熱效能遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的加熱元件，溫度控制實(shí)時(shí)準(zhǔn)確，塑化節(jié)電率可達(dá)30~50%。

使用電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)后，表面的溫度在50℃以下，避免傳統(tǒng)電阻發(fā)熱圈加熱方式輻射到空氣中的能量，可顯著降低環(huán)境溫度，杜絕了因表面高溫引燃附著物發(fā)生不安全事故，不會(huì)燒焦吸附在它表面的塑料顆粒、油污、灰塵等異物，不會(huì)產(chǎn)生有害氣體，保證了成型制品不受環(huán)境污染。

4 機(jī)筒智能補(bǔ)償加熱節(jié)能系統(tǒng)

機(jī)筒加熱圈仍采用常規(guī)的電阻絲加熱圈，加熱圈外側(cè)包覆智能補(bǔ)償加熱節(jié)能罩。智能補(bǔ)償加熱節(jié)能罩由高溫絕緣罩、散熱罩、中空纖維儲(chǔ)能隔熱棉、鈦合金編織層、熱激發(fā)自生熱層等組成。控制裝置由熱激發(fā)定時(shí)器、熱激發(fā)附件、熱激發(fā)轉(zhuǎn)換器等組成。熱激發(fā)自生熱層采用航天熱激發(fā)材料。航天熱激發(fā)材料由四十多種稀有金屬和稀土組成，在高負(fù)壓狀態(tài)、超高溫、超音頻磁力線穿透等條件同時(shí)具備的條件下可改變自身特性，可使混合物在自然環(huán)境下當(dāng)溫度超過(guò)121℃時(shí)，在超音頻磁場(chǎng)作用下自身發(fā)熱，其自身溫度和環(huán)境溫度的差保持在10℃～30℃之間。

當(dāng)機(jī)筒加熱圈工作溫度超過(guò)121℃時(shí)，在超音頻磁場(chǎng)的作用下，熱激發(fā)材料自身發(fā)熱，其自身溫度隨料筒設(shè)定溫度的高低而變化。當(dāng)產(chǎn)生多余熱量時(shí)會(huì)被鈦合金中空纖維儲(chǔ)能隔熱棉吸收，當(dāng)環(huán)境溫度低于鈦合金中空纖維儲(chǔ)能隔熱棉時(shí)，它會(huì)釋放多余的熱量，從而達(dá)到為加熱圈補(bǔ)熱的功效。實(shí)踐證明：采用本技術(shù)，發(fā)熱效率高，節(jié)能40%-80%；降低環(huán)境溫度；少用降溫設(shè)備，二次節(jié)電；熱能得到充分利用，減少預(yù)熱時(shí)間，提高工作效率；可使加熱圈工作時(shí)間減少一半，明顯延長(zhǎng)加熱圈的使用壽命，減少維修費(fèi)用，降低產(chǎn)品成本。

5 納米紅外節(jié)能加熱圈

納米紅外節(jié)能加熱圈采用高分子納米發(fā)熱合金，加熱圈表面經(jīng)高分子遠(yuǎn)紅外材料做特殊處理后，能夠產(chǎn)生特定波長(zhǎng)紅外線，傳熱過(guò)程熱損耗小，傳熱效率在99%以上，并有效提升加熱速度；加熱圈的表面溫度僅為50—70℃，對(duì)環(huán)境溫度影響小，且能有效的降低工作車間的室溫5—10℃。節(jié)能率高達(dá)40%—70%。納米紅外節(jié)能電熱圈無(wú)任何外接設(shè)備，可做到傳統(tǒng)加熱圈的內(nèi)徑一樣、寬度一致、段數(shù)一致、功率一致，直接用于取代傳統(tǒng)的加熱圈。

6 交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)泵源系統(tǒng)能源再生利用

交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)泵源系統(tǒng)基本上無(wú)多余能量損害，但在工作過(guò)程中，頻繁剎車及減速過(guò)程中，伺服電機(jī)本身發(fā)出電能，如果得不到應(yīng)用就造成浪費(fèi)。

在注塑機(jī)交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)泵的液壓系統(tǒng)中增加伺服驅(qū)動(dòng)制動(dòng)回收單元，達(dá)到存儲(chǔ)伺服永磁同步電機(jī)在剎車制動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的電能，同時(shí)能夠?qū)⒋穗娔茚尫诺阶⑺軝C(jī)的工作過(guò)程中。在直流母線上串入伺服驅(qū)動(dòng)制動(dòng)回收單元，以減少制動(dòng)電阻消耗的能量。制動(dòng)電阻和伺服驅(qū)動(dòng)制動(dòng)回收單元并聯(lián)一起，用以消耗伺服驅(qū)動(dòng)制動(dòng)回收單元儲(chǔ)存完成后多余的電能，保護(hù)伺服驅(qū)動(dòng)制動(dòng)單元和伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。伺服電機(jī)在剎車及減速過(guò)程中產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)換為電能，通過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)器中的逆變模塊單元和直流母線，將電能存儲(chǔ)在伺服驅(qū)動(dòng)制動(dòng)回收單元中。而當(dāng)系統(tǒng)重新提供電能開(kāi)始工作時(shí)，伺服驅(qū)動(dòng)制動(dòng)回收單元中的電能首先釋放，能源再生單元儲(chǔ)存的能量將通過(guò)直流母線回放到系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)存能量和釋放能量的雙向作用，當(dāng)電壓低于整流模塊輸入的電壓時(shí)，才使用外部電能，從而達(dá)到節(jié)能的目的。在注射成型工況須要頻繁的啟動(dòng)及制動(dòng)，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)組件的慣量動(dòng)能在制動(dòng)時(shí)可通過(guò)伺服電機(jī)產(chǎn)生電能，在經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，并?chǔ)存在電容內(nèi)，當(dāng)伺服電機(jī)在下一周期啟動(dòng)時(shí)，電容放電再經(jīng)驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)成所需脈沖電流驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)。大同有限公司國(guó)內(nèi)首創(chuàng)的“伺服液壓驅(qū)動(dòng)制動(dòng)能源再生利用裝置”，節(jié)能可達(dá)25～80%。阿博格公司AllrounderH系列注塑機(jī)，動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中增加了交流伺服電機(jī)制動(dòng)能源再生利用和蓄能器輔佐驅(qū)動(dòng)，節(jié)能可達(dá)到40%。

7 全電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)能源再生利用

Netstal的ELION系列全電動(dòng)注塑包裝機(jī)，把伺服電機(jī)制動(dòng)過(guò)程產(chǎn)生的能量直接進(jìn)入過(guò)渡電路，儲(chǔ)存在電容電路中，這意味著產(chǎn)生的制動(dòng)能量不必轉(zhuǎn)化成熱量，尤其是在注射循環(huán)期間，可以成為總能耗的一個(gè)重要部分。例如，當(dāng)塑化過(guò)程發(fā)生在模具打開(kāi)時(shí)，產(chǎn)生的制動(dòng)能量可從過(guò)渡電路中汲取旋轉(zhuǎn)螺桿所需的能量。因此，該能量并不是取自電源供應(yīng)網(wǎng)路，并且產(chǎn)生的能耗相應(yīng)減少。與液壓注塑機(jī)相比，ELION系列注塑包裝機(jī)能耗減少了70%，比常規(guī)的全電動(dòng)注塑機(jī)能耗低10%以上。

8 熱能回收利用的干燥原料節(jié)能系統(tǒng)

傳統(tǒng)的PET干燥機(jī)占到瓶坯加工總能耗的25%。干燥PET時(shí)，大約有60%～65%的能量用于提高樹(shù)脂溫度以蒸發(fā)水分，30%～35%的能量用于干燥劑的再生，僅有5%～10%的能量用于鼓風(fēng)機(jī)和電機(jī)的運(yùn)行。Novatec公司推出了兩項(xiàng)干燥機(jī)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)PET干燥過(guò)程的節(jié)能。

干燥溫度自適應(yīng)節(jié)能控制。最大限度降低加熱所消耗的能量。通過(guò)測(cè)量加入樹(shù)脂的溫度可離開(kāi)干燥料斗的回風(fēng)溫度，調(diào)節(jié)送入干燥料斗的氣流量，使回風(fēng)（從干燥料斗返回干燥機(jī)中）溫度略高于加入干燥料斗中的樹(shù)脂溫度，達(dá)到在確保樹(shù)脂溫度情況下，將氣流量減到最少實(shí)現(xiàn)干燥加熱的能量最小化?？刂苹仫L(fēng)溫度即控制送入干燥料斗的氣流速率，也就是通過(guò)改變鼓風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度。鼓風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度通過(guò)變頻驅(qū)動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)。干燥溫度自適應(yīng)控制與傳統(tǒng)技術(shù)相比，可降低30%的干燥能耗。

干燥劑再生自適應(yīng)節(jié)能控制。最大限度降低干燥劑再生過(guò)程所消耗的能量。通過(guò)變頻驅(qū)動(dòng)裝置使干燥輪轉(zhuǎn)速被控制在一個(gè)適當(dāng)?shù)乃?，不管?shù)脂中水分含量有多少，干燥輪都能用最少的氣流來(lái)除去干燥過(guò)程回風(fēng)中的所有水分，而不會(huì)有多余的氣體帶走熱量；同時(shí)確保干燥劑露點(diǎn)溫度維持在恒定的-40℃，從而減少每分鐘需要加熱的干燥劑的用量。變頻驅(qū)動(dòng)裝置將氣流量控制在能夠確保充分吸收干燥劑中水分的最低水平，從而使干燥劑再生過(guò)程中在干燥輪上熱散失最小。該技術(shù)可節(jié)省30%的干燥劑再生能耗。Conair公司推出了采用熱量再生利用技術(shù)的新型除濕干燥節(jié)能系統(tǒng)Energysmart，通過(guò)將離開(kāi)干燥料斗的熱空氣和除濕空氣回路合并帶一起，使以往浪費(fèi)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熱節(jié)能系統(tǒng)

傳統(tǒng)干燥機(jī)節(jié)能發(fā)熱元件是電熱管及陶瓷紅外線等耗電高、壽命短之加熱元件。采用可調(diào)高效率熱風(fēng)元件，瞬間產(chǎn)生的磁熱分子，利用鼓風(fēng)機(jī)將熱分子吹送到需熱干燥的塑料原料上，達(dá)到干燥加溫的效果。發(fā)熱元件所產(chǎn)生的95%熱量，由風(fēng)扇的對(duì)流空氣傳達(dá)至被加熱的物體上。傳統(tǒng)加熱鎢絲只能吹出30%的熱量。升溫快、溫度恒定、節(jié)電可達(dá)30%以上。

張家港市聯(lián)達(dá)機(jī)械有限公司LDYW-200型紅外線結(jié)晶除濕干燥系統(tǒng)，結(jié)晶-除濕-干燥三位一體一次完成，時(shí)間短、效率高、能耗低，幾乎不破壞原料結(jié)構(gòu)。

TrueBlendPETTM回收料混合器，始終保持回收材料和新料在被喂入注塑機(jī)之前處于分離狀態(tài)，可避免在喂入過(guò)程中可能造成的物料比例的變化；具有不同體積密度、流動(dòng)性能的新料和再生料的混合料到達(dá)喂口的速度更快；獨(dú)特的干燥系統(tǒng)和隔熱結(jié)構(gòu)，混合過(guò)程中物料干燥不需要熱量輸入，降低了能耗。

10 結(jié)論

伺服電機(jī)的推廣應(yīng)用，為油電復(fù)合驅(qū)動(dòng)開(kāi)辟了發(fā)展道路，提高了注射性能，擴(kuò)大了注射功能。油電復(fù)合驅(qū)動(dòng)注塑機(jī)發(fā)展迅速，特別在歐洲，國(guó)內(nèi)應(yīng)用也有逐漸增長(zhǎng)的趨勢(shì)。油電復(fù)合驅(qū)動(dòng)，發(fā)揮伺服驅(qū)動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)的各自優(yōu)勢(shì)，滿足特定注射成型的要求。電動(dòng)—液壓復(fù)合式注塑包裝機(jī)，集合全電動(dòng)及全液壓兩類注塑包裝機(jī)之優(yōu)勢(shì)，是注塑包裝機(jī)發(fā)展方向。液電復(fù)合驅(qū)動(dòng)有多種形式：按部件驅(qū)動(dòng)分為：合模伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，注射液壓驅(qū)動(dòng)；合模液壓驅(qū)動(dòng)，注射伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)；按部件內(nèi)部驅(qū)動(dòng)分為：塑化伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，注射液壓驅(qū)動(dòng)；鎖模伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，頂出液壓驅(qū)動(dòng)。

廣東伊之密精密機(jī)械有限公司、廣州一道注塑機(jī)械有限公司等企業(yè)的PET瓶坯注塑機(jī)塑化注射普遍采用擠注復(fù)合塑化機(jī)構(gòu)，一改以往的采用普通同軸一線式往復(fù)式螺桿塑化注射機(jī)構(gòu)成型瓶坯結(jié)構(gòu)。擠注復(fù)合塑化機(jī)構(gòu)，交流伺服電機(jī)獨(dú)立擠出塑化的注射儲(chǔ)料，有利于大容量塑化熔融料的比容均一性，增加成型腔數(shù)，達(dá)到高速高質(zhì)量高產(chǎn)量塑化注射。Netstal公司的ELION2800—2000液電混合驅(qū)動(dòng)注塑機(jī)，全電動(dòng)合模單元與液壓注塑單元相結(jié)合，成型一模96腔的HDPE料的瓶蓋，成型周期不到2.5s，與傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)ELION2200—2000相比，節(jié)能達(dá)30%。